機構(gòu)學(xué)理論在機械中的應(yīng)用

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

2、原理、結(jié)構(gòu)、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(gòu)思、分析和計算并將其轉(zhuǎn)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(shè)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(zhì)；第三步是尋求問題的科學(xué)原理解，解決問題都是要遵循科學(xué)原理或利用科學(xué)規(guī)律、現(xiàn)象；第四步是選定科學(xué)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(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計；第八步是造型包裝設(shè)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(shè)計是充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力和智慧，利用人類已有的相關(guān)科學(xué)理論、方法和原理，進行新的構(gòu)思，設(shè)計出新穎、有刨造性及實用性的機構(gòu)和機械產(chǎn)品1。1.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵狹義的機械創(chuàng)新設(shè)計是指規(guī)劃構(gòu)思出新穎有價值的機械產(chǎn)品的活動過程，它的標(biāo)志是設(shè)計產(chǎn)品具有新穎性。廣義的機械創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)該包括設(shè)計思想方法、手段的創(chuàng)新。一般情況下，機械創(chuàng)新設(shè)計被理解為狹義的。從機械的定義、機械設(shè)計過程看機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵主要在以下幾方面2：1)產(chǎn)品功能的創(chuàng)新設(shè)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(xué)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(gòu)創(chuàng)新，包括基本機構(gòu)的演變創(chuàng)新和機構(gòu)的組合創(chuàng)新。6)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。機器由具體的功能結(jié)構(gòu)結(jié)合而成，結(jié)構(gòu)元素的變化構(gòu)成機械創(chuàng)新設(shè)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(shè)計的實質(zhì)內(nèi)容是“新”字，構(gòu)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(shè)計過程中就進行了創(chuàng)新設(shè)計。機械創(chuàng)新設(shè)計只是機械設(shè)計過程中，對產(chǎn)品規(guī)劃構(gòu)思的某些部分作了新穎有價值的設(shè)計。機械創(chuàng)新設(shè)計只是機械設(shè)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(gòu)創(chuàng)新這一點，闡述機構(gòu)學(xué)相關(guān)理論在機械創(chuàng)新設(shè)計方面的應(yīng)用。第2章 機械設(shè)計創(chuàng)新中的機構(gòu)創(chuàng)新2.1 新機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計任何一個設(shè)計，其首要工作應(yīng)明確設(shè)計目的和設(shè)計任務(wù)以及設(shè)計出機構(gòu)應(yīng)實現(xiàn)的功能。機械系統(tǒng)的功能分析是機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，是后續(xù)設(shè)計的基礎(chǔ)。最基本的功能分析是確定輸入、輸出運動形式和相關(guān)約束條件，從而總結(jié)出為實現(xiàn)所需功能所需的機構(gòu)自由度、各類型構(gòu)件數(shù)目、機構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)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(chǔ)。例如，要求設(shè)計

6、一個能較精確地實現(xiàn)預(yù)期運動規(guī)律(將轉(zhuǎn)動變換為移動)的傳動系統(tǒng)凸輪控制機構(gòu)。則可確定凸輪為原動件，滑塊為輸出構(gòu)件，該凸輪要求恒速轉(zhuǎn)動，以驅(qū)動滑塊沿固定導(dǎo)軌移動。而滑塊要按規(guī)定的行程作往復(fù)運動。按以上要求分析，機構(gòu)的自由度為l，應(yīng)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(gòu)中存在凸輪高副，且輸出為移動副，則應(yīng)對四桿機構(gòu)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(zhuǎn)動副、P為移動副、Z為凸輪高副)。同時可明確輸入運動為轉(zhuǎn)動，構(gòu)件1為驅(qū)動件(即為凸輪)，輸出運動為移動，構(gòu)件3為輸出件(滑塊)，構(gòu)件2為相對固定的機架，從而得到其機構(gòu)簡圖如圖2-1所示。滾子4并非

7、運動鏈中的構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)件2與轉(zhuǎn)動副B和C替代為凸輪副HS，構(gòu)件l則為凸輪；構(gòu)件4與轉(zhuǎn)動副E和G替代為齒輪副HS，構(gòu)件3為齒輪，構(gòu)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(shè)計出機構(gòu)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(fù)移動輸出，達到預(yù)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(gòu)再來看斯蒂芬森鏈，如圖2-4所示?？蓪?gòu)件2和轉(zhuǎn)動副B和C替代為凸輪副HS，構(gòu)件1則為凸輪；構(gòu)件5與轉(zhuǎn)動副E和F替代為齒輪副HS，構(gòu)件3為齒輪，構(gòu)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(jié)構(gòu)的機構(gòu)。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(gòu)圖2-5a方案是以構(gòu)件6為帶固定齒條的機架，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩驅(qū)動凸輪1轉(zhuǎn)動時，利用凸輪傳動使齒輪3實現(xiàn)往復(fù)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(fù)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(fù)直線運動輸出。圖2-5b方案是以構(gòu)件4為機架，通過凸輪驅(qū)動輸入轉(zhuǎn)動，再通過凸輪1將轉(zhuǎn)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(fù)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(jié)構(gòu)。2.2 基于原機構(gòu)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(shè)計全過程可分如下5步：(1)明確所設(shè)計機器的功能要求，并作相關(guān)調(diào)研；(2)根據(jù)已有的機構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成僅含構(gòu)件和轉(zhuǎn)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(gòu)型綜合，即在機構(gòu)自由度保持不變的情況

10、下，根據(jù)需要可適當(dāng)調(diào)整原機構(gòu)桿件數(shù)，并對其各類運動鏈型綜合而獲得所有獨立異構(gòu)的運動鏈； (4)是根據(jù)設(shè)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(gòu)的演化與創(chuàng)新；(5)最后進行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，得到機械裝置的運動簡圖5?，F(xiàn)以一個凸輪控制機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計為例作簡單討論。已知一凸輪控制機構(gòu)使一個大質(zhì)量M，按給定的行程D作往復(fù)運動，要求根據(jù)創(chuàng)新綜合方法，提出其它設(shè)計方案，并要求比原機構(gòu)能獲得更大的機械效益。首先應(yīng)明確機構(gòu)設(shè)計的基本功能是用機械效益大的凸輪控制機構(gòu)去驅(qū)動連接點P，同時機構(gòu)的自由度應(yīng)為1。為簡化問題，僅研究驅(qū)動點P之前的傳動機構(gòu)，它是F=1的凸輪搖桿機構(gòu)，其對應(yīng)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(gòu)需要獲得更大的機械效益，故應(yīng)考慮增加機構(gòu)桿件數(shù)。為保證自由度不變，最少應(yīng)增加2個桿件，則得到新裝置應(yīng)為六桿運動鏈，它僅有2種獨立異構(gòu)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(jié)構(gòu)的演化。因該裝置為凸輪控制機構(gòu)，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(zhuǎn)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(gòu)創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用實例折疊式擔(dān)架車車能在急救中快速實現(xiàn)擔(dān)架與擔(dān)架車的轉(zhuǎn)換，大大降低了急救時間。圖3-1 折疊式擔(dān)架車的

12、機構(gòu)運動簡圖如圖3-1所示，臺板承擔(dān)病人，支桿和連桿通過若干個轉(zhuǎn)動副與臺板相連。該設(shè)備中應(yīng)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(zhuǎn)動副連接，該擔(dān)架車由2套這種桿機構(gòu)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(fù)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(dān)架車急救時推行所用；而低位工作狀態(tài)則是該車作為擔(dān)架或進入救護車時所用7。當(dāng)需要將擔(dān)架車折疊或?qū)⑵渫粕暇茸o車時，只需要挨著鎖死掛鉤的急救人員將掛鉤7旋轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)，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(zhuǎn)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(dān)架車示意圖如果想要將擔(dān)架車展開，只要將L點掛鉤旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(qū)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(qū)動觸板連桿4，短連桿5組成的轉(zhuǎn)動副成一條直線，驅(qū)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(dān)架車的折疊狀態(tài)結(jié)論進行機械創(chuàng)新設(shè)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(shè)計思維并能激發(fā)創(chuàng)新思維的設(shè)計系統(tǒng)。運用機構(gòu)學(xué)原理進行機械設(shè)計創(chuàng)新，首先要學(xué)習(xí)掌握相關(guān)的機構(gòu)理論與已有的結(jié)構(gòu)，才能在創(chuàng)新思維的指導(dǎo)下進行創(chuàng)新設(shè)計。參考文獻1 潘兆慶，周濟. 現(xiàn)代設(shè)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(shè)計M. 全國機械設(shè)計教學(xué)研究，2005：52-543 黃茂林，秦偉. 機械原