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150724_瓦特连杆

2015-12-24  EasyBot

考验自己一下,可认得上图是什么?在这台新建赛车里居然暗藏着一个古老的秘密。上图有個由两个等长摇杆与小浮杆所构成的机构,看出来了吗,它就是瓦特连杆,为瓦特发明蒸汽机时所用的连杆机构,这在本系列前一篇博文【近似直线运动】中曾为文介绍过,指的都是同一件瓦特的发明,此连杆机构从古到今一点都没变。如今会有何变化呢?它又能干什么?由于机械知识的进步,我们对瓦特连杆有了更多深层的认识,从发明古老的蒸汽机机构上,当初瓦特连杆是保障活塞杆与气阀杆垂直方向往复运动的传递机构,现在摇身一变,成了防止车身侧倾的回力机构,让车身保持中立的状态。听起来有点玄,这跟原先瓦特当初所设想的用途完全不同,可是都用同一个机构?为何古今用途会差异那么大?这就是运用机构设计巧妙的地方,就像水能载舟也能覆舟,是一体多面向的,就看如何设计怎么用,后续还会加以说明。

瓦特连杆实体与示意图 

瓦特连杆瓦特蒸汽机杆两端支轴是铰链在固定位置置于小浮杆真的是在空间里随气阀杆垂直方向往复运动而浮动这是杆端点不动而浮杆上下运动的写照。如果以相对运动概念来理解可推导出另一种杆端点上下运动而浮杆不动的情境这就是瓦特连杆出现在上图赛车里的安装方式正如右图上方所示那样,瓦特连杆杆端点是铰链在车体并在瓦特连杆浮杆的中央处铰链在后车轴的中央点形成了车体上下能动而保持车轴不动情况就如右图中间示意图所示。在车子未行驶的静止状态当一名胖子坐上左驾驶座时若此没有安装瓦特连杆的话,车体马上会向下左倾斜这样驾驶起来会不好受;如果有安装瓦特连杆就不一样了,车体先是向下左倾,瓦特连杆的左杆会像右顶着浮杆而浮杆会起杠杆作用向左顺势拉动右车体向下结果是让车轴的中央点与浮杆中央处保持不变 并让整个车体往下沉但不生倾斜这样胖子坐在驾驶座上就舒服多了。现在换个场景来看看瓦特连杆的部分作用当车子在行经颠颇不平路面弹簧避震器无法完全吸收跳动能量时车轴就会跟着上下起伏使得瓦特连杆的浮杆会呈现上下往复运动这情况就如蒸汽机里瓦特连杆的运动特性是一模一样也就是说整个车体不受瓦特连杆杆来回摆动的影响仍能保持惯性不随地面而起伏因此,瓦特连杆也有部分避震器的功效但机制完全与避震器不同。再来就要看看瓦特连杆对汽车转弯会起得什么作用例如当车子在过弯因离心力的作用使车发生滚转时,其情况就是使车往弯外侧倾斜人好像要摔出去一样。这个滚转的动作,有如一个无形的胖子坐在车外侧,就类似前面胖子坐驾驶座的情况,只是一个是动态一个是静态,这时瓦特连杆也会起得防倾作用,使得汽车转向的侧力会被瓦特连杆所吸收,从而让驾驶变得更平稳。显然这时瓦特连杆在汽车里的作用,大大地超越了原先瓦特当初所设想的用途此外,瓦特连杆还能用在火车轮轴的支撑设计上,正如右上图下方所示那样。瓦特连杆看似简单,一种机构却能带来多样特性。前面好像把瓦特连杆的运用都讲完了,事实上,它还有被进一步挖掘的可能,本博文末尾将一探究竟,还有第三版的故事就等着呢。

 就让瓦特连杆引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,共同一起动手操作积木。首先,从零开始思考,新款机构动力车在车轮、平台、动力三方面,由于有着相同平台化的底盘骨架,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,就只剩下动力单方面着眼进行设计,这样就可以快速有效地把瓦特连杆设计安装在新款车的框架里,这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘,当然还要经过多番的尝试与犯错,以下就是创新智造出来具有瓦特连杆特色的新款机构动力车,但又把车剖成两半,并把有关瓦特连杆在动力车内的实际设计内容,完全暴露出来,这样会比较理解瓦特连杆的设计特征。这里和前一篇所用机构是一样的,虽然前一篇没用上它的近似直线运动轨迹,本篇则会侧重近似直线运动轨迹在本机构动力车的应用。

保有瓦特连杆特色处于待命状态的新款机构动力车实际剖面图

上图是运用瓦特连杆特色设计而成的新款机构动力车的半剖面机构,这个部分完全呈现出瓦特连杆的设计特征,也就是在中框架上的范围内,是存在着瓦特连杆,这里是用三孔距离当两个等长摇杆的长度,也都与小浮杆中央点保持着三孔距离,而小浮杆成垂直竖立状,下端铰链处可以当卡榫之用,而这台车的动力灰色中齿轮是安排在前轮轴上,因此是一台前轮驱动车。该动力中齿轮是与一颗绿色大齿轮啮合再一起反向连动,而瓦特连杆的小浮杆下端铰链处正好卡住了绿色大齿轮,连带也卡住前轮轴上的中齿轮,这样就形成处于待命状态的情况。另一方面,为了让这部机构动力车有个触发杆,于是在瓦特连杆下头摇杆换成往外多伸长出来的连杆,则可当下押触发连杆之用。当我们在车后头垂直方向下押瓦特氏直线机构中下摇杆长连杆尾端,这连杆触发会起得瓦特氏直线机构作用,使得小浮杆末端卡榫顺势上提起,这就松开了绿色大齿轮,实际情况就如下图所示。此时卡榫脱离了绿色大齿轮,进而解开动力中齿轮的束缚。这里要特别留意上下图在中框架里的浮杆,它的运动轨迹虽然有点偏移了垂直方向,但其中央点却始终都是进行由下往上垂直的直线运动,果然有着瓦特氏直线机构的近似直线运动。

保有瓦特连杆特色已触发启动的新款机构动力车实际剖面图 
欧宝的瓦特连杆专利示意图 

如果说瓦特蒸汽机里的瓦特连杆是第一代杰作,那么前面所提在赛车里的瓦特连杆则是第二代杰作,那有没有第三代瓦特连杆的存在呢?答案是有的,而且是由欧宝申请了专利保护,至于第一代是由原创瓦特申请了专利保护,而第二代乃由福特汽车申请了专利保护,可见瓦特连杆历久弥新价值连城那第三代的瓦特连杆是怎么实现的呢?这里先总结一下,好建立印象,就是将第二代进行换对象、去耦合动作。先讲换对象,把第二代瓦特连杆杆端点原来是铰链在车体现在则改将两杆分别固定铰链在悬吊系统的左右下支臂或是避震器上面至于第二代原来在瓦特连杆浮杆的中央处铰链在后车轴的中央点现在则改固定铰链在新设的横梁中央而横梁两端则要固定在车体至于中央浮杆就另取一个响亮名称叫中央控制臂作用是一样的这样就形成了车体上下能动而保持车轮不动情况就如右图示意图所示。接着谈去耦合部分其实刚刚已经有带到只是没明讲而已就是原先瓦特连杆杆是分接车体但车体是耦合而成的整体这会对瓦特连杆的防倾作用打折扣有必要去耦合化也就是前面讲过的分别改搭接到悬吊系统的左右下支臂或是避震器上面但完全去耦合也有副作用于是加了扭力杆保证汽车在转向时,垂直作用力能够被平均地分配作用到两个后轮。总而言之基本上第三代瓦特连杆的作用与第二代没多大差别只是控制比较到位以及控制对象有所调整,例如当汽车在转向的时候,就像谈第二代瓦特连杆时车体被甩出去而被拉动回正般,现在改换对象为车轮了,因此离心力会作用在车轮上,而瓦特连杆的作用就是平衡两边车轮上的这些离心力,将这些力量反转拉动到另一边。这样,两边车轮始终都能与路面保持最适宜的接触,如此稳住车轮的抓地力不受九拐十八弯的岖路影响,使得在操控汽车快速转向也能变得更加灵活。注意,这里的汽车,并不是指赛车用汽车,而是房车,赛车因轮子大,而且比赛场地转弯处为抵抗离心力已经以斜面方式设计,避免了车速过快使赛车发生滚转而酿灾,因此赛车主要问题是要防止车体倾斜,则第二代瓦特连杆的设计是既简单又实用。

 为何笔者能够摸透这些有关瓦特连杆的特性呢?其实笔者并不拥有赛车以便进行实验但却可以运用瓦特连杆进行多种行车情况的模拟实验,更进一步将这些模拟改变方案套用到机构动力车设计里听起来好像很好玩,但会不会太难呢?其实一点都不难,因为瓦特连杆算是四连杆机构里最古老又最简单的应用,将戏码搬到机构动力车平台上演,这真的有趣又有意思,如有合适机会,再行介绍

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