机械结构组合对称概念体系及应用分析

马 力 赵世达

（武汉轻工大学，武汉 430048）

对称是机械产品中常见的形态或规律，除了功能、原理需要实现对称，机械组合机构也需要实现几何对称。与机械设计同步，结构对称性在机械制造领域得到了广泛应用，相关设计人员通过分析零件结构对称与生产装配关系，分析零件之间的对称性即可找出对称条件，然后从衍生出的多个对称零件的组合匹配中，判定出顺利装配的方法。分析组合对称的实质性是机械领域生产的主要内容，而分析组合对称的层次性与串并联关系，人们可以挖掘、提炼结构组合对称性设计知识。

1 机械结构组合对称概念体系

机械结构是影响机械运行质量的基础内容，可以划分为对称组元和对称基准。其中，对称组元与对称主体相似，包括旋转、平移对称组元结构。对称基准主要包括空间上的点、线、面等，包括数目、维度、种类三大属性。维度与基准方向有着直接关系，而基础类型与种类相互影响，数目决定了基准个数。这些因素决定了机械对称种类，同时也约束了组元间的空间位置关系。

1.1 组合对称部件

在进行研究过程中，不能单考虑单个零部件结构上的对称，还需要结合对称主体数目进行研究。在组合单对称主体部件中，最为基础的组合对称形态也表现出多基准组合形态。螺旋线直齿齿轮副是一个单主体组合对称部件，其中有两个对称基准，一是通过齿和点且垂直纸面轴线旋转的对称轴；二是通过与机械直面重合的镜射对称面。

在机械设计领域，通常将多个对称主体的组合划分为两大类。一是多个对称零件以及零件结构对称要素进行组合，以最为常见的齿轮器械为例，通常要将旋转齿轮和平移齿条进行对称设计，这样才能够更好地结合，使旋转、平面直线运动实现相互转换，实现力的传递。二是很多零件中存在跨越式对称，所以要进行跨越式零件组合对称设计。例如，三抓轴承拉马组合结构就是非常典型的跨越组合，并且是双跨度零件旋转对称的组合形式，也是一种零部件和主体的组合形态，零件与主体有依附关系。螺杆与底座是旋转、外螺纹对称，它是零件对称结构要素的组合形式。

从基准层面分析，如果基准面的维度和对称种类相同，则可以判定为同基准关系，都是设置在同一个对称基准面上。从主体层级上分析，对称主体与零部件相互独立，形成了相互独立的组成关系。除了单级对称外，还有部分部件具有多个对称级，也就是说，相似或相同部件在同一个主体单元中构成的对称组元，组成复合式嵌套关系。在连接与功能关系层面上，将能量、物料、信息上进行整合分解，并采用并联连接形式，但传递和输送装置都采用串联连接法，这样可以减少机械内部复杂度。

1.2 单层组合关系

单层组合关系通常表现为多个对称零件之间或多个零件对称构成要素间的串并联连接形成的单层次对称组合。单层串联形式，是一种蜗杆传动机构，将蜗杆与蜗轮进行串联，这样即可实现垂直方向的运转。齿轮通常采用螺旋对称形态，如果齿轮不对称，除了会增加做功外，还会提高磨损度，所以应采用单一层零件对称串联组合形态。

对于单层并联组合，机械两侧齿轮凹凸镶嵌，采用并联结构链接形式，这样即可让咪齿对称衔接，并沿着Y轴对称，但整体高低结构需要错开一些，是非对称结构，构成单一层次两对称并联组合。

多层嵌套是指多个结构对称，由多层次机械构成的对称组合。将物料通过多层组合形式传送到传输机中，物料输送转轮主要采用串联形式，这样多层嵌套相抵即可实现运输传送。分析整体传统结构可见，旋转对称转轮组分别对称，在滑动过程中依然会形成运动对称；而在低层次中，每个转轮都旋转对称，可见零件间的串联组合形式可以划分为双层对称嵌套关系。

多层并联组合形式，主要包括三蜗轮机构、蜗杆和蜗轮，形成并联齿和形态。这样不仅可以保证运动量部件的独立性，在运动中实现分解功能，同时也能够联合对称运行。在低层次中，蜗杆和蜗轮主要采用对称串联组合形式；而在高层上，蜗轮、蜗杆副都是对称组元，从而并联形成一个上层主体形式。

2 机械结构组合对称在实践中的创新应用——以叶片泵为例

2.1 问题描述

液压泵的主要应用功能是提高液压力，从而驱动执行系统工作。液压系统中最常用的就是叶片泵，在日常作业过程中，压缩腔内的叶轮扫掠时，如果叶片组合不对称，就会在旋转中受到单作用和双重作用，输出时就会由于重心转移而造成较大周期波动。市面上常见的精密仪器，都采用连续输出无周期性波动液体，保证整体输出频率的平稳性。笔者采用结构组合对称理念，设计一种新的液压泵，旨在解决对称受力不均和周期波动的问题。

2.2 创新应用过程

设计任务：通过转子受力形成一个平衡点，从而设计出一种流量稳定、发热量低、噪声低、机械结构无冲突的液压泵。

原理与结构：市面上常见的叶片泵都是大型主体结构，通过压缩内部空气而产生压力差，转子叶片瞬时扫掠实现泵设备的功能。如果结构整体缺乏对称性，即使转速是恒定的，也会产生周期波动问题。为了提高叶片的稳定性，人们可以利用与叶片泵相同的物理效应，将之前的单泵腔体独立工作形式变为4腔体并联形式，并对4个腔体叶片相位角进行调整。这样才能够让4个腔体转子叶片瞬时扫掠面积保持恒定状态，内部结构稳定即可解决周期波动的问题。

想要保证输出的高压油稳定，可以将并联子功能输出的波动高压油进行叠加，将单个腔体内定子与转子剖面设计为椭圆和圆的对称组合形式，实现旋转、镜射对称组合。此时，叶片瞬时扫掠面积与叶片转角将成为更加简单的三角波曲线。

泵体包含4个完全相同的子腔体，受到重力的影响，笔者建议采用纵向对称组合形式并进行并联，4个腔体转子同轴固定驱动，理论上腔体叶片转角相位差是π/2。此时，4个腔体的输出流量在并联情况下可以实现相互动态补偿，各个叶片扫掠面积恒定，最终保证总流量的稳定性。

3 结语

本文研究了机械结构组合对称体系，对组合对称的关联性进行深入挖掘，并分析了结构组合对称设计，以期将对称组合更好地应用到实践中。实践表明，相比普通的设计，组合对称设计有更广的思路，更能够使人研发和创造新产品，可以解决机械设计中的多种问题。