□ 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(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于需要得到特定從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的場(chǎng)合,通常用于輸入勻速整周回轉(zhuǎn),輸出往復(fù)直線移動(dòng)或擺動(dòng)[1-3]。普通的凸輪機(jī)構(gòu)無(wú)法得到特殊軌跡的整周回轉(zhuǎn)或長(zhǎng)距離直線移動(dòng),導(dǎo)致現(xiàn)有的非線性整周回轉(zhuǎn)常通過(guò)非標(biāo)異形齒輪齒條等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)[4-5]。這些機(jī)構(gòu)無(wú)法得到特定的較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并且加工建模困難,實(shí)際應(yīng)用很少。

筆者針對(duì)齒輪齒條傳動(dòng)與凸輪機(jī)構(gòu)的局限性[6],提出一種齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)。這種傳動(dòng)系統(tǒng)與直線導(dǎo)軌類似,將移動(dòng)凸輪的外廓改為漸開(kāi)線齒形,將嚙合傳動(dòng)轉(zhuǎn)換為凸輪機(jī)構(gòu)常用的特殊規(guī)律運(yùn)動(dòng),并且加工簡(jiǎn)單[7-9]。當(dāng)機(jī)械設(shè)備需要非線性整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或移動(dòng)凸輪從動(dòng)件特殊運(yùn)動(dòng)時(shí),可以在機(jī)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(dòng)凸輪的從動(dòng)件[10]。這種齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)可以融合移動(dòng)凸輪和齒輪齒條的傳動(dòng)特點(diǎn),得到復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可控整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),并可進(jìn)行雙向傳動(dòng),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(dòng)的功能。

2 結(jié)構(gòu)原理

齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)由傳動(dòng)齒輪、曲線齒條、水平導(dǎo)軌、豎直導(dǎo)軌、萬(wàn)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(yùn)動(dòng),輸出非線性整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),那么動(dòng)力由曲線齒條傳遞至傳動(dòng)齒輪,曲線齒條在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),滑塊在豎直導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),傳動(dòng)齒輪與曲線齒條嚙合。

▲圖1 齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)

利用萬(wàn)向聯(lián)軸器,導(dǎo)出傳動(dòng)齒輪非線性整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如有必要,也可向移動(dòng)式凸輪導(dǎo)出滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡。利用傳感器,可監(jiān)測(cè)齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn),以形成閉環(huán)控制。如果將傳動(dòng)齒輪作為主動(dòng)件,那么輸入等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),扭矩經(jīng)過(guò)兩個(gè)萬(wàn)向聯(lián)軸器輸出,可以得到可控的非勻速直線運(yùn)動(dòng)。如果只用一個(gè)萬(wàn)向聯(lián)軸器,那么可以將運(yùn)動(dòng)規(guī)律與萬(wàn)向聯(lián)軸器中有規(guī)律的整周回轉(zhuǎn)疊加,此時(shí)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與萬(wàn)向聯(lián)軸器的角度有關(guān)。齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)路線如圖2所示。

▲圖2 齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)路線

將曲線齒條作為主動(dòng)件,傳動(dòng)齒輪與曲線齒條在水平直線段嚙合時(shí),相當(dāng)于普通的齒輪齒條傳動(dòng),滑塊不運(yùn)動(dòng),傳動(dòng)齒輪作等速轉(zhuǎn)動(dòng),曲線齒條的齒廓是斜直線,斜度取決于傳動(dòng)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(dòng)齒輪嚙合時(shí),滑塊的運(yùn)動(dòng)等速上升或下降。當(dāng)傳動(dòng)齒輪與曲線齒條在凹曲線部分嚙合時(shí),相當(dāng)于普通內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng),滑塊運(yùn)動(dòng)為凹函數(shù)形式,傳動(dòng)齒輪加速轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)曲線齒條的齒廓是凹形的。當(dāng)傳動(dòng)齒輪與曲線齒條在凸曲線部分嚙合時(shí),相當(dāng)于普通外嚙合齒輪傳動(dòng),滑塊運(yùn)動(dòng)為凸函數(shù)形式,傳動(dòng)齒輪作減速轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)曲線齒條的齒廓是凸形的。

3 齒條設(shè)計(jì)

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

在齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)中,從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于曲線齒條的設(shè)計(jì)。將曲線齒條看作滾子式移動(dòng)凸輪,曲線齒條的分度線是移動(dòng)凸輪的實(shí)際輪廓線,傳動(dòng)齒輪的分度圓半徑是滾子半徑,為了保證運(yùn)動(dòng)不失真,必須確保移動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)中曲線齒條各部分的等效齒數(shù)不得小于傳動(dòng)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(diǎn)是齒槽,由此對(duì)曲線齒條上外嚙合部分與內(nèi)嚙合部分進(jìn)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(diǎn)所占圓弧的分度圓比例有關(guān),最大拐點(diǎn)處的壓力角與齒段分度圓的圓心角必須相等。

當(dāng)傳動(dòng)齒輪與曲線齒條處于內(nèi)嚙合時(shí),由于滑塊作為從動(dòng)件在豎直方向運(yùn)動(dòng),因此此時(shí)曲線齒條上有壓力角存在,如圖3所示。由于運(yùn)動(dòng)特性與移動(dòng)凸輪相同,許用壓力角與移動(dòng)凸輪接近,為30°。實(shí)際上,傳動(dòng)齒輪與曲線齒條嚙合時(shí)齒廓間的滑移會(huì)帶來(lái)摩擦,實(shí)際許用壓力角更小,但由于預(yù)緊力的存在,齒側(cè)沒(méi)有間隙,不需要考慮實(shí)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(dòng)的壓力角是恒定的,可以通過(guò)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(dòng)齒輪為主動(dòng)件時(shí),齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)可用于非標(biāo)機(jī)床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)。例如,利用曲線齒條上的凹形部分,在車床橫向進(jìn)刀時(shí)可使工件外表面切削線速度保持相對(duì)恒定;利用曲線齒條末端上的一個(gè)小凸起,使刀具切入工件的進(jìn)給速度降低,防止由于沖擊力過(guò)大導(dǎo)致刀具損壞。

當(dāng)曲線齒條為主動(dòng)件時(shí),齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)可用于物料送進(jìn)機(jī)構(gòu),代替棘輪,節(jié)約能量,得到平穩(wěn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)形式可使物料保持勻速運(yùn)動(dòng),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(jì)曲線齒條結(jié)構(gòu),以達(dá)到特定的規(guī)律。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

齒輪齒條非線性傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以使從動(dòng)件得到特定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并可以擴(kuò)展傳動(dòng)機(jī)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(wèn)題。