機(jī)構(gòu)學(xué)理論在機(jī)械中的應(yīng)用

1、機(jī)構(gòu)學(xué)理論在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用摘 要機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指規(guī)劃構(gòu)思出新穎有價(jià)值的機(jī)械產(chǎn)品的活動(dòng)過(guò)程，而機(jī)構(gòu)創(chuàng)新是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。本文首先簡(jiǎn)述了機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，隨后針對(duì)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方面進(jìn)行了舉例說(shuō)明，最后以折疊式擔(dān)架車(chē)為實(shí)例對(duì)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新在機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。關(guān)鍵詞 機(jī)械設(shè)計(jì)；機(jī)構(gòu)；創(chuàng)新目錄摘 要1第1章 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述31.1引言31.2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)涵3第2章 機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新中的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新52.1 新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)52.2 基于原機(jī)構(gòu)的再生創(chuàng)新與綜合72.3 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例8結(jié)論10參考文獻(xiàn)11第1章 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述1.1引言機(jī)械設(shè)計(jì)是指根據(jù)使用要求對(duì)機(jī)械的工作

2、原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸、潤(rùn)滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)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(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械設(shè)計(jì)分為以下幾步：第一步就是敢發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，感悟需求；第二步是弄清問(wèn)題的本質(zhì)；第三步是尋求問(wèn)題的科學(xué)原理解，解決問(wèn)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(dòng)作，規(guī)劃功能；第五步是機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)思，尺度綜合；第六步是機(jī)械系統(tǒng)的評(píng)價(jià)選優(yōu)；第七步是對(duì)被選定機(jī)械系統(tǒng)作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第八步是造型包裝設(shè)計(jì)。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(guò)程。起源于拉丁語(yǔ)，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(lèi)特有的認(rèn)識(shí)能力和實(shí)踐能力，是人類(lèi)主觀能動(dòng)性的高級(jí)表現(xiàn)形式，是推動(dòng)民族進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的不竭動(dòng)力。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力和智慧，利用人類(lèi)已有的相關(guān)科學(xué)理論、方法和原理，進(jìn)行新的構(gòu)思，設(shè)計(jì)出新穎、有刨造性及實(shí)用性的機(jī)構(gòu)和機(jī)械產(chǎn)品1。1.2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)涵狹義的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指規(guī)劃構(gòu)思出新穎有價(jià)值的機(jī)械產(chǎn)品的活動(dòng)過(guò)程，它的標(biāo)志是設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有新穎性。廣義的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)該包括設(shè)計(jì)思想方法、手段的創(chuàng)新。一般情況下，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)被理解為狹義的。從機(jī)械的定義、機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程看機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jì)。包括滿(mǎn)足人類(lèi)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(yùn)用。3)實(shí)現(xiàn)工藝動(dòng)作的新規(guī)劃，用工藝動(dòng)作完成產(chǎn)品功能是機(jī)械產(chǎn)品的重要特征。4)機(jī)械系統(tǒng)的創(chuàng)新組合。5)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，包括基本機(jī)構(gòu)的演變創(chuàng)新和機(jī)構(gòu)的組合創(chuàng)新。6)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。機(jī)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(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)最為具體的部分。7)檢測(cè)控制系統(tǒng)創(chuàng)新。8)產(chǎn)品造形創(chuàng)新。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)內(nèi)容是“新”字，構(gòu)成一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的某一部分相對(duì)于舊有產(chǎn)品而言，具有新穎價(jià)值，其設(shè)計(jì)過(guò)程中就進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)只是機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品規(guī)劃構(gòu)思的某些部分作了新穎有價(jià)值的設(shè)計(jì)。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)只是機(jī)械設(shè)計(jì)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，前者不能取代后者。本文將

5、針對(duì)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新這一點(diǎn)，闡述機(jī)構(gòu)學(xué)相關(guān)理論在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。第2章 機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新中的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新2.1 新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)任何一個(gè)設(shè)計(jì)，其首要工作應(yīng)明確設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)任務(wù)以及設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能。機(jī)械系統(tǒng)的功能分析是機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，是后續(xù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。最基本的功能分析是確定輸入、輸出運(yùn)動(dòng)形式和相關(guān)約束條件，從而總結(jié)出為實(shí)現(xiàn)所需功能所需的機(jī)構(gòu)自由度、各類(lèi)型構(gòu)件數(shù)目、機(jī)構(gòu)中各類(lèi)運(yùn)動(dòng)副的分配情況等3。在進(jìn)行機(jī)械裝置的功能分析之后，可根據(jù)現(xiàn)有的單鉸運(yùn)動(dòng)鏈圖譜找出滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)自由度要求和基本功能要求的單鉸運(yùn)動(dòng)鏈，且這些僅含連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)副的所有單鉸運(yùn)動(dòng)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(jì)

6、一個(gè)能較精確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律(將轉(zhuǎn)動(dòng)變換為移動(dòng))的傳動(dòng)系統(tǒng)凸輪控制機(jī)構(gòu)。則可確定凸輪為原動(dòng)件，滑塊為輸出構(gòu)件，該凸輪要求恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)滑塊沿固定導(dǎo)軌移動(dòng)。而滑塊要按規(guī)定的行程作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。按以上要求分析，機(jī)構(gòu)的自由度為l，應(yīng)選擇F=l的運(yùn)動(dòng)鏈，而滿(mǎn)足需求的最簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)鏈為平面四桿鏈。由于機(jī)構(gòu)中存在凸輪高副，且輸出為移動(dòng)副，則應(yīng)對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的替代，不難發(fā)現(xiàn)替代后運(yùn)動(dòng)鏈為1R1P1Z4形式(R為轉(zhuǎn)動(dòng)副、P為移動(dòng)副、Z為凸輪高副)。同時(shí)可明確輸入運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)件1為驅(qū)動(dòng)件(即為凸輪)，輸出運(yùn)動(dòng)為移動(dòng)，構(gòu)件3為輸出件(滑塊)，構(gòu)件2為相對(duì)固定的機(jī)架，從而得到其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示。滾子4并非

7、運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)鏈替代后的機(jī)構(gòu)若要滿(mǎn)足力或運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)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(yùn)動(dòng)鏈并使機(jī)構(gòu)中同時(shí)存在凸輪高副和齒輪高副。先來(lái)討論瓦特鏈的形式，如圖2-2所示。根據(jù)運(yùn)動(dòng)副替代方法，可將瓦特鏈中的構(gòu)件2與轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(lái)確定出三元素桿6為機(jī)架，即可設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖2-3所示。圖中l(wèi)為主動(dòng)凸輪，通過(guò)主動(dòng)凸輪帶動(dòng)齒輪3擺動(dòng)，再通過(guò)齒輪齒條的嚙合，實(shí)現(xiàn)滑塊5的往復(fù)移動(dòng)輸出，達(dá)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(jī)構(gòu)再來(lái)看斯蒂芬森鏈，如圖2-4所示?？蓪?gòu)件2和轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(shí)三元素桿3既是與凸輪連接的從動(dòng)桿，又是齒輪。三元素桿6則既可能成為帶固定齒條的機(jī)架(如圖2-5a所示)，也可能成為與機(jī)架通過(guò)移動(dòng)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(jī)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(jī)構(gòu)圖2-5a方案是以構(gòu)件6為帶固定齒條的機(jī)架，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用凸輪傳動(dòng)使齒輪3實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，由于齒輪3與機(jī)架6所含齒條的

9、嚙合，齒輪3的中心相對(duì)于機(jī)架6成往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)齒輪3與滑塊4的鉸接，最終形成滑塊4相對(duì)于機(jī)架6的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)輸出。圖2-5b方案是以構(gòu)件4為機(jī)架，通過(guò)凸輪驅(qū)動(dòng)輸入轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)凸輪1將轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)機(jī)架4作往復(fù)移動(dòng)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(jī)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(jì)全過(guò)程可分如下5步：(1)明確所設(shè)計(jì)機(jī)器的功能要求，并作相關(guān)調(diào)研；(2)根據(jù)已有的機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成僅含構(gòu)件和轉(zhuǎn)動(dòng)副的單鉸運(yùn)動(dòng)鏈； (3)是根據(jù)原型單鉸運(yùn)動(dòng)鏈的基本特性進(jìn)行構(gòu)型綜合，即在機(jī)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(jī)構(gòu)桿件數(shù)，并對(duì)其各類(lèi)運(yùn)動(dòng)鏈型綜合而獲得所有獨(dú)立異構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈； (4)是根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需求與約束條件，選取滿(mǎn)足條件的運(yùn)動(dòng)鏈，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)的演化與創(chuàng)新；(5)最后進(jìn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，得到機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖5。現(xiàn)以一個(gè)凸輪控制機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例作簡(jiǎn)單討論。已知一凸輪控制機(jī)構(gòu)使一個(gè)大質(zhì)量M，按給定的行程D作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要求根據(jù)創(chuàng)新綜合方法，提出其它設(shè)計(jì)方案，并要求比原機(jī)構(gòu)能獲得更大的機(jī)械效益。首先應(yīng)明確機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本功能是用機(jī)械效益大的凸輪控制機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)連接點(diǎn)P，同時(shí)機(jī)構(gòu)的自由度應(yīng)為1。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，僅研究驅(qū)動(dòng)點(diǎn)P之前的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是F=1的凸輪搖桿機(jī)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)鏈如圖2-6所

11、示。圖2-6 傳動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)鏈圖接下來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)鏈的綜合。因創(chuàng)新機(jī)構(gòu)需要獲得更大的機(jī)械效益，故應(yīng)考慮增加機(jī)構(gòu)桿件數(shù)。為保證自由度不變，最少應(yīng)增加2個(gè)桿件，則得到新裝置應(yīng)為六桿運(yùn)動(dòng)鏈，它僅有2種獨(dú)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(jìn)行結(jié)構(gòu)的演化。因該裝置為凸輪控制機(jī)構(gòu)，必然進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的替代，即用一個(gè)凸輪副去替代運(yùn)動(dòng)鏈中的一個(gè)二元素桿與2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，故得到演化后運(yùn)動(dòng)鏈，如圖2-7所示，其中虛線(xiàn)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(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例折疊式擔(dān)架車(chē)車(chē)能在急救中快速實(shí)現(xiàn)擔(dān)架與擔(dān)架車(chē)的轉(zhuǎn)換，大大降低了急救時(shí)間。圖3-1 折疊式擔(dān)架車(chē)的

12、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3-1所示，臺(tái)板承擔(dān)病人，支桿和連桿通過(guò)若干個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與臺(tái)板相連。該設(shè)備中應(yīng)用了4個(gè)萬(wàn)向輪，同高度的4個(gè)為一組，展開(kāi)時(shí)一組工作，折疊時(shí)另一組工作。連桿之間由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，該擔(dān)架車(chē)由2套這種桿機(jī)構(gòu)組合而成，其中左右對(duì)稱(chēng)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(chē)有2個(gè)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(chē)作為擔(dān)架車(chē)急救時(shí)推行所用；而低位工作狀態(tài)則是該車(chē)作為擔(dān)架或進(jìn)入救護(hù)車(chē)時(shí)所用7。當(dāng)需要將擔(dān)架車(chē)折疊或?qū)⑵渫粕暇茸o(hù)車(chē)時(shí)，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(kāi)，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(chē)沿，向里面扣進(jìn)來(lái)。由長(zhǎng)連桿6，

13、短連桿5和觸板連桿4組成的桿機(jī)構(gòu)也就是E點(diǎn)向右上方移動(dòng)，之后帶動(dòng)長(zhǎng)連桿6，在連桿6的作用下，向右拉動(dòng)支桿3，支桿3也隨動(dòng)向里面扣進(jìn)去。隨后由觸板連桿4，短連桿5和長(zhǎng)連桿6組成的桿機(jī)構(gòu)，也就是B點(diǎn)向左上方移動(dòng)，帶動(dòng)長(zhǎng)連桿6，同時(shí)又給支桿3 一個(gè)向里面扣的力。這樣就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)平穩(wěn)折疊的功能。在支桿全部收進(jìn)去后，旋轉(zhuǎn)掛鉤，掛在車(chē)體的臺(tái)板L點(diǎn)的柱銷(xiāo)上，就實(shí)現(xiàn)了折疊時(shí)的鎖死，其示意圖如圖3-2所示。圖3-2 折疊式擔(dān)架車(chē)示意圖如果想要將擔(dān)架車(chē)展開(kāi)，只要將L點(diǎn)掛鉤旋轉(zhuǎn)，向外扳動(dòng)一個(gè)觸板連桿。例如扳動(dòng)觸板連桿4，如圖3-3所示，由連桿組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副短連桿5和觸板連桿4運(yùn)動(dòng)到一條直線(xiàn)上。連在E點(diǎn)的長(zhǎng)連桿6驅(qū)動(dòng)支

14、桿3展開(kāi)。長(zhǎng)連桿6也就是H點(diǎn)向右下方運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)觸板連桿4，短連桿5組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副成一條直線(xiàn)，驅(qū)動(dòng)支桿3展開(kāi)，最后經(jīng)長(zhǎng)連桿之間它們相互作用成展開(kāi)狀態(tài)。展開(kāi)后將掛鉤掛在支桿的柱銷(xiāo)上進(jìn)行鎖死。圖3-3 折疊式擔(dān)架車(chē)的折疊狀態(tài)結(jié)論進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)要有兩個(gè)必要條件：一是充分獲取適用的知識(shí)；二是要使用符合創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維并能激發(fā)創(chuàng)新思維的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)原理進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新，首先要學(xué)習(xí)掌握相關(guān)的機(jī)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(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 潘兆慶，周濟(jì). 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概論M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.2 孫建明.淺談機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)M. 全國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)研究，2005：52-543 黃茂林，秦偉. 機(jī)械原