摘要：随着现代工业的发展和生产工艺流程中机械自动化程度的提高, 工程实践要求不断地提供适应工艺参数复杂多变的新型机构, 变自由度机构应运而生. 它是一种通过利用自身的结构约束或系统的阻尼约束(弹簧力、摩擦力、重力、生产阻力等)使机构的自由度发生改变以实现不同功能的特殊机构, 在现代机械传动的某些特殊领域应用十分广泛。
关键词：变自由度机构；铁路货车底门机构；应用；
变自由度机构是一种通过利用自身的结构约束或系统的阻尼约束使机构自由度在运动过程中发生改变且具有确定运动规律，从而实现不同功能的特殊机构。随着科技的发展，人们对机械产品的类型、功能和质量等要求越来越高，传统的自由度不变的机构已不能满足人们设计各种应用于特殊场合及工作条件下的新颖机械产品的需求。在此背景下，变自由度机构应运而生并受到国内外众多学者越来越多的关注与重视。
一、改变自由度的控制方法
变自由度机构改变自由度的控制方法可归结为控制原机构中运动副的约束及控制活动构件数来完成。具体来讲, 控制方法可通过以下的一些形式得以实现。( 1)用外界运动约束实现自由度变化。如应用于汽车或拖拉机的后桥差速器的差动轮系, 利用差动轮系的变自由度特性, 可适应直线行驶以及向左、向右转弯时对两轮转速的不同要求。( 2)用机构的死点位置和运动自锁实现。自由度变化工程应用中, 常利用机构的死点或自锁来实现安全保护的目的. 如飞机起落架装置, 工件夹紧装置等。( 3)对构件几何约束实现自由度变化。常用的间歇运动机构, 如不完全齿轮机构, 槽轮机构等. 其运动和停歇自由度的变化是通过构件特殊的几何形状来实现的。( 4)用外力实现自由度变化。对于一些实现安全保护功能的构件或者具有自位性的构件, 通常使用广义力约束来实现自由度的变化, 如建筑工地常用的卷扬机, 机床上应用的变向机构等借助制动器来实现自由度的变化。( 5)用物料干涉实现自由度变化。物料干涉可使机构自由度减少, 但是这种自由度的丧失是单向的, 在机构反向运动时, 自由度重新获得。如钢丝钳, 剪刀等工具，除了以上的控制方法, 对于变自由度机构, 借助最小阻力定律来控制活动构件的动作顺序, 也可实现机构自由度的变化。 最小阻力定律在机械工程中有着重要的应用价值, 机构的运动亦遵循最小阻力定律, 即优先沿阻力最小的方向运动。
二、变自由度机构在铁路货车底门机构中的应用
1.铁路货车底门开闭机构位于货车车厢底部，分前后两个部分，位于车厢前端的底门开闭机构带有驱动气缸，位于车厢后端的底门开闭机构不含驱动气缸及与气缸相连的上、下弯杆。机构的开关门动作由气缸驱动完成。位于车厢前端的铁路货车底门开闭机构，在货车底门开闭机构的两端均设置有挡块，以限定车门开启的位置。机构的开门动作过程描述如下: 由控制系统提供原动力，使得气缸体中的活塞杆被推动伸出，活塞杆通过铰链点带动下弯杆与上弯杆运动，下弯杆通过铰链点对曲拐产生绕点的顺时针转矩( 由受力分析可得)，当此转矩大于大刀臂对曲拐产生的逆时针转矩时，曲拐将顺时针转动; 当曲拐转过直线BF 与直线的共线位置后，大刀臂对曲拐的转矩由逆时针转为顺时针，此时曲拐上的转矩为大刀臂对曲拐的转矩与下弯杆对曲拐的转矩之和，使得曲拐加速顺时针旋转，此时，左车门和右车门在货物对各车门作用力的作用下加速开启。机构的关门动作过程为开门动作过程的逆过程。
2.铁路货车底门开闭机构变自由度计算。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于变自由度机构可按不同的需求，在运动过程中改变构件型态，使之适应不同的任务，具有可完成常规机构需要多个或复杂的设计才能完成的安全保护、顺序动作以及均衡作用力等功能，因而使其在现代机械传动的某些特殊领域应用十分广泛。限动构件的存在使得一些机构的自由度可以发生变化。这种应用限动构件形成变自由度机构的方法称为限动构件法。一是关门状态底门待开启阶段自由度计算。由于铁路货车底门开闭机构贯穿车体下的轴与曲拐固联，机构前端与机构后端均由曲拐带动，因此，仅对机构前端进行自由度分析即可。由于该机构只有一个原动件—接受原动力的活塞杆，因此，该机构的自由度数大于原动件数，从理论上讲，该机构的运动是不确定的。二是机构最小阻力定律。该货车底门开闭机构的运动是不确定的。但根据机构最小阻力定律即由机构阻力最小的运动副来确定机构运动状态的规律可知，此时机构的运动也不是毫无规律的乱动，而是将优先沿着阻力最小的方向运动。由于此机构除原动件即活塞杆处的运动副为移动副外，其他运动副均为转动副，因此，机构将沿着阻力矩最小的方向转动，亦可表述为机构将沿着所需功率最小的方向运动。最小阻力定律是变自由度机构的基本定律之一，是分析其运动规律的基本依据。三是货车底门开闭机构运动顺序分析。机构运动顺序是指机构在受到外力作用后，机构各构件之间的运动关系。对机构进行运动顺序分析，为理解机构运动时其内部机理以及机构安全保护等方面的研究提供了理论依据。货车底门开闭机构将沿着各转动副中阻力矩最小的方向转动。在机构的受力分析中考虑摩擦力的影响，其转动副所受到的阻力矩即摩擦力矩。需分别计算其中的两个转动副的摩擦力矩; 然后再进行相互比较; 最后确定摩擦力矩最小的转动副为受到驱动力后率先运动的转动副。四是货车底门开闭机构变自由度分析计算。以机构的开门动作过程为例进行分析，当活塞杆接受原动力开始动作后，此时机构处于第Ⅰ个工作阶段，即关门状态底门待开启阶段，随着机构的继续运动，该机构进入第Ⅲ个工作阶段即右车门从逐渐开启到完全开启阶段。当右车门逐步开启右端挡块限定的位置时，右车门不再运动，相当于将右车门与车底架合并为一个构件，则活动构件数再减; 同时，右车门与车底架之间的铰链点也相当于焊死，即低副数再减。此时，两侧车门完全开启到位，机构不再运动，货车底门开闭机构开门动作过程的变自由度分析计算完毕。
3.变自由度机构的实现形式。变自由度机构的实现形式可以归纳为改变原机构的构件数和改变运动副的约束数两类，且往往这两类实现形式共存。常见的变自由度机构有: 1) 利用外界运动约束实现自由度变化的变自由度机构，如汽车后桥差速器中的差动轮系; 2) 利用物料干涉实现自由度变化的连杆机构; 3) 利用外力约束实现自由度变化的变自由度机构，如龙门刨床工作台的变向机构; 4)利用构件几何约束实现自由度变化的变自由度机构，如: 曲柄压力机机构、常用间歇运动机构( 如: 槽轮机构、不完全齿轮机构和棘轮机构) 等; 5) 利用机构的死点位置和运动自锁实现自由度变化的变自由度机构，如: 以摇杆为主动的曲柄摇杆机构、偏心夹具和斜面滑块压榨机等。
铁路货车底门开闭机构为一种变自由度机构。在开门或关门动作的三个工作阶段中，机构的活动构件数逐步减少( 运动副的约束数也随之相应减少) ，自由度发生改变。同时, 变自由度机构的功能分析和开发对于运用发散性思维、创造构思新颖和巧妙设计都有一定的参考和应用价值。上面介绍的变自由度机构设计巧妙,其设计理念正受到设计者日益广泛地借鉴和应用。
参考文献
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[3]冯立艳.自由度可变机构的研究与运用[ J] .研究•设计•制造, 2017 ,(3):42-43.
论文作者:谭江红
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/17
标签：机构论文; 自由度论文; 构件论文; 货车论文; 阻力论文; 最小论文; 转矩论文; 《基层建设》2019年第12期论文;