機構學理論在機械創(chuàng)新設計中的應用

1、機構學理論在機械創(chuàng)新設計中的應用摘 要機械創(chuàng)新設計是指規(guī)劃構思出新穎有價值的機械產(chǎn)品的活動過程，而機構創(chuàng)新是機械創(chuàng)新設計的一個重要方面。本文首先簡述了機械創(chuàng)新設計的內涵，隨后針對機構創(chuàng)新方面進行了舉例說明，最后以折疊式擔架車為實例對機構創(chuàng)新在機械設計創(chuàng)新中的應用進行了簡要介紹。關鍵詞 機械設計；機構；創(chuàng)新目錄摘 要1第1章 機械創(chuàng)新設計簡述31.1引言31.2 機械創(chuàng)新設計的內涵3第2章 機械設計創(chuàng)新中的機構創(chuàng)新52.1 新機構的創(chuàng)新設計52.2 基于原機構的再生創(chuàng)新與綜合72.3 機構創(chuàng)新設計應用實例8結論10參考文獻11第1章 機械創(chuàng)新設計簡述1.1引言機械設計是指根據(jù)使用要求對機械的工作

2、原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。一般來說，機械設計分為以下幾步：第一步就是敢發(fā)現(xiàn)問題，感悟需求；第二步是弄清問題的本質；第三步是尋求問題的科學原理解，解決問題都是要遵循科學原理或利用科學規(guī)律、現(xiàn)象；第四步是選定科學原理解，規(guī)劃工藝動作，規(guī)劃功能；第五步是機械系統(tǒng)的構思，尺度綜合；第六步是機械系統(tǒng)的評價選優(yōu)；第七步是對被選定機械系統(tǒng)作結構設計；第八步是造型包裝設計。創(chuàng)新是以新思維、新發(fā)明和新描述為特征的一種概念化過程。起源于拉丁語，它原意有三層含義，第一，更新；第二，創(chuàng)造新的東西；第

3、三，改變。創(chuàng)新是人類特有的認識能力和實踐能力，是人類主觀能動性的高級表現(xiàn)形式，是推動民族進步和社會發(fā)展的不竭動力。機械創(chuàng)新設計是充分發(fā)揮設計者的創(chuàng)造力和智慧，利用人類已有的相關科學理論、方法和原理，進行新的構思，設計出新穎、有刨造性及實用性的機構和機械產(chǎn)品1。1.2 機械創(chuàng)新設計的內涵狹義的機械創(chuàng)新設計是指規(guī)劃構思出新穎有價值的機械產(chǎn)品的活動過程，它的標志是設計產(chǎn)品具有新穎性。廣義的機械創(chuàng)新設計應該包括設計思想方法、手段的創(chuàng)新。一般情況下，機械創(chuàng)新設計被理解為狹義的。從機械的定義、機械設計過程看機械創(chuàng)新設計的內涵主要在以下幾方面2：1)產(chǎn)品功能的創(chuàng)新設計。包括滿足人類需求的全新功能的產(chǎn)品和增加

4、新功能的產(chǎn)品的創(chuàng)造。2)完成產(chǎn)品功能的新的科學原理的運用。3)實現(xiàn)工藝動作的新規(guī)劃，用工藝動作完成產(chǎn)品功能是機械產(chǎn)品的重要特征。4)機械系統(tǒng)的創(chuàng)新組合。5)機構創(chuàng)新，包括基本機構的演變創(chuàng)新和機構的組合創(chuàng)新。6)結構創(chuàng)新。機器由具體的功能結構結合而成，結構元素的變化構成機械創(chuàng)新設計最為具體的部分。7)檢測控制系統(tǒng)創(chuàng)新。8)產(chǎn)品造形創(chuàng)新。機械創(chuàng)新設計的實質內容是“新”字，構成一個機械產(chǎn)品的某一部分相對于舊有產(chǎn)品而言，具有新穎價值，其設計過程中就進行了創(chuàng)新設計。機械創(chuàng)新設計只是機械設計過程中，對產(chǎn)品規(guī)劃構思的某些部分作了新穎有價值的設計。機械創(chuàng)新設計只是機械設計中的一個環(huán)節(jié)，前者不能取代后者。本文將

5、針對機構創(chuàng)新這一點，闡述機構學相關理論在機械創(chuàng)新設計方面的應用。第2章 機械設計創(chuàng)新中的機構創(chuàng)新2.1 新機構的創(chuàng)新設計任何一個設計，其首要工作應明確設計目的和設計任務以及設計出機構應實現(xiàn)的功能。機械系統(tǒng)的功能分析是機構創(chuàng)新設計中非常重要的環(huán)節(jié)，是后續(xù)設計的基礎。最基本的功能分析是確定輸入、輸出運動形式和相關約束條件，從而總結出為實現(xiàn)所需功能所需的機構自由度、各類型構件數(shù)目、機構中各類運動副的分配情況等3。在進行機械裝置的功能分析之后，可根據(jù)現(xiàn)有的單鉸運動鏈圖譜找出滿足機構自由度要求和基本功能要求的單鉸運動鏈，且這些僅含連桿與轉動副的所有單鉸運動鏈原型可作為下一步創(chuàng)新綜合的基礎。例如，要求設計

6、一個能較精確地實現(xiàn)預期運動規(guī)律(將轉動變換為移動)的傳動系統(tǒng)凸輪控制機構。則可確定凸輪為原動件，滑塊為輸出構件，該凸輪要求恒速轉動，以驅動滑塊沿固定導軌移動。而滑塊要按規(guī)定的行程作往復運動。按以上要求分析，機構的自由度為l，應選擇F=l的運動鏈，而滿足需求的最簡單運動鏈為平面四桿鏈。由于機構中存在凸輪高副，且輸出為移動副，則應對四桿機構進行運動副的替代，不難發(fā)現(xiàn)替代后運動鏈為1R1P1Z4形式(R為轉動副、P為移動副、Z為凸輪高副)。同時可明確輸入運動為轉動，構件1為驅動件(即為凸輪)，輸出運動為移動，構件3為輸出件(滑塊)，構件2為相對固定的機架，從而得到其機構簡圖如圖2-1所示。滾子4并非

7、運動鏈中的構件，在此只是起到減少凸輪副磨擦損耗的作用。圖2-1 平面四桿運動鏈替代后的機構若要滿足力或運動的擴大功能，則可分別選擇瓦特鏈與斯蒂芬森鏈為原型的六桿運動鏈并使機構中同時存在凸輪高副和齒輪高副。先來討論瓦特鏈的形式，如圖2-2所示。根據(jù)運動副替代方法，可將瓦特鏈中的構件2與轉動副B和C替代為凸輪副HS，構件l則為凸輪；構件4與轉動副E和G替代為齒輪副HS，構件3為齒輪，構件5為齒條也即是滑塊。接下來確定出三元素桿6為機架，即可設計出機構運動簡圖，如圖2-3所示。圖中l(wèi)為主動凸輪，通過主動凸輪帶動齒輪3擺動，再通過齒輪齒條的嚙合，實現(xiàn)滑塊5的往復移動輸出，達到預期功能。 圖2-2 替代

8、后的瓦特鏈 圖2-3 根據(jù)瓦特鏈創(chuàng)作的機構再來看斯蒂芬森鏈，如圖2-4所示。可將構件2和轉動副B和C替代為凸輪副HS，構件1則為凸輪；構件5與轉動副E和F替代為齒輪副HS，構件3為齒輪，構件6為齒條。此時三元素桿3既是與凸輪連接的從動桿，又是齒輪。三元素桿6則既可能成為帶固定齒條的機架(如圖2-5a所示)，也可能成為與機架通過移動副連接的齒條滑塊(如圖2-5b所示)。從而可能得出兩種不同結構的機構。圖2-4 替代后的斯蒂芬森鏈圖2-5 根據(jù)斯蒂芬森鏈創(chuàng)新出的機構圖2-5a方案是以構件6為帶固定齒條的機架，當輸入轉矩驅動凸輪1轉動時，利用凸輪傳動使齒輪3實現(xiàn)往復擺動，由于齒輪3與機架6所含齒條的

9、嚙合，齒輪3的中心相對于機架6成往復直線運動，再通過齒輪3與滑塊4的鉸接，最終形成滑塊4相對于機架6的往復直線運動輸出。圖2-5b方案是以構件4為機架，通過凸輪驅動輸入轉動，再通過凸輪1將轉動傳遞給齒輪3，齒輪3與滑塊齒條6嚙合，使滑塊齒條6相對機架4作往復移動輸出。在上述方案中為減少凸輪上的磨擦損耗均采用了滾子結構。2.2 基于原機構的再生創(chuàng)新與綜合另一種基于現(xiàn)有裝置的再生創(chuàng)新綜合，其設計全過程可分如下5步：(1)明確所設計機器的功能要求，并作相關調研；(2)根據(jù)已有的機構將其轉換成僅含構件和轉動副的單鉸運動鏈； (3)是根據(jù)原型單鉸運動鏈的基本特性進行構型綜合，即在機構自由度保持不變的情況

10、下，根據(jù)需要可適當調整原機構桿件數(shù)，并對其各類運動鏈型綜合而獲得所有獨立異構的運動鏈； (4)是根據(jù)設計的功能需求與約束條件，選取滿足條件的運動鏈，并進行機構的演化與創(chuàng)新；(5)最后進行機構的結構化設計，得到機械裝置的運動簡圖5?，F(xiàn)以一個凸輪控制機構的創(chuàng)新設計為例作簡單討論。已知一凸輪控制機構使一個大質量M，按給定的行程D作往復運動，要求根據(jù)創(chuàng)新綜合方法，提出其它設計方案，并要求比原機構能獲得更大的機械效益。首先應明確機構設計的基本功能是用機械效益大的凸輪控制機構去驅動連接點P，同時機構的自由度應為1。為簡化問題，僅研究驅動點P之前的傳動機構，它是F=1的凸輪搖桿機構，其對應運動鏈如圖2-6所

11、示。圖2-6 傳動部分運動鏈圖接下來進行運動鏈的綜合。因創(chuàng)新機構需要獲得更大的機械效益，故應考慮增加機構桿件數(shù)。為保證自由度不變，最少應增加2個桿件，則得到新裝置應為六桿運動鏈，它僅有2種獨立異構型式，即瓦特鏈與斯蒂芬森鏈。以斯蒂芬森鏈為例，根據(jù)功能需求進行結構的演化。因該裝置為凸輪控制機構，必然進行運動副的替代，即用一個凸輪副去替代運動鏈中的一個二元素桿與2個轉動副，故得到演化后運動鏈，如圖2-7所示，其中虛線表示的Hs即是凸輪副的替代部分6。圖2-7 斯蒂芬森鏈的代替2.3 機構創(chuàng)新設計應用實例折疊式擔架車車能在急救中快速實現(xiàn)擔架與擔架車的轉換，大大降低了急救時間。圖3-1 折疊式擔架車的

12、機構運動簡圖如圖3-1所示，臺板承擔病人，支桿和連桿通過若干個轉動副與臺板相連。該設備中應用了4個萬向輪，同高度的4個為一組，展開時一組工作，折疊時另一組工作。連桿之間由轉動副連接，該擔架車由2套這種桿機構組合而成，其中左右對稱的支桿觸板連桿短連桿分別組成2套復合鉸鏈。根據(jù)需要該車有2個工作狀態(tài)：高位工作狀態(tài)和低位工作狀態(tài)。高位工作狀態(tài)是該車作為擔架車急救時推行所用；而低位工作狀態(tài)則是該車作為擔架或進入救護車時所用7。當需要將擔架車折疊或將其推上救護車時，只需要挨著鎖死掛鉤的急救人員將掛鉤7旋轉就可以打開，如圖2所示。其后面的急救人員用力向前推，前面的支桿3撞到車沿，向里面扣進來。由長連桿6，

13、短連桿5和觸板連桿4組成的桿機構也就是E點向右上方移動，之后帶動長連桿6，在連桿6的作用下，向右拉動支桿3，支桿3也隨動向里面扣進去。隨后由觸板連桿4，短連桿5和長連桿6組成的桿機構，也就是B點向左上方移動，帶動長連桿6，同時又給支桿3 一個向里面扣的力。這樣就實現(xiàn)了自動平穩(wěn)折疊的功能。在支桿全部收進去后，旋轉掛鉤，掛在車體的臺板L點的柱銷上，就實現(xiàn)了折疊時的鎖死，其示意圖如圖3-2所示。圖3-2 折疊式擔架車示意圖如果想要將擔架車展開，只要將L點掛鉤旋轉，向外扳動一個觸板連桿。例如扳動觸板連桿4，如圖3-3所示，由連桿組成的轉動副短連桿5和觸板連桿4運動到一條直線上。連在E點的長連桿6驅動支

14、桿3展開。長連桿6也就是H點向右下方運動，同時驅動觸板連桿4，短連桿5組成的轉動副成一條直線，驅動支桿3展開，最后經(jīng)長連桿之間它們相互作用成展開狀態(tài)。展開后將掛鉤掛在支桿的柱銷上進行鎖死。圖3-3 折疊式擔架車的折疊狀態(tài)結論進行機械創(chuàng)新設計要有兩個必要條件：一是充分獲取適用的知識；二是要使用符合創(chuàng)新設計思維并能激發(fā)創(chuàng)新思維的設計系統(tǒng)。運用機構學原理進行機械設計創(chuàng)新，首先要學習掌握相關的機構理論與已有的結構，才能在創(chuàng)新思維的指導下進行創(chuàng)新設計。參考文獻1 潘兆慶，周濟. 現(xiàn)代設計方法概論M. 北京：機械工業(yè)出版社，1991.2 孫建明.淺談機械創(chuàng)新設計M. 全國機械設計教學研究，2005：52-543 黃茂林，秦偉. 機械原