齒輪五杆機構實現預定軌跡設計方法的研究分析論文

齒輪五杆機構實現預定軌跡設計方法的研究分析論文

　　齒輪連桿機構由定傳動比的齒輪機構與變傳動比的連桿機構組合而成，其可根據工藝過程的不同需要復演各種特殊形狀的軌跡。齒輪連桿機構因其結構簡單、緊湊，且組成這種機構的齒輪和連桿易於加工，精度易於保證，運動較可靠等特點，在工程實踐中得到了廣泛應用。其中齒輪五杆機構是最常用的一種齒輪連桿機構，它可以實現多種複雜的運動軌跡，具有很高的工程實用價值[1-2]。該文以軋輥機為例，研究了齒輪五杆機構實現預定軌跡的方法。

　　1 齒輪五杆機構

　　五杆機構是自由度為2的機構，在其上必須裝載一對齒輪才能使齒輪—五杆機構成為自由度為1的機構[3]。齒輪五杆機構簡圖如圖1所示。

　　2 齒輪五杆機構實現預定軌跡設計方法

　　該文以軋輥機為例，在齒輪五杆機構實現軋製的過程中，運用解析法和圖解法設計其機構。軋輥機工作原理如圖2所示。在軋製過程中，軋件要受到向後的推力，為使推力盡量小些，以減輕送料輥的載荷，故要求軋輥與軋件開始接觸時的齧入角γ儘量小些。γ約取25 °左右，坯料的單邊最大壓下量約50 mm，從咬入到平整段結束的長度約270 mm[4](見圖3)。

　　2.1 按工藝要求確定理想的軌跡

　　通常可先按軋製最常用規格的鋼材來確定該軌跡，以此進行機構綜合，然後調節AB、DE間的相對位置，再畫出點M的軌跡，以檢驗是否能滿足不同軋製工藝的要求(如軌跡、咬入角γ、平整段長度L等)。

　　由於該機構只能近似實現給定的軌跡，或只能精確實現軌跡上若干點，所以根據工藝要求重點，考慮水平平整段和咬入角後，在軌跡上取五個點，其座標如圖2(單位為m)：

　　M1：(-0.15306，0.60113)、M2：(-0.04l40，0.63996)、M3：(0.06187，0.65492)、M4：(0.10243，0.65575)、M5：(0.1229l，0.65497)

　　2.2 圖解法和解析法確定齒輪五杆機構尺寸引數

　　用圖解法按給定軌跡大致選擇AB和BM的長度。要使M能達到軌跡上的任何一點，AB能作整週轉動，則A點到軌跡的最大距離應為，最小距離。再根據選定的AB、BM長度算出點M在M1～M5時對應的連架杆AB的轉角;或直接選定與該五點所對應的連架杆AB的轉角。

　　3 模擬分析

　　該文利用Working Modle模擬軟體，對連桿上一點可實現圓弧運動軌跡的.齒輪五杆機構進行模擬。模擬時按上述計算結果進行引數選取，建立連桿上一點軌跡近似圓弧的齒輪五杆機構的模型。

　　首先建立直徑為112 mm的三個圓，圓心座標分別為(0，0)、(-112，0)、(112，0)，在它們之間建立齒輪副。然後按照尺寸建立曲柄、連桿、機架。最後，建立轉動副並在其中的一個曲柄中安置電機，最終完成模型。模擬模型如圖4所示。

　　選中兩連桿的連線點(轉動副)，點選上方的【Window】選項，出現其下拉選單，點選【Appearance】之後，出現如圖6的對話方塊，選中【track】選項，並單擊【run】，便可以在動畫的過程中顯示出該點的運動軌跡，如圖5所示。透過觀察之後，確定此軌跡近似圓弧說明以上設計基本無誤。

　　4 實驗驗證

　　該文利用齒輪五杆機構實驗臺進行實驗驗證，該實驗臺由三個齒輪，兩個曲柄，兩個連桿組成，實驗臺組裝結構如圖7所示。

　　利用實驗臺畫出的近似圓弧運動軌跡如圖8所示，與圖6中軟體模擬生成的近似圓弧的運動軌跡進行對比發現，實驗臺畫出的曲線與軟體生成的曲線基本一致，但也略有不同。其原因可能是：(1)在裝配的過程中，安裝精度不夠;(2)在加工零件過程中，加工精度無法達到軟體中理想化的要求;(3)畫板的平面度不夠，導致畫出的運動軌跡略有偏差。(4)在齒輪傳動的過程中產生了波動，使運動軌跡發生了略微的偏差。

　　5 結論

　　該文以軋輥機為例，研究了齒輪五杆機構實現預定軌跡的方法，經過模擬和實驗模擬驗證，證明了圖解法與解析法(導向兩杆組綜合設計方法)相結合是確定齒輪五杆機構的有效方法，齒輪五杆機構可以實現預定軌跡。

　　參考文獻

　　[1] 徐梓斌，閔劍青.齒輪連桿機構動力學分析與模擬[J].機械設計與研究，2005(1)：22-24.

　　[2] 李明磊，賈育秦.基於Matlab/simulink的齒輪五杆機構運動模擬研究[J].太原科技大學學報，2009(1)：59-62.

　　[3] 王生濤，陳再良，吳電禮.基於Pro/E的齒輪五杆機構運動模擬[J].蘇州大學學報(工科版)，2010(3)：53-55.