□ 金承珂 □ 徐寶靖 □ 溫秀平 □ 張曉龍 □ 黃嘉昕

南京工程學(xué)院 工業(yè)中心、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院 南京 211167

1 研究背景

現(xiàn)代凸輪機構(gòu)主要應(yīng)用于需要得到特定從動件運動規(guī)律的場合,通常用于輸入勻速整周回轉(zhuǎn),輸出往復(fù)直線移動或擺動[1-3]。普通的凸輪機構(gòu)無法得到特殊軌跡的整周回轉(zhuǎn)或長距離直線移動,導(dǎo)致現(xiàn)有的非線性整周回轉(zhuǎn)常通過非標(biāo)異形齒輪齒條等傳動機構(gòu)來實現(xiàn)[4-5]。這些機構(gòu)無法得到特定的較為復(fù)雜的運動規(guī)律,并且加工建模困難,實際應(yīng)用很少。

筆者針對齒輪齒條傳動與凸輪機構(gòu)的局限性[6],提出一種齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)。這種傳動系統(tǒng)與直線導(dǎo)軌類似,將移動凸輪的外廓改為漸開線齒形,將嚙合傳動轉(zhuǎn)換為凸輪機構(gòu)常用的特殊規(guī)律運動,并且加工簡單[7-9]。當(dāng)機械設(shè)備需要非線性整周回轉(zhuǎn)運動或移動凸輪從動件特殊運動時,可以在機架上設(shè)置兩條相互垂直的導(dǎo)軌,水平導(dǎo)軌安裝曲線齒條,豎直導(dǎo)軌安裝滑塊,作為移動凸輪的從動件[10]。這種齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)可以融合移動凸輪和齒輪齒條的傳動特點,得到復(fù)雜運動規(guī)律的可控整周回轉(zhuǎn)運動,并可進行雙向傳動,完成將勻速整周回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為非線性曲線齒條直線移動的功能。

2 結(jié)構(gòu)原理

齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)由傳動齒輪、曲線齒條、水平導(dǎo)軌、豎直導(dǎo)軌、萬向聯(lián)軸器、滑塊等組成,如圖1所示。通常情況下,如果要輸入等速直線運動,輸出非線性整周回轉(zhuǎn)運動,那么動力由曲線齒條傳遞至傳動齒輪,曲線齒條在水平導(dǎo)軌上運動,滑塊在豎直導(dǎo)軌上運動,傳動齒輪與曲線齒條嚙合。

▲圖1 齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)

利用萬向聯(lián)軸器,導(dǎo)出傳動齒輪非線性整周回轉(zhuǎn)運動。如有必要,也可向移動式凸輪導(dǎo)出滑塊的運動軌跡。利用傳感器,可監(jiān)測齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)是否正常運轉(zhuǎn),以形成閉環(huán)控制。如果將傳動齒輪作為主動件,那么輸入等速回轉(zhuǎn)運動,扭矩經(jīng)過兩個萬向聯(lián)軸器輸出,可以得到可控的非勻速直線運動。如果只用一個萬向聯(lián)軸器,那么可以將運動規(guī)律與萬向聯(lián)軸器中有規(guī)律的整周回轉(zhuǎn)疊加,此時從動件的運動規(guī)律與萬向聯(lián)軸器的角度有關(guān)。齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)傳動路線如圖2所示。

▲圖2 齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)傳動路線

將曲線齒條作為主動件,傳動齒輪與曲線齒條在水平直線段嚙合時,相當(dāng)于普通的齒輪齒條傳動,滑塊不運動,傳動齒輪作等速轉(zhuǎn)動,曲線齒條的齒廓是斜直線,斜度取決于傳動齒輪分度圓壓力角。當(dāng)曲線齒條直線部分在非水平情況下與傳動齒輪嚙合時,滑塊的運動等速上升或下降。當(dāng)傳動齒輪與曲線齒條在凹曲線部分嚙合時,相當(dāng)于普通內(nèi)嚙合齒輪傳動,滑塊運動為凹函數(shù)形式,傳動齒輪加速轉(zhuǎn)動,此時曲線齒條的齒廓是凹形的。當(dāng)傳動齒輪與曲線齒條在凸曲線部分嚙合時,相當(dāng)于普通外嚙合齒輪傳動,滑塊運動為凸函數(shù)形式,傳動齒輪作減速轉(zhuǎn)動,此時曲線齒條的齒廓是凸形的。

3 齒條設(shè)計

齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)的主要加工難點是曲線齒條。當(dāng)傳動性能精度要求不高時,可采用線切割及激光切割。當(dāng)傳動性能精度要求較高時,可采用插齒刀加工。由于齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)是基于滾子式移動凸輪設(shè)計的,因此結(jié)構(gòu)較為簡單。

在齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)中,從動件的運動規(guī)律取決于曲線齒條的設(shè)計。將曲線齒條看作滾子式移動凸輪,曲線齒條的分度線是移動凸輪的實際輪廓線,傳動齒輪的分度圓半徑是滾子半徑,為了保證運動不失真,必須確保移動凸輪上最小曲率半徑大于滾子半徑,體現(xiàn)在齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)中曲線齒條各部分的等效齒數(shù)不得小于傳動齒輪齒數(shù)。

由于曲線齒條的內(nèi)嚙合齒、外嚙合齒和普通齒條的齒形不一樣,因此要確保曲線齒條分度線的拐點是齒槽,由此對曲線齒條上外嚙合部分與內(nèi)嚙合部分進行拼接前的等效齒數(shù)有一定要求。等效齒數(shù)與兩分度線拼接點所占圓弧的分度圓比例有關(guān),最大拐點處的壓力角與齒段分度圓的圓心角必須相等。

當(dāng)傳動齒輪與曲線齒條處于內(nèi)嚙合時,由于滑塊作為從動件在豎直方向運動,因此此時曲線齒條上有壓力角存在,如圖3所示。由于運動特性與移動凸輪相同,許用壓力角與移動凸輪接近,為30°。實際上,傳動齒輪與曲線齒條嚙合時齒廓間的滑移會帶來摩擦,實際許用壓力角更小,但由于預(yù)緊力的存在,齒側(cè)沒有間隙,不需要考慮實際中心距與理論中心距的偏差造成的重合度變化。由此,曲線齒條傳動的壓力角是恒定的,可以通過在導(dǎo)軌上安裝直線軸承以減小摩擦角,防止自鎖。

▲圖3 曲線齒條壓力角

4 應(yīng)用

當(dāng)傳動齒輪為主動件時,齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)可用于非標(biāo)機床的進刀機構(gòu)。例如,利用曲線齒條上的凹形部分,在車床橫向進刀時可使工件外表面切削線速度保持相對恒定;利用曲線齒條末端上的一個小凸起,使刀具切入工件的進給速度降低,防止由于沖擊力過大導(dǎo)致刀具損壞。

當(dāng)曲線齒條為主動件時,齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)可用于物料送進機構(gòu),代替棘輪,節(jié)約能量,得到平穩(wěn)的進給運動。這種運動形式可使物料保持勻速運動,提高效率和物料的定位精度,并可根據(jù)不同的要求,設(shè)計曲線齒條結(jié)構(gòu),以達到特定的規(guī)律。

5 結(jié)束語

筆者提出了齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng),在機架上安裝兩條相互垂直的導(dǎo)軌,結(jié)構(gòu)可靠,強度高。

齒輪齒條非線性傳動系統(tǒng)的設(shè)計可以使從動件得到特定的運動規(guī)律,并可以擴展傳動機構(gòu)的使用范圍,在一定程度上代替異形齒輪,避免異形齒輪建模與加工困難的問題。