机械机构结构设计概念和目的

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作者：杨国星    单位：天津轻工职业技术学院机械工程学院

随着社会的发展和社会的进步,机械行业需要解决的问题越来越多样化,同时也对机构构型的设计提出了更高的要求。要解决现实中面临的这些问题,就需要进行创新设计,以推动机械业的不断发展和进步。机构构型的创新设计会提高机械的性能,简化机器的内部构造,提高行业的工作效率,降低能耗,减少污染,提高机器设备的准确度和精确度,对整个机械行业的发展中有十分积极的意义。

1机械机构构型创新设计概述

机械机构仍然是机器的重要组成部分。在现代机械产品的创新开发中,从原理的构思、运动尺寸的确定,机器性能的分析以及结构形状的探讨,无不和机构设计的基本理论和基本方法有着相当紧密的联系。机械机构构型创新设计的目的是按照要求设计出符合条件的新机构,在总体方案设计阶段突破传统的设计方法,采用创造性思维,实现从选型设计向构型设计的转变。机构构型创新设计是一个比较抽象和复杂的设计过程,在没有任何依据,凭空设计出一种新机构是非常困难的。所以,可以采用再生设计的方法来实现机械机构构型的创新设计,即借鉴和吸收现有的机构设计特点,运用创造性的思维和方法,通过类型创新得到新的机构构型。

2机械机构构型创新设计的原理

2.1机构组合原理

事实上,在结构设计中和运用实践中,运用用单一的机构不能满足要求,不能完成任务。齿轮机构具有良好的运动性能和动力特性,但运动形式太简单;棘轮机构尽管可以进行间歇运动,但他的运动特性太差;连杆机构运动简单,使用方便,但是很难实现一些特殊运动规律;凸轮机构可以实现任意运动,但是行程的可调性太差。所以,在实际运用中,单一的机构往往具有自身的缺陷与不足,而为了弥补各自的不足,在机构构型创新设计中我们可以把两种或两种以上的机构进行组合,充分利用各自的性能,发挥各自的优势,创造出符合要求的新型机构。

2.2机构变异原理

这种原理的而基本思路是:首先要确定一个原始机构,并对该机构的结构组成和功能约束进行分析。然后通过一般化的处理将机构运动简图转化为一般化的运动链。再采取措施使运动链的结构系列化,即将运动链进行排列组合,找出其中的不同结构形式。最后按照该机构构型的功能所赋予的约束条件,演化成众多的再生运动链和相应的新机构。

3机械机构构型创新设计的原则

机械行业是一个比较古老的行业,经过其漫长的发展和演进,已经形成了很多关于机械机构构型设计方面的原则,这些原则对机械机构构型设计实践重要的指导意义。事实上,也只有遵循这些基本原则,才有可能使具有实用价值的机构构型设计得以实现。总的来说,机械机构构型创新设计的原则包括以下几点。

3.1缩短机构运动链原则运动链太长会加大震动,增加积累误差,也增加了机械设计的成本。所以,在机构构型创新设计中,要尽量缩短运动链,以减小震动,减小积累误差,降低机械设计成本。

3.2恰当选择运动副原则运动副是两构件直接接触组成的可动连接,它限制了两构件之间的某些相对运动,在机械机构构型设计中常用的是高副和低副。高副和低副各有自己的特点,低副在接触部分的压强较低,因而比高副更加耐磨损。在机械机构构型设计中,要充分认识高副和低副的不同特点,根据设计的实际需要选择使用,充分发挥运动副的优势,取长补短。

3.3恰当选择原动机原则原动机是指用能源产生原动力的一切机械,包括热力、水力、风力、电力发动机等,机械也需要原动机,以提供动力,保障正常的运行工作。在机械机构构型设计中,要根据机械的具体要求选择适合的原动机,为了保证机械的正常运行,在设计中,可以考虑采用多个原动机,以保障充足的动力。

3.4缩小机构的尺寸原则机构尺寸的大小对机械性能的发挥有着重要的作用。机构尺寸较小,占用的空间较少,有利于各个部分功能的发挥和空间的有效利用,反之,尺寸较大则不利于机械整体性能的发挥。为了缩小机构的尺寸,在设计中可以适当的选择凸轮、连杆、滑块等,以提高空间的使用效率,增加机械的整体性能。

4机械机构构型创新设计的实例

4.1利用组合原理创新设计的机械机构构型实例

设计一个间歇冲压装置并将该装置安装在一条流水生长线上,同时要求压力符合要求,结构紧凑,效率高。该设计方案电动机输出的是旋转运动。连杆1、连杆2和大轮构成凸轮-连杆-滑块结构,这种机构可以将旋转运动转化为直线往复运动。该设计的直线往复运动由连杆3、连杆4、连杆5构成,并且这三个连杆与中心呈对称分布,满足工作压力的要求。总之,该机构结构清晰,将旋转运动变成了直线往复运动,收到的效果也显著。此外,该机构拥有两个输出装置的配备,使得一机两用得以实现,不仅提高了机构构型的空间利用率,也有利于加工产品的效率的提高。

4.2利用变异原理创新设计的机械机构构型实例

为了满足某些工艺的要求,使机构具有某些特殊性能,实践中我们可以改变某些机构的结构,设计出新的机构构型,如图1所示。该图的左侧为传统的摆动从动件圆柱凸轮结构,从理论上来说,除了两个特殊点之外,摆角越大,摆杆的准确度越低,而经过改进后,凸轮2以角速度ω转动时,导杆3随着滚子4上下移动。滚子4又带动摆杆5以角速度ωo上下摆动,与此同时,摆杆5与摆快6作相对运动,摆快6和机架1相对转动实现了运动过程的自我调适。该机构弥补了传统机构的缺点与不足,突破了相对摆角的局限,并且摆动运动规律,摆动也十分精确,是典型的机械机构构型。