基于不完全齒輪機(jī)構(gòu)的新型搗毛機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算

李正峰

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 江蘇 214153）

毛料染色前，一般要經(jīng)過清洗工序，目的是減小毛料張力，增強(qiáng)染色性能。目前有些小企業(yè)還在使用簡(jiǎn)易搗毛機(jī)進(jìn)行清洗，其料筒勻速旋轉(zhuǎn)，搗柱在摩擦輪的帶動(dòng)下，往復(fù)地砸壓料筒內(nèi)毛料，期間一直用水清洗毛料，達(dá)到清洗潤(rùn)濕的目的。由于料筒隨轉(zhuǎn)盤做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，搗柱的上下運(yùn)動(dòng)與料筒的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)發(fā)生干涉，若轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速較高，搗柱會(huì)因扭力作用而折斷。所以這種搗毛機(jī)生產(chǎn)效率低，故障率高，為了解決這一問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化程度較高的新型搗毛機(jī)。新型搗毛機(jī)采用不完全齒輪機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)盤的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)改為間歇運(yùn)動(dòng)，并用氣缸控制搗柱的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了氣電結(jié)合的程序控制生產(chǎn)方式。

一、不完全齒輪機(jī)構(gòu)原理及特點(diǎn)

不完全齒輪機(jī)構(gòu)是由普通漸開線齒輪機(jī)構(gòu)演變而成的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它與普通漸開線齒輪機(jī)構(gòu)的主要區(qū)別在于該機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)輪的輪齒不是布滿在整個(gè)圓周上，而是僅有一個(gè)或幾個(gè)齒。不完全齒輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。不完全齒輪機(jī)構(gòu)與普通漸開線齒輪機(jī)構(gòu)一樣，當(dāng)主動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪在運(yùn)動(dòng)期間也保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但在從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)，即進(jìn)入嚙合和脫離嚙合的瞬時(shí)，速度是變化的，故存在沖擊，所以不完全齒輪機(jī)構(gòu)一般只用于低速、輕載的場(chǎng)合[1]。

如圖1所示，不完全齒輪機(jī)構(gòu)是輪齒沒有布滿整個(gè)圓周的漸開線齒輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動(dòng)輪的輪齒部分與從動(dòng)輪輪齒結(jié)合時(shí)，推動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)主動(dòng)輪的輪齒部分與從動(dòng)輪脫離嚙合時(shí)，從動(dòng)輪停歇不動(dòng)。因此，當(dāng)主動(dòng)輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪獲得時(shí)動(dòng)時(shí)停的間歇運(yùn)動(dòng)[2]。

圖1 不完全齒輪機(jī)構(gòu)

主動(dòng)輪的凸鎖止弧和從動(dòng)輪的凹鎖止弧配合，可確保齒輪停歇不動(dòng)。從動(dòng)輪上凹鎖止弧所在的齒稱為厚齒，是從動(dòng)輪每段齒中首先參與嚙合的齒。主動(dòng)輪轉(zhuǎn)一周，從動(dòng)輪間歇運(yùn)動(dòng)的次數(shù)N等于主動(dòng)輪上分布的輪齒段數(shù)。

首齒是主動(dòng)輪每段齒中首先進(jìn)入嚙合的齒，末齒是最后進(jìn)入嚙合的齒。主動(dòng)輪首末兩對(duì)齒的嚙合過程與普通齒輪機(jī)構(gòu)不同，而中間各對(duì)齒的嚙合過程則完全相同。從動(dòng)輪各段齒槽數(shù)與主動(dòng)輪相應(yīng)段的齒數(shù)必相等[2-3]。

二、新型搗毛機(jī)結(jié)構(gòu)組成和工作原理

（一）結(jié)構(gòu)組成

新型搗毛機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，電機(jī)通過聯(lián)軸器與蝸輪蝸桿減速器相連，蝸輪蝸桿減速器的輸出軸安裝主動(dòng)輪，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪構(gòu)成不完全齒輪機(jī)構(gòu)。從動(dòng)輪安裝于傳動(dòng)軸的下端，而傳動(dòng)軸上端為轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上安裝料筒，料筒隨轉(zhuǎn)盤一起旋轉(zhuǎn)[3]。因?yàn)闅飧拙哂袆?dòng)作快速、壓力調(diào)整方便的特點(diǎn)，所以采用氣缸作為搗柱的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

（二）工作原理

將毛料放入料筒內(nèi)，期間一直向料筒噴水，考慮到料筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)應(yīng)與搗柱的上下運(yùn)動(dòng)有時(shí)間順序要求，所以將料筒的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為間歇運(yùn)動(dòng)。料筒上對(duì)稱安裝4塊感應(yīng)體，當(dāng)料筒上感應(yīng)體旋轉(zhuǎn)到與接近開關(guān)接近時(shí)，接近開關(guān)被觸發(fā)并發(fā)出信號(hào)使氣缸動(dòng)作，帶動(dòng)搗柱向下運(yùn)動(dòng)，搗柱與毛料接觸，依靠沖擊力去擠壓毛料，達(dá)到充分潤(rùn)滑和清洗的目的；當(dāng)搗柱上升時(shí)，料筒又開始轉(zhuǎn)動(dòng)。搗柱的上下運(yùn)動(dòng)和料筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致，既可避免搗柱因受扭轉(zhuǎn)力矩而折斷，又可使搗柱與毛料充分接觸[4]。

根據(jù)工作要求，轉(zhuǎn)盤的工作轉(zhuǎn)速以n=20～30r/min為宜，因?yàn)槠胀飧椎乃俣葹?.5～1m/s，而用于驅(qū)動(dòng)搗柱的氣缸行程一般在200～400mm之間，氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次所需要的時(shí)間在0.4～1.6s之間。

圖2 搗毛機(jī)結(jié)構(gòu)

（三）設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1.參數(shù)確定

（1）動(dòng)停比k的確定。從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)時(shí)間和靜止時(shí)間之比，即動(dòng)停比應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）主動(dòng)輪首、末兩齒齒頂高系數(shù)的確定。主動(dòng)輪中間齒和從動(dòng)輪的齒頂高與普通齒輪相同。一般取齒頂高系數(shù)但主動(dòng)輪首、末兩齒齒頂高系數(shù)卻不相同。為了保證從動(dòng)輪在每次轉(zhuǎn)位前后都有相同的對(duì)稱靜止位置，從動(dòng)輪的鎖止弧中應(yīng)包含有K個(gè)整數(shù)齒。一般情況下取，但K如取得不合適，可能大于1，的選取原則應(yīng)避免首齒進(jìn)入嚙合時(shí)發(fā)生齒頂干涉，理論上可使實(shí)際上考慮加工精度的影響，常取

2.連續(xù)傳動(dòng)性能

因首齒的齒頂高系數(shù)有所減小，為使首齒齒頂高降低后的重合度ε＞1，當(dāng)首齒離開等速比傳動(dòng)的實(shí)際嚙合線上的B1點(diǎn)前（見圖3），第二對(duì)齒應(yīng)進(jìn)入B2點(diǎn)嚙合，否則就會(huì)產(chǎn)生第二次沖擊。

3．鎖止弧配置問題

主動(dòng)輪首次進(jìn)入嚙合時(shí)，鎖止弧終點(diǎn)E應(yīng)在兩輪中心線上，如圖3所示；末齒脫離嚙合時(shí)，鎖止弧起點(diǎn)S也應(yīng)在兩輪中心線上，如圖4所示。E點(diǎn)和S點(diǎn)分別與首齒和末齒齒根用過渡曲線（直線或凹線）相連。從動(dòng)輪在靜止位置的鎖止凹弧應(yīng)對(duì)稱于中心線。為保證始嚙合點(diǎn)C不至于因磨損變動(dòng)，建議鎖止凹弧兩側(cè)留有Δs=0.5m的齒頂厚[2]。

圖3 首齒進(jìn)入嚙合位置

圖4 末齒脫離嚙合位置

（四）不完全齒輪機(jī)構(gòu)計(jì)算

該搗毛機(jī)轉(zhuǎn)盤直徑為1000mm，所選電機(jī)型號(hào)為Y132s-6（P=3KW，n=960r/min），所選蝸輪蝸桿減速機(jī)為wpo120-40。因?yàn)槲佪單仐U的減速比i=40，則主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速n1=24r/min，所以選擇從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n2=24r/min。設(shè)計(jì)要求主動(dòng)輪每轉(zhuǎn)1周，從動(dòng)輪14轉(zhuǎn)周并停歇一次。計(jì)算公式所用符號(hào)如圖3和圖4所示。

（1）確定模數(shù)m、齒數(shù)z和中心距a。因從動(dòng)輪每次轉(zhuǎn)14周，選z2=13，z2′=52，再取z1′=z2′=52，則由參考文獻(xiàn)[2]表6-19可查得K=3，于是主動(dòng)輪相鄰二鎖止弧間的齒數(shù)

取模數(shù)m=5mm，得中心距

（2）壓力角α和齒頂高系數(shù)

（3）齒頂壓力角αa

（4）在一次間歇運(yùn)動(dòng)中，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角δ′

（5）主動(dòng)輪末齒脫離嚙合位置時(shí)從動(dòng)輪齒頂點(diǎn)所在的位置角δ2

因?yàn)椋?/p>

所以：

（6）主動(dòng)輪首齒和末齒的齒頂壓力角αas和αam

?。☉?yīng)使），得到

（7）首齒重合度ε

（8）從動(dòng)輪鎖止弧上的兩個(gè)角度θ和Δθ

（9）鎖止弧半徑R

（10）主動(dòng)輪首齒進(jìn)入嚙合位置時(shí)，齒頂點(diǎn)所在位置角β1

由于：

故：初始嚙合點(diǎn)C在輪2頂圓上，計(jì)算β1時(shí)采用方案a。

又因?yàn)椋?/p>

所以：

（11）主動(dòng)輪末齒脫離嚙合位置時(shí)，齒頂點(diǎn)所在位置角β2

（12）過主動(dòng)輪凸弧終點(diǎn)E的向徑與首齒中線間的夾角QE

（13）過主動(dòng)輪凸弧起始點(diǎn)S的向徑與末齒中線的夾角QS

（14）主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)角β

（15）動(dòng)停比k與運(yùn)動(dòng)系數(shù)τ

（16）運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2和t1停歇時(shí)間

設(shè)主動(dòng)輪作等速回轉(zhuǎn)，則角速度每轉(zhuǎn)所需時(shí)間從動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和停歇時(shí)間t2可用下式表達(dá)：

由于n1=24rmi n，計(jì)算得t1=2.5s，t2=0.637s，t2′=1.863s。停歇時(shí)間t2′大于氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次所需時(shí)間1.6S，滿足要求。

三、結(jié)論

新型搗毛機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際使用，其清洗效果、生產(chǎn)效率都有所提高，適合推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李正峰.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) [M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：127-128.

[2]秦大同，謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本（機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：159-160.

[3]黃淑琴.一種捶毛機(jī)：中國(guó)，CN201210525842.X[P].2015-09-16.

[4]岳建鋒.一種搗毛機(jī)設(shè)備的氣動(dòng)改造[J].液壓與氣動(dòng)，2006（1）：50-51.