空间连杆机构在机械系统的应用

空间连杆机构在机械系统中的应用

摘要:空间连杆机构在实现构件的空间运动方面, 与其他机械机构相比, 具有构件数少、结构简单等优点, 而且可实现平面机构不可能实现的某些运动，所以,空间连杆机构在轻工( 缝纫、针织、制鞋、制革等) 机械中有着广泛的应用, 在农业机械、交通工具、化工机械、仪器仪表以及各种控制装置中也有其应用的实例, 尤其在机器人、机械手机构中, 空间连杆机构几乎占着主导地位。

关键词：空间连杆机构；连杆机构实例；

正文：

平面多连杆机构作为传动机构，其优势是能够实现设计者所期望的多种运动规律和运动轨迹的要求，而且结构简单，容易制造，工作可靠。但欲使某简单机构实现复杂的运动要求时，该机构的设计过程通常是十分艰难的。随着生产的发展，机构的载荷与速度不断提高，对平面多连杆机构设计的要求也越来

越高。因此，如何设计可满足各种工程要求的平面多连杆机构，一直是该领域的重要课题。本报告会举例出使用空间连杆机构的三个例子，并对其进行分析，使我们获得一个空间连杆机构的直观感受。

一．石油钻井台

石油钻头试验机原理如图1 所示, 可模拟石油钻头钻井过程, 以便用来

测试石油钻头的各项性能。钻头试验机原理图模拟工作时, 2 个液压缸向下拉横梁, 横梁通过推力轴承推动钻杆向下运动, 钻杆穿过转盘( 转盘由动力装

置驱动, 除了旋转不可移动) 后接1个万向联轴节( 非普通设计) , 连接着是长3m 的钻杆,在钻杆的顶端装有钻头, 钻头在轴向力及转盘扭矩的共同作用

下向石块( 或铁块) 中钻进, 钻杆移动的行程为1. 2m。钻头在钻进过程中，由于受到很大的冲击轴向力与径向力作用, 振动非常剧烈。尤其是位于钻杆顶部的钻头, 因钻杆为悬臂, 所以其刚性很差, 且随着1. 2m 行程的加大, 钻头到转盘之间的钻杆悬臂长度也加长, 刚性进一步削弱, 最终使石油钻头打出

图 1 石油钻井平台的连杆机构

的孔，形状很不规则, 钻头也会因此而发生早期异常损坏。为了防止以上情况的发生, 必须设计钻杆的导向( 扶正) 装置。通常钻杆导向装置的设计, 多采用平面机构, 方法较多, 但从原理上讲都属于导向式设计,即一个固定, 一个移动, 除重合段外, 固定( 或移动) 段长度≥1. 2m。钻头在钻进时从钻头芯部喷出大量的冷却水( 钻杆是空心的) , 一方面是为了冷却钻头工作时发出的巨大热量, 另一方面也为了排出碎屑。这些冷却水夹着碎屑四处飞溅, 使导向装置的工作环境非常恶劣, 极易损坏, 且结构复杂, 制造与维护成本较高。通过精心构思, 我们研究出一种空间连杆机构对钻杆进行导向( 扶正) , 称为空间套筒, 较好地解决了上述问题。

二. 空间套筒简介

在钻杆的外部通过一对轴承连接1 个可以旋转的套筒, 套筒在其周边3 个等分方向上伸出3 个臂, 每个臂通过球铰与连杆相接, 连杆的另一端也通过球铰与机架相连。当处于1. 2m 行程的中间位置时, 套筒圆盘面( 3个臂的球铰中心A B C 形成的面) 与连杆机架固定球铰的3 个中心E FG 在同一水平面上。此时, 套筒外伸臂与连杆之间形成一个折叠的夹角, 呈收拢状态, 当钻杆向上( 或向下) 运动时,套筒旋转, 套筒臂与连杆之间呈展开状态, OE 的距离变长。当钻杆上下移动和旋

图 2 空间套套筒连杆机构

转时, 套筒与钻杆之间都会发生相对旋转。其导向原理为: 3 套连杆呈空间对称之势, 当存在1 个外力假设使钻杆向某一方向偏移运动时, 套筒发生旋转, 3 套连杆的中心距会发生相应的改变, 否则, 3 套连杆不再呈空间对称状态, 产生干涉, 从而使钻杆只能沿其固定的中心线方向移动。从以下自由度的计算, 也能说明这一点。

三、瓦特连杆

瓦特连杆是由英国传奇发明家兼工程师詹姆斯-瓦特所发明的。别克英朗，奔驰A级，B级车均采用这种结构，用于扭力梁悬架上，一次来减少后轮侧向对车轮前束的影响。也减少了在转弯时侧向力产生的离心，使两侧车轮手里始终与路面

图 3 瓦特后悬挂连杆

保持最适宜的接触，达到最佳的附着力。一方面提高了车辆的驾乘舒适性，也加强了车辆循迹性。一套三连杆组成的中央控制臂被安置在一个铝制方形封盖后方，当控制臂被从左边推动，别克英朗，奔驰A级，B级车均采用这种结构，用于扭力梁悬架上，一次来减少后轮侧向对车轮前束的影响。也减少了在转弯时侧向力产生的离心，使两侧车轮手里始终与路面保持最适宜的接触，达到最佳的附着力。一方面提高了车辆的驾乘舒适性，也加强了车辆循迹性。

一套三连杆组成的中央控制臂被安置在一个铝制方形封盖后方，当控制臂被从左边推动，如图4所示。

图 4 奔驰车使用的瓦特连杆系统

它就向右边拉动，反之亦然。这样的话，车子的动力就在左右轮中得到了很好的平衡。当汽车在专项的时候，离心力会作用在车轮上。瓦特连杆的作用就是平衡两边车轮上的这些离心力，将这些力反转到另一边。这样，两边车轮就能始终与路面保持最适宜的接触，而汽车在转向时也就能变得更加灵活。利用了瓦特连杆以后，从实际的操控效果来看，完全不亚于配备普通独立悬挂的后轴车型。扭力杆保证了汽车在转向时，垂直作用力能够被平均地分配作用到两个后轮。这是通过轮轴的轻微扭曲（扭矩）来完成的，其自身的特性让这个过程成为了可能。就其制造工艺来说，采用粉末烧结锻造工艺生产汽车发动机连杆；用钛合金制造汽车发动机连杆，可大幅度地减轻连杆的质量，而采用压力渗透工艺生产的50%SiCp 增强铝基复合材料已达到弹性模量为2X105 N/mm2、弯曲强度为800N/mm2、弯曲疲劳强度为200N/mm2的性能指标，极具应用前景。

多连杆机构的一个典型应用实例就是用于机械压力机的传动装置。机械压力机是用曲柄连杆或肘杆机构、多连杆机构传动，工作平稳，工作精度高，操作条

件好，生产率高，易于实现机械化和自动化，适宜在自动线上工作。在现代机械压力机上，用多连杆机构替用一般曲柄滑块机构已成为当前压力机结构发展的方向之一。这是因为：

(1)多连杆机械压力机滑块具有明显的急回运动特性，下行程所用工作角度大于返回行程，也就是说，工作行程中可以为机械手提供充分的操作时间，以实现自动化生产。

(2)多连杆机械压力机在工作区间，滑块速度平稳，并且大大低于曲柄压力机，这有利于提高变形较大的拉伸件的质量，同时减少模具间的冲击，延长模具使用寿命。多连杆压力机是一种以多连杆机构为传动形式的新型压力机。多连杆压力机能够实现压紧、慢进快回功能，在双动压力机上这两种动作协调配合，能同时实现板料的压紧、拉延。结构简单，且能提高工作效率。因此，多连杆变速压力机在世界范围内得到广泛应用。而传动机构的优化是这种压力机设计中的关键技术。它的问题一旦解决，就可以据此来设计其他的相关部件，例如电机、传送带的选取。

总结

连杆机构的设计和应用，特别是动力学分析国内还处在很初级的学习研究阶段，如何缩短和国际水平的差距是我们需要面对的问题。作为传动系统的多连杆机构的设计问题是其能否创新的关键所在。基于多连杆机构设计的特殊性，计算机辅助机械系统设计是多连杆设计发展的必然方向，

参考目录

1 机械工程手册( 第二版) 第四册. 机械工业出版社, 1996, 9

2 黄锡恺, 郑文伟. 机械原理( 第六版) . 清华大学出版社。