機(jī)械機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)也對機(jī)構(gòu)構(gòu)型的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。要解決現(xiàn)實(shí)中面臨的這些問題,就需要進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),以推動(dòng)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(jì)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(gè)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(jì)的目的是按照要求設(shè)計(jì)出符合條件的新機(jī)構(gòu),在總體方案設(shè)計(jì)階段突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,采用創(chuàng)造性思維,實(shí)現(xiàn)從選型設(shè)計(jì)向構(gòu)型設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一個(gè)比較抽象和復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程,在沒有任何依據(jù),憑空設(shè)計(jì)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(jì)的方法來實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計(jì),即借鑒和吸收現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn),運(yùn)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(jì)的原理

2.1機(jī)構(gòu)組合原理

事實(shí)上,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中和運(yùn)用實(shí)踐中,運(yùn)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(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)力特性,但運(yùn)動(dòng)形式太簡單;棘輪機(jī)構(gòu)盡管可以進(jìn)行間歇運(yùn)動(dòng),但他的運(yùn)動(dòng)特性太差;連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡單,使用方便,但是很難實(shí)現(xiàn)一些特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律;凸輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng),但是行程的可調(diào)性太差。所以,在實(shí)際運(yùn)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(bǔ)各自的不足,在機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(gè)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(yùn)動(dòng)簡圖轉(zhuǎn)化為一般化的運(yùn)動(dòng)鏈。再采取措施使運(yùn)動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)系列化,即將運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)的原則

機(jī)械行業(yè)是一個(gè)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(jì)方面的原則,這些原則對機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)實(shí)踐重要的指導(dǎo)意義。事實(shí)上,也只有遵循這些基本原則,才有可能使具有實(shí)用價(jià)值的機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。總的來說,機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原則包括以下幾點(diǎn)。

3.1縮短機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈原則運(yùn)動(dòng)鏈太長會加大震動(dòng),增加積累誤差,也增加了機(jī)械設(shè)計(jì)的成本。所以,在機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)中,要盡量縮短運(yùn)動(dòng)鏈,以減小震動(dòng),減小積累誤差,降低機(jī)械設(shè)計(jì)成本。

3.2恰當(dāng)選擇運(yùn)動(dòng)副原則運(yùn)動(dòng)副是兩構(gòu)件直接接觸組成的可動(dòng)連接,它限制了兩構(gòu)件之間的某些相對運(yùn)動(dòng),在機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)中常用的是高副和低副。高副和低副各有自己的特點(diǎn),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(jì)中,要充分認(rèn)識高副和低副的不同特點(diǎn),根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要選擇使用,充分發(fā)揮運(yùn)動(dòng)副的優(yōu)勢,取長補(bǔ)短。

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

4.1利用組合原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型實(shí)例

設(shè)計(jì)一個(gè)間歇沖壓裝置并將該裝置安裝在一條流水生長線上,同時(shí)要求壓力符合要求,結(jié)構(gòu)緊湊,效率高。該設(shè)計(jì)方案電動(dòng)機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)由連桿3、連桿4、連桿5構(gòu)成,并且這三個(gè)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(yùn)動(dòng)變成了直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),收到的效果也顯著。此外,該機(jī)構(gòu)擁有兩個(gè)輸出裝置的配備,使得一機(jī)兩用得以實(shí)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(jì)的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型實(shí)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(shí)踐中我們可以改變某些機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)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(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪結(jié)構(gòu),從理論上來說,除了兩個(gè)特殊點(diǎn)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(dòng)時(shí),導(dǎo)桿3隨著滾子4上下移動(dòng)。滾子4又帶動(dòng)擺桿5以角速度ωo上下擺動(dòng),與此同時(shí),擺桿5與擺快6作相對運(yùn)動(dòng),擺快6和機(jī)架1相對轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)過程的自我調(diào)適。該機(jī)構(gòu)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)與不足,突破了相對擺角的局限,并且擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,擺動(dòng)也十分精確,是典型的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)型。