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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，并從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)原理、參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)等方面給出其設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)可為此類運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

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

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shí)現(xiàn)很多的功能，因而執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式及運(yùn)動(dòng)規(guī)律也是多種多樣。由于能夠?qū)崿F(xiàn)同一種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變的運(yùn)動(dòng)方式往往有許多種，為實(shí)現(xiàn)同一個(gè)運(yùn)動(dòng)方案，在運(yùn)動(dòng)方式的選擇上有很大的靈活性，機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)中有很多關(guān)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，本文從運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方面介紹一種直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及方法，為此類動(dòng)作后續(xù)設(shè)計(jì)提供一種參考。

1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)是要解決機(jī)構(gòu)的工作原理方案，它是機(jī)械設(shè)計(jì)過程中方案設(shè)計(jì)階段的初步工作，同時(shí)設(shè)計(jì)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(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)過程中起著關(guān)鍵的作用。

1.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

如圖1所示：1、往復(fù)直線驅(qū)動(dòng)桿；2、滑塊連桿；3、連桿一；4、連桿二；5、單向棘輪，且定義：A點(diǎn)為5-單向棘輪和3-連桿一的旋轉(zhuǎn)中心；B點(diǎn)為3-連桿一的端點(diǎn)，在2-滑塊連桿上作滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)；C點(diǎn)為4-連桿二的旋轉(zhuǎn)中心，C點(diǎn)位于3-連桿一桿上某點(diǎn)，D點(diǎn)為4-連桿二的端點(diǎn)，正向（順時(shí)針）驅(qū)動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，反向（逆時(shí)針）在棘輪上滑動(dòng)。

1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

其原理為：正向旋轉(zhuǎn)，見圖2（a）：1-往復(fù)直線驅(qū)動(dòng)桿正向（向右）運(yùn)動(dòng)到1'，驅(qū)動(dòng)2-滑塊連桿向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)B點(diǎn)在2-滑塊連桿上向上滑動(dòng)到B'，并帶動(dòng)3-連桿一正向旋轉(zhuǎn)，C點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到C'，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)D跟隨運(yùn)動(dòng)到D'，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)棘輪正向旋轉(zhuǎn)；反向回位，見圖2（b）：1-往復(fù)直線驅(qū)動(dòng)桿反向（向左）運(yùn)動(dòng)1"，驅(qū)動(dòng)2-滑塊連桿向左運(yùn)動(dòng)，B點(diǎn)在2-滑塊連桿上向下滑動(dòng)到B"，并帶動(dòng)3-連桿一反向旋轉(zhuǎn)，C點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到C"，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)D跟隨運(yùn)動(dòng)到D"，實(shí)現(xiàn)D反向在驅(qū)動(dòng)棘輪面上滑動(dòng)。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

從圖2運(yùn)動(dòng)原理圖可知，其設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)5-棘輪旋轉(zhuǎn)為單向運(yùn)動(dòng)，正轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D'，并帶動(dòng)5-棘輪旋轉(zhuǎn)；反向時(shí)，驅(qū)動(dòng)D點(diǎn)沿著5-棘輪圓周邊緣滑動(dòng)到D"，5-棘輪不旋轉(zhuǎn)，因此直線正向驅(qū)動(dòng)時(shí)使5-棘輪正向旋轉(zhuǎn)，但反向驅(qū)動(dòng)時(shí)5-棘輪是沒有被驅(qū)動(dòng)。綜合以上，設(shè)計(jì)兩套運(yùn)動(dòng)相反的連桿機(jī)構(gòu)，并用單動(dòng)力源來同時(shí)驅(qū)動(dòng)，使得一套連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，另一套方向相反的連桿機(jī)構(gòu)做好接替驅(qū)動(dòng)的準(zhǔn)備，并反復(fù)交替驅(qū)動(dòng)，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(dòng)桿、2-滑塊連桿共用；第一套1-3連桿、1-4連桿，驅(qū)動(dòng)棘輪點(diǎn)為D點(diǎn)；第二套2-3連桿、2-4連桿，驅(qū)動(dòng)棘輪點(diǎn)為E點(diǎn)。

其運(yùn)動(dòng)原理，見圖4：當(dāng)驅(qū)動(dòng)1向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，2跟隨運(yùn)動(dòng)以及1-3、1-4、2-3、2-4連動(dòng)，D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D'，并驅(qū)動(dòng)5-棘輪正向運(yùn)動(dòng)，E點(diǎn)在棘輪上滑動(dòng)到E'；相反，當(dāng)驅(qū)動(dòng)1向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到E"，并驅(qū)動(dòng)5-棘輪正向運(yùn)動(dòng)，D點(diǎn)在棘輪上滑動(dòng)到D"，即1-往復(fù)直線驅(qū)動(dòng)桿的左右反復(fù)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)5-棘輪單向圓周循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

2.2 機(jī)構(gòu)延伸設(shè)計(jì)

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

（1）桿1的直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)程和退程相等，則1-3和1-4每次擺動(dòng)的弧度固定（相對(duì)棘輪旋轉(zhuǎn)中心A），D（F）點(diǎn)和E（G）點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度固定。

（2）本設(shè)計(jì)為反復(fù)交替驅(qū)動(dòng)，則需要D（F）點(diǎn)和E（G）點(diǎn)相對(duì)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(gè)圓周（360°）運(yùn)動(dòng)，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(duì)稱點(diǎn)F、G同樣角度轉(zhuǎn)動(dòng)，則需要棘輪齒沿運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(duì)稱相同，連桿1-4、2-4、1-4'、2-4'對(duì)稱相同。

2.3 機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)圖5結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)計(jì)算：取N=8，即直線運(yùn)動(dòng)8次往返完成一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，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(duì)棘輪旋轉(zhuǎn)中心A做圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)C、H、J、K點(diǎn)的半徑（相對(duì)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(diǎn)、桿長、運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)都是基于D、E、F、G是在棘輪上驅(qū)動(dòng)或滑動(dòng)的情況下得出，為了達(dá)到這個(gè)條件，我們需要在1-3、2、3上C、H、J、K點(diǎn)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(yùn)動(dòng)。

2.4 機(jī)構(gòu)3D設(shè)計(jì)

根據(jù)以上所述，取N=8，R1=80mm，R2=150mm，R3= R2，即B點(diǎn)與C點(diǎn)重合， I點(diǎn)與H點(diǎn)重合，C、H點(diǎn)在桿2上滑動(dòng)，計(jì)算得：L=140.4mm，D=32.5mm，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)，見圖7，圖8。

3 結(jié)束語

本文提出了一種直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，并從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)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(jì)計(jì)算方法，并以一案例給了其參數(shù)及3D，此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可為類似運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定參考。

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