三种机构的急回特性的研究与实践

白亚琼 师平

摘要：针对高职《机械原理》中平面连杆机构、摆动导杆机构、偏置曲柄滑块机构的急回特性各不相同，学生难以理解、不能直观表达特性，学习兴趣不高且效果差的状况，因此借助于ADAMS对三种机构进行运动仿真分析，分析机构的速度、加速度、摆角、死点位置和传动角等。增进了学生对急回特性的感性认识和理性理解，激发学生的创新意识，提高课堂教学质量。

关键词：ADAMS;急回特性;运动仿真;机械原理

中图分类号：TH112                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）20-0211-02

0  引言

机械原理是高等职业院校机械大类专业的一门十分重要的专业基础课。通过本课程学习，使学生掌握有关机构与机器运动学的基本理论、基本方法和基本技能，为进一步学习机械类专业课打下良好的理论基础，并培养学生综合分析和解决工程实际问题的能力。高职学生对于平面连杆机构、摆动导杆机构、偏置曲柄滑块机构中急回特性的理解，停留在机构工作时速度比回去时慢，不知如何在图纸上使用“运动特性”对静止的二维平面连杆机构表达头脑中的机构运动，也就是说学生使用“运动特性”对静止的二维平面连杆机构表达上是短板。虽然我们有些老师使用了Flash动画、视频等多媒体方式展示其动画过程，在一定程度上提高学生的自主学习积极性，但这些方法并未在本质上对机械原理教学难以理解内容做改进，以往学生难以消化、接受的内容还是较难理解。而学生在学习过程中更是不会应用其它计算机辅助软件学习机械原理中的“运动”，也就无从谈及创新设计了。因此借助于ADAMS对三种机构进行运动仿真分析，分析机构的速度、加速度、摆角、死点位置和传动角等。在Adams/View中的建立三种机构模型，在Adams/Postprocessor中得到机构的运动分析曲线，使教师的教或学生的学得到辅助理解的直观效果，进而培养学生机械系統方案创新设计的思维方式和方法，以及机械系统方案的综合设计能力、创新设计能力和工程实践能力。

1  三种机构的建模与运动分析

在平面四杆机构中，已知曲柄长度a=45mm，连杆长度b=100mm，摇杆长度c=70mm，机架长度d=120mm，原动件为曲柄a，为匀速转动，角速度ω=2πrad/s。运用软件Adams对机构进行建模，在Adams/View中设定各构件长度，并在连接处进行铰链约束，其中机构的曲柄与机架的连接处定义一个伺服电动机，电动机转速设置为360deg/sec，平面四杆机构中运转时间为1s。见图1、图2所示平面四杆机构仿真时，曲柄与连杆两次共线位置。从图1、2中可以看到平面连杆机构摇杆的摆角变化、速度变化、加速度的变化，当曲柄与连杆第1次共线位置时，摇杆的摆角最大值，摇杆处于左极限的位置，此时摇杆在工作行程中的速度最小趋向于零，摇杆的加速度处在下降的趋势。当曲柄与连杆第2次共线位置时，摇杆的摆角最小值，摇杆处于右极限的位置，此时摇杆在回程中的速度最小，摇杆的加速度也处在下降的趋势。这两次共线的位置中必然存在压力角最大，连接杆对摇杆所受的力最大，而传动角最小。假如原动件不是曲柄，而是摇杆，这时就会出现两个死点位置。从图中1、2中还可以看出摇杆速度在工作行程和回程中一慢一快的曲线变化，而摇杆的加速度也在工作行程和回程中呈现出一低一高的曲线变化，表现出机构的急回特性。让学生直观的看到“运动”的机构，可形象清晰地将机构的运动状态展示在学生面前。常用于牛头刨床进给机构、雷达调整机构、缝纫机脚踏机构、复摆式颚式破碎机、钢材输送机等。

在摆动导杆机构中，已知曲柄长度b=25mm，机架长度b=50mm，原动件为曲柄b，为匀速转动，角速度ω=2πrad/s。在Adams/View中设定各构件长度，并在连接处进行铰链约束，其中机构的曲柄与机架的连接处定义一个伺服电动机，电动机转速设置为360deg/sec，摆动导杆机构的运转时间为3s。见图3、图4所示摆动导杆机构仿真时，导杆摆角左右极限位置。从图3、图4中可以看到摆动导杆机构导杆的摆角变化、速度变化、加速度的变化，当曲柄与滑块左极限位置时，导杆的摆角最小值，导杆处于左极限的位置，此时导杆在工作行程中的速度最小趋向于零，工作行程的时间明显要比回程的时间长，导杆的加速度反而处在上升的趋势。当曲柄与滑块右极限位置时，导杆的摆角最大值，导杆处于右极限的位置，此时导杆在回程中的速度最小，导杆的加速度处在下降的趋势。导杆的摆角范围从-18°至-72°，摆角为54°。从图3、图4可以很直观的看出导杆速度、加速度在工作行程和回程中呈现出一低一高的曲线变化，表现出机构的急回特性。因滑块对导杆的作用力始终垂直于导杆，所以摆动导杆机构的传动角始终为90度，并且其压力角为0，具有较好的传力性能，常用于牛头刨床、插床和送料装置等装置中。

曲柄滑块机构，已知曲柄长度a=20mm，连杆长度b=60mm，偏距e=10mm，原动件为构件曲柄，为匀速转动，角速度ω=2πrad/s。在Adams/View中设定各构件长度，并在连接处进行铰链约束，其中机构的曲柄与机架的连接处定义一个伺服电动机，电动机转速设置为360deg/sec，曲柄滑块机构的运转时间为3s。见图5、图6所示曲柄滑块机构仿真时，连杆摆角上下极限位置。从图5、图6中可以看到曲柄滑块机构导杆的摆角变化、速度变化、加速度的变化以及滑块的位移变化，当曲柄垂直滑块导路时连杆摆角上极限位置时，连杆的摆角为21°最大值，此时机构的压力角最大，传动角最小，滑块在回程中的速度从高往低下降，回程的时间比工作行程的时间略短，滑块的加速度反而处在上升的趋势;当曲柄垂直滑块导路时连杆摆角下极限位置时，连杆的摆角为-19°最小值，此时机构的也可能压力角最大，传动角最小，滑块在工作行程中的速度处于最大值并开始下降趋势，滑块的加速度处于最小值并开始上升趋势。连杆的摆角范围从-19°至-21°，摆角为40°。从图5、图6可以很直观的看出滑块速度、加速度在回程和工作行程中呈现出一高一低的曲线变化，表现出机构的急回特性。滑块的位移从82.5mm至44mm，位移量为38.5mm。偏置的曲柄滑块机构中，以曲柄为主动件，是不会出现死点的，只有滑块行程受限制。若滑块为主动件时，当曲柄与连杆共线时，将出现两个死点位置。曲柄滑块机构广泛应用于往复活塞式发动机、压缩机、冲床等的主机构中。

2  结束语

采用ADAMS对平面连杆机构、摆动导杆机构、偏置曲柄滑块机构中急回特性进行运动仿真，让学生直观的看到“运动”的机构，可形象清晰地将机构的运动状态、传动角变化、死点位置及急回特性展示在学生面前，使学生获得对机构特性的感性认识。

参考文献：

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