唐智

摘 要：下文介紹了一種能夠?qū)⒒钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)———擺筒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過數(shù)學(xué)建模和機(jī)構(gòu)仿真計(jì)算，分析關(guān)鍵點(diǎn)活塞桿底端F點(diǎn)在x、y、z方向的運(yùn)動(dòng)軌跡，為活塞桿的柔性設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 擺筒 運(yùn)動(dòng)分析 活塞桿

引言

熱能動(dòng)力機(jī)械能夠?qū)⒒钊闹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為輸出軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式很多，例如，曲柄連桿機(jī)構(gòu)、斜盤機(jī)構(gòu)和搖擺軛機(jī)構(gòu)等?？傮w上講，曲柄連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)小型化和結(jié)構(gòu)緊湊方面稍顯不足；斜盤機(jī)構(gòu)在布置上最為簡潔，能夠滿足機(jī)器小型輕量化的需求，但存在一些設(shè)計(jì)制造問題；搖擺軛機(jī)構(gòu)具有小型輕量和設(shè)計(jì)制造綜合優(yōu)勢(shì)，但其也存在軸承壽命低、結(jié)構(gòu)不夠緊湊等問題。

擺筒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)正是結(jié)合了斜盤和搖擺軛等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其通過活塞桿連接活塞和擺筒銷，將活塞運(yùn)動(dòng)傳遞給擺筒，并由擺筒直接轉(zhuǎn)化為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。我們將在研究、分析該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)活塞桿底端（擺筒銷中心點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，為活塞桿的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

擺筒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，4個(gè)氣缸空間對(duì)稱分布，并由活塞桿連接活塞與擺筒機(jī)構(gòu)，將活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過擺筒機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。依傳動(dòng)可逆原理，給機(jī)構(gòu)一個(gè)輸入轉(zhuǎn)矩，使輸出軸勻速旋轉(zhuǎn)，由運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何學(xué)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，反向計(jì)算擺筒銷中心點(diǎn)F的運(yùn)動(dòng)軌跡，可得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，并指導(dǎo)活塞桿的設(shè)計(jì)。

1.1簡圖分析

（1）直線QR、OO′、AO、CD、MN、EF相交于O點(diǎn)，點(diǎn)O為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中不動(dòng)點(diǎn)。（2）Z型輸出軸TO′QR在點(diǎn)T處與機(jī)架經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，可繞OO′軸逆時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n；扭桿ACD在點(diǎn)A處與機(jī)架經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，可繞OA軸旋轉(zhuǎn)；擺筒在點(diǎn)C、D處與扭桿ACD經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，可繞CD軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)擺筒在點(diǎn)R、Q處與Z型輸出軸經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，可繞QR軸旋轉(zhuǎn)。（3）直線段RQ始終垂直于擺筒中平面2（ENFM平面），RQ垂直于CD；直線段CD又與AO始終垂直，因此CD垂直于RQ、AO形成的平面4，因此CD垂直于SO（平面4和2的交線）。（4）SO、FO、CD都在平面2內(nèi)，且CD與OF成角，CD與SO垂直，所以SO與FO始終成135°角。（5）點(diǎn)F處于平面2內(nèi)，F(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）滿足平面2方程。（6）直線段FO、O′O長度分別為R=75.52mm、h=73mm，直線O′O與夾角保持不變，轉(zhuǎn)速為n。

1.2 數(shù)學(xué)建模

1.3數(shù)值計(jì)算

通過數(shù)值計(jì)算，可求解方程組，得出F點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移x= x（t）、y= y（t）、z= z（t）曲線分別如圖1、圖2和圖3所示。將位移函數(shù)對(duì)時(shí)間t進(jìn)行一次求導(dǎo)（或者數(shù)值差分）可以得到速度曲線，對(duì)位移兩次求導(dǎo)可以得到加速度曲線，可以進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。通過F點(diǎn)位移曲線圖可以看到，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，擺筒銷中心點(diǎn)F在x、y、z方向皆有運(yùn)動(dòng)位移，位移曲線周期、幅值見表1

2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

依據(jù)擺筒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)CAD設(shè)計(jì)模型，在Pro/E中進(jìn)行裝配并導(dǎo)入ADAMS中建立對(duì)應(yīng)的剛體運(yùn)動(dòng)仿真模型，在輸出軸施加一轉(zhuǎn)矩進(jìn)行反方向傳動(dòng)仿真，擺筒銷中心點(diǎn)F在x、y、z運(yùn)動(dòng)位移仿真曲線如圖5所示。經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真所得到的擺筒銷中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線與理論計(jì)算曲線基本相同，唯一不同之處是仿真所得到的x方向位移零點(diǎn)與理論計(jì)算有一偏差值，這是因?yàn)榉抡鏁r(shí)x方向坐標(biāo)原點(diǎn)與理論計(jì)算坐標(biāo)原點(diǎn)選取不同所致，實(shí)質(zhì)上兩種方法所得曲線是一致的，即點(diǎn)F不但在上下（y）方向運(yùn)動(dòng)，而且具有側(cè)向（x）以及橫向（z）運(yùn)動(dòng)位移。

3、結(jié)論

考慮到傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性，該機(jī)構(gòu)的活塞桿與活塞采用剛性連接，因此當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，活塞桿與活塞相連的一端只能在氣缸內(nèi)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而活塞桿與擺筒銷相連的另一端點(diǎn)F在側(cè)向（x）、上下（y）、橫向（z）皆有運(yùn)動(dòng)位移，因此連接活塞與擺筒銷的活塞桿應(yīng)設(shè)計(jì)為柔性桿，才能滿傳動(dòng)工作要求。在搖擺軛傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，活塞桿底端具有上下及橫向位移，活塞桿也是設(shè)計(jì)成柔性桿，但只需其在橫向方向具有良好的彈性變形，因此活塞桿可以設(shè)計(jì)成中部扁平形狀，，使其只具有一個(gè)方向的彈性變形。通過擺筒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，活塞桿上端作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，下端在上下、橫向和側(cè)向三個(gè)方向上都具有運(yùn)動(dòng)位移。因此，活塞桿設(shè)計(jì)不但在橫向應(yīng)具有良好的彈性變形，而且在側(cè)向也應(yīng)具有良好的彈性變形，而上下方向（軸向）具有良好剛性。通過以上分析結(jié)論，可將活塞桿設(shè)計(jì)成中部細(xì)圓形狀結(jié)構(gòu)，以此來滿足活塞桿柔性設(shè)計(jì)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭啟福.內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1991：5- 32.

[2]李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006：40- 100.