平面連桿機構曲柄調速結構設計

杜 力， 任亨斌， 黃勇剛， 康華領， 付 婷

（1. 重慶工商大學機械工程學院，重慶 400067；2. 重慶大學機械工程學院，重慶 400044）

平面連桿機構曲柄調速結構設計

杜 力1， 任亨斌2， 黃勇剛1， 康華領1， 付 婷1

（1. 重慶工商大學機械工程學院，重慶 400067；2. 重慶大學機械工程學院，重慶 400044）

在曲柄連桿機構設計中，為了實現曲柄到曲軸中心距離適時可調，對曲軸結構進行了創新設計。通過凸輪槽與圓盤在同步轉動產生相對轉動，實現了平面連桿機構在連續運轉情況下實現曲軸偏心距調整；同時采用特殊中間凸輪結構實現了可以帶動有多個相位差曲拐同步轉動，使整臺機構在運動過程中具有適時調節運動參數的能力。通過ADAMS仿真分析表明，該結構完全能滿足系統無級調速的需要；同時曲柄上曲拐位移與原動件蝸桿的轉動角度基本呈線性關系，為產品調速部分的刻度分度打下了基礎。

曲柄連桿機構；適時調速；曲軸；可調偏心距

在很多機構中，特別是對于連桿機構而言，往往通過改變各個桿件長度比例關系來實現機構某些運動參數（如行程、速度）的調節；而在另一些機構中，為了安裝調試方便，也需要機構桿件長度可調。在這些情況下，機構運動參數的調節，可以通過選擇和設計具有兩個自由度機構來實現[1]。兩個自由度機構即具有兩個原動件，可將其中一個作為主原動件輸入主運動，即驅動機械實現工藝動作所要求的運動；而將另外一個作為“可調節”原動件，當調節到需要位置后，使其固定不動，則整個機構仍成為具有一個自由度系統。在主原動件驅使動下，機械即可正常工作。

平面四桿機構是能實現各種運動形式轉換最簡單的連桿機構。如圖1所示，曲柄搖桿機構，其搖桿的極限位置、擺角均不能在運轉過程中調節，從而也不能實現在運轉過程中輸出速度等運動參數調節。而若要實現連桿機構輸出運動速度的調節，是可以通過改變各桿長度比值來實現的[2]。由于機構本身結構，連桿在運動過程中作平面運動，適時調節其長度難以實現，因此，只能考慮通過改變曲柄或機架長度以實現運轉過程中適時調節。但對于功率較大、質量較重的機械產品，改變機架長度需要克服的摩擦力、慣性力較大，很難在連續運動過程中實現機架長度調整。而傳動系統靠曲軸傳遞動力結構非常普遍，因此，需要探討并研究通過改變曲柄長度來實現運動參數適時調節的結構是非常有必要的。

圖1 曲柄搖桿機構

1 調速方案的確定及相關結構解決方案

1.1 調速方案的確定

經過多種方案對比，確定運用的調速方案，如圖2所示。曲柄相對于輸入軸存在一個偏心距，偏心距的大小即為圖1中曲柄AB的長度，旋轉凸輪，即可改變曲柄偏心距的大小，亦即改變了曲柄AB長度，實現調速。

1.2 曲柄調速結構設計

1.2.1 曲柄運動位置的控制

為了使曲柄作為“可調節”原動件，其運動控制方式如圖2所示，為了使凸輪旋轉以實現調節曲柄偏心距作用，必須保證曲柄和凸輪在運動過程中保持封閉狀態，因此,在設計中將傳統凸輪設計成了凸輪槽的形式[3]，如圖3、4所示。同時圓盤上也開有通槽，在凸輪槽和圓盤槽的作用下，考慮曲拐和凸輪槽接觸的壓力角小于 30°不產生自鎖情況下，旋轉凸輪可以實現控制曲柄運動的目的。這樣，當調節曲柄中心到輸入軸中心距離合適的位置，即所需曲柄長度時，應使曲柄在凸輪槽中的位置保持固定不動，此時整個機構仍為具有一個自由度的系統，凸輪槽、圓盤隨同輸入軸進行同步轉動。

圖2 曲柄調速方案

圖3 凸輪結構

圖4 凸輪結構裝配效果圖

1.2.2 凸輪槽與圓盤在同步轉動情況下產生相對轉動的實現

當結構要求有調速運動的情況下，曲柄相對于輸入軸中心的偏心距大小需要發生改變，設計要求凸輪要在不停止轉動的情況下和圓盤發生相對轉動。這是調速結構的核心與難點所在。采取的結構實現，如圖5、圖6所示。

圖5 手動調速結構

圖6 帶螺旋槽的輸出軸

如圖5所示結構[4]，當轉動手柄，通過蝸輪8和蝸桿的傳動，可使通過螺栓聯接在蝸輪8上的調速螺母5轉動，因為調速螺母5被壓板6軸向定位且調速螺栓9上有防轉銷7保證了其不會與螺母一起轉動，因此，調速螺栓9只會產生軸向的移動，這樣滑套15會隨之一起移動，滑套15上又安裝有銷釘，該銷釘的一端裝入主動軸的螺旋槽內，滑套15的軸向移動會引起凸輪1相對于主動軸轉動，從而使嵌入凸輪槽的曲拐1沿著圓盤的槽做靠近-遠離軸心線的移動，來達到調節曲柄長度的目的。當滑套在靠近凸輪極限位置時，對應的偏心量為最大，反之最小。因此，轉動手柄可以從零到某一數量之間無級的改變偏心量。

在輸入軸設計之中，由圖6可見，軸上有一段有一定升角的凹槽，其螺旋升角直接決定著滑套的轉動可靠性[5]，螺旋升角過小，結構產生自鎖，滑套無法實現與輸入軸之間的相對轉動，達不到設計要求；但螺旋升角加大，會使滑套軸向運動加大，容易產生干涉。

1.2.3 曲柄調零的結構設計

對于某些機構要求搖桿輸出速度定從0到某一固定數值，這就要求曲柄可以調零。如仍用圖2所示結構，無論凸輪如何旋轉，曲柄都無法實現調零，即曲拐中心與輸入軸中心重合。

為了解決這一問題，設計中特別將曲柄進行了結構改變，如圖7所示，將曲柄與凸輪接觸的部位A、曲柄與連桿軸瓦連接的部位B進行了分離，將B變成圓盤結構，并把圓盤中間挖成長圓形孔，使曲拐能嵌入進來，從而使曲柄銷可以與圓盤中心重合，從而實現曲柄長度為可調為“零”，滿足了設計要求。裝配效果如圖8所示。

圖7 曲柄

圖8 曲柄與圓盤裝配效果

1.2.4 多個曲柄實現相位差的同步轉動控制

曲柄結構在實際使用時，常常以曲軸形式運動，如多缸發動機[6]，會存在兩個以上曲拐且有一定相位差的情況，為此，需要兩個或多個曲柄可適時調節。而作為“可調節”原動件凸輪只能控制一個曲柄運動，所以要在第一個曲柄和第二個曲柄之間添加一個中間結構，使第一個曲柄能夠帶動第二個曲柄實現位移大小相同，且有一定相位差同步運動。以雙輸出無級變速器的設計為例[7]，需要兩套并聯六桿機構，則需要兩個相位差為90°的曲拐，如圖11所示。

為了解決這個問題，設計中引入了如圖9、圖 10所示的中間凸輪結構。即采用兩個形狀完全相同凸輪槽，相位差為 90°。這樣，當第一個曲柄C在槽A中運動時，機構在曲柄C的帶動下轉動；與此同時，第二個曲柄D在槽B中隨機構產生和曲柄C位移大小相同、相位差為90°的同步運動，滿足了設計要求。

圖9 中間凸輪結構

圖10 中間凸輪結構裝配效果

圖11 六桿脈沖發生機構

2 曲柄調速結構運動仿真（以脈動式無級變速器為例）

2.1 曲柄調速特性分析

如上文所述，曲柄調速結構可廣泛地應用于連桿機構，通過改變桿長之間的比例關系而達到不同運動輸出。如圖 11所示，本調速結構已成功地運用于脈動無級變速器的主傳動系統脈沖發生機構，圖中桿4、5為輸出構件，在機構運動過程中通過適時調節曲柄AB的長度，來實現適時地調節該機構的輸出速度。如圖12所示，隨著曲柄長度的變化，搖桿輸出角速度的變化比較明顯、均勻平穩，并且可以從0開始變化，表明用改變曲柄長度來進行調速是個比較好的選擇。隨著曲柄的變化，搖桿4比搖桿5的變化更加平穩；而且隨著曲柄的增大，兩根搖桿輸出的最大速度之差也越大，即脈動值越大。2.2 輸入構件與曲柄調速線性關系分析

圖12 不同曲柄長度時兩搖桿的角速度變化規律

2.3 調速蝸桿與曲柄長度的關系分析

如圖8所示，該調速結構的最初原動力來自手動地調節蝸桿與蝸輪嚙合，通過傳動實現曲柄長度調節。由圖 13可見，以蝸桿轉動角度（即蝸桿的轉動角度）為橫坐標，以曲拐位移（即曲拐相對于輸入軸中心的距離）為縱坐標，當手柄轉動一圈(360°)，即蝸桿旋轉一周時，曲拐到曲軸中心距離增加 16.3mm；曲柄長度從最小值(0mm)調到最大值(40mm)手柄轉動需要轉動約1344°（即3.73圈），符合實際情況，表明曲拐相對于曲軸中心距離在此結構下是可調的；同時經仿真分析還可以看出，曲柄上曲拐的位移與原動件蝸桿的轉動角度呈近似于線性關系[8]，如圖11所示，這樣也為產品調速部分刻度盤分度打下了基礎。

圖13 曲拐位移隨手柄轉動角度的變換關系

3 結 論

通過對平面連桿機構曲柄調速方案實現過程中曲柄運動位置的控制、凸輪槽與圓盤在同步轉動情況下產生相對轉動和曲柄調零的結構設計，實現了曲柄-連桿類機構在運轉過程中，運動參數可適時調節的目的，為無級調速（或調位移）產品的開發奠定了基礎。

[1] 黃茂林, 秦 偉等編. 機械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009: 381.

[2] 杜 力, 馮 俊, 等. 同軸雙輸出脈沖發生機構運動特性與仿真分析[J]. 系統仿真學報, 2009, 21(2): 581-585.

[3] 石永剛, 徐振華編. 凸輪機構設計[M]. 上海: 上海科學技術出版社, 1995.

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[6] Robert R L, Norton L. An introduction to the synthesis and analysis of mechanisms and machines [M]. 北京:機械工業出版社, 2006.

[7] 杜 力, 鄒昌平, 等. 同軸全鉸鏈雙輸出脈沖發生機構尺度綜合與優化[J]. 機械傳動, 2009, 33(4): 5-8.

[8] 張世昌, 李旦等主編. 機械制造技術基礎[M]. 北京:高等教育出版社, 2007.

Crank Speed Structure Design of Planar Linkage

Du Li1, Ren Hengbin2, Huang Yonggang1, Kang hualing1, Fu Ting1
( 1. School of Mechanical Engineering, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China; 2. School of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China )

In the design of crank connecting rod mechanism, in order to timingly adjust the distance from the crank to the center of the crankshaft, an innovative design of the crankshaft structure is given.Through the CAM slot with relative rotation disc in synchronous rotation, the planar linkage mechanism in the circumstance achieves the adjustment of the crank shaft eccentricity, andcan bring crank which was realized using the middle CAM phase synchronous rotation. ADAMS simulation analysis shows that the structure can meet the needs of the stepless speed regulation system, the crank displacement and the original dynamic basic linear relation.

crank-link mechanism; speed control timing; crankshaft;adjustable eccentricdistance

TP 391

A

2095-302X (2013)05-0020-05

2013-05-21；定稿日期：2013-07-21

國家自然科學基金資助項目（51075417）

杜 力（1971-），男，重慶人，教授，博士，主要研究方向為機構學。E-mail：dulicq@126.com