基于減速器的一種力的放大機(jī)構(gòu)研究

張承文 譚榮球

(東南大學(xué)，江蘇 南京 211189)

·機(jī)械與設(shè)備·

基于減速器的一種力的放大機(jī)構(gòu)研究

張承文 譚榮球

(東南大學(xué)，江蘇 南京 211189)

為研究出一種放大力的裝置，從斜面機(jī)構(gòu)、杠桿機(jī)構(gòu)等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，聯(lián)系實(shí)際生活，分析力的放大的可行性及其原理，通過結(jié)合幾種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種利用減速器串聯(lián)的放大力的機(jī)構(gòu)，并基于Eclipse開發(fā)出手機(jī)振動軟件，通過手機(jī)轉(zhuǎn)子震動產(chǎn)生的力使其起吊重物，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并分析其是否可行。

力學(xué)模型，減速器，牽引力，杠桿

1 力的基本放大裝置

目前關(guān)于力的放大裝置的力學(xué)模型主要有斜面機(jī)構(gòu)[1]：

如圖1所示，經(jīng)過受力分析可知P=Qtan(α+φ)則可以知道，若α+φ很小的時候，需要一個很小的P就可以推動重物。

杠桿機(jī)構(gòu)：

如圖2所示，對杠桿AB的支座求矩可得：

P(a-b)=Fb。

對右側(cè)桿系以D為矩心求矩可得：

d=Fc，

則:

如果a,b,c滿足一定關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)利用一個很小的P來推動G。目前已有的力的放大機(jī)構(gòu)有很多，在生活中也有相應(yīng)的實(shí)例。比如，盤山公路(斜面原理)；啟瓶器(杠桿原理)；此外還有建筑中的肋式結(jié)構(gòu)，它們都是應(yīng)用力學(xué)原理進(jìn)行省力的實(shí)例。本文將利用變速齒輪將微小牽引力放大的原理，設(shè)計(jì)出僅使用手機(jī)產(chǎn)生的動力起吊重物的裝置。

2 基于減速器串聯(lián)的放大力的裝置

2.1 裝置設(shè)計(jì)背景說明

利用簡單的工具和材料，通過設(shè)計(jì)，完成一項(xiàng)“看上去不可能完成的任務(wù)”，用一部三星4S手機(jī)轉(zhuǎn)子提供的動力，吊起一個50kg的重物。

手機(jī)小轉(zhuǎn)子能夠提供的動力只能吊起一根吸管(1g),甚至一把鑰匙都不能吊起來，作為吊起50kg重物的動力，考慮能量功率損失，要把手機(jī)中轉(zhuǎn)子的微小拉力放大10萬倍。

裝置簡圖見圖3。

2.2 裝置原理

裝置運(yùn)用的是杠桿原理，即通過變速齒輪將手機(jī)馬達(dá)的牽引力放大，使其超過重物重量，通過逐次遞減懸掛物的重量，發(fā)現(xiàn)馬達(dá)只能帶動重約1g的塑料吸管，而重物的重量約為60kg?？紤]到馬達(dá)的功率還會受到摩擦力造成的損耗，預(yù)計(jì)需將馬達(dá)牽引力放大10萬倍才能完成實(shí)驗(yàn)。而馬達(dá)功率(P=fv)是恒定的，想要將力放大10萬倍，則必須使得馬達(dá)的速度降到1/100 000。

2.3 裝置制作方案

合適的齒輪組沒有專門的制作商家，自己動手制作效率過低，最方便合理的方法就是采用不同的配件進(jìn)行合理組裝。一個橡皮大小的玩具電機(jī)，上面層疊的細(xì)小齒輪就可以將較為微小的牽引力放大50倍，而后將其與放大倍數(shù)分別為30倍，80倍的減速器串聯(lián)起來，從理論來說能達(dá)到12萬倍的放大效果。而在實(shí)際操作中，變速器的裝配是實(shí)驗(yàn)中最耗時耗力的環(huán)節(jié)。提高裝配精度是保證傳動效率的首要條件，這要求手機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)軸與玩具齒輪轉(zhuǎn)軸、玩具齒輪轉(zhuǎn)軸與工業(yè)齒輪轉(zhuǎn)軸的接點(diǎn)兩側(cè)必須位于同一條直線上，而手機(jī)馬達(dá)、玩具齒輪的體積微小，想做到這點(diǎn)并不容易，也因此會損失一部分放大效果。

減速器的連接裝置的固定打孔、安裝銷釘?shù)倪^程必須格外仔細(xì)，稍有偏差機(jī)器就無法轉(zhuǎn)動。另外實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)任務(wù)是開發(fā)應(yīng)用程序，使得手機(jī)馬達(dá)擁有持續(xù)的驅(qū)動力。實(shí)驗(yàn)的大部分時間花費(fèi)在讓繩子從松弛進(jìn)入緊繃狀態(tài)，提供持續(xù)的牽引力可以使得繩子始終處于緊繃，才能保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，否則手機(jī)振動一旦停止，繩子就會松弛，也就無法正常拉動重物。

3 裝置設(shè)計(jì)中需解決的問題

3.1 手機(jī)中的牽引力

關(guān)于手機(jī)振動的原理有如下闡述：在電機(jī)上安裝一個凸輪，凸輪的重心和電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸不重合，當(dāng)開始轉(zhuǎn)動后，凸輪進(jìn)行圓周運(yùn)動，產(chǎn)生一個離心力，而離心力的方向是隨著凸輪的轉(zhuǎn)動不斷變化的。因此，手機(jī)將產(chǎn)生左右方向的較大幅擺。另外，事實(shí)上是存在上下方向的振動的，但是過大的阻力使這個方向的振動不是很突出，于是拿在手里的手機(jī)就感覺是左右的振動，而不會有上下位移了。

通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，手機(jī)振動提供的牽引力大約只有1g具體的大小。牽引力可以由如下簡單的實(shí)驗(yàn)測得：先測量一個吸管的質(zhì)量，精確到g；然后利用手機(jī)振動，制作連接件，吊起吸管；然后控制吸管的質(zhì)量，從而測量出牽引力的大小，精確到g；目前我們準(zhǔn)備了兩部手機(jī)，用作后期的對比實(shí)驗(yàn)，一部為三星，一部為蘋果。

3.2 手機(jī)持續(xù)振動

為了使得手機(jī)持續(xù)振動，并且以此獲得持續(xù)的牽引力，本實(shí)驗(yàn)須開發(fā)一個手機(jī)APP來實(shí)現(xiàn)這個功能。由于IOS系統(tǒng)在軟件開發(fā)的時候需要獲得授權(quán)，因此實(shí)驗(yàn)應(yīng)開發(fā)適用于Android系統(tǒng)的軟件，此實(shí)驗(yàn)采用的開發(fā)軟件我們采用的是Elipse。

之后撰寫相應(yīng)的代碼，對于布局文件(對于activity.main.xml文件)主要描述了軟件開啟時候的界面。對于清單文件(manifest.xml文件)則是對振動權(quán)限聲明并且聲明調(diào)用擴(kuò)展了那些其他功能。對于activity.java文件，這個java程序在這里就是控制手機(jī)振動的代碼。

在完成代碼后，通過安裝手機(jī)驅(qū)動等形式在模擬器上對振動進(jìn)行了成功模擬，并且在手機(jī)連接USB，進(jìn)入開發(fā)者模式后進(jìn)行了真機(jī)調(diào)式。

3.3 減速器的選用

從減速器的發(fā)展水平來看，目前市場上已有多種減速器產(chǎn)品，且已經(jīng)成熟并已標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品有：圓柱齒輪減速器、渦輪減速器、行星齒輪減速器、擺線針輪減速器和諧波減速器等[3]。

通過篩選，我們把目光投在了渦輪減速器和行星減速器身上。渦輪減速器屬于定軸傳動類減速器，具有傳動速比大、扭矩大、承受過載能力、使用壽命長、允許輸入的轉(zhuǎn)速范圍很低，減速的范圍很大、具有自鎖功能適合用于提升作業(yè)等優(yōu)勢，重要的一點(diǎn)是它的經(jīng)濟(jì)性較好；而行星減速器屬于三輪類減速器，性能優(yōu)越，但是價格昂貴。

行星減速器，渦輪減速器如圖4，圖5所示。

通過比對性能及經(jīng)濟(jì)性，符合減速比的行星減速器一臺都在2 000元人民幣左右，因此選擇了渦輪減速器，一臺減速比30，一臺減速比80。

3.4 連接件的制作

本實(shí)驗(yàn)的一個重難點(diǎn)就是連接件的制造，要求足夠精準(zhǔn)對稱，方便前后減速器的順利連接，減少損失，而廠家需要提供渦輪減速器的實(shí)物與連接件的草圖，為此利用CAD進(jìn)行了設(shè)計(jì)和3D建模。

連接件俯視圖、正視圖見圖6，圖7。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

暫不使用手機(jī)轉(zhuǎn)子，對玩具轉(zhuǎn)子提供直流電，使之能夠起吊6kg的重物，驗(yàn)證力的放大的正確性。但是在實(shí)驗(yàn)中遇到了一些問題，通電后，轉(zhuǎn)子確實(shí)可以開始旋轉(zhuǎn)，并帶動第一個玩具減速器，但是無法帶動其余兩個減速器旋轉(zhuǎn)，或者說旋轉(zhuǎn)的程度無法用肉眼辨別。

轉(zhuǎn)動無法肉眼識別的原因可能是由于減速器依次是50，30，80，開始只把力放大了50倍，就算是0.5N的力被放大之后也才25N，算上損耗，最多20N的力，20N的力來轉(zhuǎn)動第二級齒輪以此帶動第三級齒輪可能就會出現(xiàn)問題。因此在接下來的實(shí)驗(yàn)中可能會考慮換減速比100的玩具減速器，或者使得第二級減速器齒輪旋轉(zhuǎn)所需力減小。

減速器與連接件組裝見圖8。

5 結(jié)語

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，基于減速器串聯(lián)設(shè)計(jì)的力的放大裝置的確可行，但其中還存在很多需要繼續(xù)深入研究的問題，例如在一級放大的時候選擇合適的許用扭矩來約束二級放大的減速器，或者加強(qiáng)連接件和減速器之間的聯(lián)系，精準(zhǔn)連接，減少力的損耗。在將此模型應(yīng)用到生活實(shí)際的過程中，還要考慮如何有效解決空間利用的問題。

在進(jìn)行理論設(shè)計(jì)時和實(shí)際操作有很大區(qū)別，例如在設(shè)計(jì)出連接減速器的連接件后，還需要經(jīng)過工廠的制造和加工以后，才能真正運(yùn)用到實(shí)際實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，而在實(shí)驗(yàn)中會碰到一系列在理論設(shè)計(jì)中沒有預(yù)料到的問題。在我們自己的實(shí)驗(yàn)過程中就遇到了這樣的問題。我們在進(jìn)行減速器的組裝的時候發(fā)現(xiàn)，在工廠定制的連接裝置尺寸和設(shè)計(jì)模型之間存在明顯誤差，而這些誤差直接導(dǎo)致了我們組裝減速器的困難，并且也大大減緩了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。

[1] 張 瑋.力的放大機(jī)構(gòu)[Z].2008．

[2] 左 軍.Android程序設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[3] 梁 錫，呂宏展.減速器的分類創(chuàng)新研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011,47(7):37-39.

Research on a force amplification device based on reducer

Zhang Chengwen Tan Rongqiu

(SoutheastUniversity,Nanjing211189,China)

In order to study a force amplification device， discuss the possibility of increasing forces by using inclined slope or lever which can be obtained in the daily life. Intend to use slope or lever to design a structure with different reducers to increase forces. Use Eclipse to make an app to make the phone vibrating and use the vibration to hang other objects. There will be experiment designed and conducted to verify the idea.

mechanics, reducer, traction, lever

1009-6825(2017)20-0216-03

2017-05-08

張承文(1996- ),男，在讀本科生； 譚榮球(1996- )，男，在讀本科生

TG457.23

A