基于行程放大機構(gòu)變異設(shè)計的研究*

陳 平

(邵陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 邵陽 422000)

1 引 言

機械行程放大機構(gòu)的種類有多種，如：固定齒條+齒輪+可移動齒條的模式，移動齒條的輸出位移放大為輸入位移的2倍，采用齒輪連桿的模式，可將輸出位移放大為輸入位移的6倍，還可采用齒輪-連桿串連組合、采用復(fù)式滑輪組、采用凸輪機構(gòu)等模式來實現(xiàn)行程的放大。

但通常情況下，這些基本機構(gòu)只能滿足工作機構(gòu)行程放大的要求而不能實現(xiàn)特定的運動規(guī)律，因此，實際應(yīng)用中必須與其它機構(gòu)進行組合、變異設(shè)計才能滿足特定的工作要求。

2 行程放大機構(gòu)的變異設(shè)計方案[1]

凸輪機構(gòu)中，推桿的位移-轉(zhuǎn)角即S-δ曲線可粗略地表示為如圖1所示。

如果直接采用凸輪機構(gòu)肯定可以滿足工作要求，但試設(shè)計表明，在滾子直徑為22mm,且滿足許用壓力角≤30°的條下:

(1) 采用盤形凸輪時,其滾子中心軌跡的最小半徑尺寸約為500 mm，外圓直徑約為1 042 mm,壓力角為29.746°。

(2) 采用圓柱形槽凸輪時,若滾子的寬度選為10 mm,則其滾子中心槽底圓柱的最小半徑尺寸約為390 mm,外圓直徑約為800 mm，壓力角為29.397°。

以上結(jié)果表明：如果直接采用凸輪機構(gòu)肯定可以滿足工作要求，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，給加工帶來困難，也大幅提高了生產(chǎn)成本，在很多情況下，還難以滿足安裝要求，因此，必須對基本的行程放大機構(gòu)進行組合、變異設(shè)計。

圖1 S-δ曲線

根據(jù)安裝空間及試設(shè)計結(jié)果，我們選定如下3種設(shè)計方案：

(1) 方案一：凸輪機構(gòu)+固定齒條+齒輪+可移動齒條，該方案由凸輪機構(gòu)控制運動規(guī)律，其放大機構(gòu)由3級固定齒條+齒輪+可移動齒條的模式串連組合而成，其設(shè)計原理圖如圖2所示。

該放大機構(gòu)每級放大2倍且與齒輪齒數(shù)無關(guān)，而本原理圖上采用了3級放大，因此，若設(shè)凸輪的升程為h,則：h=190/23=23.75 mm，這樣就大大減小了凸輪的升程和外形尺寸。實際設(shè)計結(jié)果為：基圓直徑29.146 mm,最大外圓直徑105.5 mm, 壓力角為29.116°，其最大外圓直徑大約只有不組合時的1/10。

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圖2 設(shè)計方案一原理圖

(2) 方案二：若將上述設(shè)計方案一中的“固定齒條+齒輪+可移動齒條”的基本行程放大型式再進行一次如圖3所示的衍生變異設(shè)計，則可進一步簡化設(shè)計方案一的傳動鏈，其原理圖如圖3所示。

圖3 設(shè)計方案二原理圖

此方案的核心是：小齒輪4與大齒輪6同軸且其齒數(shù)之比為1：7，小齒輪4與固定齒條5嚙合，大齒輪6與移動齒條7嚙合，當(dāng)推桿3移動x(mm)時，則小齒輪4在移動x(mm)的同時也轉(zhuǎn)過x(mm)的弧長,而大齒輪6則轉(zhuǎn)過7x(mm)的弧長，這樣即可實現(xiàn)：輸出推板8的位移為凸輪升程的8倍的數(shù)量關(guān)系了，其余設(shè)計、計算與設(shè)計方案一相同。

(3) 方案三： 凸輪機構(gòu)+曲柄滑塊機構(gòu)，該方案由凸輪機構(gòu)控制運動規(guī)律，其行程由曲柄滑塊機構(gòu)決定，其設(shè)計原理圖如圖4所示。

此方案的核心是：將推桿3做成齒條，這樣就將推桿3的移動轉(zhuǎn)換成齒輪4的轉(zhuǎn)動了，曲柄5與齒輪4固化在一起，只要將曲柄5的長度設(shè)為95 mm，即可實現(xiàn)190 mm的行程要求。為了安裝、計算上的方便，采用對心曲柄滑塊機構(gòu)，而其運動規(guī)律則由凸輪

機構(gòu)來控制。

如果凸輪的升程=推桿3的位移=齒輪4的分度圓周長的一半，則在推程中，齒輪4轉(zhuǎn)動180°，對心曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄也轉(zhuǎn)動180°；在回程中，齒輪4轉(zhuǎn)動180°，對心曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄反向轉(zhuǎn)動180°，這樣即可實現(xiàn)凸輪旋轉(zhuǎn)一周，對心曲柄滑塊機構(gòu)也完成一個工作周期的要求。

圖4 設(shè)計方案三原理圖

如果凸輪的升程=推桿3的位移=齒輪4的分度圓周長，則在推程中，齒輪4轉(zhuǎn)動360°，對心曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄也轉(zhuǎn)動360°；在回程中，齒輪4轉(zhuǎn)動360°，對心曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄反向轉(zhuǎn)動360°，這樣即可實現(xiàn)凸輪旋轉(zhuǎn)一周，對心曲柄滑塊機構(gòu)完成2個工作周期的要求。

總之，只需將上述關(guān)系進行適當(dāng)修改，還可衍生出更多的符合特殊要求的放大機構(gòu)來。

3 結(jié) 論

(1) 從傳力方面而言，設(shè)計方案二、三比設(shè)計方案一更合理，因為設(shè)計方案一傳動鏈較之設(shè)計方案二，三要長，摩擦阻力要大一些，傳動效率要低一些。

(2) 從滿足特殊運動規(guī)律而言，則設(shè)計方案三比設(shè)計方案一、二更合理，因為設(shè)計方案三中：只需將凸輪的升程、推桿3的位移、齒輪4的分度圓周長之間的關(guān)系根據(jù)特定的要求進行適當(dāng)?shù)男薷募纯蓪崿F(xiàn)。

因此，在行程放大機構(gòu)設(shè)計中充分利用一些基本的機械行程放大機構(gòu)，再根據(jù)具體的條件進行適當(dāng)?shù)慕M合，變異設(shè)計就能滿足特定的工作要求。

參考資料：

[1] 成大先.機械設(shè)計手冊(第1卷)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.