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        變自由度機(jī)構(gòu)的探究及應(yīng)用

        2015-12-10 09:05:18樊曉璇張延強(qiáng)馮立艷
        山東工業(yè)技術(shù) 2015年24期
        關(guān)鍵詞:創(chuàng)新應(yīng)用機(jī)構(gòu)

        樊曉璇+張延強(qiáng)+馮立艷

        摘 要: 通常條件下,機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的自由度是不改變的。然而在學(xué)習(xí)與工作中,經(jīng)常會(huì)遇到自由度變化的機(jī)構(gòu)。筆者結(jié)合應(yīng)用實(shí)例深入分析了造成自由度改變的原因、機(jī)構(gòu)的功能以及自由度變化的目的。本研究無疑為將來設(shè)計(jì)出運(yùn)行穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性更優(yōu)良的新機(jī)構(gòu)打下基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:自由度;機(jī)構(gòu);創(chuàng)新應(yīng)用

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.255

        1 前言

        機(jī)構(gòu)自由度是機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。當(dāng)自由度與原動(dòng)件數(shù)相等時(shí),機(jī)構(gòu)具有確定的相對運(yùn)動(dòng)。一般機(jī)構(gòu)的自由度是一定的,但一些機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中具有變化的自由度,這便是變自由度機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的出現(xiàn),備受人們的關(guān)注,非常值得探討。它通過自由度的改變,以實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)形態(tài),并在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用,可以更好地滿足對于外界工作對象、環(huán)境等不確定狀態(tài)下的適應(yīng)性要求。但目前缺乏對這種機(jī)構(gòu)的深入研究。筆者分析了這種機(jī)構(gòu)自由度改變的原因、自由度可變機(jī)構(gòu)的用途及優(yōu)點(diǎn)等內(nèi)容,希望對同行了解此類機(jī)構(gòu)有所幫助。

        2 機(jī)構(gòu)變自由度的成因

        2.1 活動(dòng)構(gòu)件數(shù)的改變

        通過機(jī)構(gòu)內(nèi)力的傳遞、變換與平衡等使活動(dòng)構(gòu)件數(shù)發(fā)生變化,從而改變該機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),使自由度發(fā)生改變。如圖1所示,若靠彈簧力使1和2之間保持一定的角度不變,則1和2成為一個(gè)活動(dòng)構(gòu)件;但當(dāng)外力大于彈簧力時(shí),1和2之間會(huì)產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)1和2便成為兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件,增加一個(gè)自由度。

        2.2 運(yùn)動(dòng)副約束個(gè)數(shù)的改變

        以齒輪副為例,通常為一個(gè)高副,但有時(shí)則為兩個(gè)高副。如果一對齒輪副的兩輪中心相對位置被約束,則這對齒輪副僅提供一個(gè)約束,即為一個(gè)高副;而當(dāng)一對齒輪副的兩輪中心相對位置未被約束,則這對齒輪副將提供兩個(gè)約束,即兩個(gè)高副[1]。如圖2a中,齒輪2與齒輪3的中心A、B被桿1約束,此時(shí)兩齒輪輪齒為單側(cè)接觸,且無論這對齒輪的重合度為多少,有幾對齒參與接觸,由于過各接觸點(diǎn)的公法線均重合,故只能算一個(gè)高副。同理齒輪3與齒條4之間也為一個(gè)高副,則機(jī)構(gòu)自由度F=3×5-2×6-2=1。如圖2b,齒輪3與齒輪4未被約束,為無側(cè)隙嚙合,齒輪3與齒條6之間也未被約束,故每個(gè)接觸點(diǎn)處算作兩個(gè)高副,則F=3×5-2×5-4=1。

        3 變自由度機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用分析

        3.1 變自由度的剎車機(jī)構(gòu)

        圖3為一剎車機(jī)構(gòu)[2]。剎車時(shí)操作桿1向右拉,此時(shí)連桿剎車系統(tǒng)處于未剎車狀態(tài),自由度 F=3×6-2×8=2,自由度數(shù)大于原動(dòng)件數(shù),所以不能確定它的運(yùn)動(dòng)。緊接著當(dāng)一側(cè)的側(cè)閘(G,J)瓦先與車輪接觸,兩側(cè)閘瓦之一壓緊車輪時(shí),4或6成為機(jī)架,此時(shí)F=3×5-2×7=1 ,直到剎住車輪;兩側(cè)閘瓦均壓緊車輪時(shí),4和6均為機(jī)架,此時(shí)F=3×4-2×6=0。 此機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)車輪由于磨損等原因偏離工作位置時(shí),也能安全有效的完成剎車動(dòng)作。

        3.2 后橋差速器機(jī)構(gòu)

        如圖4所示是應(yīng)用于汽車中的后橋差速器,也是變自由度機(jī)構(gòu)[3]。其自由度為 F=3×5-2×5-3=2。當(dāng)直線行駛時(shí),左右兩個(gè)輪受到的阻力一樣,行星齒輪2、2不自轉(zhuǎn),把動(dòng)力傳遞到兩個(gè)半軸上,這時(shí)左右車輪轉(zhuǎn)速n1=n3,兩輪滾過的路程相等,因此其自由度變?yōu)?。而汽車在轉(zhuǎn)彎過程中,因4個(gè)車輪繞圖中的P點(diǎn)做純滾動(dòng),故輪1輪3行程不同,轉(zhuǎn)速n1=(r-L)n4/r、n3=(r+L)n4/r也不相等,這兩種情況下,借助于外界條件使得機(jī)構(gòu)自由度均為1。該機(jī)構(gòu)利用可變化的自由度,適應(yīng)了直線行駛、向左轉(zhuǎn)彎、向右轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)速變化。

        3.3 鋼材自動(dòng)夾緊、切斷裝置

        如圖5所示為鋼材自動(dòng)夾緊、切斷裝置。機(jī)構(gòu)在初始狀態(tài)時(shí),活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為6,其自由度F=3×6-2×8=2。工作開始,鉛垂載荷Q豎直向下拉桿6。第一階段原動(dòng)件桿1向上拉,由于載荷Q的作用,桿6不動(dòng),相當(dāng)于機(jī)架,桿2在桿1的拉動(dòng)下做平面運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)桿3也做平面運(yùn)動(dòng),桿3拉動(dòng)桿4繞固定鉸鏈D順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),壓緊鋼材,機(jī)構(gòu)自由度F=3×5-2×7=1,此時(shí)機(jī)構(gòu)為單自由度6桿機(jī)構(gòu)。第二階段,桿4不動(dòng),相當(dāng)于機(jī)架,在桿1的驅(qū)動(dòng)下,桿2繼續(xù)做平面運(yùn)動(dòng),此時(shí)通過鉸鏈E拉動(dòng)桿5,桿5與桿6在F點(diǎn)鉸接,當(dāng)桿5作用在F點(diǎn)的力對G點(diǎn)的力矩大于載荷Q對G點(diǎn)的力矩時(shí),桿6開始繞G點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),使圓盤鋸H接觸鋼材并將其切斷,此時(shí)機(jī)構(gòu)自由度F=3×5-2×7=1。第三階段為反行程,桿1向下運(yùn)動(dòng),桿6繞轉(zhuǎn)動(dòng)副G順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),使圓盤鋸?fù)嘶兀敝僚c限位擋塊接觸,在載荷Q的作用下,桿6成為固定件,同時(shí)桿4繞固定鉸鏈D逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),松開鋼材。該實(shí)例表明通過控制運(yùn)動(dòng)件的限動(dòng)方式,改變系統(tǒng)的自由度數(shù),可以使機(jī)械系統(tǒng)完成工藝所要求完成的順序動(dòng)作[4]。

        4 結(jié)束語

        本文以剎車機(jī)構(gòu)、后橋差速器機(jī)構(gòu)及鋼坯自動(dòng)夾緊切斷機(jī)構(gòu)為例,研究變自由度機(jī)構(gòu)在工作過程中自由度的變化情況,分析了自由度變化的原因和起到的作用。它們能更好地滿足外界工作對象、環(huán)境等不確定狀態(tài)下的適應(yīng)性要求。通過對典型可變自由度機(jī)構(gòu)的分析和討論,為將來設(shè)計(jì)出工作更可靠、性能更優(yōu)良的新機(jī)構(gòu)打下基礎(chǔ)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]馮立艷.機(jī)械原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

        [2]孫桓,陳作模.機(jī)械原理(第七版)[M].北京:高等教育出版社,2001.

        [3]陳海珍.可變自由度連桿機(jī)構(gòu)的分析與綜合[D].四川大學(xué)碩士論文,2005.

        [4]曲繼方,安子軍,曲志剛.機(jī)構(gòu)創(chuàng)新原理[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

        作者簡介:樊曉璇(1994-),男,河北宣化人,本科,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。endprint

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