机构死点位置的分析与应用
机构死点位置的分析与应用
作者：钱雄伟
来源：《职业·中旬》2011年第08期
一、死点位置的物理现象
如图1所示，当平面连杆机构以曲柄AB 为主动件时，机构各构件的运动情况非常顺畅，而当机构以摇杆CD 为主动件，在运行至连杆BC 与从动件AB 处于共线位置时，机构有可能出现卡死停顿现象，并下一瞬时的运动方向不确定，这即为机构的死点位置。对于以传动为主要目的机构而言，死点位置显然是有害的，必须有克服死点危害的办法。而有些机械却可以利用死点，满足工作中的某些特殊要求，这时死点位置变得有利了。故正确认识死点位置，在机构中科学设计，合理利用有重要现实意义。
二、死点位置的本质
以图1的曲柄摇杆机构为例，分析机构处于死点位置的力学状态。从动件曲柄AB 的运动来自连杆BC 的传递，在死点位置时，AB 与BC 处于共线，此时二力杆BC 沿着AB 杆传力，通常情况下，经BC 杆传递到从动件上的力F ，可分解为从动件上受力点运动曲线的切线与法线两个方向的力，分别称为有效力Ft 和有害力Fr ，它们与传递力F 和压力角α （受力点的受力方向和运动线速度方向的夹角，图中未给出）的关系为：F t=Fcosα，Fr=Fsinα。
在死点位置，压力角等于90°，有效力等于零，即连杆CD 无法推动从动件AB 实现绕A 点的转动，机构可能出现卡死，而且在此位置重新运动，AB 杆的运动方向将不确定，下一瞬时有可能作顺时针转，也可能作逆时针转。
可见，机构死点位置的实质是从动件上的压力角等于90°，推动从动件运动的有效力为零（如为转动构件，则该位置的传力构件对从动件的有效转矩为零）——此为动力特性。机构在此位置的卡死或运动方向的不确定为其运动特性。
三、机构死点位置的判断
图1的曲柄摇杆机构当以曲柄AB 作为主动件，摇杆CD 作为从动件时，机构无论在哪个位置并未出现前述的死点现象，而当以摇杆CD 作为主动件，曲柄AB 作为从动件时，在曲柄AB 与连杆BC 共线的两个位置（图中虚线位置），机构出现了死点现象。
由此可见，机构有无死点位置与从动件是否与连杆共线有关。根据死点位置实质可判断：
1.曲柄摇杆机构
曲柄为主动件时，机构无连杆与从动件共线位置，机构无死点；摇杆为主动件时，曲柄与连杆共线的两位置，即机构的死点位置（图1中的虚线位置）。
2.双曲柄机构
对于平行四边形机构（图2）与反平行四边形机构（图3），在曲柄与连杆的两共线位置，即是机构的死点位置(图中没有给出此时从动件上的受力F 与受力点的线速度几何关系) ，而其他的双曲柄机构则不存在连杆与曲柄共线情况，也就不存在死点位置。
3.双摇杆机构
当机构满足长度和条件，即最长杆与最短杆长度之和小于等于其余两杆长度之和，且连杆为最短杆时，无论以两连杆的哪一个作为主动件，均会出现从动件与连杆共线位置，即为该机构的死点位置（图4）。
4.曲柄滑块机构
无论是对心曲柄滑块机构（图5）还是偏置曲柄滑块机构（图6），当以曲柄为主动件时，机构均无死点位置；而以滑块为主动件时，从动件曲柄与连杆的两共线位置，即是机构的死点位置。
5.摆动导杆机构
当机构以曲柄为主动件时，机构无死点位置；而机构以导杆为主动件时，在导杆的两个极限位置，导杆与曲柄相互垂直，导杆经滑块传递给曲柄的有效转动力矩为零，机构处于死点位置（图7）。
6.转动导杆机构
机构无论以哪个杆件作为主动件，均无死点位置。
由上述可知，死点位置存在于某些机构中，且必定是从动件与连杆共线时刻，这样的位置总是成对出现。
四、死点位置的克服
对存在死点位置的机构，其有害性必须克服。主要针对办法有：
对双摇杆机构而言，只要避免机构在死点位置工作，即主动件摇杆不处于图4的虚线位置工作，工作角度在摇杆极限摆角之内就可避免死点出现。