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折叠物体中的简易连杆机构折叠设计

折叠物体中的简易连杆机构折叠设计 摘 要:铰链四连杆机构在折叠物体有着广泛的应用,如可折叠建筑和大型天线折叠过程,铝合金窗户的开合.该设计是基于伞状大型骨架物体设计的一种铰链连杆机构,并对其运动特性,刚体动力学、精度定性进行分析,获得优化的折叠四杆铰链机构的设计结果,使其有展开合拢方便,经济,轻巧的优点. 关键词:铰链四连杆机构;折叠机构 机构分析;伞状建筑;雷达;天线; 概述 四连杆机构具有结构简单、易于加工、运动转换形式多样、比较容易改变运动参数等特点,在现代折叠设计中的结构设计中得到广泛应用,如后现代建筑物中的可折叠设计,天线举升机构、天线展开收拢机构,大型雷达,门窗开合等。但是,平面四连杆机构的各个铰支座连接多以转动副为主,当运动副数目较多,间隙误差的传递积累,给整个系统的精度低,工作角度也不大。对于如何在四连杆机构设???中既提高系统精度,又能在动力源一定的条件下获得更大的推力的要求,同时能又能很大的工作角度.根据以上设计需求进行下面的设计. 方案设计和考虑 1.1 设计依据 后现代建筑设计中的一些可折叠伞状建筑物,为了美观和体现个性与特点,需要经常对伞状建筑分成上下两个阵面进行合拢张开.大型雷达和天线产品若采用单阵面形式则不能满足运输和隐蔽要求,决定采用天线阵面分块形式(天线分成两大块),也需要通过折叠机构来实现天线的展开与收拢,以达到运输要求。军用雷达,天线还对展开时间有很高的要求.在建筑物中首要考虑美观安全,不需特别考虑快速反应速度. 在运动过程中,折叠机构要求平稳性好,速度快,到位准确,不允许有较大的振动和冲击现象,由于结构巨大,环境载荷变化等因素,很可能存在运动不连续、零部件变形及失效等问题。根据不同工况下的运动情况和连接件的力学特性,对整体机构进行平稳性与载荷分析。 1.2 常用折叠方案介绍 当前折叠机构存在的形式多样,满足的功能要求也不尽相同。常见的大角度折叠机构形式主要有:双导杆机构(由两组单移动副四杆机构组成)和滑块齿轮机构等。双导杆机构的折叠如图1(a)所示,导杆由上折叠油缸A、上天线阵面2和连杆5组成;导杆机构B由连杆5、下折叠油缸4和下天线阵面3组成。其中连杆5在导杆机A中是作为机架杆存在,在导杆机构B中是作为曲柄存在。上骨架的折叠运动是靠导机构A和导杆机构B的组合运动来实现。 滑块齿轮机构如图1(b)所示,机构组成包括丝杠9、螺母8、小齿轮6、大齿轮7等,其中折叠部分天线与大齿轮7连接,通过大齿轮7的转动带动天线翻转。运动过程是由动力源驱动丝杠9旋转,从而带动滑块螺母8在丝杠9上移动,滑块螺母8的移动带动小齿轮6在一定角度范围内摆动,从而完成大齿轮9的转动即天线的翻转运动。上述两种机构可实现相同的目的,但结构形式却完全不同,特点也都比较鲜明。双导杆机构特点如下:1)结构新颖,能承受比较大的载荷;2)油缸过多,动作同步控制比较复杂。齿轮传动机构特点如下:1)质量较大,且质量以及体积大小与负载有关;2)使用电机驱动,控制稳定。 在伞状物体中还可应用雨伞的折叠原理[如下图].将手推的动力改装成液压动力即可实现电机自动化驱动. 该方案承受载荷能力较差,自身的强度不够,对阵面材料要求较高,必须为柔软的适合折叠的面料.应用面不宽.稳定性不够,金属杆末端在展开合拢过程中会有较大抖动. 1.3 折叠方案初选 伞状建筑一般采用帆布面层,合金骨架,阵面大,质量轻,折叠后两阵面间比较局促.齿轮机构一般用于承载或本身重量大的物体上.雷达和天线采用轻金属,表面没有覆盖层.在认真分析比较了以上几种方案后,决定采用以下两种铰链四杆传动机构,如图2所示。此种机构在结构上比较简洁、承载力大、且本身质量较轻;但是由于受到空间布局的限制,影响到推力油缸的长短,力臂的大小和工作角度. 铰链四杆传动机构方案的选择 2.1 机构的组成及运动过程 图2所示的铰链平面四连杆机构均为双曲柄摇杆机构,该方案组成为:连杆(上天线阵面3)、曲柄1、曲柄2和机架(下天线阵面)4;折叠过程是由油缸活塞杆的伸缩带动曲柄1转动,从而带动上天线阵面的翻转;在天线面的展开收拢过程中都需要一个液压缸作为动力源,液压缸推力的大小由负载和连杆的结构以及铰支点的位置决定。 2.2 刚体静力学计算的分析 在重力作用下,对机构承受自身重力的能力进行分析,对各杆件进行强度校核,活动件寿命校核.铰链承受了上天线阵面的所有重量,是极易出现金属疲劳的危险点,对铰链进行强度校核,寿命校核. 最后得出杆件材料,杆件直径,长度等因素的优化设计方案.’ 对该部分采用ANSYS分析: ANSYS分析过程中包含三个步骤: 步骤一:创建有限元模型。包括:(1)创建或读人有限元模型;(2)定义材料属性(3)划分网格(节点及单元)。 步骤二:施加载荷并求解。施加载荷及载荷选项、设定约束条

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