機(jī)械機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計概念和目的

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作者：楊國星    單位：天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

隨著社會的發(fā)展和社會的進(jìn)步,機(jī)械行業(yè)需要解決的問題越來越多樣化,同時也對機(jī)構(gòu)構(gòu)型的設(shè)計提出了更高的要求。要解決現(xiàn)實中面臨的這些問題,就需要進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計,以推動機(jī)械業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。機(jī)構(gòu)構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計會提高機(jī)械的性能,簡化機(jī)器的內(nèi)部構(gòu)造,提高行業(yè)的工作效率,降低能耗,減少污染,提高機(jī)器設(shè)備的準(zhǔn)確度和精確度,對整個機(jī)械行業(yè)的發(fā)展中有十分積極的意義。

1機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計概述

機(jī)械機(jī)構(gòu)仍然是機(jī)器的重要組成部分。在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)中,從原理的構(gòu)思、運動尺寸的確定,機(jī)器性能的分析以及結(jié)構(gòu)形狀的探討,無不和機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本理論和基本方法有著相當(dāng)緊密的聯(lián)系。機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計的目的是按照要求設(shè)計出符合條件的新機(jī)構(gòu),在總體方案設(shè)計階段突破傳統(tǒng)的設(shè)計方法,采用創(chuàng)造性思維,實現(xiàn)從選型設(shè)計向構(gòu)型設(shè)計的轉(zhuǎn)變。機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計是一個比較抽象和復(fù)雜的設(shè)計過程,在沒有任何依據(jù),憑空設(shè)計出一種新機(jī)構(gòu)是非常困難的。所以,可以采用再生設(shè)計的方法來實現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計,即借鑒和吸收現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)設(shè)計特點,運用創(chuàng)造性的思維和方法,通過類型創(chuàng)新得到新的機(jī)構(gòu)構(gòu)型。

2機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計的原理

2.1機(jī)構(gòu)組合原理

事實上,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中和運用實踐中,運用用單一的機(jī)構(gòu)不能滿足要求,不能完成任務(wù)。齒輪機(jī)構(gòu)具有良好的運動性能和動力特性,但運動形式太簡單;棘輪機(jī)構(gòu)盡管可以進(jìn)行間歇運動,但他的運動特性太差;連桿機(jī)構(gòu)運動簡單,使用方便,但是很難實現(xiàn)一些特殊運動規(guī)律;凸輪機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)任意運動,但是行程的可調(diào)性太差。所以,在實際運用中,單一的機(jī)構(gòu)往往具有自身的缺陷與不足,而為了彌補各自的不足,在機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計中我們可以把兩種或兩種以上的機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合,充分利用各自的性能,發(fā)揮各自的優(yōu)勢,創(chuàng)造出符合要求的新型機(jī)構(gòu)。

2.2機(jī)構(gòu)變異原理

這種原理的而基本思路是:首先要確定一個原始機(jī)構(gòu),并對該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成和功能約束進(jìn)行分析。然后通過一般化的處理將機(jī)構(gòu)運動簡圖轉(zhuǎn)化為一般化的運動鏈。再采取措施使運動鏈的結(jié)構(gòu)系列化,即將運動鏈進(jìn)行排列組合,找出其中的不同結(jié)構(gòu)形式。最后按照該機(jī)構(gòu)構(gòu)型的功能所賦予的約束條件,演化成眾多的再生運動鏈和相應(yīng)的新機(jī)構(gòu)。

3機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計的原則

機(jī)械行業(yè)是一個比較古老的行業(yè),經(jīng)過其漫長的發(fā)展和演進(jìn),已經(jīng)形成了很多關(guān)于機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計方面的原則,這些原則對機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計實踐重要的指導(dǎo)意義。事實上,也只有遵循這些基本原則,才有可能使具有實用價值的機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計得以實現(xiàn)?？偟膩碚f,機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計的原則包括以下幾點。

3.1縮短機(jī)構(gòu)運動鏈原則運動鏈太長會加大震動,增加積累誤差,也增加了機(jī)械設(shè)計的成本。所以,在機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計中,要盡量縮短運動鏈,以減小震動,減小積累誤差,降低機(jī)械設(shè)計成本。

3.2恰當(dāng)選擇運動副原則運動副是兩構(gòu)件直接接觸組成的可動連接,它限制了兩構(gòu)件之間的某些相對運動,在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計中常用的是高副和低副。高副和低副各有自己的特點,低副在接觸部分的壓強(qiáng)較低,因而比高副更加耐磨損。在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計中,要充分認(rèn)識高副和低副的不同特點,根據(jù)設(shè)計的實際需要選擇使用,充分發(fā)揮運動副的優(yōu)勢,取長補短。

3.3恰當(dāng)選擇原動機(jī)原則原動機(jī)是指用能源產(chǎn)生原動力的一切機(jī)械,包括熱力、水力、風(fēng)力、電力發(fā)動機(jī)等,機(jī)械也需要原動機(jī),以提供動力,保障正常的運行工作。在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計中,要根據(jù)機(jī)械的具體要求選擇適合的原動機(jī),為了保證機(jī)械的正常運行,在設(shè)計中,可以考慮采用多個原動機(jī),以保障充足的動力。

3.4縮小機(jī)構(gòu)的尺寸原則機(jī)構(gòu)尺寸的大小對機(jī)械性能的發(fā)揮有著重要的作用。機(jī)構(gòu)尺寸較小,占用的空間較少,有利于各個部分功能的發(fā)揮和空間的有效利用,反之,尺寸較大則不利于機(jī)械整體性能的發(fā)揮。為了縮小機(jī)構(gòu)的尺寸,在設(shè)計中可以適當(dāng)?shù)倪x擇凸輪、連桿、滑塊等,以提高空間的使用效率,增加機(jī)械的整體性能。

4機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計的實例

4.1利用組合原理創(chuàng)新設(shè)計的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型實例

設(shè)計一個間歇沖壓裝置并將該裝置安裝在一條流水生長線上,同時要求壓力符合要求,結(jié)構(gòu)緊湊,效率高。該設(shè)計方案電動機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運動。連桿1、連桿2和大輪構(gòu)成凸輪-連桿-滑塊結(jié)構(gòu),這種機(jī)構(gòu)可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運動。該設(shè)計的直線往復(fù)運動由連桿3、連桿4、連桿5構(gòu)成,并且這三個連桿與中心呈對稱分布,滿足工作壓力的要求?？傊?該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)清晰,將旋轉(zhuǎn)運動變成了直線往復(fù)運動,收到的效果也顯著。此外,該機(jī)構(gòu)擁有兩個輸出裝置的配備,使得一機(jī)兩用得以實現(xiàn),不僅提高了機(jī)構(gòu)構(gòu)型的空間利用率,也有利于加工產(chǎn)品的效率的提高。

4.2利用變異原理創(chuàng)新設(shè)計的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型實例

為了滿足某些工藝的要求,使機(jī)構(gòu)具有某些特殊性能,實踐中我們可以改變某些機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu),設(shè)計出新的機(jī)構(gòu)構(gòu)型,如圖1所示。該圖的左側(cè)為傳統(tǒng)的擺動從動件圓柱凸輪結(jié)構(gòu),從理論上來說,除了兩個特殊點之外,擺角越大,擺桿的準(zhǔn)確度越低,而經(jīng)過改進(jìn)后,凸輪2以角速度ω轉(zhuǎn)動時,導(dǎo)桿3隨著滾子4上下移動。滾子4又帶動擺桿5以角速度ωo上下擺動,與此同時,擺桿5與擺快6作相對運動,擺快6和機(jī)架1相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)了運動過程的自我調(diào)適。該機(jī)構(gòu)彌補了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的缺點與不足,突破了相對擺角的局限,并且擺動運動規(guī)律,擺動也十分精確,是典型的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型。