缝纫机脚踏板出现“顶死”现象的分析

【摘 要】 曲柄摇杆机构中若摇杆为主动件，曲柄为从动件，当摇杆处于左右两个极限位置时，连杆与曲柄处于共线的位置，摇杆经连杆传递到曲柄上的作用力，刚好通过曲柄的回转中心，无法使曲柄转动，出现顶死现象。机构的这个位置称为死点位置。对传动机构来说，死点位置是不利的。怎样通过死点位置保证机构继续正常运转？方法一：利用从动曲柄本身的质量或附加一转动惯性大的飞轮；方法二：增设辅助构件；方法三：采用多组机构错列。

【关键词】 铰链四杆机构 曲柄摇杆机构 死点位置 惯性

脚踏式缝纫机如图2所示。当踏板往复摆动时连杆使曲轴作整周转动，再经过带传动使机头主轴转动进行缝纫作业。可见缝纫机是由多个实体组成的具有机械运动的装置，这种人们根据使用要求而设计的执行机械运动的装置称为机器。

按照工作类型的不同，机器可以分为动力机器、加工机器、运输机器和信息机器等。动力机器是用以将机械能变换成其他形式的能量，或者将其他形式的能量变换成机械能的机器。电动机、内燃机、发电机等都属于动力机器。加工机器 用来改变物料的状态、性质、结构和形状。机床、粉碎机、轧钢机、缝纫机等都是加工机器。运输机器 用来改变人或物料的空间位置。汽车、飞机、电梯、火车等均为运输机器。信息机器是用以实现信息的变换、处理和传递的机器。复印机、打印机、数码相机等皆为信息机器。

不同机器的结构形式和用途各不相同，然而，一部完整的机器就其基本组成来讲，一般都有下面三个部分：动力部分、执行部分和传动部分等。动力部分是机器完成预定功能的动力源。执行部分是直接完成工作任务的部分，其运动形式因机器的用途不同而异。传动部分是介于动力部分和执行部分之间，用以完成运动和动力的传递和转换的部分。脚踏式缝纫机的动力部分是操作者，执行部分是机头，传动部分是踏板机构（脚踏板、连杆和曲柄组成的铰链四杆机构）和皮带传动组成。

机构是用来传递运动和动力的构件系统。缝纫机的踏板机构（铰链四杆机构）是由踏板、连杆、曲轴和机架等四个构件组成的一个系统。构件是组成机器的各个相对运动的实体。如图2所示的铰链四杆机构，将踏板的运动传递给带传动也就是将摆动运动变换成回转运动。可见，机构主要用来传递或变换运动。为了使各构件间具有一定的相对运动，构件之间必定要以某种方式连接起来。这种使两构件直接接触并能产生一定形式的相对运动的连接称为运动副，如图2中的踏板与机架、踏板与连杆、连杆与曲轴、曲轴与机架之间的连接。两构件通过点接触或线接触组成的运动副称为高副。两构件通过面接触组成的运动副称为低副，这时两构件只能作相对移动或转动。允许两构件作相对移动的低副称为移动副。允许两构件作相对转动的低副称为转动副或铰链，如图2中踏板与机架、踏板与连杆、连杆与曲轴、曲轴与机架组成的运动副都是转动副。该机构由踏板、连杆、曲轴和机架等四个构件和四个转动副（铰链）组成，所以我们把缝纫机的踏板机构叫做铰链四杆机构。

铰链四杆机构中，与机架（用来支承活动固件的构件）相连的构件称为连架杆，不与机架相 连的构件称为连杆。缝纫机的踏板机构里踏板和曲轴与机架相连，是连架杆。连架杆相对于机架能作整周转动的称为曲柄，不能作整周转动的称为摇杆。根据连架杆的运动规律，铰链四杆机构分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构等三种基本形式。缝纫机的踏板机构属于铰链四杆机构的曲柄摇杆机构形式。

图2所示为缝纫机的踏板机构。图1所示为该机构的运动简图。图1所示的构件a（曲轴）是曲柄。构件c（踏板）是摇杆。构件b是连杆，连杆是连接曲柄和摇杆的构件。当踏板c往复摆动时杆b使杆a作整周转动，再经过带传动使机头主轴转动。

曲柄摇杆机构有两种运动特性：（1）若以曲柄为原动件（运动规律已知的活动构件），则将曲柄的转动变换为摇杆的摆动，如汽车前窗刮雨器。（2）若以摇杆为原动件，则将摇杆的摆动变换成曲柄的转动，如缝纫机的踏板机构。初学缝纫机的人或当你踩缝纫机踏板时，由于操作不当，经常出现缝纫机的脚踏板在处于最高和最低两个极限位置时，缝纫机蹬不动或带轮反转的现象。这是为什么呢？

下面详细讨论摇杆为原动件的曲柄摇杆机构的运动特点。

如图3所示，以摇杆CD为主动件（原动件），它绕D点往复摆动，曲柄AB为从动件（随原动件的运动而运动的活动构件）。当运动过程中摇杆CD处于图中双点画线所示的左右两个极限位置C1D和C2D时，连杆BC有两次与曲柄AB共线，既图中双点画线所示的两个位置B1AC1和AB2C2。这时，摇杆CD经连杆BC传递到曲柄AB的作用力，刚好通过曲柄AB的回转中心A点，此时作用力对A点不产生力矩（在力学上用力与力臂的乘积及其转向来度量力使物体转动的效应，称为力矩），即推动曲柄AB转动的力矩为零，无法使曲柄转动。出现“顶死”现象，机构的这个位置称为死点位置。死点位置常使机构从动件无法运动或出现运动不确定现象。

缝纫机的脚踏板在处于最高和最低两个极限位置时正是曲柄与连杆共线，缝纫机蹬不动的，其原因正是机构处于死点位置而造成的。对传动机构来说，死点位置是不利的。怎样通过死点位置保证机构继续正常运转？方法一：利用从动曲柄本身的质量或附加一转动惯性（物体保持原来运动状态的一种特性，不论这种运动状态是静止还是平动，或是转动）大（我们把更容易保持原来状态的物体，称其惯性大）的飞轮；方法二：增设辅助构件；方法三：采用多组机构错列。

曲柄上安装飞轮，飞轮是个储能器，具有适当转动惯量、起贮存和释放动能作用的转动构件，在机械中广泛应用。飞轮是在力的作用下转动起来，但是这个时候的转动是非常被动的，非常吃力的。一旦它的受力失去的话，马上就会停止下来，只有不断的加力或使力持之以恒，才可以使所受的力越来越接近临界点。当飞轮所受力达到临界点时，飞轮的重力和冲力会成为推动力的一部分，由于牵引力和惯性的存在，即使飞轮所受力失去的时候，飞轮也可以在一定的时间内转动。利用飞轮的惯性闯过死点位置。在缝纫机主轴右端的皮带轮做得比较大（惯性的大小只与物体的质量有关，飞轮的转动惯量正比轮的直径和飞轮的质量），除了传递运动外，还兼有储存能量的飞轮作用。在正常运转时，可协助带轮的惯性作用，使机构顺利通过死点位置。

参考文献：

[1]黄森彬.机械设计基础（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2008.6.

[2]栾学钢，赵玉奇，陈少斌等.机械基础（多学时）[M]..北京：高等教育出版社，2010.7.