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1、变自由度机构探究及应用摘要：通常条件下，机构在运动中的自由度是不改 变的。然而在学习与工作中，经常会遇到自由度变化的机构。 笔者结合应用实例深入分析了造成自由度改变的原因、机构 的功能以及自由度变化的目的。本研究无疑为将来设计出运 行稳定、环境适应性更优良的新机构打下基础。关键词：自由度;创新应用；机构一、前言机构自由度是机构具有独立运动的数目。当自由度与 原动件数相等时，机构具有确定的相对运动。一般机构的自 由度是一定的，但一些机构在运动过程中具有变化的自由 度，这便是变自由度机构。这种机构的出现，备受人们的关 注，非常值得探讨。它通过自由度的改变，以实现多种结构 形态，并在很多领域得到应用
2、，可以更好地满足对于外界工 作对象、环境等不确定状态下的适应性要求。但目前缺乏对 这种机构的深入研究。笔者分析了这种机构自由度改变的原 因、自由度可变机构的用途及优点等内容，希望对同行了解 此类机构有所帮助。二、机构变自由度的成因2. 1活动构件数的改变通过机构内力的传递、变换与平衡等使活动构件数发生变化，从而改变该机械系统的结构，使自由度发生改变。如图1所示,若靠弹簧力使1和2之间保持一定的角度不变, 则1和2成为一个活动构件;但当外力大于弹簧力时，1和2 之间会产生相对转动，此时1和2便成为两个活动构件，增 加一个自由度。2. 2运动副约束个数的改变以齿轮副为例，通常为一个高副，但有时则为
3、两个高副。如果一对齿轮副的两轮中心相对位置被约束，则这对齿 轮副仅提供一个约束，即为一个高副；而当一对齿轮副的两 轮中心相对位置未被约束，则这对齿轮副将提供两个约束, 即两个高副1。如图2a中，齿轮2与齿轮3的中心A、B 被杆1约束，此时两齿轮轮齿为单侧接触，且无论这对齿轮 的重合度为多少，有几对齿参与接触，由于过各接触点的公 法线均重合，故只能算一个高副。同理齿轮3与齿条4之间 也为一个高副,则机构自由度F=3×； 5-2×； 6-2=1 o如图2b,齿轮3与齿轮4未被约束，为无侧隙啮合，齿轮3 与齿条6之间也未被约束，故每个接触点处算作两个高副, 则 F二3×
4、；5-2×；5-4二1。三、变自由度机构的实际应用分析3. 1变自由度的刹车机构图3为一刹车机构2。刹车时操作杆1向右拉，此 时连杆刹车系统处于未刹车状态，自由度 F=3×；62×；8=2,自由度数大于原动件数，所以 不能确定它的运动。紧接着当一侧的侧闸(G, J)瓦先与车轮 接触，两侧闸瓦之一压紧车轮时，4或6成为机架，此时 F=3×； 5-2×； 7=1 ,直到刹住车轮；两侧闸瓦均压 紧车轮时,4和6均为机架，此时F=3×； 4-2×； 6=0。 此机构的优点在于当车轮由于磨损等原因偏离工作位置时， 也能安全有效的完成刹
5、车动作。3.2后桥差速器机构如图4所示是应用于汽车中的后桥差速器，也是变自 由度机构3。其自由度为 F=3×；5-2×；5-3=2o 当直线行驶时，左右两个轮受到的阻力一样，行星齿轮2、2 不自转，把动力传递到两个半轴上，这时左右车轮转速 nl=n3,两轮滚过的路程相等，因此其自由度变为1。而汽车 在转弯过程中，因4个车轮绕图中的P点做纯滚动，故轮1 轮3行程不同，转速nl=(r-L)n4/r、n3=(r+L)n4/r也不相 等，这两种情况下，借助于外界条件使得机构自由度均为lo 该机构利用可变化的自由度，适应了直线行驶、向左转弯、 向右转弯时的转速变化。3.3钢材自动夹紧
6、、切断装置如图5所示为钢材自动夹紧、切断装置。机构在初始 状态时，活动构件数为6 ,其自由度F=3×；62×；8=2o工作开始，铅垂载荷Q竖直向下拉杆6。第一阶段原动件杆1向上拉，由于载荷Q的作用, 杆6不动，相当于机架，杆2在杆1的拉动下做平面运动, 带动杆3也做平面运动，杆3拉动杆4绕固定较链D顺时针 转动,压紧钢材，机构自由度F=3×；5-2×；7=l, 此时机构为单自由度6杆机构。第二阶段，杆4不动，相当 于机架，在杆1的驱动下，杆2继续做平面运动，此时通过 较链E拉动杆5,杆5与杆6在F点饺接，当杆5作用在F 点的力对G点的力矩大于载荷Q对G点
7、的力矩时，杆6开始 绕G点逆时针转动，使圆盘锯H接触钢材并将其切断，此时 机构自由度F=3×； 5-2×； 7=lo第三阶段为反行程,杆1向下运动，杆6绕转动副G顺时针转动，使圆盘锯退回, 直至与限位挡块接触，在载荷Q的作用下，杆6成为固定件, 同时杆4绕固定饺链D逆时针转动，松开钢材。该实例表明 通过控制运动件的限动方式，改变系统的自由度数，可以使 机械系统完成工艺所要求完成的顺序动作4。四、结束语本文以刹车机构、后桥差速器机构及钢坯自动夹紧切 断机构为例，研究变自由度机构在工作过程中自由度的变化 情况，分析了自由度变化的原因和起到的作用。它们能更好 地满足外界工作对象、环境等不确定状态下的适应性要求。 通过对典型可变自由度机构的分析和讨论，为将来设计出工 作更可靠、性能更优良的新机构打下基础。参考文献：1 冯立艳.机械原理M.北京：机械工业出版社， 2012.2 孙桓，陈作模.机械原理（第七版）M.北京：高等 教育出版社，2001.3 陈海珍.可变自由度连杆机构的分析与综合D. 四川大学硕士论文，2005.4 曲继方，安子军，曲志刚.机构创新原理M.北京: 科学出版社，2001.
