王 艷

（滁州職業(yè)技術學院，安徽 滁州 239000）

隨著科學技術的日益進步和計算機的廣泛應用，現(xiàn)代機械在機構(gòu)類型方面出現(xiàn)許多新的創(chuàng)造，正向著機-電-液-信息一體化方向發(fā)展，有些已突破了傳統(tǒng)機構(gòu)學范疇，進入“廣義機構(gòu)學”的領域。但是不論現(xiàn)代機械如何發(fā)展，傳遞和變換機械運動的系統(tǒng)的機構(gòu)，仍然是多數(shù)機器的最重要組成部分[1]。設計實踐表明，如果設計者具備機構(gòu)分析與綜合的現(xiàn)代理論知識，熟悉各種常用機構(gòu)的性能、用途和設計要點，能從現(xiàn)有機構(gòu)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并舉一反三，就能在機械方案設計中取得主動。

一、機構(gòu)創(chuàng)新的理論基礎

機構(gòu)是由具有確定相對運動的構(gòu)件組合而成，是可以傳遞或變換機械運動的人工系統(tǒng)。機構(gòu)要實現(xiàn)確定的相對運動，構(gòu)件之間必然以運動副連接起來。由運動副聯(lián)接而成的構(gòu)件系統(tǒng)稱為運動鏈。運動鏈分為閉式鏈和開式鏈。如果組成機構(gòu)的每一個構(gòu)件都為二副件，則稱為單環(huán)機構(gòu)，例如大家熟悉的鉸鏈四桿機構(gòu)等[2]。單環(huán)機構(gòu)特點是構(gòu)件總數(shù)N與運動副數(shù)P相等。如果在單環(huán)機構(gòu)基礎上疊加P-n=1（n為活動構(gòu)件數(shù)）個運動鏈，則組成多環(huán)機構(gòu)。多環(huán)機構(gòu)的環(huán)數(shù)L=P-N+1。（式1）

二、機構(gòu)創(chuàng)新設計的方法

（一）由桿組的組合獲得多種機構(gòu)

1、桿組及分類

平面機構(gòu)包含原動件、機架和從動件系統(tǒng)，由于機構(gòu)具有確定的相對運動的條件是機構(gòu)的自由度等于原動件個數(shù)，所以剩下的從動件系統(tǒng)的自由度必然為零。從動件系統(tǒng)中不可再分的自由度為零的構(gòu)件組稱為桿組[4]。把若干個桿組依次聯(lián)接到原動件和機架上，就組成一個新的機構(gòu)，其自由度數(shù)與原動件數(shù)目相等。設組成桿組的構(gòu)件數(shù)為n，低副數(shù)為PL，則其自由度為：F=3n-2PL=0?？梢姉U組中的構(gòu)件數(shù)n必須是偶數(shù)，且當 n=2、4、6 時，PL=3、6，9。 根據(jù)桿組的復雜程度，將桿組分成若干級別，機構(gòu)的級別由組成該機構(gòu)的桿組的最高級別而定。實際工程中所用的機構(gòu)多數(shù)是II級機構(gòu)。

2、平面機構(gòu)的多樣性構(gòu)思-拆分后的桿組任意組合

如圖1所示機構(gòu)，計算機構(gòu)的自由度F=1，并確定凸輪為原動件。根據(jù)拆分桿組的要領，先拆分出由構(gòu)件4和5組成的Ⅱ級桿組，再拆分出由構(gòu)件3和2及構(gòu)件6和7組成的兩個Ⅱ級桿組及由構(gòu)件8組成的單構(gòu)件高副桿組，最后剩下原動件1和機架9。機構(gòu)多樣性構(gòu)思：只要取原動件1和機架9與上圖中四個桿組中的任意一個或幾個便組成各種類型的II級機構(gòu)。由此可知，在原動件和機架上任意添加若干個桿組便可組成各種新的不同級別的機構(gòu)，其自由度等于原動件個數(shù)，機構(gòu)一定具有確定的相對運動。這是構(gòu)思新機構(gòu)的理論基礎。

圖1 桿組的拆分

（二）機構(gòu)的變異

當機構(gòu)型式不能較好實現(xiàn)預期運動要求，可以對原有機構(gòu)進行創(chuàng)造性的變異。機構(gòu)常用的變異方法有：

1、改變構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)

對于某些具有特殊運動特性的機構(gòu)，可以通過改變構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。如圖2所示，在導桿機構(gòu)原直線導槽上設置一段圓弧槽，其圓弧半徑與曲柄長度相等，則導桿在左極限位置可以實現(xiàn)一段時間的停歇。這種變異使擺動導桿機構(gòu)在往復擺動中實現(xiàn)一定的間歇運動。

圖2 有停歇的導桿機構(gòu)

圖3 槽輪展直得到槽條機構(gòu)

2、改變構(gòu)件的相對尺寸

改變構(gòu)件的運動尺寸，會生成不同運動特性的機構(gòu)。在轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)中，如果使機架長大于相鄰桿長，則變?yōu)閿[動導桿機構(gòu)。又如圖3所示，在槽輪機構(gòu)中，如果槽輪的直徑趨向無窮大，則槽輪展直而演變?yōu)椴蹢l，于是槽輪機構(gòu)就變異為圖示的做間歇直線運動的槽條機構(gòu)。

3、選不同的構(gòu)件做機架

這種方法又稱為機構(gòu)的倒置。機構(gòu)倒置后各構(gòu)件之間的相對運動不變，但可以得到不同運動特性的機構(gòu)[1]。例如曲柄搖桿機構(gòu)，若改變機架位置，可得到雙曲柄機構(gòu)或雙搖桿機構(gòu)。又如曲柄滑塊機構(gòu)，取不同構(gòu)件作機架可得到擺動導桿機構(gòu)、曲柄搖塊機構(gòu)、移動導桿機構(gòu)。再如，將內(nèi)嚙合齒輪機構(gòu)的內(nèi)齒輪作為機架，則可得到圖4所示的行星輪系，從而增加了行星輪上不同點輸出的軌跡形態(tài)。

圖4 內(nèi)嚙合齒輪機構(gòu)的倒置機構(gòu)

4、選不同的構(gòu)件為原動件

在運用桿組法分析機構(gòu)時可以看出：選擇不同的原動件可得到不同級別的機構(gòu)，一定程度體現(xiàn)了機構(gòu)的多樣性。多數(shù)機構(gòu)中常取連架桿作為原動件，但在電風扇搖頭機構(gòu)中，原動件是連桿BC，連桿BC由蝸桿驅(qū)動，能做整周轉(zhuǎn)動，驅(qū)動連架桿AB往復擺動，從而實現(xiàn)風扇的搖頭。機構(gòu)組成簡單，構(gòu)思巧妙。

圖5 電風扇搖頭機構(gòu)

圖6 手動插秧機的插秧機構(gòu)

5、增加輔助構(gòu)件

以原機構(gòu)為基礎，增加新的構(gòu)件，生成新機構(gòu)，各構(gòu)件之間的相對運動關系不變，但新機構(gòu)的性能與原機構(gòu)有很大差別[1]。

圖6的插秧機構(gòu)中，在凸輪機構(gòu)中增加了一個輔助構(gòu)件活動舌3，當滾子B沿著凸輪左側(cè)輪廓線向下運動時，活動舌的左端被滾子壓開，滾子向下運動；當滾子離開活動舌后，彈簧6作用使活動舌恢復原位，使?jié)L子向上運動時只能沿著右側(cè)凸輪輪廓線。在通過活動舌右端時，又將其壓開而上行，通過后，彈簧6又使活動舌恢復原位，滾子隨后的運動只能繼續(xù)向左下方進行。這樣增加了活動舌后，秧爪下行和上行的路線不同，避免將已插好的秧苗帶出。

（三）機構(gòu)的“數(shù)綜合”創(chuàng)新

研究一定數(shù)量的構(gòu)件和一定類型的運動副，能組成某一自由度的運動鏈有多少種。這類問題屬于機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合“數(shù)綜合”[2]。從這一定義而言，前面所述桿組的組合創(chuàng)新也歸于數(shù)綜合問題。這里主要研究平面閉式鏈數(shù)綜合方法。

1、平面閉式鏈的基本型式

為便于說明問題，現(xiàn)只討論僅含轉(zhuǎn)動副，且自由度為1的平面閉式鏈機構(gòu)，且不包含復合鉸鏈。因機構(gòu)自由度W=3(N-1)-2P（式2），式中N是總構(gòu)件數(shù)，P是運動副數(shù)。若自由度為1，則有1=3(N-1)-2P，即3N=2P+4（式3），由式可知，構(gòu)件總數(shù)N一定是偶數(shù)。常見的運動鏈有，(1)N=4，P=4;(2)N=6，P=7;(3)N=8，P=10;(4)N=10，P=13。 將式（1）代入式（3），可以得出運動鏈環(huán)數(shù)L與構(gòu)件總數(shù)N之間的關系：L=-1+N/2（式4）

2、常見機構(gòu)的數(shù)綜合結(jié)果

運用公式（4），對于四桿運動鏈，N=4，L=1，只有一個環(huán)，所以其可能的結(jié)構(gòu)型式只有一種。六桿運動鏈，N=6，由式（4）知 L=2，即結(jié)構(gòu)型式可能有兩種，分別為瓦特型和斯蒂芬森型，這兩種型式都可以認為是在四桿鏈上疊加雙桿組而得。八桿運動鏈，N=8，L=3，可能的結(jié)構(gòu)型式有16種。十桿運動鏈，L=4，分析知其可能的結(jié)構(gòu)型式共有230種。

在上述平面運動鏈基本型式的基礎上，如果采用不同構(gòu)件為機架，或?qū)⑥D(zhuǎn)動副用移動副代替，以高副代替低副等方法，則可以得到多種多樣的實際機構(gòu)。

（四）機構(gòu)的組合創(chuàng)新

隨著生產(chǎn)的發(fā)展以及機械化、自動化程度的提高，單一的基本機構(gòu)如連桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等往往不能滿足要求。如齒輪機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)雖能傳遞勻速和變速整周回轉(zhuǎn)運動，但不能實現(xiàn)任意給定的運動規(guī)律的轉(zhuǎn)動；而凸輪機構(gòu)雖能實現(xiàn)任意規(guī)律的運動，但從動件不能實現(xiàn)整周轉(zhuǎn)動。

由上可見，為了滿足自動化、機械化生產(chǎn)發(fā)展的需要，就迫使人們?nèi)ヌ剿鲃?chuàng)造新的機構(gòu)，以滿足多種多樣的運動要求和更加理想的動力性能要求。把若干個基本機構(gòu)按照一定的方式組合起來形成組合機構(gòu)是機構(gòu)創(chuàng)新的重要途徑。組合機構(gòu)能使若干個基本機構(gòu)融合成性能更加完善、運動形式更加多樣化的新機構(gòu)。代表性組合機構(gòu)有：齒輪-連桿機構(gòu)、凸輪-連桿機構(gòu)、齒輪-凸輪機構(gòu)等。

三、結(jié)語

從一種機構(gòu)通過不同的演化方法或從基本鏈出發(fā)進行機構(gòu)數(shù)綜合的創(chuàng)新構(gòu)思法，以及機構(gòu)組合創(chuàng)新方法等，的確能實現(xiàn)機構(gòu)的多樣化創(chuàng)新。它能使設計者廣開思路，能使無設計經(jīng)驗者有規(guī)律可循。因此，熟悉這些方法，對制造業(yè)所需創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是十分有益的。

[1]張曉玲.機械原理課程設計指導[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2008.

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[4]馬永林.機械原理[M]．北京：高等教育出版社，2009.

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