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从零讲:机器-人-机构设计之曲轴的未央歌

转载 2015-07-03 20:24:46

战舰荡荡链锚垂,漫漫浪花潜艇摧;柳条折尽空气尽,借问曲轴归不归。学机械一定死板板硬梆梆吗?未必!几凡机械发明会跟随人类发展史,或有改写诗篇般创造历史进程,也间伴有可歌可泣的故事。改变学机械的尝试,另有滋味,机器--机构设计的融合,别具风采。曲轴与「未央歌」又会是什么样的故事呢?这里要谈的「未央歌」,并不是指鹿桥的名著《未央歌》,曲轴跟那本割掉现实世界的畅销书是碰不出什么火花的。本处「未央」乃释以「未尽、未完」之意,全意为未尽豪情泣血之歌,这是有关一小撮亨利号们在美国内战时未唱完的心愿,这共同的心愿就是以曲轴同进同出,为土为民奇袭杀敌,凯歌而返,最终奈何慷慨热血沙()场。1864217日美国内战期间南军亨利号潜艇,采用八名水手的人工肌肉驱使曲轴转动潜艇的螺旋桨趋近敌舰,并发射撑杆水雷成功击沉北方部队的“豪萨托尼”号火炮巡洋舰,成为人类历史上第一艘击沉敌舰的潜艇。这趟任务,虽是奇袭,必须一路安静,才能攻其不备,然而在海底下海滔声不绝于耳,管它的,激情已经沸腾到顶潜艇水手全都有默契地搭配节奏感十足的《捕鱼歌》白浪滔滔我不怕,旋起曲轴(撑起舵儿改了)往前阀(),潜艇下水到敌,炸条大船笑哈哈(全都改了) [注一]节拍当当歌声嘹亮联动感地持续用力旋转曲轴不停歇,这是勇士们内心澎湃之声,没想到胜利高歌伴随潜艇沉海底,再也没有下一次任务了,只有那回游亨利号的鱼群,听过这一小撮热血男孩生命之歌,也是曲轴的未央歌。

引擎曲轴与多个智高积木曲轴 

曲轴常见于往复式活塞引擎中,将活塞的直线往复运动的动能转化为旋转动能的部件,有如右图上方实体件所示。曲轴主要是由一根会旋转的长构成,有些像手杆似的,为了将往复式的运动转换为旋转运动,曲轴上会有「曲轴臂」或曲轴销部份,它是垂直突出于的部位,有些像手杆末端的把手,其轴心和曲轴的轴心有径向位移,而活塞连杆的较大一端会连到曲轴的曲轴臂或曲轴销。一般会在往复式活塞引擎里的曲轴上加装一飞轮,以降低其转矩脉冲特性,有时也会在另一端加上旋转或振动的阻尼器,以减少曲轴上的扭力震动。曲轴一般会联动设计以加大输出力道例如上图上方亨利号潜艇设计图里所示多个联动曲轴的设计是把曲轴的旋转长轴采交错反向方式布置至于右图下方智高积木的曲轴则是旋转长轴一律同向方式布置。一般来说以上方式布置并不合理,其输出力道会时快时慢。多联动曲轴要合理的布置,也就像亨利号潜艇的改进设计过程,最后改善结果,从上图左下方潜艇内部彩色照片所示,末段四个曲轴的联动布置方式,其旋转长轴走向从远到近分别为右、上、左、下等分布,这样可以让人手臂摇动曲轴的力量对称均匀,螺旋桨才能旋转的十分流畅,当然亨利号潜艇的航行速度将大有起色。

就让曲轴引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,一起动手操作积木。首先,从零开始思考,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曲轴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。这里,其实已经割舍了曲轴特色,因为设计时曲轴已经不当曲轴来用,而是改当连杆用,以下就是创新智造出来具有曲轴组件的新款机构动力车。

保有曲轴组件尚处于待命状态的新款机构动力车

这一款新机种的机构设计很是简约,因为设计时曲轴已经不当曲轴来用,而是改当连杆用,形成三个连杆的联动方式。它采连杆卡榫加中齿轮的机构设计,来替代棘轮机构的作用,结果,当后车轮经过回力拉紧橡皮筋之后,后轮轴上的中齿轮自然被连杆卡榫卡住不动了,据此便能将弹力储能存放着,真实情况就如同上图照片所示那样,此时拿取车子摆放到任何地方,卡榫依然卡住齿轮不会任意松动,储能机制依然有效,车子已经处于上发条状态。接着,尾部碰押长连杆并转动曲轴产生连动作用,经此适当触发启动开关之后,运行杠杆作用抛开卡榫松动齿轮,真实情况就如同下图照片所示那样,说时迟那时快,储能立马转换成为快速运转的前驱动力,车子自当会往前奔跑。

保有曲轴组件已触发启动的新款机构动力车

资料补充。于18622月美国南北战争期间,南部各州的海港被联邦军队强大海军优势封锁得水泄不通,使南部地区的消费品极缺,物价飞涨。南方为了图围,有几位大富豪突发奇想,出资建造了第一艘迷你原型潜艇,并成功进行了处女航,建造的第二艘潜艇再度试航成功,但却因为速度实在太慢不大实用。倍感振奋的这些大富豪们决定建造第三艘更先进的潜艇,取名为“亨利”号。亨利号长约12米,艇身如同一支巨型雪茄,需要有八个人以人力同时操作,如同本博文头一张图片所示,其中七个人负责旋转手摇式曲轴以带动螺旋桨让潜艇前进,而第八个人则还要负责操作潜艇的转向与浮沉。它已具备了真正潜水艇的基本功能,例如,位于船头与船尾两端设有压水舱,可以打开阀门让水从外界流入让潜艇下沉,或使用手摇的抽水泵将舱内的水打出让潜艇上浮。除此之外亨利号还有铁制的额外压舱物,以螺丝锁定在艇身底部,当有必要时,船员可以自舱内将露在舱底的螺帽松开释放压舱物,以获得较大浮力紧急上浮。从没见过潜艇的南军高级将领们一开始很是不屑,但当他们亲眼看到潜艇神不知鬼不觉地把一颗颗水雷送入预定目标,将假想的北军军舰炸得粉身碎骨,据此实际证明了其攻击能力之后,南军将领当场一致同意:应该让这种新型诡异的水下武器立即投入战斗!当这艘神秘的潜艇被运到南卡罗来纳州查尔斯顿的时候,这里的居民正饱受北军炮舰疯狂的炮击。几天后,急不可耐的查尔斯顿居民就准备对北军的炮舰发起首次夜袭。不幸的是,夜袭还没有开始,亨利号自己却葬身港口水底!原因是自愿担任该艇首任潜艇指挥官的派恩上尉在潜艇正在前进时,一不小心踏到控制潜艇潜水鳍板的杠杆,使得当时亨利号在水密舱盖尚未关上的状态下开始下潜,结果可想而知立刻进水沉没,其中3人活命而另有5人葬身大海。事件发生后没多久,查尔斯顿的居民们就冒险把亨利号从港口水底下打捞出来。很快,大律师亨利亲自从新奥尔良赶到查尔斯顿,并决定自己来指挥这艘潜艇,以避免前次训练不到位的问题。然而,不幸再次降临在这艘潜艇上:18631015日,在一次例行性潜水训练中,亨利号再次沉没,包括发明者亨利本人在内的8人全部遇难,还真是厄运连连。尽管亨利号出师未捷就先后吞掉了两批水手,但南军仍决定非得试试他们的新式武器不可。因此,在沉没后仅一天,南军就开始搜寻打捞亨利号。让人们大感意外的是,尽管亨利号先后有两批艇员遇难,但第三批自愿者甚至在亨利号第二次被找回来之前就已经到位,真是勇者无惧!在此后的几个月里,南军对亨利号潜艇进行了维修且成功改进曲轴合理布置使航速大为增加并进行了多次试航后决定参战了。1864217日,南军侦察到北军配备有12门大型加农炮的大型战舰“豪萨托尼”号正大模大样地泊在距离亨利号潜艇隐蔽舰位3英里外的海面上,根本未做任何防范。晚上845分,“豪萨托尼”号上的一名军官在夜色中突然发现有一只海豚正向战舰游来。然而,当那只“海豚”游得更近时,他才猛然发现那不是海洋生物,而是南军奇怪的舰艇!赶忙拉响战斗警报。护航舰只逼近过来,但也无可奈何,因为正施放水雷的潜艇已经处在盲区而躲过一劫。亨利号成功地逼近了巨型战舰,在发射了90磅重的撑杆水雷后,成功退回到安全距离之外。潜艇继续倒车两分钟后引爆炸弹,炸毁整个船尾右舷水线,强烈的爆炸撕裂了“豪萨托尼”号战舰,几分钟之内,战舰沉入海底,但不知怎么搞的,亨利号在返航途中也葬身大海。


注一:这是首台湾人儿歌《捕鱼歌》朗朗上口的歌曲「白浪滔滔我不怕! 撑起舵儿往前           划! 撒网下水到渔家啊! 捕条大鱼笑哈哈! 嗨哟一哟一哟哼嗨哟! 嗨哟一哟一哟           哼嗨哟! 嗨哟一哟一哟哼嗨哟! 嗨哟一哟一哟哼嗨哟!」

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