平面連桿機(jī)構(gòu)曲柄調(diào)速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜 力， 任亨斌， 黃勇剛， 康華領(lǐng)， 付 婷

（1. 重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400067；2. 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

平面連桿機(jī)構(gòu)曲柄調(diào)速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜 力1， 任亨斌2， 黃勇剛1， 康華領(lǐng)1， 付 婷1

（1. 重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400067；2. 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

在曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)曲柄到曲軸中心距離適時可調(diào)，對曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過凸輪槽與圓盤在同步轉(zhuǎn)動產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了平面連桿機(jī)構(gòu)在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下實(shí)現(xiàn)曲軸偏心距調(diào)整；同時采用特殊中間凸輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了可以帶動有多個相位差曲拐同步轉(zhuǎn)動，使整臺機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中具有適時調(diào)節(jié)運(yùn)動參數(shù)的能力。通過ADAMS仿真分析表明，該結(jié)構(gòu)完全能滿足系統(tǒng)無級調(diào)速的需要；同時曲柄上曲拐位移與原動件蝸桿的轉(zhuǎn)動角度基本呈線性關(guān)系，為產(chǎn)品調(diào)速部分的刻度分度打下了基礎(chǔ)。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)；適時調(diào)速；曲軸；可調(diào)偏心距

在很多機(jī)構(gòu)中，特別是對于連桿機(jī)構(gòu)而言，往往通過改變各個桿件長度比例關(guān)系來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)某些運(yùn)動參數(shù)（如行程、速度）的調(diào)節(jié)；而在另一些機(jī)構(gòu)中，為了安裝調(diào)試方便，也需要機(jī)構(gòu)桿件長度可調(diào)。在這些情況下，機(jī)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以通過選擇和設(shè)計(jì)具有兩個自由度機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[1]。兩個自由度機(jī)構(gòu)即具有兩個原動件，可將其中一個作為主原動件輸入主運(yùn)動，即驅(qū)動機(jī)械實(shí)現(xiàn)工藝動作所要求的運(yùn)動；而將另外一個作為“可調(diào)節(jié)”原動件，當(dāng)調(diào)節(jié)到需要位置后，使其固定不動，則整個機(jī)構(gòu)仍成為具有一個自由度系統(tǒng)。在主原動件驅(qū)使動下，機(jī)械即可正常工作。

平面四桿機(jī)構(gòu)是能實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動形式轉(zhuǎn)換最簡單的連桿機(jī)構(gòu)。如圖1所示，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其搖桿的極限位置、擺角均不能在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中調(diào)節(jié)，從而也不能實(shí)現(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中輸出速度等運(yùn)動參數(shù)調(diào)節(jié)。而若要實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)輸出運(yùn)動速度的調(diào)節(jié)，是可以通過改變各桿長度比值來實(shí)現(xiàn)的[2]。由于機(jī)構(gòu)本身結(jié)構(gòu)，連桿在運(yùn)動過程中作平面運(yùn)動，適時調(diào)節(jié)其長度難以實(shí)現(xiàn)，因此，只能考慮通過改變曲柄或機(jī)架長度以實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中適時調(diào)節(jié)。但對于功率較大、質(zhì)量較重的機(jī)械產(chǎn)品，改變機(jī)架長度需要克服的摩擦力、慣性力較大，很難在連續(xù)運(yùn)動過程中實(shí)現(xiàn)機(jī)架長度調(diào)整。而傳動系統(tǒng)靠曲軸傳遞動力結(jié)構(gòu)非常普遍，因此，需要探討并研究通過改變曲柄長度來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動參數(shù)適時調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)是非常有必要的。

圖1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

1 調(diào)速方案的確定及相關(guān)結(jié)構(gòu)解決方案

1.1 調(diào)速方案的確定

經(jīng)過多種方案對比，確定運(yùn)用的調(diào)速方案，如圖2所示。曲柄相對于輸入軸存在一個偏心距，偏心距的大小即為圖1中曲柄AB的長度，旋轉(zhuǎn)凸輪，即可改變曲柄偏心距的大小，亦即改變了曲柄AB長度，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

1.2 曲柄調(diào)速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 曲柄運(yùn)動位置的控制

為了使曲柄作為“可調(diào)節(jié)”原動件，其運(yùn)動控制方式如圖2所示，為了使凸輪旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)曲柄偏心距作用，必須保證曲柄和凸輪在運(yùn)動過程中保持封閉狀態(tài)，因此,在設(shè)計(jì)中將傳統(tǒng)凸輪設(shè)計(jì)成了凸輪槽的形式[3]，如圖3、4所示。同時圓盤上也開有通槽，在凸輪槽和圓盤槽的作用下，考慮曲拐和凸輪槽接觸的壓力角小于 30°不產(chǎn)生自鎖情況下，旋轉(zhuǎn)凸輪可以實(shí)現(xiàn)控制曲柄運(yùn)動的目的。這樣，當(dāng)調(diào)節(jié)曲柄中心到輸入軸中心距離合適的位置，即所需曲柄長度時，應(yīng)使曲柄在凸輪槽中的位置保持固定不動，此時整個機(jī)構(gòu)仍為具有一個自由度的系統(tǒng)，凸輪槽、圓盤隨同輸入軸進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動。

圖2 曲柄調(diào)速方案

圖3 凸輪結(jié)構(gòu)

圖4 凸輪結(jié)構(gòu)裝配效果圖

1.2.2 凸輪槽與圓盤在同步轉(zhuǎn)動情況下產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)結(jié)構(gòu)要求有調(diào)速運(yùn)動的情況下，曲柄相對于輸入軸中心的偏心距大小需要發(fā)生改變，設(shè)計(jì)要求凸輪要在不停止轉(zhuǎn)動的情況下和圓盤發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。這是調(diào)速結(jié)構(gòu)的核心與難點(diǎn)所在。采取的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖5、圖6所示。

圖5 手動調(diào)速結(jié)構(gòu)

圖6 帶螺旋槽的輸出軸

如圖5所示結(jié)構(gòu)[4]，當(dāng)轉(zhuǎn)動手柄，通過蝸輪8和蝸桿的傳動，可使通過螺栓聯(lián)接在蝸輪8上的調(diào)速螺母5轉(zhuǎn)動，因?yàn)檎{(diào)速螺母5被壓板6軸向定位且調(diào)速螺栓9上有防轉(zhuǎn)銷7保證了其不會與螺母一起轉(zhuǎn)動，因此，調(diào)速螺栓9只會產(chǎn)生軸向的移動，這樣滑套15會隨之一起移動，滑套15上又安裝有銷釘，該銷釘?shù)囊欢搜b入主動軸的螺旋槽內(nèi)，滑套15的軸向移動會引起凸輪1相對于主動軸轉(zhuǎn)動，從而使嵌入凸輪槽的曲拐1沿著圓盤的槽做靠近-遠(yuǎn)離軸心線的移動，來達(dá)到調(diào)節(jié)曲柄長度的目的。當(dāng)滑套在靠近凸輪極限位置時，對應(yīng)的偏心量為最大，反之最小。因此，轉(zhuǎn)動手柄可以從零到某一數(shù)量之間無級的改變偏心量。

在輸入軸設(shè)計(jì)之中，由圖6可見，軸上有一段有一定升角的凹槽，其螺旋升角直接決定著滑套的轉(zhuǎn)動可靠性[5]，螺旋升角過小，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自鎖，滑套無法實(shí)現(xiàn)與輸入軸之間的相對轉(zhuǎn)動，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；但螺旋升角加大，會使滑套軸向運(yùn)動加大，容易產(chǎn)生干涉。

1.2.3 曲柄調(diào)零的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于某些機(jī)構(gòu)要求搖桿輸出速度定從0到某一固定數(shù)值，這就要求曲柄可以調(diào)零。如仍用圖2所示結(jié)構(gòu)，無論凸輪如何旋轉(zhuǎn)，曲柄都無法實(shí)現(xiàn)調(diào)零，即曲拐中心與輸入軸中心重合。

為了解決這一問題，設(shè)計(jì)中特別將曲柄進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改變，如圖7所示，將曲柄與凸輪接觸的部位A、曲柄與連桿軸瓦連接的部位B進(jìn)行了分離，將B變成圓盤結(jié)構(gòu)，并把圓盤中間挖成長圓形孔，使曲拐能嵌入進(jìn)來，從而使曲柄銷可以與圓盤中心重合，從而實(shí)現(xiàn)曲柄長度為可調(diào)為“零”，滿足了設(shè)計(jì)要求。裝配效果如圖8所示。

圖7 曲柄

圖8 曲柄與圓盤裝配效果

1.2.4 多個曲柄實(shí)現(xiàn)相位差的同步轉(zhuǎn)動控制

曲柄結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用時，常常以曲軸形式運(yùn)動，如多缸發(fā)動機(jī)[6]，會存在兩個以上曲拐且有一定相位差的情況，為此，需要兩個或多個曲柄可適時調(diào)節(jié)。而作為“可調(diào)節(jié)”原動件凸輪只能控制一個曲柄運(yùn)動，所以要在第一個曲柄和第二個曲柄之間添加一個中間結(jié)構(gòu)，使第一個曲柄能夠帶動第二個曲柄實(shí)現(xiàn)位移大小相同，且有一定相位差同步運(yùn)動。以雙輸出無級變速器的設(shè)計(jì)為例[7]，需要兩套并聯(lián)六桿機(jī)構(gòu)，則需要兩個相位差為90°的曲拐，如圖11所示。

為了解決這個問題，設(shè)計(jì)中引入了如圖9、圖 10所示的中間凸輪結(jié)構(gòu)。即采用兩個形狀完全相同凸輪槽，相位差為 90°。這樣，當(dāng)?shù)谝粋€曲柄C在槽A中運(yùn)動時，機(jī)構(gòu)在曲柄C的帶動下轉(zhuǎn)動；與此同時，第二個曲柄D在槽B中隨機(jī)構(gòu)產(chǎn)生和曲柄C位移大小相同、相位差為90°的同步運(yùn)動，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖9 中間凸輪結(jié)構(gòu)

圖10 中間凸輪結(jié)構(gòu)裝配效果

圖11 六桿脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)

2 曲柄調(diào)速結(jié)構(gòu)運(yùn)動仿真（以脈動式無級變速器為例）

2.1 曲柄調(diào)速特性分析

如上文所述，曲柄調(diào)速結(jié)構(gòu)可廣泛地應(yīng)用于連桿機(jī)構(gòu)，通過改變桿長之間的比例關(guān)系而達(dá)到不同運(yùn)動輸出。如圖 11所示，本調(diào)速結(jié)構(gòu)已成功地運(yùn)用于脈動無級變速器的主傳動系統(tǒng)脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)，圖中桿4、5為輸出構(gòu)件，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中通過適時調(diào)節(jié)曲柄AB的長度，來實(shí)現(xiàn)適時地調(diào)節(jié)該機(jī)構(gòu)的輸出速度。如圖12所示，隨著曲柄長度的變化，搖桿輸出角速度的變化比較明顯、均勻平穩(wěn)，并且可以從0開始變化，表明用改變曲柄長度來進(jìn)行調(diào)速是個比較好的選擇。隨著曲柄的變化，搖桿4比搖桿5的變化更加平穩(wěn)；而且隨著曲柄的增大，兩根搖桿輸出的最大速度之差也越大，即脈動值越大。2.2 輸入構(gòu)件與曲柄調(diào)速線性關(guān)系分析

圖12 不同曲柄長度時兩搖桿的角速度變化規(guī)律

2.3 調(diào)速蝸桿與曲柄長度的關(guān)系分析

如圖8所示，該調(diào)速結(jié)構(gòu)的最初原動力來自手動地調(diào)節(jié)蝸桿與蝸輪嚙合，通過傳動實(shí)現(xiàn)曲柄長度調(diào)節(jié)。由圖 13可見，以蝸桿轉(zhuǎn)動角度（即蝸桿的轉(zhuǎn)動角度）為橫坐標(biāo)，以曲拐位移（即曲拐相對于輸入軸中心的距離）為縱坐標(biāo)，當(dāng)手柄轉(zhuǎn)動一圈(360°)，即蝸桿旋轉(zhuǎn)一周時，曲拐到曲軸中心距離增加 16.3mm；曲柄長度從最小值(0mm)調(diào)到最大值(40mm)手柄轉(zhuǎn)動需要轉(zhuǎn)動約1344°（即3.73圈），符合實(shí)際情況，表明曲拐相對于曲軸中心距離在此結(jié)構(gòu)下是可調(diào)的；同時經(jīng)仿真分析還可以看出，曲柄上曲拐的位移與原動件蝸桿的轉(zhuǎn)動角度呈近似于線性關(guān)系[8]，如圖11所示，這樣也為產(chǎn)品調(diào)速部分刻度盤分度打下了基礎(chǔ)。

圖13 曲拐位移隨手柄轉(zhuǎn)動角度的變換關(guān)系

3 結(jié) 論

通過對平面連桿機(jī)構(gòu)曲柄調(diào)速方案實(shí)現(xiàn)過程中曲柄運(yùn)動位置的控制、凸輪槽與圓盤在同步轉(zhuǎn)動情況下產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動和曲柄調(diào)零的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了曲柄-連桿類機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，運(yùn)動參數(shù)可適時調(diào)節(jié)的目的，為無級調(diào)速（或調(diào)位移）產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 黃茂林, 秦 偉等編. 機(jī)械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009: 381.

[2] 杜 力, 馮 俊, 等. 同軸雙輸出脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性與仿真分析[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2009, 21(2): 581-585.

[3] 石永剛, 徐振華編. 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1995.

[4] 鐘 渝. 新型非摩擦連續(xù)作用無級變速器的分析與設(shè)計(jì)[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2007.

[5] 申永勝主編. 機(jī)械原理[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005.

[6] Robert R L, Norton L. An introduction to the synthesis and analysis of mechanisms and machines [M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[7] 杜 力, 鄒昌平, 等. 同軸全鉸鏈雙輸出脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)尺度綜合與優(yōu)化[J]. 機(jī)械傳動, 2009, 33(4): 5-8.

[8] 張世昌, 李旦等主編. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京:高等教育出版社, 2007.

Crank Speed Structure Design of Planar Linkage

Du Li1, Ren Hengbin2, Huang Yonggang1, Kang hualing1, Fu Ting1
( 1. School of Mechanical Engineering, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China; 2. School of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China )

In the design of crank connecting rod mechanism, in order to timingly adjust the distance from the crank to the center of the crankshaft, an innovative design of the crankshaft structure is given.Through the CAM slot with relative rotation disc in synchronous rotation, the planar linkage mechanism in the circumstance achieves the adjustment of the crank shaft eccentricity, andcan bring crank which was realized using the middle CAM phase synchronous rotation. ADAMS simulation analysis shows that the structure can meet the needs of the stepless speed regulation system, the crank displacement and the original dynamic basic linear relation.

crank-link mechanism; speed control timing; crankshaft;adjustable eccentricdistance

TP 391

A

2095-302X (2013)05-0020-05

2013-05-21；定稿日期：2013-07-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51075417）

杜 力（1971-），男，重慶人，教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)。E-mail：dulicq@126.com