白亞瓊 師平

摘要：針對高職《機械原理》中平面連桿機構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機構(gòu)、偏置曲柄滑塊機構(gòu)的急回特性各不相同，學(xué)生難以理解、不能直觀表達特性，學(xué)習(xí)興趣不高且效果差的狀況，因此借助于ADAMS對三種機構(gòu)進行運動仿真分析，分析機構(gòu)的速度、加速度、擺角、死點位置和傳動角等。增進了學(xué)生對急回特性的感性認識和理性理解，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ADAMS;急回特性;運動仿真;機械原理

中圖分類號：TH112? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0211-02

0? 引言

機械原理是高等職業(yè)院校機械大類專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握有關(guān)機構(gòu)與機器運動學(xué)的基本理論、基本方法和基本技能，為進一步學(xué)習(xí)機械類專業(yè)課打下良好的理論基礎(chǔ)，并培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決工程實際問題的能力。高職學(xué)生對于平面連桿機構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機構(gòu)、偏置曲柄滑塊機構(gòu)中急回特性的理解，停留在機構(gòu)工作時速度比回去時慢，不知如何在圖紙上使用“運動特性”對靜止的二維平面連桿機構(gòu)表達頭腦中的機構(gòu)運動，也就是說學(xué)生使用“運動特性”對靜止的二維平面連桿機構(gòu)表達上是短板。雖然我們有些老師使用了Flash動畫、視頻等多媒體方式展示其動畫過程，在一定程度上提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，但這些方法并未在本質(zhì)上對機械原理教學(xué)難以理解內(nèi)容做改進，以往學(xué)生難以消化、接受的內(nèi)容還是較難理解。而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更是不會應(yīng)用其它計算機輔助軟件學(xué)習(xí)機械原理中的“運動”，也就無從談及創(chuàng)新設(shè)計了。因此借助于ADAMS對三種機構(gòu)進行運動仿真分析，分析機構(gòu)的速度、加速度、擺角、死點位置和傳動角等。在Adams/View中的建立三種機構(gòu)模型，在Adams/Postprocessor中得到機構(gòu)的運動分析曲線，使教師的教或?qū)W生的學(xué)得到輔助理解的直觀效果，進而培養(yǎng)學(xué)生機械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計的思維方式和方法，以及機械系統(tǒng)方案的綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和工程實踐能力。

1? 三種機構(gòu)的建模與運動分析

在平面四桿機構(gòu)中，已知曲柄長度a=45mm，連桿長度b=100mm，搖桿長度c=70mm，機架長度d=120mm，原動件為曲柄a，為勻速轉(zhuǎn)動，角速度ω=2πrad/s。運用軟件Adams對機構(gòu)進行建模，在Adams/View中設(shè)定各構(gòu)件長度，并在連接處進行鉸鏈約束，其中機構(gòu)的曲柄與機架的連接處定義一個伺服電動機，電動機轉(zhuǎn)速設(shè)置為360deg/sec，平面四桿機構(gòu)中運轉(zhuǎn)時間為1s。見圖1、圖2所示平面四桿機構(gòu)仿真時，曲柄與連桿兩次共線位置。從圖1、2中可以看到平面連桿機構(gòu)搖桿的擺角變化、速度變化、加速度的變化，當(dāng)曲柄與連桿第1次共線位置時，搖桿的擺角最大值，搖桿處于左極限的位置，此時搖桿在工作行程中的速度最小趨向于零，搖桿的加速度處在下降的趨勢。當(dāng)曲柄與連桿第2次共線位置時，搖桿的擺角最小值，搖桿處于右極限的位置，此時搖桿在回程中的速度最小，搖桿的加速度也處在下降的趨勢。這兩次共線的位置中必然存在壓力角最大，連接桿對搖桿所受的力最大，而傳動角最小。假如原動件不是曲柄，而是搖桿，這時就會出現(xiàn)兩個死點位置。從圖中1、2中還可以看出搖桿速度在工作行程和回程中一慢一快的曲線變化，而搖桿的加速度也在工作行程和回程中呈現(xiàn)出一低一高的曲線變化，表現(xiàn)出機構(gòu)的急回特性。讓學(xué)生直觀的看到“運動”的機構(gòu)，可形象清晰地將機構(gòu)的運動狀態(tài)展示在學(xué)生面前。常用于牛頭刨床進給機構(gòu)、雷達調(diào)整機構(gòu)、縫紉機腳踏機構(gòu)、復(fù)擺式顎式破碎機、鋼材輸送機等。

在擺動導(dǎo)桿機構(gòu)中，已知曲柄長度b=25mm，機架長度b=50mm，原動件為曲柄b，為勻速轉(zhuǎn)動，角速度ω=2πrad/s。在Adams/View中設(shè)定各構(gòu)件長度，并在連接處進行鉸鏈約束，其中機構(gòu)的曲柄與機架的連接處定義一個伺服電動機，電動機轉(zhuǎn)速設(shè)置為360deg/sec，擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的運轉(zhuǎn)時間為3s。見圖3、圖4所示擺動導(dǎo)桿機構(gòu)仿真時，導(dǎo)桿擺角左右極限位置。從圖3、圖4中可以看到擺動導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿的擺角變化、速度變化、加速度的變化，當(dāng)曲柄與滑塊左極限位置時，導(dǎo)桿的擺角最小值，導(dǎo)桿處于左極限的位置，此時導(dǎo)桿在工作行程中的速度最小趨向于零，工作行程的時間明顯要比回程的時間長，導(dǎo)桿的加速度反而處在上升的趨勢。當(dāng)曲柄與滑塊右極限位置時，導(dǎo)桿的擺角最大值，導(dǎo)桿處于右極限的位置，此時導(dǎo)桿在回程中的速度最小，導(dǎo)桿的加速度處在下降的趨勢。導(dǎo)桿的擺角范圍從-18°至-72°，擺角為54°。從圖3、圖4可以很直觀的看出導(dǎo)桿速度、加速度在工作行程和回程中呈現(xiàn)出一低一高的曲線變化，表現(xiàn)出機構(gòu)的急回特性。因滑塊對導(dǎo)桿的作用力始終垂直于導(dǎo)桿，所以擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的傳動角始終為90度，并且其壓力角為0，具有較好的傳力性能，常用于牛頭刨床、插床和送料裝置等裝置中。

曲柄滑塊機構(gòu)，已知曲柄長度a=20mm，連桿長度b=60mm，偏距e=10mm，原動件為構(gòu)件曲柄，為勻速轉(zhuǎn)動，角速度ω=2πrad/s。在Adams/View中設(shè)定各構(gòu)件長度，并在連接處進行鉸鏈約束，其中機構(gòu)的曲柄與機架的連接處定義一個伺服電動機，電動機轉(zhuǎn)速設(shè)置為360deg/sec，曲柄滑塊機構(gòu)的運轉(zhuǎn)時間為3s。見圖5、圖6所示曲柄滑塊機構(gòu)仿真時，連桿擺角上下極限位置。從圖5、圖6中可以看到曲柄滑塊機構(gòu)導(dǎo)桿的擺角變化、速度變化、加速度的變化以及滑塊的位移變化，當(dāng)曲柄垂直滑塊導(dǎo)路時連桿擺角上極限位置時，連桿的擺角為21°最大值，此時機構(gòu)的壓力角最大，傳動角最小，滑塊在回程中的速度從高往低下降，回程的時間比工作行程的時間略短，滑塊的加速度反而處在上升的趨勢;當(dāng)曲柄垂直滑塊導(dǎo)路時連桿擺角下極限位置時，連桿的擺角為-19°最小值，此時機構(gòu)的也可能壓力角最大，傳動角最小，滑塊在工作行程中的速度處于最大值并開始下降趨勢，滑塊的加速度處于最小值并開始上升趨勢。連桿的擺角范圍從-19°至-21°，擺角為40°。從圖5、圖6可以很直觀的看出滑塊速度、加速度在回程和工作行程中呈現(xiàn)出一高一低的曲線變化，表現(xiàn)出機構(gòu)的急回特性。滑塊的位移從82.5mm至44mm，位移量為38.5mm。偏置的曲柄滑塊機構(gòu)中，以曲柄為主動件，是不會出現(xiàn)死點的，只有滑塊行程受限制。若滑塊為主動件時，當(dāng)曲柄與連桿共線時，將出現(xiàn)兩個死點位置。曲柄滑塊機構(gòu)廣泛應(yīng)用于往復(fù)活塞式發(fā)動機、壓縮機、沖床等的主機構(gòu)中。

2? 結(jié)束語

采用ADAMS對平面連桿機構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機構(gòu)、偏置曲柄滑塊機構(gòu)中急回特性進行運動仿真，讓學(xué)生直觀的看到“運動”的機構(gòu)，可形象清晰地將機構(gòu)的運動狀態(tài)、傳動角變化、死點位置及急回特性展示在學(xué)生面前，使學(xué)生獲得對機構(gòu)特性的感性認識。

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