空间连杆机构在机械系统的应用..doc

空间连杆机构在机械系统中的应用 摘 要: 空间连杆机构在实现构件的空间运动方面, 与其他机械机构相比, 具有构件数少、结构简单等优点, 而且可实现平面机构不可能实现的某些运 动 ，所以,空间连杆机构在轻工( 缝纫、针织、制鞋、制革等) 机械中有着广泛的应用, 在农业机械、交通工具、化工机械、仪器仪表以及各种控制装置中也有其应用的实例, 尤其在机器人、机械手机构中, 空间连杆机构几乎占着主导地位。 关键词：空间连杆机构；连杆机构实例； 正 文： 平面多连杆机构作为传动机构，其优势是能够实现设计者所期望的多种运动规律和运动轨迹的要求，而且结构简单，容易制造，工作可靠。但欲使某简单机构实现复杂的运动要求时，该机构的设计过程通常是十分艰难的。随着生产的发展，机构的载荷与速度不断提高，对平面多连杆机构设计的要求也越来 越高。因此，如何设计可满足各种工程要求的平面多连杆机构，一直是该领域的重要课题。本报告会举例出使用空间连杆机构的三个例子，并对其进行分析，使我们获得一个空间连杆机构的直观感受。 石油钻井台 石油钻头试验机原理如图1 所示, 可模拟石油钻头钻井过程, 以便用来测试石油钻头的各项性能。钻头试验机原理图模拟工作时, 2 个液压缸向下拉横梁, 横梁通过推力轴承推动钻杆向下运动, 钻杆穿过转盘( 转盘由动力装置驱动, 除了旋转不可移动) 后接1个万向联轴节( 非普通设计) , 连接着是长3m 的钻杆,在钻杆的顶端装有钻头, 钻头在轴向力及转盘扭矩的共同作用下向石块( 或铁块) 中钻进, 钻杆移动的行程为1. 2m。钻头在钻进过程中， 由于受到很大的冲击轴向力与径向力作用, 振动非常剧烈。尤其是位于钻杆顶部的钻头, 因钻杆为悬臂, 所以其刚性很差, 且随着1. 2m 行程的加大, 钻头到转盘之间的钻杆悬臂长度也加长, 刚性进一步削弱, 最终使石油钻头打出 图 1 石油钻井平台的连杆机构 的孔，形状很不规则, 钻头也会因此而发生早期异常损坏。为了防止以上情况的发生, 必须设计钻杆的导向( 扶正) 装置。通常钻杆导向装置的设计, 多采用平面机构, 方法较多, 但从原理上讲都属于导向式设计,即一个固定, 一个移动, 除重合段外, 固定( 或移动) 段长度≥1. 2m。钻头在钻进时从钻头芯部喷出大量的冷却水( 钻杆是空心的) , 一方面是为了冷却钻头工作时发出的巨大热量, 另一方面也为了排出碎屑。这些冷却水夹着碎屑四处飞溅, 使导向装置的工作环境非常恶劣, 极易损坏, 且结构复杂, 制造与维护成本较高。通过精心构思, 我们研究出一种空间连杆机构对钻杆进行导向( 扶正) , 称为空间套筒, 较好地解决了上述问题。 二. 空间套筒简介 在钻杆的外部通过一对轴承连接1 个可以旋转的套筒, 套筒在其周边3 个等分方向上伸出3 个臂, 每个臂通过球铰与连杆相接, 连杆的另一端也通过球铰与机架相连。当处于1. 2m 行程的中间位置时, 套筒圆盘面( 3个臂的球铰中心A B C 形成的面) 与连杆机架固定球铰的3 个中心E FG 在同一水平面上。此时, 套筒外伸臂与连杆之间形成一个折叠的夹角, 呈收拢状态, 当钻杆向上( 或向下) 运动时,套筒旋转, 套筒臂与连杆之间呈展开状态, OE 的距离变长。当钻杆上下移动和旋 图 2 空间套套筒连杆机构 转时, 套筒与钻杆之间都会发生相对旋转。其导向原理为: 3 套连杆呈空间对称之势, 当存在1 个外力假设使钻杆向某一方向偏移运动时, 套筒发生旋转, 3 套连杆的中心距会发生相应的改变, 否则, 3 套连杆不再呈空间对称状态, 产生干涉, 从而使钻杆只能沿其固定的中心线方向移动。从以下自由度的计算, 也能说明这一点。 瓦特连杆 瓦特连杆是由英国传奇发明家兼工程师詹姆斯-瓦特所发明的。别克英朗，奔驰A级，B级车均采用这种结构，用于扭力梁悬架上，一次来减少后轮侧向对车轮前束的影响。也减少了在转弯时侧向力产生的离心，使两侧车轮手里始终与路面 图 3 瓦特后悬挂连杆 保持最适宜的接触，达到最佳的附着力。一方面提高了车辆的驾乘舒适性，也加强了车辆循迹性。 一套三连杆组成的中央控制臂被安置在一个铝制方形封盖后方，当控制臂被从左边推动，别克英朗，奔驰A级，B级车均采用这种结构，用于扭力梁悬架上，一次来减少后轮侧向对车轮前束的影响。也减少了在转弯时侧向力产生的离心，使两侧车轮手里始终与路面保持最适宜的接触，达到最佳的附着力。一方面提高了车辆的驾乘舒适性，也加强了车辆循迹性。 一套三连杆组成的中央控制臂被安置在一个铝制方形封盖后方，当控制臂被从左边推动，如图4所示。 图 4 奔驰车使用的瓦特连杆系统 它就向右边拉动，反之亦然。这样的话，车子的动力就在左右轮中得到了很好的平衡。当汽车在专