(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.
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)
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.
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
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
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.