机械创新设计(第六章)

第六章机构再生运动链原理与创新再生运动链法：颜鸿森教授提出的颜氏创造机构设计法。再生运动链法实际为演绎法：由一个原始机构按一定规律演绎出同样功能的新机构为演绎法。再生运动链法是根据机构的杆组组成原理，把一个特定的机构抽象为一般化的运动链，再按再生运动链法的步骤与转化规则，根据该机构在产品中的约束条件演化出众多的再生运动链，然后按逆推程序得出相当数量的机构简图，供变异设计选用。若干构件通过运动副连接而成的系统称为运动链。基础知识一、运动链把运动链中的某一构件加以固定或相对固定（成为机架），当其中一个或几个具有独立运动的构件推动其余构件作确定的运动时，则这个运动链就成其为机构。如果组成运动链的每个构件至少包含两个运动副要素从而时运动链形成封闭的系统。闭链开链机构二、平面机构的组成原理由一个原动件所带动的多杆机构，其自由度为1；但已知一个原动件的基本机构的自由度是1，因此可知该机构除原动件以外的那些活动构件和运动副所组成的运动链，其自由度必为零我们把这种自由度为零的不可再分解的运动链，称为杆组。1、基本机构最简单的机构是由一个原动件和一个相对固定的机架所组成的机构。原动件可以是转动件，也可以是移动件，但最常见的原动件是转动件。这种最简单的机构称为基本机构。基本机构的自由度为1122、杆组多杆机构正是在基本机构上陆续添加若干套杆组而形成的。添加杆组之后，并不改变机构的自由度数目。根据定义，杆组应符合下列条件：设该杆组有n个活动构件，有PL个低副，则应符合023LPnF最简单的杆组是的运动链。这种杆组按所包含的转动副和移动副的数目和分布情况，可以分为五种形式。3P2L、nCBDCBDCBDCBDCBD其中B和D称为外端副，它们表示与组外构件形成的运动副；C为组内两构件之间形成的运动副，称为内端副。这种杆组称为Ⅱ级组。较为复杂一些的杆组，是的杆组，这种杆组有两类，如图所示6,4LPnⅢⅣ把自由度为零的杆组依次加到机构上，就可以由简单机构形成多构件机构，其自由度显然仍等于原来较为简单的机构的自由度。三、高副低化第一节设计方法再生运动链法创造机构的基本思路是：1、选择一个能满足设计基本要求又具开发潜力的已知机构作为创新设计的原始机构。2、应用“颜氏”创造的特定方法将已知机构中的功能构件和构件组演化为一般化构件，根据设计的约束条件将原始机构抽象为一般化运动链，（只含有连杆和回转副的运动链）还原出这一类机构共同的“根”3、从一般化运动链发散，运用数综合方法推衍出众多的再生运动链。4、根据众多的再生运动链还原出相应的机构，通过比较寻找功能相同但性能更优的新机构。用再生运动链法创新机构的设计流程如图所示。第二节原始机构及一般化运动链原始机构可以通过两条途径选取1）按功能要求及用途，新设计出来的机构；2）从实际机械中已应用的与设计要求功能相近的机构中挑选出的机构。下面以第2条途径选取五十铃越野摩托车后轮悬置机构作为原始机构，讨论再生运动链原理及方法。一、原始机构一般摩托车的后轮悬挂装置都是四杆机构，为后轮提供的位移行程运动范围较小。有些摩托车后轮悬挂装置采用六杆机构，取得较好效果。1．收集到六杆悬挂装置为：本田CR250RPro-Link（图6-2）川崎KX250Vni-trak（图6-3），五十铃RM250XFull-floater（图6-4）2．分析这三种已有设计，并归纳它们的拓朴构造特性1）悬挂装置为自由度为1的平面机构2）机构由六个构件和七个运动副组成3）机构中有六个转动副4）机构中有一个移动副5）机构中有一个固定机架6）机构中有一个铰支杆7）机构中有一个摆动杆，其一端与机架铰接，另一端与后轮联接8）机构中有一个平面运动杆9）机构中有一个减振装置，（二个构件组成：活塞和缸体）3．选五十铃RM250XFull-floater越野摩托车后轮悬挂装置为原始机构，其运动简图为图6-5二、一般化运动链将原始机构的运动简图（图6-5）进行一般化处理，转化成一般化运动链。1．一般化：把包含有不同类型构件与运动副的原始机构，转化为只含连杆和转动副的一般化运动链。2．一般化原则：1）将非刚性构件转化为刚性构件2）将非连杆形状的构件转化为连杆。3）将高副转化为低副。4）将非转动副转化为转动副。5）解除固定杆（即机架）的约束，机构成为运动链6）原始机构与其所对应的一般化机构，其自由度数应保持不变。表6-1为一些运动副的一般化图例3．一般化运动链：机构一般化的目的是把包含不同类型杆件与运动副的原始机构，转化为只含连杆和转动副的一般化运动链。一般化的概念是要找出不同机构的可能共同根源。一般化过程的基础是建立在一般化规则上，而一般化规则是根据所定义的一般化原则导出的。1）所有运动副都需转化成一般化运动副；2）所有构件都需转化成一般化连杆；3）原始机构与其所对应的一般化机构，所有构件与运动副之间的关系应保持一致；4）原始机构与其所对应的一般化机构，其自由度数应保持不变。一般化原则4．对五十铃RM250XFull-floater越野摩托车后轮悬置机构进行一般化处理1）把固定杆（构件1）一般化成二副杆（杆1）2）把主动件曲柄（构件2）一般化成三副杆（杆2）3）把摆动杆（构件3）一般化成三副杆（杆3）4）把连杆（构件4）一般化成二副杆（杆4）5）把减振器的活塞和缸体（构件5，6）一般化成二副杆（杆5，6）6）移动副（g）一般化成转动副7）把固定件—机架释放。根据一般化原则，则五十铃后轮悬置机构被转化成如图所示的六杆七副一般化运动链。(自身连杆类配)5、运动链的连杆类配将机构转化为一般化运动链后，得到一个只有转动副的连杆的组合，称为连杆的类配。一般化运动链中连杆类配可用字符表示为：副元素杆的数量、杆、三副元素杆、四副元素分别表示二副元素杆、、、、、其中n////432432nnALLLLLLLLL连杆类配可分为两类：一类是由原始机构转化成的一般化运动链得到的连杆类配，称为自身连杆类配；另一类是按照自由度不变、连杆数不变、运动副数量不变的原则，由一般化运动链推导出可能构成的连杆类配，称为相关类配。根据相关类配的原则知，相关类配应满足下列条件：JnLLLLNLLLLnn2432432432（连杆数量不变）（运动副数量不变）所有构件的运动副元素数目之和=运动链中的运动副元素数目之和。示中，N为运动链中连杆数量；J为运动链中运动副的数量。将上两式代入平面连杆机构自由度公式JNPnFL2132333243213542432432nnnLnLLLFnLLLLLLLLF332542432nnLnLLLFNLLLL两式相减得3232543FNLnLLLn在此基础上，按组合的方法，分别在这些可能的结构形式中加入设计约束条件，得众多能满足设计约束条件的再生运动链及其响应机构，于是设计者可从中确定最理想的结构形式。例：单自由度六杆机构的运动链中，杆数N=6，运动副J=7，单自由度F=1。根据可确定组成一般化运动链可能出现的全部结构形式。3232543FNLnLLLn2232543nLnLLL得nLL、、、43L为正整数，故该运动链中不可能有含五个及五个以上运动副元素的连杆，及六杆运动链只可能3232543FNLnLLLnNLLLLn432由含有四个运动副元素以下的连杆，故将上式改写为2243LL6LLLLLLL432n432得又由式N同时能满足上两式的连杆类配方案只能有两种，见表类配方案L2L3L4Ⅰ42062Ⅱ50162432LLL43L2L6LLL432将四个二副元素杆与二个三副元素杆进行组合构建新的运动链将五个二副元素杆与一个四副元素杆进行组合构建新的运动链出现一个由三构件构成的刚体，运动链将还原成四杆机构，不同于原始机构故应剔除。故原始机构（图6-5）经一般化处理后得到一六杆七副一般化运动链，图6-7所示。三、运动链图谱应用机构数综合理论，可以得到一般化运动链的杆数、运动副相同的全部可能的运动链图谱。对图6-7所示的六杆七副运动链，其对应的非同构运动链形式有两种，如图6-8所示。第三节特定化运动链图谱机构特定化的目的：在满足一定的设计要求的条件下，从一般化运动链图谱中，指定构件和运动副的具体类型，获得能够满足设计要求的可行机构运动链形式。摩托车后轮悬挂装置的设计要求：1）必须有一个固定杆作为机架2）必须有一个减振器3）必须有一个摆动杆用于安装摩托车后轮4）固定杆、减振器和摆动杆必须是不同的构件。将以上设计要求应用于图6-28所示的两种非同构运动链中，给出运动链再生的步骤及结果1）固定杆（Gr）：分别对图6-8所示的运动链，取不同的构件为机架，得到图6-9所示的五种再生运动链。2）减振器（Sc-Sc）：只有二级杆组可作减振器对图6-9所示机构中的二级杆组选作减振器，可再生出4种运动链，如图6-10所示。3）摆动杆（Sw），对图6-10所示的运动链，选取不同的构件作为摆动杆，最后再生出10种可行的再生机构，图6-11所示123456123456第四节可用特定化运动链图谱及机构图谱1．可用特定化运动链图谱：根据工程现实和设计者的选择，经由特定化程序（Specialization），从特定化运动链图谱中，筛选出所有满足设计要求与限制（约束）条件的可用的特定化运动链图谱。对摩托车后轮悬架的约束条件为：摆杆与固定杆相连满足此约束条件的可行设计方案有六个，即图6-11a、b、d、f、h、i。2．机构图谱：把每一个可用特定化运动链具体化为相对应的机构，并画出机构简图。图6-11a、b、d、f、h、i对应的机构简图如图6-12所示。3．新型机构图谱：将已存在的设计从所建立的机构图谱中删除，所得到的即是新型机图谱，如图6-12a、c、d三种，作为新型越野摩托车悬架机构的创新设计依据。第五节再生运动链法设计应注意的问题一、构件相似性判断1、构件相似性定义两个具有相同运动副数目的构件，若它们与运动链中其它构件的连接关系均相同，则称此两构件相似。123456123456123456123456构件的一般相似性2、构件平行相似性定义运动副数目相同的两构件与其它构件的位置关系相同，则称此两构件平行相似。12345612312343、构件相似关系继承性定义在运动链组成结构发生变化的过程中，运动副数目未发生变化的相似构件，在新结构中保持原有的相似关系，这种相似关系的传递性称之为相似关系的继承性。123412344、构件相似关系第一判断规则若具有相同运动副数目的两构件，同时分别与两组平行相似构件（或一组相似构件、一组平行构件）相联系，则此两构件相似。5、构件相似关系第二判断规则若两组平行相似构件的两端同时与两组相似构件（或一组相似构件和一个构件）相联接，则此两组平行相似构件彼此相似在求一般化运动链图谱时应用构件相似关系判断规则，找出相似构件，防止在运动链再生过程中产生多余的同构机构，减少不必要的重复劳动，提高运动链再生的计算效率。123456机构再生运动链法创新设计实例——铰链夹紧机构设计一、原始机构—铰链夹紧机构机构运动简图如左图1—机架，2，3—分别为液压缸和活塞杆5—连杆4，6—连架杆二、一般化运动链根据一般化原则对铰链夹紧机构进行一般化处理：1）把固定杆（构件1）一般化成三副杆（构件1）；2）将活塞杆3和液压缸2一般化成二副杆。4）把连杆5一般化成二副杆。5）把两连架杆4和6一般化成两二副杆3）把移动副一般化成转动副并用P标志。这样，铰链夹紧机构转化成如图所示的六杆七副一般化运动链。351246三、一般化运动链图谱应用机构数目综合理论，可以得到与一般化运动链的杆数、运动副相同的全部可能的运动链图谱。如图所示：四、特定化运动链图谱运动链特定化的目的，是在满足一定的设计要求下，从一般化运动链图谱中，指定构件和运动副的类型