等速無沖擊直線往復運動機構(gòu)研究

(北華大學工程訓練中心，吉林吉林132021)

目前往復運動機構(gòu)的形式主要有凸輪機構(gòu)、正弦機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)和不完全齒輪機構(gòu)等［1］．凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，而且行程有限;正弦機構(gòu)速度波動大，傳動路線長，易產(chǎn)生較大的誤差累計;曲柄滑塊機構(gòu)往復行程不對稱，慣性力難以消除，不適宜高速運動［2-3］．為此，本文采用不完全齒輪和齒條研制了一種等速直線往復運動機構(gòu)，在齒輪上添加附加板以減小齒輪與齒條的沖擊［4-5］．通過實驗和仿真驗證了附加板可以有效減小機構(gòu)的運動沖擊，為等速直線往復機構(gòu)的實現(xiàn)提供了一種有效、可靠的方式．

1 等速無沖擊直線往復運動機構(gòu)組成及其工作原理

等速直線無沖擊直線往復運動機構(gòu)由驅(qū)動單元、支承單元、輸出單元以及附加單元組成，如圖1所示．支撐單元對整體裝置起支撐固定作用，并對輸出單元進行導向;傳動單元采恒轉(zhuǎn)速的不完全齒輪驅(qū)動;輸出單元是一個平行相對設(shè)置的齒條;附加單元為加速附加板．

通過不完全齒輪與齒條的嚙合運動將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為齒條的直線往復運動．電機驅(qū)動不完全齒輪旋轉(zhuǎn)，當不完全齒輪分別與上下齒條嚙合時，實現(xiàn)機構(gòu)的往復運動．利用加速附加板使齒條與齒輪同步運動在嚙合前達到相同速度，以減少由于嚙合時速度突變產(chǎn)生的沖擊．

圖1 直線往復運動機構(gòu)

1.1 不完全齒輪和齒條設(shè)計

等速直線往復運動機構(gòu)的行程由機構(gòu)直線運動的時間決定．由等速直線往復運動機構(gòu)的行程可知，齒輪和齒條間嚙合的齒數(shù)．齒輪與齒條嚙合關(guān)系，如圖2所示．由圖2所示齒輪與齒條嚙合關(guān)系可知，嚙合齒數(shù)n為

圖2 齒輪與齒條嚙合關(guān)系

式中:β為齒輪與齒條嚙合區(qū)間角度;α為齒輪首齒與齒條的嚙合角度;w為齒輪的角速度;r為齒輪分度圓;ha為齒條齒頂高．

從動件的上下齒條交錯排列，分別向右和向左移動一個加速距離．

1.2 加速附加板的設(shè)計

加速附加板采用正弦加速度運動規(guī)律，通過與擋塊接觸驅(qū)動齒條與不完全齒輪同步運動，以減少齒輪與齒條柔性沖擊．利用ADAMS仿真，獲得擋塊相對齒輪的運動軌跡從而附加板加速和減速曲線，見圖3．

圖3 ADAMS獲得的加速附加板曲線

從動件的運動規(guī)律［6］為

式中:h為從動件最大位移;δ0為從動件運動時間．

將ADAMS仿真得到的附加板曲線數(shù)據(jù)導入MATLAB繪制附加板曲線，如圖4所示．

圖4 附加板曲線

2 直線往復運動機構(gòu)ADAMS仿真

等速直線往復運動機構(gòu)仿真條件如表1所示．機構(gòu)總運行時間為60 s，加速和減速時間均為1 s．

表1 仿真條件

在ADAMS虛擬環(huán)境下構(gòu)建樣機進行仿真，添加加速附加板后從動件齒條的運動規(guī)律，如圖5所示．由圖5中可見，齒條傳動過程中過渡平滑、沖擊小和勻速往復．

圖5 齒條的運動規(guī)律

在不完全齒輪與齒條間添加接觸約束，分別對使用加速附加板前后的接觸力進行測量，如圖6所示．從圖6中可以看到，contact_1為添加加速附加板前，齒條靜止時，不完全齒輪撞擊齒條的接觸力曲線．contact_2為添加加速附加板后，齒條由靜止位置加速到接觸點時，不完全齒輪撞擊齒條的接觸力曲線．通過對比可知，添加加速附加板后不完全齒輪與齒條的沖擊明顯減小．

圖6 齒輪與齒條的接觸力ADAMS仿真

3 結(jié) 論

本文采用齒輪和齒條傳動研制了一套直線往復運動機構(gòu)，利用加速附加板有效減小齒輪和齒條的嚙合時的沖擊．通過ADAMS仿真和樣機實驗，證明該機構(gòu)可以實現(xiàn)等速直線往復運動，傳動過程中過渡平滑、沖擊小．

［1］ 王明娣，鐘康民．對稱雙偏心輪驅(qū)動的高頻小負載往復直線運動機構(gòu)［J］．機械設(shè)計，2009，26(7):37-39．

［2］ 孫善志，楊成順，王洪書．實現(xiàn)長行程往復運動的組合機構(gòu)［J］．農(nóng)業(yè)機械學報，1994，25(6):88-92．

［3］ 王猛，李長春．不完全齒輪自動換向機構(gòu)的運動分析［J］．機械傳動，2012，36(6):71-73．

［4］ 高洪，李紹成．基于willis定理的瞬心線附加板共軛曲線設(shè)計的新思路［J］．安徽機電學院學報，2002，17(1):7-10．

［5］ 吳序堂．齒輪嚙合原理［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1982．

［6］ 孫恒，陳作模，葛文杰．機械原理［M］．北京:高等教育出版社，2007．