《机械创新设计》课件-项目6 受电弓设计

《机械创新设计》1.受电弓的演化课程简

介受电弓案例受电弓演化过程受电弓引发的思考受电弓案例PA

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E受电弓案例项目1—以高速列车受电弓为例高铁在运行过程中是怎样获得电力的？受电弓案例项目1—以高速列车受电弓为例在列车的高速运行过程中，对受电器有以下3个基本要求：1、能自动调整工作高度，保证与接触线始终接触；2、接触面始终保持在水平位置上；3、能提供稳定的法向接触压力。受电弓演化过程PA

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O列车受电弓的演化过程最简单的形式竖直的铜制伸缩杆，以弹簧驱动非常容易倒伏或折断如何解决这个问题？采用倾斜结构解决倒伏和折断问题列车受电弓的演化过程如何解决这个问题？增加力平衡装置和带凹槽的铜头增加构件演化形式变换构件位置，变换运动副倾斜的铜制接触杆，以弹簧拉动过大的张紧弹簧力容易折断接触线列车受电弓的演化过程演化形式杆形受电器（受电杆）如何解决这个问题？接触铜头非常容易磨损，2-3周亟需更换改变接触线的布置形式和受电杆的接触头 变换构件形状列车受电弓的演化过程演化形式弓形集电器（受电弓）如何解决这个问题？空气动力学性能差，易引发振动，造成受电弓与接触线接触不良。设计结构更加稳固的多杆结构 增加构件列车受电弓的演化过程演化形式双臂受电弓（菱形受电弓）如何解决这个问题？设计结构更加轻便稳固的单臂受电弓空气动力学性能较好，但结构笨重，重量大。列车受电弓的演化过程演化形式单臂受电弓由两个铰链四杆机构组合而成，结构轻便稳固，具有较好的空气动力学性能。为什么加入平衡杆以后，能保证弓头始终处于水平位置？SUM MAR Y总结四杆机构的演化杆机构的演化方法主要包含两大类：变换运动副变换构件

运动副类型变换 运动副元素变换运动副约束度的变换机架变换（机构的倒置）

主动件变换 构件形状变换反转法T H I N K I N G思考，为什么加入平衡杆以后能保证弓头始终处于水平位置？2.受电弓机构运动简图绘制第1章机构运动简图绘制步骤第2章受电弓机构运动简图01机构运动简图绘制步骤PARTONE一、机构运动简图绘制步骤机构运动简图用简单的线条和规定的符号表示构件和运动副，按一定比例表示各运动副的相对位置。机构运动简图与对应的实际机构具有完全相同的运动特性。作用表示机构的结构和运动情况。作为运动分析和动力分析的依据。一、机构运动简图绘制步骤运动副表示方法转动副的表示用圆圈表示转动副，其圆心代表转动轴线，加阴影线表示固定构件（机架）。移动副的表示重点是反映出两构件之间的相对直线移动方向，即移动副的导路方向；两构件之一可以画成杆状、块状或槽状，加阴影线表示固定构件（机架）。高副的表示画出两构件接触处的曲线轮廓；加阴影线表示固定构件（机架）。一、机构运动简图绘制步骤机构中构件的分类1固定构件（机架）——机构中固定不动的构件，用来支承活动构件，机架构件加阴影线。机架相对地面可以是固定的，也可以是运动的（如在汽车、飞机等中的机构）。2原动件（主动件）——机构中按给定规律运动的构件，其运动由外部输入，也称输入构件，加运动方向箭头。3从动件——机构中除原动件外其余随原动件运动的活动构件，其中输出预期运动的从动件称为输出构件，其他从动件起传递运动的作用。一、机构运动简图绘制步骤步骤1运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；2测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图。3按比例绘制运动简图。简图比例尺：μl=实际尺寸m/图上长度mm4检验机构是否满足运动确定的条件。02受电弓机构运动简图PARTTWO二、受电弓机构运动简图ABCDEFGHSP二、受电弓机构运动简图βθγαξx1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11xyABCDEFGHSPB点和C点的坐标：

由余弦定理可以得到角ξ和γ：

其中，

二、受电弓机构运动简图βθγαξx1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11xyABCDEFGHSP可得到D点、E点和G点坐标：

由上式及余弦定理可得：

式中，

二、受电弓机构运动简图βθγαξx1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11xyABCDEFGHSP由图中几何关系可得H点坐标：

由E点和H点坐标，可得偏转角β的表达式：

01.受电弓的工作高度必须处于合理的工作范围内。02.必须保证受电弓能够实现正常的升弓和降弓动作。03.受电弓在工作过程中，受电弓的弓头应尽量处于竖直运动状态，即保证弓头点E横坐标的最大偏差不得过大。04.受电弓在升弓和降弓过程中，弓头滑板应尽量保持水平运动，即要求平衡臂EH的偏转角β尽量变化很小。升弓和降弓过程中，β角并不是完全不变，设计过程中要求β角的变化范围很小，需要对受电弓的运动轨迹作出严格要求：右图受电弓机构运动简图中，其自由度为多少？ABCDEFGHSP3.受电弓自由度计算第1章平面机构的自由度定义第2章受电弓自由度的计算01平面机构的自由度定义PARTONE一、平面机构的自由度定义定义几个参数运动副的自由度——描述组成运动副两构件之间相对运动所需独立参数的个数，F运动副的约束数——两构件因直接接触组成运动副而失去的自由度数，S一、平面机构的自由度定义yxθ(x,y)作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y，θ）才能唯一确定。单个自由构件的自由度为3。F=3当两个构件组成运动副后，他们的相对运动就会受限，自由度也随着减少。一、平面机构的自由度定义yx12Syx12xy12θS=2,F=1S=2,F=1S=1,F=2运动副自由度数约束数回转副1（θ）+2（x，y）=3移动副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3自由构件的自由度数结论：构件自由度＝3-约束数＝总构件的自由度数-约束数一、平面机构的自由度定义由此可见，平面机构中，单个构件自由度为3，每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度，每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度；即：平面运动副的约束数最多为2，最少为1。对于组成运动副的两构件作平面相对运动情况，有F＋S＝3，则F=3-S，其中高副时S=1，低副时S=2。一、平面机构的自由度定义推广到一般：同时设高副数——PH，低副数——PL活动构件数n

构件总自由度3×n低副约束数2×PL高副约束数1×PH计算公式：F=3n－(2PL+PH)要求：记住上述公式，并能熟练应用。02受电弓自由度的计算PARTTWO二、受电弓自由度的计算ABCDEFGHSP123456解杆BDG、杆EDC和杆HFSP为同一构件；构件数为6；杆AB为机架；则活动构件数n=5；低副数PL=7；高副数PH=0；则F=3n-2PL-PH=3×5-2×7-0=1因此，受电弓在运行过程中，只存在一个自由度，各杆件相互约束。01.介绍了运动副的自由度F和运动副的约束数S02.自由度的计算公式：F=3n-(2PL+PH)03.受电弓只存在1个自由度，各杆件相互约束受电弓的形状为什么像一把弓箭，它的侧角有什么用？现在广泛采用的受电弓的缺点是什么？《机械创新设计》4.由受电弓结构引发的课程思政课程简

介受电弓侧角作用及课程思政四杆机构的应用四杆机构的拓展受电弓侧角作用及课程思政PA

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E受电弓侧角作用及课程思政受电弓侧角作用受电弓侧角作用及课程思政以受电弓为例→课程思政现在被广泛使用的单臂受电弓，其动力学性能并不完美，在350-400km/h的高速状态下，振动显著增大，且存在摩擦自激振动的现象。四杆机构的应用PA

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O四杆机构的应用四杆机构的应用→管道机器人四杆机构的拓展PA

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E四杆机构的拓展四杆机构→五杆机构四杆机构的拓展平面机构→空间机构行走吧，机械臂！天宫号上的机械臂S U M总M结A R Y介绍了受电弓侧角的作用并对受电弓的难题进行了课程思政。以管道机器人为例，阐述了四杆机构在生活中的应用。以腾讯轮步式机器人和天空号上的机械臂为切入