【0176】6ZL15型輪式裝載機

【0176】6ZL15型輪式裝載機,0176,zl15,輪式,裝載 鉸接四桿機構(gòu)會引起不穩(wěn)定運動的證明不穩(wěn)定機構(gòu)在它的運動范圍內(nèi)有兩個平衡點，它們在很多系統(tǒng)中都很重要，如閥，開關(guān)和節(jié)拍。不穩(wěn)定機構(gòu)由于能量儲存和動作特征相結(jié)合并必須同時考慮而難設(shè)計。這篇論文研究的是不穩(wěn)定機構(gòu)如四桿機構(gòu)，它在聯(lián)接處有扭轉(zhuǎn)彈力，理論上硬質(zhì)機構(gòu)的性質(zhì)已經(jīng)有所改善來保證不穩(wěn)定機構(gòu)的轉(zhuǎn)動。設(shè)計師用這些知識可以解決大量的不穩(wěn)定機構(gòu)的運動與能量需求問題。舉例說明在不穩(wěn)定機設(shè)計中理論的作用。 介紹 一個活動機構(gòu)在它的運動范圍內(nèi)有兩個平衡位置，這是很多機構(gòu)所要求的，但是活動機構(gòu)在設(shè)計中存在許多問題，尤其是機構(gòu)運動與能量積累特點有關(guān)。而且，通常情況下運動與能量存儲會發(fā)生在一個靈活轉(zhuǎn)動部件上。這篇論文講的是要設(shè)計一個簡單的轉(zhuǎn)動機構(gòu)，研究機構(gòu)的運動和不穩(wěn)定機構(gòu)之間的基本關(guān)系的必要性。許多人已經(jīng)討論了大量的轉(zhuǎn)動機構(gòu)的特征，包括運動機構(gòu)特征的設(shè)計。最近，他們對微型轉(zhuǎn)動機構(gòu)特別感興趣，它需要的用來控制開關(guān)的動力是由轉(zhuǎn)動機構(gòu)提供的，而不需要維持運轉(zhuǎn)。不穩(wěn)定微型閥，微型開關(guān)，微型繼電器，甚至是一個小的纖維開關(guān)都已經(jīng)證明了這一點。有人建議用一個轉(zhuǎn)動系統(tǒng)來提供裝配微小零件的彈力，在穩(wěn)定系統(tǒng)中這項工作也正進展。這篇論文是研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)來保證不穩(wěn)定機構(gòu)的執(zhí)行，這是不存在的例子。 問題的研究 以上的每個轉(zhuǎn)動機構(gòu)在運動過程中都存儲和釋放能量，事實上，所有的不穩(wěn)定系統(tǒng)需要某種形式的能量儲存，因為，穩(wěn)定點發(fā)生在能量最小處。不穩(wěn)定機械系統(tǒng)典型地靠拉緊時儲存的能量來獲得不穩(wěn)定運動。不穩(wěn)定機構(gòu)表現(xiàn)的順從的方式得到不穩(wěn)定執(zhí)行運動，因為活動桿件允許活動桿件和能量儲存合并為一體。另外，有許多優(yōu)點，如減少零件數(shù)，減少摩擦，反沖和損耗。 然而，不穩(wěn)定機械的設(shè)計并非機械的，需要分析機構(gòu)轉(zhuǎn)動和儲存的能量，為解決這個問題，以上提到的機械中的許多用一個簡單梁來獲得不穩(wěn)定運動的情況。但是，這個方法簡單，不能讓設(shè)計者靈活的控制滑動力或穩(wěn)定狀態(tài)的位置，尤其是對小橫梁常靠剩余的一點拉力和改變的很多的參數(shù)減少彎曲。鉸鏈模型提供了一個簡單的方法來模擬復(fù)雜的非直線偏斜的機構(gòu)。它能大約地說明一個用了一個或一個以上螺栓聯(lián)接的機構(gòu)的力偏斜的特征。聯(lián)接的扭轉(zhuǎn)彈力模仿部件的剛度，如圖1所示。這個類型的模型用運了短且彎曲的旋軸，端部用螺栓固定，或直構(gòu)件用螺栓固定。連桿的長度和彈簧的剛度都綜合地用運。鉸鏈模型在精確分析與轉(zhuǎn)動機構(gòu)和能量儲存特點的綜合用運已經(jīng)被充分地證明，但是為了研究分析目前的問題，人們已經(jīng)意識到許多類型的機構(gòu)可能表示連桿被彎曲的彈簧螺栓聯(lián)接。因此，這篇論文將提醒我們用固定的帶有彎曲彈簧的結(jié)構(gòu)在一個或多個聯(lián)接處檢查機構(gòu)的轉(zhuǎn)動和運行情況，然后這個；運行的結(jié)果可能會用到固定結(jié)構(gòu)或不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中。這要依賴于執(zhí)行結(jié)果或設(shè)計者的要求。不穩(wěn)定機構(gòu)的穩(wěn)定性。機械中部件的彎曲或是彎曲彈簧要求有力的運動。當沒有外部力來保證力機構(gòu)位置的時候，機構(gòu)處于平衡位置。如果在小干擾之后系統(tǒng)又回到原來位置，機構(gòu)就是穩(wěn)定的，但是，如果小干擾使系統(tǒng)改變了原來的位置就不穩(wěn)定。潛能和機構(gòu)的穩(wěn)定性可以用拉格朗日定理聯(lián)系起來。如果符合最小潛能，平衡位置就是穩(wěn)定的，這條定理導致了更多的不穩(wěn)定機構(gòu)形式上的定義，一個不穩(wěn)定機構(gòu)在轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)包括兩個最小能量點。用鉸鏈固定的模型的潛能方程可以簡單地建立，對有聯(lián)接的桿，它的潛能方程為； (1)式中k是彎曲彈簧系數(shù)，是連桿的轉(zhuǎn)角，或桿件的彎曲角度，機構(gòu)的潛能是儲存在各個桿件中的潛能之和。平衡點可以通過確定機械位置的找，它是第一次找到偏移量為零的位置。在這些點中第二次的偏移量將決定平衡位置的穩(wěn)定性，正值則符合。分析機構(gòu)的方法 如圖2所示無鉸鏈的四桿機構(gòu)，圖中有四根桿長度分別是r1,r2,r3,r4,四個扭轉(zhuǎn)彈簧系數(shù)分別是k1,k2,k3和k4，每根桿和地面的夾角為1，2，3，4，定義地面為第一根桿，認為扭轉(zhuǎn)彈簧不扭曲，機構(gòu)中的位置決定于20，30，40，不穩(wěn)定機構(gòu)的設(shè)計要保證有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)存在。所以，可能要單獨檢查每個彈簧來確定是否有一個彈簧在機構(gòu)中保證機構(gòu)能執(zhí)行運動。這要選擇一個非零參數(shù)，而其它的都為零，這種潛能方程可能不同，它的偏移量等于零，方程的解決定于平衡位置。因此，可以這樣描述解決問題的方法：在一般的四桿鉸鏈機構(gòu)中找到扭轉(zhuǎn)彈簧位置，該機構(gòu)在轉(zhuǎn)動過程中要有兩個平衡點。問題的解表明簡單設(shè)計的工具加工不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)如同一系列定理指導不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，由一系列定理說明不穩(wěn)定機構(gòu)的運行結(jié)果，用定理論證以上解。定理指導不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的運動根據(jù)Grashof準則，四桿機構(gòu)分為Grashof機構(gòu)和非 Grashof機構(gòu)，Grashof準則可以用數(shù)學式描述： （2）式中s,l,p和q分別是最長最短，和兩根長度處于中間的桿。Grashof準則2將方程分為符合不等式的為 機構(gòu)，反之為非 機構(gòu)。另外，邊為機構(gòu)是對于方程左邊和右邊相等的一系列機構(gòu)。變位機構(gòu)將回和其它 機構(gòu)類型不同地處理，所以這里有三種機構(gòu)： 機構(gòu)，邊為機構(gòu)和非機構(gòu)。Grashof不等式機構(gòu)定理1 當且僅當四桿機構(gòu)的一個聯(lián)接處的扭轉(zhuǎn)彈簧位于最短桿對面，并且不彎曲彈簧與其對面的兩桿在一條直線上的狀態(tài)不符時，它運動起來和鉸鏈桿模型機構(gòu)一樣不穩(wěn)定。準則1.1 當且僅當四桿Grashof機構(gòu)有一個扭轉(zhuǎn)彈簧位于最短桿對面，并且不彎曲彈簧與其對面的兩桿在一條直線上的狀態(tài)不符時，它將不會平衡。論證. 通過對一般的有一個聯(lián)接的四桿機構(gòu)的潛能方程分析，證明定理1，分析最小潛能方程的解決定機構(gòu)轉(zhuǎn)動是否能達到每個最小值，因為前面論證的鉸鏈機構(gòu)的精度，結(jié)果是相當?shù)剡m合任何機構(gòu)。因此準則1和定理1.1同樣的論據(jù)。以上定理可以通過考慮Grashof機構(gòu)的轉(zhuǎn)動來決定哪個螺栓聯(lián)接要在兩個位置保持相對大小一樣的角度。但是，更多的嚴密的論據(jù)給設(shè)計者更多的信息去認識自然和穩(wěn)定位置的設(shè)定方法。能量方程發(fā)分析，對于任何四桿機構(gòu)，能量方程是每個彈簧潛能的和 (3)式中 (4) 選擇2為獨立的變量，第一個偏移量為： (5) 因為這個機構(gòu)可能被反轉(zhuǎn)以使它的每個桿是地面一樣固定的，只有一個彈簧位置需要分析，選擇位置4是因為方程簡單，而且2這個獨立變量沒在表達4的方程中出現(xiàn)，如果k4不為零，方程為：0= （6）方程中的第一部分4-40=0，使機構(gòu)有兩種符合的裝配方法，那就是說，任何長度r1,r2,r3r 和r4的桿，第四根桿的初始角40，有兩個不同的機械位置，假設(shè)40不符合要求，機構(gòu)可以被裝配，如圖3，按準確的位置可以這樣列方程 （7） 方程的解是 或 （8） 式中 （9） 20，30分別是第二，第三根桿的初始交，但是如果20=，這兩組解就相同了，和40的例子一樣。方程（6）的第二部分偏移量為 （10）如果 方程有兩組解：2=3 2=3+因此，當?shù)诙鶙U和第三根桿在同一條直線上時，偏移量為零，根據(jù)方程（10）的偏移量為零時，第二，三根桿也在同一條直線上，也就是說機構(gòu)是變位機構(gòu)。對解的解釋從以上分析可知，彈簧放在四桿機構(gòu)的任何一個桿件上第一個偏移量的潛能方程都有四組解。前兩組在方程（8）中給出，是機構(gòu)的穩(wěn)定位置，另兩組解在方程（11）中，是不穩(wěn)定位置，除非40象以上定義的那樣是極值。這時，方程（7）有唯一解，和方程（11）總的解相同。因此，潛能方程在整個轉(zhuǎn)動過程中最多有兩個準確值-一個穩(wěn)定位置和一個不穩(wěn)定位置。這就證明了一個四桿機構(gòu)的彈簧聯(lián)接的對桿同軸是就會穩(wěn)定。雖然對任何長度桿件的機構(gòu)和彎曲彈簧都有可能有兩個穩(wěn)定位置，但是除了以上討論的極值，有些結(jié)構(gòu)達不到穩(wěn)定狀態(tài)，也就是說，一個機構(gòu)總可以在穩(wěn)定位置裝配。但是裝配后不一定穩(wěn)定。為了證明這點，認為一個機構(gòu)在不穩(wěn)定位置，這時與彈簧聯(lián)接的對桿在一條直線上。即當2=3時，機構(gòu)達到平衡點， （12） 相似地，如果2和3相差弧度，方程為 （13）方程(12)的第二個條件和方程(13)的第一個條件可以同時用任意的四桿機構(gòu)證明，式中可知任意兩桿的長度小于等于另外兩桿的和，要想證明這個不等式，可以組裝一個符合不等式地機構(gòu)。最長的桿也要小于等于另外兩桿之和，表達式為 s+p+ql （14）式中slpq如方程（2）中定義的，代數(shù)不等式為 l-q s+p （15）l-p s+ql-s p+q另外，由于l為最長桿，可得以下不等式：p-sl+q （16）q-sl+p|p-q|l+s以上六個不等式證明的四桿機構(gòu)的任意兩桿長只差等于另外兩桿只和，這滿足方程(12)的第二式和方程(3 )的第一式。但是，一個不穩(wěn)定機構(gòu)必須滿足兩條件中的一個，得到一貫平衡位置中。要決定哪個機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，沒個可能結(jié)構(gòu)的桿長都要考慮。個別結(jié)果在說明使每個機構(gòu)達到不穩(wěn)定狀態(tài)的條件之前，要詳述三個有用的關(guān)系式。前兩個是最長桿和中間桿的長度之和要大于等于中間兩桿的長度之差， （17） （18） （19）方程（17）（18）（19）是對得到不穩(wěn)定機構(gòu)的條件的補充。以上證明了對于一個彈簧在任意一個聯(lián)接處，這個四桿機構(gòu)可能在兩個穩(wěn)定位置中的一個處裝配。但是，如果能得到兩個不穩(wěn)定位置中的一個，彈簧就可以插入兩個位置中間。這些不穩(wěn)定位置與彈簧對面的兩桿同線的狀態(tài)相符，或者換句話說，就是它們的夾角相同或相差弧度。對于彈簧對面兩桿的夾角相同的位置，方程（12）的第一個條件必須滿足： () (20)式中和是聯(lián)接彈簧的兩桿長度,和是與彈簧相對的桿長，為不穩(wěn)定四桿機構(gòu)的條件之一，同理，當機構(gòu)的位置處于相對桿的角度差為時，就必須滿足（13）中的第二個條件。 () (21)此式為機構(gòu)不穩(wěn)定條件二，分析一個彈簧聯(lián)接引起的不穩(wěn)定機構(gòu)，每個彈簧必須滿足以上兩個條件中的一個。如果兩個條件都滿足，該彈簧引起的不穩(wěn)定機構(gòu)可以在兩個方向上旋轉(zhuǎn)時都能達到穩(wěn)定狀態(tài)；如果只滿足一個條件，可以用在不穩(wěn)定狀態(tài)下掛索環(huán)實現(xiàn)兩個穩(wěn)定位置；如果兩個條件都不滿足，彈簧的位置不會引起不穩(wěn)定狀態(tài)。對于Grashof 機構(gòu)，變位機構(gòu)和Grashof機構(gòu)，機構(gòu)可以形成兩條運動學鏈中的一條，或者可以組成機構(gòu)的基本方法，例如圖4，在（a）圖中，最長桿和最短桿相鄰。圖（b）恰好相反，每個基本鏈都要考慮。推論以上討論適合任何四桿機構(gòu)，但是最后一部分論據(jù)只適合Grashof機構(gòu)，我們首先考慮位置1的彈簧機構(gòu)，圖4（a）類型的Grashof機構(gòu)： (22)式（22）違背了，因為相鄰兩桿的長度之和小于對桿只和，同理，也不滿足，對于圖4 (b)的Grashof類型 (23)式（23）違背了，由方程（17），是不滿足的。彈簧在位置1的Grashof結(jié)構(gòu)既不穩(wěn)定也不滿足運動學。 用同樣的方法，每個彈簧都要經(jīng)過分析決定是否能夠得到不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對于Grashof機構(gòu)結(jié)果，表1中有所顯示，1a表示圖4（a）中的位置1，1b表示圖4(b)中彈簧位置1。表中可知，如果彈簧置于位置3或4時，機構(gòu)就不穩(wěn)定，這說明彈簧如果彈簧不在最短桿相鄰位置，Grashof機構(gòu)在滿足條件的同時也會滿足條件2，機構(gòu)可以放入不穩(wěn)定位置得到第二個穩(wěn)定位置，以上是對定理1和準則1.1的證明非Grashof機構(gòu)定理2 當且僅當鉸鏈桿模型機構(gòu)的不彎曲彈簧與其對面的兩桿在一條直線上的狀態(tài)不符時，它運動起來和任意一個聯(lián)接處有扭轉(zhuǎn)彈簧的非Grashof四桿機構(gòu)一樣不穩(wěn)定。準則2.1 當且僅當非Grashof四桿機構(gòu)的不彎曲扭轉(zhuǎn)彈簧與其對面的兩桿在一條直線上的狀態(tài)不符時，彈簧在任意位置它都不會平衡。論證 已經(jīng)準確的證明鉸鏈桿模型，我們同時來證明訂立和準則2.1，除了最后一部分外，以上所有的證明都適合于Grashof機構(gòu)和非Grashof機構(gòu)。因此可以證明訂立和準則2.1說明彈簧在機械機構(gòu)任意一個位置都滿足方程(20)和(21)中的至少一個條件。以上材料證明了如果彈簧對面的兩桿在為曲折位置同軸，機構(gòu)不穩(wěn)定。例如，彈簧位于a圖位置1，根據(jù)已經(jīng)用過的準則，Grashof不等式為： (24) 此式證明非Grashof機構(gòu)滿足，但是根據(jù)方程（19），不滿足 。如果彈簧放在圖b位置1，方程（17）證明不滿足，同時Grashof有不等式： （25）此式證明滿足，如表2所示為彈簧位置所有其它結(jié)果，兩個條件中只有一個滿足任意一個彈簧位置，即彈簧放在四個中的任何位置將使非 Grashof 不平衡，彈簧的對桿同一條直線的情況除外。所以，定理2和準則2.1已證明。一個其它的關(guān)于非Grashof機構(gòu)的內(nèi)容. 彈簧在一貫聯(lián)接的非Grashof機構(gòu)能得到兩個不平衡位置中的一個，表2 說明不能達到另一個平衡位置，因為每個彈簧只能滿足二條件中的一個。圖中的內(nèi)容決定在機構(gòu)的哪個方向插入插栓，注意1b,2a,2b和3a處的彈簧，它們滿足，意味著彈簧對桿的角度必須相差弧度，其它的位置1a,3b,4a和4 b要求兩根對桿與地面角度相等。圖4 反映的每個滿足條件1的位置和最長桿鄰近，但是滿足條件2 的位置和最長桿鄰近。這在許多設(shè)計中是有用的，因為滿足條件2要求兩相對桿互相交叉，在兩桿共面的情況下，如同加工MEMS表面，通常是不可能的。變位機構(gòu)定理3 .鉸鏈桿模型運動和在任意位置有扭轉(zhuǎn)彈簧的四桿變位機構(gòu)一樣，當且僅當彈簧未彎曲狀態(tài)不符和機構(gòu)的位置，即彈簧的對桿同直線時會不平衡。準則3.1 扭轉(zhuǎn)彈簧置于四桿機構(gòu)的任意一個聯(lián)接處都不穩(wěn)定，當且僅當彈簧未彎曲狀態(tài)不符和機構(gòu)的位置，即彈簧的對桿同直線時會不平衡。論證 再次證明定理3和準則3.1，對位置4處的彈簧，如圖3所示，以前講過當桿2和桿3同一條直線是，偏移量在方程10中可能分子分母都為零，這是因為所有的桿在變位機構(gòu)中同直線時只有一個位置。機構(gòu)可以按兩中方式運動。如果它向一個方向轉(zhuǎn)動，則有 就會增大，如果向相反的方向轉(zhuǎn)動，就會變小。因此，在一個方向上轉(zhuǎn)動意味著偏移量的符號在改變，在另一個方向符號則不變。如果符號改變了，單一的位置是潛能的最大值，但是符號不變表示潛能繼續(xù)增加，此時不考慮哪根桿最長哪根桿最短，因為變位它是變位機構(gòu)。機構(gòu)在著個位置時，彈簧將轉(zhuǎn)向潛能減少的方向，機構(gòu)變得不穩(wěn)定。由此，彈簧在變位機構(gòu)的任何位置都會出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，除非如前面所述，未彎曲的彈簧對桿在同一條直線上。在變位點所有桿在一條直線上，變位點如初始狀態(tài)的機構(gòu)就不穩(wěn)定。進一步了解變位機構(gòu)雖然以上證明的定理3和準則3.1，更多關(guān)于變位機構(gòu)的內(nèi)容能用分析Grashof機構(gòu)和非Grashof機構(gòu)的方法分析。表3證明了檢驗圖4機構(gòu)中每個位置的結(jié)果。當機構(gòu)移動通過變位點時，彈簧會促使不平衡運動。但是，如果彈簧在最短桿對面，（表中位置3，4）機構(gòu)只能得到在任意兩個方向上的螺栓聯(lián)接。所以變位機構(gòu)運動起來象Grashof機構(gòu)和非Grashof機構(gòu)之間的一個混合物，彈簧放在四個位置中的任意一個位置都能導致不平衡機構(gòu)，但是，只有在彈簧位于最短桿對面的情況下，機構(gòu)才能向兩個方向穿梭移動。另外，機構(gòu)也只能在彈簧位于最短桿對面，鄰近于最長桿，且彈簧對面的兩桿與地面的角度相等時，才能得到不平衡位置。如果彈簧與最長桿不鄰近，對桿的角度相差為，那么機構(gòu)就不平衡?？偨Y(jié) 每個定理和準則的結(jié)果都概括在表4中，機構(gòu)滿足初始位置條件，彈簧對桿不在同一條直線上的情況。彈簧在4位置不穩(wěn)定的四桿機構(gòu)如圖5（a）說，明一個不穩(wěn)定機構(gòu)通過代替彈簧和螺栓聯(lián)接構(gòu)成的直構(gòu)件。若結(jié)果中適合機構(gòu)的只有一個彈簧，它們就可以通過歸納把多個彈簧簧一起加入設(shè)計中，因為每個彈簧存儲的能量相互獨立，它們在機構(gòu)中不同位置按以上論據(jù)中的一個方式適合或違背不穩(wěn)定運動。設(shè)計師可以用這些知識按不同穩(wěn)定特征需求研發(fā)設(shè)計，如可要求不穩(wěn)定機構(gòu)在第二個穩(wěn)定位置存儲相當大的能量，釋放后為控制開關(guān)做準備。這可以通過用一個導致不穩(wěn)定的彈簧完成。相應(yīng)地，一個或多個在第二位置不穩(wěn)定，在機構(gòu)中附加的彈簧將允許能量在第二位置儲存。