直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)變單向旋轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)設(shè)計

邱汝鋒 曾學(xué)文 莫萬勇

摘 要：文章提出了一種直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)變成單向旋轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)，并從機(jī)構(gòu)運動方案設(shè)計、運動原理、參數(shù)計算設(shè)計等方面給出其設(shè)計方法，其設(shè)計可為此類運動機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：直線往復(fù)運動；旋轉(zhuǎn)運動；棘輪驅(qū)動；機(jī)構(gòu)

中圖分類號：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0076-03

Abstract： In this paper， a mechanism from linear reciprocating motion to unidirectional rotating motion is presented， and its design method is given from the aspects of motion scheme design， motion principle， and parameter calculation design. Its design can provide reference for the design of this kind of sports mechanism.

Keywords： linear reciprocating motion； rotating motion； ratchet drive； mechanism

機(jī)械產(chǎn)品能實現(xiàn)很多的功能，因而執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動方式及運動規(guī)律也是多種多樣。由于能夠?qū)崿F(xiàn)同一種運動轉(zhuǎn)變的運動方式往往有許多種，為實現(xiàn)同一個運動方案，在運動方式的選擇上有很大的靈活性，機(jī)械運動學(xué)中有很多關(guān)于運動機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法，本文從運動設(shè)計方面介紹一種直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)變成單向旋轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)設(shè)計思路及方法，為此類動作后續(xù)設(shè)計提供一種參考。

1 機(jī)構(gòu)運動方案設(shè)計

機(jī)構(gòu)運動方案的設(shè)計是要解決機(jī)構(gòu)的工作原理方案，它是機(jī)械設(shè)計過程中方案設(shè)計階段的初步工作，同時設(shè)計方案決定了機(jī)構(gòu)的質(zhì)量、使用功能及經(jīng)濟(jì)性，因此在整個機(jī)械設(shè)計過程中起著關(guān)鍵的作用。

1.1 運動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

如圖1所示：1、往復(fù)直線驅(qū)動桿；2、滑塊連桿；3、連桿一；4、連桿二；5、單向棘輪，且定義：A點為5-單向棘輪和3-連桿一的旋轉(zhuǎn)中心；B點為3-連桿一的端點，在2-滑塊連桿上作滑動運動；C點為4-連桿二的旋轉(zhuǎn)中心，C點位于3-連桿一桿上某點，D點為4-連桿二的端點，正向（順時針）驅(qū)動棘輪旋轉(zhuǎn)運動，反向（逆時針）在棘輪上滑動。

1.2 機(jī)構(gòu)運動原理

其原理為：正向旋轉(zhuǎn)，見圖2（a）：1-往復(fù)直線驅(qū)動桿正向（向右）運動到1'，驅(qū)動2-滑塊連桿向右運動，同時B點在2-滑塊連桿上向上滑動到B'，并帶動3-連桿一正向旋轉(zhuǎn)，C點做旋轉(zhuǎn)運動到C'，驅(qū)動點D跟隨運動到D'，從而實現(xiàn)驅(qū)動棘輪正向旋轉(zhuǎn)；反向回位，見圖2（b）：1-往復(fù)直線驅(qū)動桿反向（向左）運動1"，驅(qū)動2-滑塊連桿向左運動，B點在2-滑塊連桿上向下滑動到B"，并帶動3-連桿一反向旋轉(zhuǎn)，C點做旋轉(zhuǎn)運動到C"，驅(qū)動點D跟隨運動到D"，實現(xiàn)D反向在驅(qū)動棘輪面上滑動。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 機(jī)構(gòu)運動設(shè)計

從圖2運動原理圖可知，其設(shè)計機(jī)構(gòu)5-棘輪旋轉(zhuǎn)為單向運動，正轉(zhuǎn)時，驅(qū)動D點運動到D'，并帶動5-棘輪旋轉(zhuǎn)；反向時，驅(qū)動D點沿著5-棘輪圓周邊緣滑動到D"，5-棘輪不旋轉(zhuǎn)，因此直線正向驅(qū)動時使5-棘輪正向旋轉(zhuǎn)，但反向驅(qū)動時5-棘輪是沒有被驅(qū)動。綜合以上，設(shè)計兩套運動相反的連桿機(jī)構(gòu)，并用單動力源來同時驅(qū)動，使得一套連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動棘輪旋轉(zhuǎn)時，另一套方向相反的連桿機(jī)構(gòu)做好接替驅(qū)動的準(zhǔn)備，并反復(fù)交替驅(qū)動，從而使得5-棘輪不間斷的旋轉(zhuǎn)，從而提高效率及連續(xù)性、平穩(wěn)性。

其結(jié)構(gòu)見圖3：1-往復(fù)直線驅(qū)動桿、2-滑塊連桿共用；第一套1-3連桿、1-4連桿，驅(qū)動棘輪點為D點；第二套2-3連桿、2-4連桿，驅(qū)動棘輪點為E點。

其運動原理，見圖4：當(dāng)驅(qū)動1向右運動時，2跟隨運動以及1-3、1-4、2-3、2-4連動，D點運動到D'，并驅(qū)動5-棘輪正向運動，E點在棘輪上滑動到E'；相反，當(dāng)驅(qū)動1向左運動時，E點運動到E"，并驅(qū)動5-棘輪正向運動，D點在棘輪上滑動到D"，即1-往復(fù)直線驅(qū)動桿的左右反復(fù)運動可實現(xiàn)驅(qū)動5-棘輪單向圓周循環(huán)運動。

2.2 機(jī)構(gòu)延伸設(shè)計

本設(shè)計所有的運動以及受力都集中在左側(cè)，為了使運動受力均勻，運動平穩(wěn)，鑒于所設(shè)計為圓周對稱，保證運動形式不變，軌跡對稱及方向相符前提下，延長連桿1-3、2-3至對稱狀態(tài)，做對稱機(jī)構(gòu)，見圖5；對比圖3其區(qū)別：延伸連桿1-3、2-3至對稱狀態(tài)；增加對稱連桿1-4'、2-4'；增加機(jī)構(gòu)運動點F、G，且F、G分別與D、E中心對稱，其特點：

（1）桿1的直線運動進(jìn)程和退程相等，則1-3和1-4每次擺動的弧度固定（相對棘輪旋轉(zhuǎn)中心A），D（F）點和E（G）點旋轉(zhuǎn)角度固定。

（2）本設(shè)計為反復(fù)交替驅(qū)動，則需要D（F）點和E（G）點相對棘輪旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)角度相等，方向相反。

（3）桿1每往復(fù)1次棘輪旋轉(zhuǎn)角度相等，N次往返行程一個圓周（360°）運動，每往返旋轉(zhuǎn)360°/N，單程旋轉(zhuǎn)角度360°/（N*2），即180°/N。

（4）為了使對稱點F、G同樣角度轉(zhuǎn)動，則需要棘輪齒沿運動圓周均勻分布，且每往返旋轉(zhuǎn)360°/N，所以棘輪齒分布角度為360°/N。

（5）要求平順運動，則需桿1單次往返過程中棘輪旋轉(zhuǎn)角度相同，所以連桿1-3、2-3對稱相同，連桿1-4、2-4、1-4'、2-4'對稱相同。

2.3 機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算

根據(jù)圖5結(jié)構(gòu)，設(shè)計計算：取N=8，即直線運動8次往返完成一個圓周運動，則棘輪齒分布角度360°/N=45°，單程旋轉(zhuǎn)角度180°/N=22.5°；設(shè)棘輪旋轉(zhuǎn)半徑R1，由于B、C、D、E、F、G、H、I、J、K全部相對棘輪旋轉(zhuǎn)中心A做圓周運動，設(shè)C、H、J、K點的半徑（相對棘輪旋轉(zhuǎn)中心A）R2，BI的半徑R3設(shè)1-4、2-4、1-4'、2-4'的長度L則各點、桿長、運動尺寸關(guān)系，見圖6。

由上圖的長度角度關(guān)系以及余弦定理，存在以下關(guān)系：

L2=（R1）2+（R2）2-2R1*R2*cos（45°+22.5°）

D=（R3）*cos22.5°-（R3）*cos45°

即可求得L、D數(shù)值。

特別說明：上述所有運動都是基于D、E、F、G是在棘輪上驅(qū)動或滑動的情況下得出，為了達(dá)到這個條件，我們需要在1-3、2、3上C、H、J、K點增加彈簧，使得1-4、1-4' 與1-3之間和 2-4、2-4'與2-3之間夾角最小，從而保證D、E、F、G在棘輪齒表面運動。

2.4 機(jī)構(gòu)3D設(shè)計

根據(jù)以上所述，取N=8，R1=80mm，R2=150mm，R3= R2，即B點與C點重合， I點與H點重合，C、H點在桿2上滑動，計算得：L=140.4mm，D=32.5mm，運動機(jī)構(gòu)三維設(shè)計，見圖7，圖8。

3 結(jié)束語

本文提出了一種直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)變成單向旋轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)，并從機(jī)構(gòu)運動結(jié)構(gòu)，運動原理等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并給出了機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算方法，并以一案例給了其參數(shù)及3D，此機(jī)構(gòu)設(shè)計方法可為類似運動機(jī)構(gòu)設(shè)計提供一定參考。

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