三種機(jī)構(gòu)的急回特性的研究與實(shí)踐

白亞瓊 師平

摘要：針對(duì)高職《機(jī)械原理》中平面連桿機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性各不相同，學(xué)生難以理解、不能直觀表達(dá)特性，學(xué)習(xí)興趣不高且效果差的狀況，因此借助于ADAMS對(duì)三種機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，分析機(jī)構(gòu)的速度、加速度、擺角、死點(diǎn)位置和傳動(dòng)角等。增進(jìn)了學(xué)生對(duì)急回特性的感性認(rèn)識(shí)和理性理解，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ADAMS;急回特性;運(yùn)動(dòng)仿真;機(jī)械原理

中圖分類(lèi)號(hào)：TH112? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0211-02

0? 引言

機(jī)械原理是高等職業(yè)院校機(jī)械大類(lèi)專業(yè)的一門(mén)十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握有關(guān)機(jī)構(gòu)與機(jī)器運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本理論、基本方法和基本技能，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)械類(lèi)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(shí)際問(wèn)題的能力。高職學(xué)生對(duì)于平面連桿機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中急回特性的理解，停留在機(jī)構(gòu)工作時(shí)速度比回去時(shí)慢，不知如何在圖紙上使用“運(yùn)動(dòng)特性”對(duì)靜止的二維平面連桿機(jī)構(gòu)表達(dá)頭腦中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)學(xué)生使用“運(yùn)動(dòng)特性”對(duì)靜止的二維平面連桿機(jī)構(gòu)表達(dá)上是短板。雖然我們有些老師使用了Flash動(dòng)畫(huà)、視頻等多媒體方式展示其動(dòng)畫(huà)過(guò)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(duì)機(jī)械原理教學(xué)難以理解內(nèi)容做改進(jìn)，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(guò)程中更是不會(huì)應(yīng)用其它計(jì)算機(jī)輔助軟件學(xué)習(xí)機(jī)械原理中的“運(yùn)動(dòng)”，也就無(wú)從談及創(chuàng)新設(shè)計(jì)了。因此借助于ADAMS對(duì)三種機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，分析機(jī)構(gòu)的速度、加速度、擺角、死點(diǎn)位置和傳動(dòng)角等。在Adams/View中的建立三種機(jī)構(gòu)模型，在Adams/Postprocessor中得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思維方式和方法，以及機(jī)械系統(tǒng)方案的綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力。

1? 三種機(jī)構(gòu)的建模與運(yùn)動(dòng)分析

在平面四桿機(jī)構(gòu)中，已知曲柄長(zhǎng)度a=45mm，連桿長(zhǎng)度b=100mm，搖桿長(zhǎng)度c=70mm，機(jī)架長(zhǎng)度d=120mm，原動(dòng)件為曲柄a，為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度ω=2πrad/s。運(yùn)用軟件Adams對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，在Adams/View中設(shè)定各構(gòu)件長(zhǎng)度，并在連接處進(jìn)行鉸鏈約束，其中機(jī)構(gòu)的曲柄與機(jī)架的連接處定義一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為360deg/sec，平面四桿機(jī)構(gòu)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為1s。見(jiàn)圖1、圖2所示平面四桿機(jī)構(gòu)仿真時(shí)，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(jī)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(shí)，搖桿的擺角最大值，搖桿處于左極限的位置，此時(shí)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(shì)。當(dāng)曲柄與連桿第2次共線位置時(shí)，搖桿的擺角最小值，搖桿處于右極限的位置，此時(shí)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(shì)。這兩次共線的位置中必然存在壓力角最大，連接桿對(duì)搖桿所受的力最大，而傳動(dòng)角最小。假如原動(dòng)件不是曲柄，而是搖桿，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)死點(diǎn)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(jī)構(gòu)的急回特性。讓學(xué)生直觀的看到“運(yùn)動(dòng)”的機(jī)構(gòu)，可形象清晰地將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)展示在學(xué)生面前。常用于牛頭刨床進(jìn)給機(jī)構(gòu)、雷達(dá)調(diào)整機(jī)構(gòu)、縫紉機(jī)腳踏機(jī)構(gòu)、復(fù)擺式顎式破碎機(jī)、鋼材輸送機(jī)等。

在擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，已知曲柄長(zhǎng)度b=25mm，機(jī)架長(zhǎng)度b=50mm，原動(dòng)件為曲柄b，為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度ω=2πrad/s。在Adams/View中設(shè)定各構(gòu)件長(zhǎng)度，并在連接處進(jìn)行鉸鏈約束，其中機(jī)構(gòu)的曲柄與機(jī)架的連接處定義一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為360deg/sec，擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為3s。見(jiàn)圖3、圖4所示擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)仿真時(shí)，導(dǎo)桿擺角左右極限位置。從圖3、圖4中可以看到擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)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(shí)，導(dǎo)桿的擺角最小值，導(dǎo)桿處于左極限的位置，此時(shí)導(dǎo)桿在工作行程中的速度最小趨向于零，工作行程的時(shí)間明顯要比回程的時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)桿的加速度反而處在上升的趨勢(shì)。當(dāng)曲柄與滑塊右極限位置時(shí)，導(dǎo)桿的擺角最大值，導(dǎo)桿處于右極限的位置，此時(shí)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(shì)。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(jī)構(gòu)的急回特性。因滑塊對(duì)導(dǎo)桿的作用力始終垂直于導(dǎo)桿，所以擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(jī)構(gòu)，已知曲柄長(zhǎng)度a=20mm，連桿長(zhǎng)度b=60mm，偏距e=10mm，原動(dòng)件為構(gòu)件曲柄，為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度ω=2πrad/s。在Adams/View中設(shè)定各構(gòu)件長(zhǎng)度，并在連接處進(jìn)行鉸鏈約束，其中機(jī)構(gòu)的曲柄與機(jī)架的連接處定義一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為360deg/sec，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為3s。見(jiàn)圖5、圖6所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)仿真時(shí)，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(jī)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(shí)連桿擺角上極限位置時(shí)，連桿的擺角為21°最大值，此時(shí)機(jī)構(gòu)的壓力角最大，傳動(dòng)角最小，滑塊在回程中的速度從高往低下降，回程的時(shí)間比工作行程的時(shí)間略短，滑塊的加速度反而處在上升的趨勢(shì);當(dāng)曲柄垂直滑塊導(dǎo)路時(shí)連桿擺角下極限位置時(shí)，連桿的擺角為-19°最小值，此時(shí)機(jī)構(gòu)的也可能壓力角最大，傳動(dòng)角最小，滑塊在工作行程中的速度處于最大值并開(kāi)始下降趨勢(shì)，滑塊的加速度處于最小值并開(kāi)始上升趨勢(shì)。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(jī)構(gòu)的急回特性?；瑝K的位移從82.5mm至44mm，位移量為38.5mm。偏置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，以曲柄為主動(dòng)件，是不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)的，只有滑塊行程受限制。若滑塊為主動(dòng)件時(shí)，當(dāng)曲柄與連桿共線時(shí)，將出現(xiàn)兩個(gè)死點(diǎn)位置。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、沖床等的主機(jī)構(gòu)中。

2? 結(jié)束語(yǔ)

采用ADAMS對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中急回特性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，讓學(xué)生直觀的看到“運(yùn)動(dòng)”的機(jī)構(gòu)，可形象清晰地將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、傳動(dòng)角變化、死點(diǎn)位置及急回特性展示在學(xué)生面前，使學(xué)生獲得對(duì)機(jī)構(gòu)特性的感性認(rèn)識(shí)。

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