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变自由度机构探究及应用摘要:通常条件下,机构在运动中的自由度是不改 变的。然而在学习与工作中,经常会遇到自由度变化的机构。 笔者结合应用实例深入分析了造成自由度改变的原因、机构 的功能以及自由度变化的目的。本研究无疑为将来设计出运 行稳定、环境适应性更优良的新机构打下基础。关键词:自由度;创新应用;机构一、前言机构自由度是机构具有独立运动的数目。当自由度与 原动件数相等时,机构具有确定的相对运动。一般机构的自 由度是一定的,但一些机构在运动过程中具有变化的自由 度,这便是变自由度机构。这种机构的出现,备受人们的关 注,非常值得探讨。它通过自由度的改变,以实现多种结构 形态,并在很多领域得到应用,可以更好地满足对于外界工 作对象、环境等不确定状态下的适应性要求。但目前缺乏对 这种机构的深入研究。笔者分析了这种机构自由度改变的原 因、自由度可变机构的用途及优点等内容,希望对同行了解 此类机构有所帮助。二、机构变自由度的成因2. 1活动构件数的改变通过机构内力的传递、变换与平衡等使活动构件数发生变化,从而改变该机械系统的结构,使自由度发生改变。如图1所示,若靠弹簧力使1和2之间保持一定的角度不变, 则1和2成为一个活动构件;但当外力大于弹簧力时,1和2 之间会产生相对转动,此时1和2便成为两个活动构件,增 加一个自由度。2. 2运动副约束个数的改变以齿轮副为例,通常为一个高副,但有时则为两个高副。如果一对齿轮副的两轮中心相对位置被约束,则这对齿 轮副仅提供一个约束,即为一个高副;而当一对齿轮副的两 轮中心相对位置未被约束,则这对齿轮副将提供两个约束, 即两个高副1。如图2a中,齿轮2与齿轮3的中心A、B 被杆1约束,此时两齿轮轮齿为单侧接触,且无论这对齿轮 的重合度为多少,有几对齿参与接触,由于过各接触点的公 法线均重合,故只能算一个高副。同理齿轮3与齿条4之间 也为一个高副,则机构自由度F=3×; 5-2×; 6-2=1 o如图2b,齿轮3与齿轮4未被约束,为无侧隙啮合,齿轮3 与齿条6之间也未被约束,故每个接触点处算作两个高副, 则 F二3×;5-2×;5-4二1。三、变自由度机构的实际应用分析3. 1变自由度的刹车机构图3为一刹车机构2。刹车时操作杆1向右拉,此 时连杆刹车系统处于未刹车状态,自由度 F=3×;62×;8=2,自由度数大于原动件数,所以 不能确定它的运动。紧接着当一侧的侧闸(G, J)瓦先与车轮 接触,两侧闸瓦之一压紧车轮时,4或6成为机架,此时 F=3×; 5-2×; 7=1 ,直到刹住车轮;两侧闸瓦均压 紧车轮时,4和6均为机架,此时F=3×; 4-2×; 6=0。 此机构的优点在于当车轮由于磨损等原因偏离工作位置时, 也能安全有效的完成刹车动作。3.2后桥差速器机构如图4所示是应用于汽车中的后桥差速器,也是变自 由度机构3。其自由度为 F=3×;5-2×;5-3=2o 当直线行驶时,左右两个轮受到的阻力一样,行星齿轮2、2 不自转,把动力传递到两个半轴上,这时左右车轮转速 nl=n3,两轮滚过的路程相等,因此其自由度变为1。而汽车 在转弯过程中,因4个车轮绕图中的P点做纯滚动,故轮1 轮3行程不同,转速nl=(r-L)n4/r、n3=(r+L)n4/r也不相 等,这两种情况下,借助于外界条件使得机构自由度均为lo 该机构利用可变化的自由度,适应了直线行驶、向左转弯、 向右转弯时的转速变化。3.3钢材自动夹紧、切断装置如图5所示为钢材自动夹紧、切断装置。机构在初始 状态时,活动构件数为6 ,其自由度F=3×;62×;8=2o工作开始,铅垂载荷Q竖直向下拉杆6。第一阶段原动件杆1向上拉,由于载荷Q的作用, 杆6不动,相当于机架,杆2在杆1的拉动下做平面运动, 带动杆3也做平面运动,杆3拉动杆4绕固定较链D顺时针 转动,压紧钢材,机构自由度F=3×;5-2×;7=l, 此时机构为单自由度6杆机构。第二阶段,杆4不动,相当 于机架,在杆1的驱动下,杆2继续做平面运动,此时通过 较链E拉动杆5,杆5与杆6在F点饺接,当杆5作用在F 点的力对G点的力矩大于载荷Q对G点的力矩时,杆6开始 绕G点逆时针转动,使圆盘锯H接触钢材并将其切断,此时 机构自由度F=3×; 5-2×; 7=lo第三阶段为反行程,杆1向下运动,杆6绕转动副G顺时针转动,使圆盘锯退回, 直至与限位挡块接触,在载荷Q的作用下,杆6成为固定件, 同时杆4绕固定饺链D逆时针转动,松开钢材。该实例表明 通过控制运动件的限动方式,改变系统的自由度数,可以使 机械系统完成工艺所要求完成的顺序动作4。四、结束语本文以刹车机构、后桥差速器机构及钢坯自动夹紧切 断机构为例,研究变自由度机构在工作过程中自由度的变化 情况,分析了自由度变化的原因和起到的作用。它们能更好 地满足外界工作对象、环境等不确定状态下的适应性要求。 通过对典型可变自由度机构的分析和讨论,为将来设计出工 作更可靠、性能更优良的新机构打下基础。参考文献:1 冯立艳.机械原理M.北京:机械工业出版社, 2012.2 孙桓,陈作模.机械原理(第七版)M.北京:高等 教育出版社,2001.3 陈海珍.可变自由度连杆机构的分析与综合D. 四川大学硕士论文,2005.4 曲继方,安子军,曲志刚.机构创新原理M.北京: 科学出版社,2001.
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