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變自由度機(jī)構(gòu)的探究及應(yīng)用
摘要： 通常條件下，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的自由度是不改變的。然而在學(xué)習(xí)與工作中，經(jīng)常會(huì)遇到自由度變化的機(jī)構(gòu)。筆者結(jié)合應(yīng)用實(shí)例深入分析了造成自由度改變的原因、機(jī)構(gòu)的功能以及自由度變化的目的。本研究無(wú)疑為將來(lái)設(shè)計(jì)出運(yùn)行穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性更優(yōu)良的新機(jī)構(gòu)打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：自由度;創(chuàng)新應(yīng)用;機(jī)構(gòu)
一、前言
機(jī)構(gòu)自由度是機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。當(dāng)自由度與原動(dòng)件數(shù)相等時(shí)，機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一般機(jī)構(gòu)的自由度是一定的，但一些機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有變化的自由度，這便是變自由度機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，備受人們的關(guān)注，非常值得探討。它通過(guò)自由度的改變，以實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)形態(tài)，并在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，可以更好地滿(mǎn)足對(duì)于外界工作對(duì)象、環(huán)境等不確定狀態(tài)下的適應(yīng)性要求。但目前缺乏對(duì)這種機(jī)構(gòu)的深入研究。筆者分析了這種機(jī)構(gòu)自由度改變的原因、自由度可變機(jī)構(gòu)的用途及優(yōu)點(diǎn)等內(nèi)容，希望對(duì)同行了解此類(lèi)機(jī)構(gòu)有所幫助。
二、機(jī)構(gòu)變自由度的成因
2.1 活動(dòng)構(gòu)件數(shù)的改變
通過(guò)機(jī)構(gòu)內(nèi)力的傳遞、變換與平衡等使活動(dòng)構(gòu)件數(shù)發(fā)生變化，從而改變?cè)摍C(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使自由度發(fā)生改變。如圖1所示，若靠彈簧力使1和2之間保持一定的角度不變，則1和2成為一個(gè)活動(dòng)構(gòu)件;但當(dāng)外力大于彈簧力時(shí)，1和2之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)1和2便成為兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，增加一個(gè)自由度。
2.2 運(yùn)動(dòng)副約束個(gè)數(shù)的改變
以齒輪副為例，通常為一個(gè)高副，但有時(shí)則為兩個(gè)高副。如果一對(duì)齒輪副的兩輪中心相對(duì)位置被約束，則這對(duì)齒輪副僅提供一個(gè)約束，即為一個(gè)高副;而當(dāng)一對(duì)齒輪副的兩輪中心相對(duì)位置未被約束，則這對(duì)齒輪副將提供兩個(gè)約束，即兩個(gè)高副[1]。如圖2a中，齒輪2與齒輪3的中心A、B被桿1約束，此時(shí)兩齒輪輪齒為單側(cè)接觸，且無(wú)論這對(duì)齒輪的重合度為多少，有幾對(duì)齒參與接觸，由于過(guò)各接觸點(diǎn)的公法線(xiàn)均重合，故只能算一個(gè)高副。同理齒輪3與齒條4之間也為一個(gè)高副，則機(jī)構(gòu)自由度F=3×5-2×6-2=1。如圖2b，齒輪3與齒輪4未被約束，為無(wú)側(cè)隙嚙合，齒輪3與齒條6之間也未被約束，故每個(gè)接觸點(diǎn)處算作兩個(gè)高副，則F=3×5-2×5-4=1。
三、變自由度機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用分析
3.1 變自由度的剎車(chē)機(jī)構(gòu)
圖3為一剎車(chē)機(jī)構(gòu)[2]。剎車(chē)時(shí)操作桿1向右拉，此時(shí)連桿剎車(chē)系統(tǒng)處于未剎車(chē)狀態(tài)，自由度 F=3×6-2×8=2，自由度數(shù)大于原動(dòng)件數(shù)，所以不能確定它的運(yùn)動(dòng)。緊接著當(dāng)一側(cè)的側(cè)閘(G，J)瓦先與車(chē)輪接觸，兩側(cè)閘瓦之一壓緊車(chē)輪時(shí)，4或6成為機(jī)架，此時(shí)F=3×5-2×7=1 ，直到剎住車(chē)輪;兩側(cè)閘瓦均壓緊車(chē)輪時(shí)，4和6均為機(jī)架，此時(shí)F=3×4-2×6=0。 此機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)車(chē)輪由于磨損等原因偏離工作位置時(shí)，也能安全有效的完成剎車(chē)動(dòng)作。
3.2 后橋差速器機(jī)構(gòu)
如圖4所示是應(yīng)用于汽車(chē)中的后橋差速器，也是變自由度機(jī)構(gòu)[3]。其自由度為 F=3×5-2×5-3=2。當(dāng)直線(xiàn)行駛時(shí)，左右兩個(gè)輪受到的阻力一樣，行星齒輪2、2’不自轉(zhuǎn)，把動(dòng)力傳遞到兩個(gè)半軸上，這時(shí)左右車(chē)輪轉(zhuǎn)速n1=n3，兩輪滾過(guò)的路程相等，因此其自由度變?yōu)?。而汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，因4個(gè)車(chē)輪繞圖中的P點(diǎn)做純滾動(dòng)，故輪1輪3行程不同，轉(zhuǎn)速n1=(r-L)n4/r、n3=(r+L)n4/r也不相等，這兩種情況下，借助于外界條件使得機(jī)構(gòu)自由度均為1。該機(jī)構(gòu)利用可變化的自由度，適應(yīng)了直線(xiàn)行駛、向左轉(zhuǎn)彎、向右轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)速變化。
3.3 鋼材自動(dòng)夾緊、切斷裝置
如圖5所示為鋼材自動(dòng)夾緊、切斷裝置。機(jī)構(gòu)在初始狀態(tài)時(shí)，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為6，其自由度F=3×6-2×8=2。工作開(kāi)始，鉛垂載荷Q豎直向下拉桿6。第一階段原動(dòng)件桿1向上拉，由于載荷Q的作用，桿6不動(dòng)，相當(dāng)于機(jī)架，桿2在桿1的拉動(dòng)下做平面運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)桿3也做平面運(yùn)動(dòng)，桿3拉動(dòng)桿4繞固定鉸鏈D順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊鋼材，機(jī)構(gòu)自由度F=3×5-2×7=1，此時(shí)機(jī)構(gòu)為單自由度6桿機(jī)構(gòu)。第二階段，桿4不動(dòng)，相當(dāng)于機(jī)架，在桿1的驅(qū)動(dòng)下，桿2繼續(xù)做平面運(yùn)動(dòng)，此時(shí)通過(guò)鉸鏈E拉動(dòng)桿5，桿5與桿6在F點(diǎn)鉸接，當(dāng)桿5作用在F點(diǎn)的力對(duì)G點(diǎn)的力矩大于載荷Q對(duì)G點(diǎn)的力矩時(shí)，桿6開(kāi)始繞G點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使圓盤(pán)鋸H接觸鋼材并將其切斷，此時(shí)機(jī)構(gòu)自由度F=3×5-2×7=1。第三階段為反行程，桿1向下運(yùn)動(dòng)，桿6繞轉(zhuǎn)動(dòng)副G順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使圓盤(pán)鋸?fù)嘶兀敝僚c限位擋塊接觸，在載荷Q的作用下，桿6成為固定件，同時(shí)桿4繞固定鉸鏈D逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，松開(kāi)鋼材。該實(shí)例表明通過(guò)控制運(yùn)動(dòng)件的限動(dòng)方式，改變系統(tǒng)的自由度數(shù)，可以使機(jī)械系統(tǒng)完成工藝所要求完成的順序動(dòng)作[4]。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文以剎車(chē)機(jī)構(gòu)、后橋差速器機(jī)構(gòu)及鋼坯自動(dòng)夾緊切斷機(jī)構(gòu)為例，研究變自由度機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中自由度的變化情況，分析了自由度變化的原因和起到的作用。它們能更好地滿(mǎn)足外界工作對(duì)象、環(huán)境等不確定狀態(tài)下的適應(yīng)性要求。通過(guò)對(duì)典型可變自由度機(jī)構(gòu)的分析和討論，為將來(lái)設(shè)計(jì)出工作更可靠、性能更優(yōu)良的新機(jī)構(gòu)打下基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1]馮立艷.機(jī)械原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.
[2]孫桓，陳作模.機(jī)械原理(第七版)[M].北京：高等教育出版社，2001.
[3]陳海珍.可變自由度連桿機(jī)構(gòu)的分析與綜合[D].四川大學(xué)碩士論文，2005.
[4]曲繼方，安子軍，曲志剛.機(jī)構(gòu)創(chuàng)新原理[M].北京：科學(xué)出版社，2001.
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