三種機構的急回特性的研究與實踐

白亞瓊 師平

摘要：針對高職《機械原理》中平面連桿機構、擺動導桿機構、偏置曲柄滑塊機構的急回特性各不相同，學生難以理解、不能直觀表達特性，學習興趣不高且效果差的狀況，因此借助于ADAMS對三種機構進行運動仿真分析，分析機構的速度、加速度、擺角、死點位置和傳動角等。增進了學生對急回特性的感性認識和理性理解，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，提高課堂教學質量。

關鍵詞：ADAMS;急回特性;運動仿真;機械原理

中圖分類號：TH112? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0211-02

0? 引言

機械原理是高等職業(yè)院校機械大類專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎課。通過本課程學習，使學生掌握有關機構與機器運動學的基本理論、基本方法和基本技能，為進一步學習機械類專業(yè)課打下良好的理論基礎，并培養(yǎng)學生綜合分析和解決工程實際問題的能力。高職學生對于平面連桿機構、擺動導桿機構、偏置曲柄滑塊機構中急回特性的理解，停留在機構工作時速度比回去時慢，不知如何在圖紙上使用“運動特性”對靜止的二維平面連桿機構表達頭腦中的機構運動，也就是說學生使用“運動特性”對靜止的二維平面連桿機構表達上是短板。雖然我們有些老師使用了Flash動畫、視頻等多媒體方式展示其動畫過程，在一定程度上提高學生的自主學習積極性，但這些方法并未在本質上對機械原理教學難以理解內容做改進，以往學生難以消化、接受的內容還是較難理解。而學生在學習過程中更是不會應用其它計算機輔助軟件學習機械原理中的“運動”，也就無從談及創(chuàng)新設計了。因此借助于ADAMS對三種機構進行運動仿真分析，分析機構的速度、加速度、擺角、死點位置和傳動角等。在Adams/View中的建立三種機構模型，在Adams/Postprocessor中得到機構的運動分析曲線，使教師的教或學生的學得到輔助理解的直觀效果，進而培養(yǎng)學生機械系統方案創(chuàng)新設計的思維方式和方法，以及機械系統方案的綜合設計能力、創(chuàng)新設計能力和工程實踐能力。

1? 三種機構的建模與運動分析

在平面四桿機構中，已知曲柄長度a=45mm，連桿長度b=100mm，搖桿長度c=70mm，機架長度d=120mm，原動件為曲柄a，為勻速轉動，角速度ω=2πrad/s。運用軟件Adams對機構進行建模，在Adams/View中設定各構件長度，并在連接處進行鉸鏈約束，其中機構的曲柄與機架的連接處定義一個伺服電動機，電動機轉速設置為360deg/sec，平面四桿機構中運轉時間為1s。見圖1、圖2所示平面四桿機構仿真時，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構搖桿的擺角變化、速度變化、加速度的變化，當曲柄與連桿第1次共線位置時，搖桿的擺角最大值，搖桿處于左極限的位置，此時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。當曲柄與連桿第2次共線位置時，搖桿的擺角最小值，搖桿處于右極限的位置，此時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。這兩次共線的位置中必然存在壓力角最大，連接桿對搖桿所受的力最大，而傳動角最小。假如原動件不是曲柄，而是搖桿，這時就會出現兩個死點位置。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出一低一高的曲線變化，表現出機構的急回特性。讓學生直觀的看到“運動”的機構，可形象清晰地將機構的運動狀態(tài)展示在學生面前。常用于牛頭刨床進給機構、雷達調整機構、縫紉機腳踏機構、復擺式顎式破碎機、鋼材輸送機等。

在擺動導桿機構中，已知曲柄長度b=25mm，機架長度b=50mm，原動件為曲柄b，為勻速轉動，角速度ω=2πrad/s。在Adams/View中設定各構件長度，并在連接處進行鉸鏈約束，其中機構的曲柄與機架的連接處定義一個伺服電動機，電動機轉速設置為360deg/sec，擺動導桿機構的運轉時間為3s。見圖3、圖4所示擺動導桿機構仿真時，導桿擺角左右極限位置。從圖3、圖4中可以看到擺動導桿機構導桿的擺角變化、速度變化、加速度的變化，當曲柄與滑塊左極限位置時，導桿的擺角最小值，導桿處于左極限的位置，此時導桿在工作行程中的速度最小趨向于零，工作行程的時間明顯要比回程的時間長，導桿的加速度反而處在上升的趨勢。當曲柄與滑塊右極限位置時，導桿的擺角最大值，導桿處于右極限的位置，此時導桿在回程中的速度最小，導桿的加速度處在下降的趨勢。導桿的擺角范圍從-18°至-72°，擺角為54°。從圖3、圖4可以很直觀的看出導桿速度、加速度在工作行程和回程中呈現出一低一高的曲線變化，表現出機構的急回特性。因滑塊對導桿的作用力始終垂直于導桿，所以擺動導桿機構的傳動角始終為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。

曲柄滑塊機構，已知曲柄長度a=20mm，連桿長度b=60mm，偏距e=10mm，原動件為構件曲柄，為勻速轉動，角速度ω=2πrad/s。在Adams/View中設定各構件長度，并在連接處進行鉸鏈約束，其中機構的曲柄與機架的連接處定義一個伺服電動機，電動機轉速設置為360deg/sec，曲柄滑塊機構的運轉時間為3s。見圖5、圖6所示曲柄滑塊機構仿真時，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構導桿的擺角變化、速度變化、加速度的變化以及滑塊的位移變化，當曲柄垂直滑塊導路時連桿擺角上極限位置時，連桿的擺角為21°最大值，此時機構的壓力角最大，傳動角最小，滑塊在回程中的速度從高往低下降，回程的時間比工作行程的時間略短，滑塊的加速度反而處在上升的趨勢;當曲柄垂直滑塊導路時連桿擺角下極限位置時，連桿的擺角為-19°最小值，此時機構的也可能壓力角最大，傳動角最小，滑塊在工作行程中的速度處于最大值并開始下降趨勢，滑塊的加速度處于最小值并開始上升趨勢。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出一高一低的曲線變化，表現出機構的急回特性。滑塊的位移從82.5mm至44mm，位移量為38.5mm。偏置的曲柄滑塊機構中，以曲柄為主動件，是不會出現死點的，只有滑塊行程受限制。若滑塊為主動件時，當曲柄與連桿共線時，將出現兩個死點位置。曲柄滑塊機構廣泛應用于往復活塞式發(fā)動機、壓縮機、沖床等的主機構中。

2? 結束語

采用ADAMS對平面連桿機構、擺動導桿機構、偏置曲柄滑塊機構中急回特性進行運動仿真，讓學生直觀的看到“運動”的機構，可形象清晰地將機構的運動狀態(tài)、傳動角變化、死點位置及急回特性展示在學生面前，使學生獲得對機構特性的感性認識。

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