若干个单自由度的基本机构的输入(或输出)构件连接在一起,保留各自的输出(或输入)运动;或有共同的输入构件与输出构件的连接,称为机构并联。并联机构的特征是各基本机构均是单自由度机构。
两个或多个基本机构并列布置,称为机构并联组合。机构的并联组合可分为Ⅰ型并联,Ⅱ型并联和Ⅲ型并联,如图3-11所示。
图3-11 机构并联类型
Ⅰ型并联组合机构的特点是两个输入并联成一个输出;可实现机构的惯性力完全平衡或部分平衡,还可实现运动的分流。图3-12(a)所示为两曲柄滑块机构的并联组合,图3-12(b)为两曲柄摇杆机构的并联组合。
图3-12 Ⅰ型并联示例
Ⅱ型并联组合机构的特点是一个输入分解成两个运动后再合成为一个运动,可实现运动的合成,这类组合方法是设计多缸发动机的理论依据。如图3-13所示为四个主动滑块的移动共同驱动一个曲柄的输出。
图3-13 Ⅱ型并联示例
Ⅲ型并联组合机构的特点是一个输入分解成两个输出,常应用在压力机中。
1.并联组合的基本思路
1)对称并联相同机构,实现机构的平衡
通过对称并联同类机构,可以实现机构惯性力的部分平衡与完全平衡。利用I型并联组合可实现此类目的。
2)实现运动的分解与合成
Ⅰ型并联组合可以实现运动的分解,Ⅱ型并联组合可以实现运动的合成。
3)改善机构受力状态
Ⅲ型并联组合机构可使机构的受力状况大大改善,因而在冲床、压床机构中得到广泛的应用。如图3-14中,滑块AB驱动两套相同的串联机构,再通过滑块KF输出动力,不但增加了滑块KF的输出力,而且使机构受力均衡。
图3-14 Ⅲ型并联示例
另外,不同类机构也可以并联组合,这为并联组合的设计提供了广泛的应用前景。表3 2给出了部分并联组合机构的实例。
表3-2 并联组合机构实例
续表
2.并联式组合机构的设计举例
并联式组合机构的设计方法:首先选择一个适当的基础机构(两自由度机构),并选定其中一个原动件的运动规律,然后使基础机构的从动件完成给定的运动规律或轨迹,于是可以得到给定运动规律的原动件和另一原动件的运动关系,按此运动关系来设计单自由度的约束机构,最后即可完成并联式组合机构的设计。
图3-15(c)所示为一凸轮-连杆组合机构,由一个凸轮机构和一个具有两个自由度的五杆机构组成,图中C点可以实现已知轨迹s。构件1、2、3、4、5为具有两个自由度的五杆机构,而构件1'-4-5为凸轮机构,曲柄1和凸轮1'固连在同一轴上。当该轴等速转动时,构件2、3的铰接点C描绘出轨迹s。其设计方法如下。
图3-15 凸轮-连杆组合机构(www.daowen.com)
1)平面五杆机构的设计步骤
(1)如图3-15(a)所示,根据机械的总体布置选定原动件的转动中心A相对于已知轨迹s的位置。
(2)找出A点到已知轨迹的最近距离ρ'和最远距离ρ″。因为
所以
(3)找出轨迹s上到构件4的导路的最大垂直距离H,那么应取构件3的长度l3>H。
(4)将曲柄销B的运动圆周分为若干等分,得B1,B2,B3,…,B12等点;再以这些点为圆心及l2为半径画弧与轨迹s相交,得其对应点C1,C2,C3,…,C12;然后,又以这些点为圆心及l3为半径画弧与构件4的导路相交,得其对应点D1,D2,D3,…,D12,这样就确定了构件4的运动规律。
2)凸轮轮廓曲线设计
(1)图解法 因为构件1和凸轮1'互相固定连接,而构件4是凸轮机构的从动件,这样相当于已知凸轮机构从动件的位移线路,所以只要选择适当的凸轮基圆半径和滚子半径,便可以用《机械原理》所介绍的图解法求出凸轮轮廓。
(2)解析法 如图3-15(b)所示,设AB=a,BC=b,CD=c,AD=s4,且已知曲线s上各点对应曲柄AB转角φ1的x、y坐标值或x=f1(φ1)、y=f2(φ1)函数,则曲线的参数方程式为
由上式可得
列出五杆机构位置的矢量方程
将其投影在x、y轴上
式中
s4=f(φ1)
由此解得
式中
M=2ab sinφ1
N=2b[acosφ1-f(φ1)]
P=c2-a2-b2-f2(φ1)+2f(φ1)acosφ1
由式(3-10)和式(3-12)可得
若给定凸轮在不同转角φ2时,B点的坐标x和y值,则可相应地求出s4=f(φ2),便可按盘形凸轮来设计凸轮的廓线。
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