基于行程放大機構變異設計的研究*

陳 平

(邵陽職業技術學院，湖南 邵陽 422000)

1 引 言

機械行程放大機構的種類有多種，如：固定齒條+齒輪+可移動齒條的模式，移動齒條的輸出位移放大為輸入位移的2倍，采用齒輪連桿的模式，可將輸出位移放大為輸入位移的6倍，還可采用齒輪-連桿串連組合、采用復式滑輪組、采用凸輪機構等模式來實現行程的放大。

但通常情況下，這些基本機構只能滿足工作機構行程放大的要求而不能實現特定的運動規律，因此，實際應用中必須與其它機構進行組合、變異設計才能滿足特定的工作要求。

2 行程放大機構的變異設計方案[1]

凸輪機構中，推桿的位移-轉角即S-δ曲線可粗略地表示為如圖1所示。

如果直接采用凸輪機構肯定可以滿足工作要求，但試設計表明，在滾子直徑為22mm,且滿足許用壓力角≤30°的條下:

(1) 采用盤形凸輪時,其滾子中心軌跡的最小半徑尺寸約為500 mm，外圓直徑約為1 042 mm,壓力角為29.746°。

(2) 采用圓柱形槽凸輪時,若滾子的寬度選為10 mm,則其滾子中心槽底圓柱的最小半徑尺寸約為390 mm,外圓直徑約為800 mm，壓力角為29.397°。

以上結果表明：如果直接采用凸輪機構肯定可以滿足工作要求，但結構尺寸較大，給加工帶來困難，也大幅提高了生產成本，在很多情況下，還難以滿足安裝要求，因此，必須對基本的行程放大機構進行組合、變異設計。

圖1 S-δ曲線

根據安裝空間及試設計結果，我們選定如下3種設計方案：

(1) 方案一：凸輪機構+固定齒條+齒輪+可移動齒條，該方案由凸輪機構控制運動規律，其放大機構由3級固定齒條+齒輪+可移動齒條的模式串連組合而成，其設計原理圖如圖2所示。

該放大機構每級放大2倍且與齒輪齒數無關，而本原理圖上采用了3級放大，因此，若設凸輪的升程為h,則：h=190/23=23.75 mm，這樣就大大減小了凸輪的升程和外形尺寸。實際設計結果為：基圓直徑29.146 mm,最大外圓直徑105.5 mm, 壓力角為29.116°，其最大外圓直徑大約只有不組合時的1/10。

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圖2 設計方案一原理圖

(2) 方案二：若將上述設計方案一中的“固定齒條+齒輪+可移動齒條”的基本行程放大型式再進行一次如圖3所示的衍生變異設計，則可進一步簡化設計方案一的傳動鏈，其原理圖如圖3所示。

圖3 設計方案二原理圖

此方案的核心是：小齒輪4與大齒輪6同軸且其齒數之比為1：7，小齒輪4與固定齒條5嚙合，大齒輪6與移動齒條7嚙合，當推桿3移動x(mm)時，則小齒輪4在移動x(mm)的同時也轉過x(mm)的弧長,而大齒輪6則轉過7x(mm)的弧長，這樣即可實現：輸出推板8的位移為凸輪升程的8倍的數量關系了，其余設計、計算與設計方案一相同。

(3) 方案三： 凸輪機構+曲柄滑塊機構，該方案由凸輪機構控制運動規律，其行程由曲柄滑塊機構決定，其設計原理圖如圖4所示。

此方案的核心是：將推桿3做成齒條，這樣就將推桿3的移動轉換成齒輪4的轉動了，曲柄5與齒輪4固化在一起，只要將曲柄5的長度設為95 mm，即可實現190 mm的行程要求。為了安裝、計算上的方便，采用對心曲柄滑塊機構，而其運動規律則由凸輪

機構來控制。

如果凸輪的升程=推桿3的位移=齒輪4的分度圓周長的一半，則在推程中，齒輪4轉動180°，對心曲柄滑塊機構的曲柄也轉動180°；在回程中，齒輪4轉動180°，對心曲柄滑塊機構的曲柄反向轉動180°，這樣即可實現凸輪旋轉一周，對心曲柄滑塊機構也完成一個工作周期的要求。

圖4 設計方案三原理圖

如果凸輪的升程=推桿3的位移=齒輪4的分度圓周長，則在推程中，齒輪4轉動360°，對心曲柄滑塊機構的曲柄也轉動360°；在回程中，齒輪4轉動360°，對心曲柄滑塊機構的曲柄反向轉動360°，這樣即可實現凸輪旋轉一周，對心曲柄滑塊機構完成2個工作周期的要求。

總之，只需將上述關系進行適當修改，還可衍生出更多的符合特殊要求的放大機構來。

3 結 論

(1) 從傳力方面而言，設計方案二、三比設計方案一更合理，因為設計方案一傳動鏈較之設計方案二，三要長，摩擦阻力要大一些，傳動效率要低一些。

(2) 從滿足特殊運動規律而言，則設計方案三比設計方案一、二更合理，因為設計方案三中：只需將凸輪的升程、推桿3的位移、齒輪4的分度圓周長之間的關系根據特定的要求進行適當的修改即可實現。

因此，在行程放大機構設計中充分利用一些基本的機械行程放大機構，再根據具體的條件進行適當的組合，變異設計就能滿足特定的工作要求。

參考資料：

[1] 成大先.機械設計手冊(第1卷)[M].北京:化學工業出版社,2002.