王 艷

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代機(jī)械在機(jī)構(gòu)類型方面出現(xiàn)許多新的創(chuàng)造，正向著機(jī)-電-液-信息一體化方向發(fā)展，有些已突破了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)范疇，進(jìn)入“廣義機(jī)構(gòu)學(xué)”的領(lǐng)域。但是不論現(xiàn)代機(jī)械如何發(fā)展，傳遞和變換機(jī)械運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)，仍然是多數(shù)機(jī)器的最重要組成部分[1]。設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，如果設(shè)計(jì)者具備機(jī)構(gòu)分析與綜合的現(xiàn)代理論知識(shí)，熟悉各種常用機(jī)構(gòu)的性能、用途和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，能從現(xiàn)有機(jī)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并舉一反三，就能在機(jī)械方案設(shè)計(jì)中取得主動(dòng)。

一、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的理論基礎(chǔ)

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

二、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法

（一）由桿組的組合獲得多種機(jī)構(gòu)

1、桿組及分類

平面機(jī)構(gòu)包含原動(dòng)件、機(jī)架和從動(dòng)件系統(tǒng)，由于機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件是機(jī)構(gòu)的自由度等于原動(dòng)件個(gè)數(shù)，所以剩下的從動(dòng)件系統(tǒng)的自由度必然為零。從動(dòng)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(gè)桿組依次聯(lián)接到原動(dòng)件和機(jī)架上，就組成一個(gè)新的機(jī)構(gòu)，其自由度數(shù)與原動(dòng)件數(shù)目相等。設(shè)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?jiàn)桿組中的構(gòu)件數(shù)n必須是偶數(shù)，且當(dāng) n=2、4、6 時(shí)，PL=3、6，9。 根據(jù)桿組的復(fù)雜程度，將桿組分成若干級(jí)別，機(jī)構(gòu)的級(jí)別由組成該機(jī)構(gòu)的桿組的最高級(jí)別而定。實(shí)際工程中所用的機(jī)構(gòu)多數(shù)是II級(jí)機(jī)構(gòu)。

2、平面機(jī)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(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度F=1，并確定凸輪為原動(dòng)件。根據(jù)拆分桿組的要領(lǐng)，先拆分出由構(gòu)件4和5組成的Ⅱ級(jí)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(gè)Ⅱ級(jí)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(dòng)件1和機(jī)架9。機(jī)構(gòu)多樣性構(gòu)思：只要取原動(dòng)件1和機(jī)架9與上圖中四個(gè)桿組中的任意一個(gè)或幾個(gè)便組成各種類型的II級(jí)機(jī)構(gòu)。由此可知，在原動(dòng)件和機(jī)架上任意添加若干個(gè)桿組便可組成各種新的不同級(jí)別的機(jī)構(gòu)，其自由度等于原動(dòng)件個(gè)數(shù)，機(jī)構(gòu)一定具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這是構(gòu)思新機(jī)構(gòu)的理論基礎(chǔ)。

圖1 桿組的拆分

（二）機(jī)構(gòu)的變異

當(dāng)機(jī)構(gòu)型式不能較好實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)要求，可以對(duì)原有機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的變異。機(jī)構(gòu)常用的變異方法有：

1、改變構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)

對(duì)于某些具有特殊運(yùn)動(dòng)特性的機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)改變構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，在導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)原直線導(dǎo)槽上設(shè)置一段圓弧槽，其圓弧半徑與曲柄長(zhǎng)度相等，則導(dǎo)桿在左極限位置可以實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間的停歇。這種變異使擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在往復(fù)擺動(dòng)中實(shí)現(xiàn)一定的間歇運(yùn)動(dòng)。

圖2 有停歇的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

圖3 槽輪展直得到槽條機(jī)構(gòu)

2、改變構(gòu)件的相對(duì)尺寸

改變構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸，會(huì)生成不同運(yùn)動(dòng)特性的機(jī)構(gòu)。在轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，如果使機(jī)架長(zhǎng)大于相鄰桿長(zhǎng)，則變?yōu)閿[動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。又如圖3所示，在槽輪機(jī)構(gòu)中，如果槽輪的直徑趨向無(wú)窮大，則槽輪展直而演變?yōu)椴蹢l，于是槽輪機(jī)構(gòu)就變異為圖示的做間歇直線運(yùn)動(dòng)的槽條機(jī)構(gòu)。

3、選不同的構(gòu)件做機(jī)架

這種方法又稱為機(jī)構(gòu)的倒置。機(jī)構(gòu)倒置后各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不變，但可以得到不同運(yùn)動(dòng)特性的機(jī)構(gòu)[1]。例如曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，若改變機(jī)架位置，可得到雙曲柄機(jī)構(gòu)或雙搖桿機(jī)構(gòu)。又如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，取不同構(gòu)件作機(jī)架可得到擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖塊機(jī)構(gòu)、移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。再如，將內(nèi)嚙合齒輪機(jī)構(gòu)的內(nèi)齒輪作為機(jī)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(diǎn)輸出的軌跡形態(tài)。

圖4 內(nèi)嚙合齒輪機(jī)構(gòu)的倒置機(jī)構(gòu)

4、選不同的構(gòu)件為原動(dòng)件

在運(yùn)用桿組法分析機(jī)構(gòu)時(shí)可以看出：選擇不同的原動(dòng)件可得到不同級(jí)別的機(jī)構(gòu)，一定程度體現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的多樣性。多數(shù)機(jī)構(gòu)中常取連架桿作為原動(dòng)件，但在電風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)中，原動(dòng)件是連桿BC，連桿BC由蝸桿驅(qū)動(dòng)，能做整周轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)連架桿AB往復(fù)擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的搖頭。機(jī)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，構(gòu)思巧妙。

圖5 電風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)

圖6 手動(dòng)插秧機(jī)的插秧機(jī)構(gòu)

5、增加輔助構(gòu)件

以原機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，增加新的構(gòu)件，生成新機(jī)構(gòu)，各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系不變，但新機(jī)構(gòu)的性能與原機(jī)構(gòu)有很大差別[1]。

圖6的插秧機(jī)構(gòu)中，在凸輪機(jī)構(gòu)中增加了一個(gè)輔助構(gòu)件活動(dòng)舌3，當(dāng)滾子B沿著凸輪左側(cè)輪廓線向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，活動(dòng)舌的左端被滾子壓開(kāi)，滾子向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)滾子離開(kāi)活動(dòng)舌后，彈簧6作用使活動(dòng)舌恢復(fù)原位，使?jié)L子向上運(yùn)動(dòng)時(shí)只能沿著右側(cè)凸輪輪廓線。在通過(guò)活動(dòng)舌右端時(shí)，又將其壓開(kāi)而上行，通過(guò)后，彈簧6又使活動(dòng)舌恢復(fù)原位，滾子隨后的運(yùn)動(dòng)只能繼續(xù)向左下方進(jìn)行。這樣增加了活動(dòng)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(jī)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(yùn)動(dòng)副，能組成某一自由度的運(yùn)動(dòng)鏈有多少種。這類問(wèn)題屬于機(jī)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(wèn)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(shuō)明問(wèn)題，現(xiàn)只討論僅含轉(zhuǎn)動(dòng)副，且自由度為1的平面閉式鏈機(jī)構(gòu)，且不包含復(fù)合鉸鏈。因機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jiàn)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)鏈環(huán)數(shù)L與構(gòu)件總數(shù)N之間的關(guān)系：L=-1+N/2（式4）

2、常見(jiàn)機(jī)構(gòu)的數(shù)綜合結(jié)果

運(yùn)用公式（4），對(duì)于四桿運(yùn)動(dòng)鏈，N=4，L=1，只有一個(gè)環(huán)，所以其可能的結(jié)構(gòu)型式只有一種。六桿運(yùn)動(dòng)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(rèn)為是在四桿鏈上疊加雙桿組而得。八桿運(yùn)動(dòng)鏈，N=8，L=3，可能的結(jié)構(gòu)型式有16種。十桿運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)鏈基本型式的基礎(chǔ)上，如果采用不同構(gòu)件為機(jī)架，或?qū)⑥D(zhuǎn)動(dòng)副用移動(dòng)副代替，以高副代替低副等方法，則可以得到多種多樣的實(shí)際機(jī)構(gòu)。

（四）機(jī)構(gòu)的組合創(chuàng)新

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

由上可見(jiàn)，為了滿足自動(dòng)化、機(jī)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(jī)構(gòu)，以滿足多種多樣的運(yùn)動(dòng)要求和更加理想的動(dòng)力性能要求。把若干個(gè)基本機(jī)構(gòu)按照一定的方式組合起來(lái)形成組合機(jī)構(gòu)是機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的重要途徑。組合機(jī)構(gòu)能使若干個(gè)基本機(jī)構(gòu)融合成性能更加完善、運(yùn)動(dòng)形式更加多樣化的新機(jī)構(gòu)。代表性組合機(jī)構(gòu)有：齒輪-連桿機(jī)構(gòu)、凸輪-連桿機(jī)構(gòu)、齒輪-凸輪機(jī)構(gòu)等。

三、結(jié)語(yǔ)

從一種機(jī)構(gòu)通過(guò)不同的演化方法或從基本鏈出發(fā)進(jìn)行機(jī)構(gòu)數(shù)綜合的創(chuàng)新構(gòu)思法，以及機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新方法等，的確能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的多樣化創(chuàng)新。它能使設(shè)計(jì)者廣開(kāi)思路，能使無(wú)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)者有規(guī)律可循。因此，熟悉這些方法，對(duì)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(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]符煒.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)思方法[M]．長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

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[4]馬永林.機(jī)械原理[M]．北京：高等教育出版社，2009.

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