一種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，特別涉及一種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄 滑塊機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)因能將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛缘耐鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè) 的各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于要求高速、行程可調(diào)的微幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)（如研宄往復(fù)密封中活塞啟動(dòng)瞬間 密封圈的力學(xué)特性），就無法采用常規(guī)的曲柄滑塊結(jié)構(gòu)。但是，相對(duì)于液壓或者氣壓傳動(dòng)的 直線機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊更加環(huán)保、負(fù)載特性穩(wěn)定且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，特別是高速特性更 加準(zhǔn)確；相對(duì)于直線電機(jī)和激振器，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)造價(jià)更為便宜。因此需要對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地實(shí)現(xiàn)高速、行程可調(diào)的微幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0003] 對(duì)于微幅的直線運(yùn)動(dòng)，通過將曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)副擴(kuò)大來實(shí)現(xiàn)，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)副偏心距的2 倍就是滑塊的行程（考慮轉(zhuǎn)動(dòng)副的間隙，直線行程的測(cè)量在滑塊處），也是理論上最終獲得 微幅往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的振幅；如果再需要對(duì)滑塊的行程進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。此外， 對(duì)于高速工況，需要進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡整定，以消除慣性力的影響。通常做法是在曲柄的反 向延長(zhǎng)線上增加平衡質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的一階慣性平衡（更高階慣性力很小，工程中往往忽 略）。但是，為了平衡慣性力，若每次曲柄長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)都得重新設(shè)計(jì)平衡質(zhì)量或者采用對(duì)稱 機(jī)構(gòu)，這樣既費(fèi)時(shí)又浪費(fèi)資源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種可調(diào)行程且自動(dòng) 平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過任意調(diào)節(jié)曲柄長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)行程調(diào)節(jié)的同時(shí)，機(jī)構(gòu)本身都能 依靠零件的幾何關(guān)系和質(zhì)量分布自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)一階慣性力的平衡。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，包括相連接的曲柄機(jī)構(gòu)與滑塊 機(jī)構(gòu)，所述曲柄機(jī)構(gòu)中采用偏心花鍵配合代替轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)行程可調(diào)。
[0007] 所述偏心花鍵配合為內(nèi)花鍵組合4與外花鍵組合3的配合，其中，外花鍵組合3由 偏心外花鍵3-1和外花鍵平衡套3-2裝配而成，內(nèi)花鍵組合4由偏心內(nèi)花鍵4-1和兩個(gè)內(nèi)花 鍵平衡套4-2裝配而成，內(nèi)花鍵組合4與外花鍵組合3之間通過偏心內(nèi)花鍵4-1與偏心外 花鍵3-1配合實(shí)現(xiàn)連接，并以偏心外花鍵3-1的內(nèi)孔定位通過平鍵2安裝在電機(jī)軸1上，軸 承5的內(nèi)圈安裝于偏心內(nèi)花鍵4-1上，由此構(gòu)成曲柄機(jī)構(gòu)，連桿6安裝于軸承5的外圈上。
[0008] 所述軸承5與連桿6之間設(shè)置擋片13,實(shí)現(xiàn)軸承5的軸向固定。
[0009] 所述滑塊機(jī)構(gòu)包括機(jī)架10和位于機(jī)架10中的滑塊9,滑塊9通過接頭7和鎖定螺 母8與連桿6連接。
[0010] 所述內(nèi)花鍵組合4與外花鍵組合3的幾何形狀及其質(zhì)量分布，滿足方程Hiiyi = G1Iyiic以及mQ(yQ-e〇) = eoGyiic+i%)，其中，O點(diǎn)為組合4與外花鍵組合3的花鍵裝配中心，A 點(diǎn)電機(jī)軸1的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，B為曲柄機(jī)構(gòu)和連桿6組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)中心，Hi1為內(nèi)花鍵組合 4的質(zhì)量，Hici為外花鍵組合3的質(zhì)量，y i為內(nèi)花鍵組合4的質(zhì)心到花鍵裝配中心O的距離， 為外花鍵組合3的質(zhì)心到花鍵裝配中心O的距離，e Σ為內(nèi)花鍵組合4的偏心距，即花鍵裝 配中心O與曲柄機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)中心之間的距離，％為外花鍵組合3的偏心距，即花鍵 裝配中心O與電機(jī)軸1的旋轉(zhuǎn)中心之間的距離，
，mB為連桿6在B點(diǎn)的等 效質(zhì)量，m。為滑塊9、連桿6、接頭7和鎖定螺母8在C的等效質(zhì)量。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了行程可調(diào)的微幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)能夠使機(jī)構(gòu) 的慣性力自動(dòng)得到平衡。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)曲柄長(zhǎng)度可調(diào)的設(shè)計(jì)原理圖。
[0013] 圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)部分平衡慣性力的設(shè)計(jì)原理圖。
[0014] 圖3為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)的裝配圖。
[0015] 圖4為圖3的橫向剖視圖（去除部分零件）。
[0016] 圖5為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)中偏心外花鍵組合的裝配圖。
[0017] 圖6為圖5的橫向剖視圖。
[0018] 圖7為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)中偏心內(nèi)花鍵組合的裝配圖。
[0019] 圖8為圖7的縱向剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式。
[0021] 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：
[0022] 1、實(shí)現(xiàn)曲柄長(zhǎng)度可調(diào)
[0023] 為了得到滑塊行程可調(diào)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將曲柄拆成內(nèi)、外花鍵組合，如圖1所示 的設(shè)計(jì)原理，花鍵每旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒即對(duì)應(yīng)一個(gè)曲柄長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)曲柄長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)。其中O為花鍵 的裝配中心，A為曲柄和支架組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)中心（也為電機(jī)軸1的轉(zhuǎn)動(dòng)中心），B為 曲柄機(jī)構(gòu)和連桿組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)中心。
[0024] OA = e0,故=6，曲柄的長(zhǎng)度可以表達(dá)為：
[0025]
[0026] 則滑塊的行程 S = 21ABe [2 I eI，2 (eQ+eJ ]
[0027] 2、實(shí)現(xiàn)任意位置的動(dòng)平衡
[0028] 如圖1，通過質(zhì)量等效，將桿件的質(zhì)量等效到A、B、C三點(diǎn)上，按照慣性力部分平衡 原理，在連桿BA的延長(zhǎng)線上增加質(zhì)量塊mE2，使得滑塊C的替代質(zhì)量的慣性力平衡：
[0029]
[0030] B處的替代質(zhì)量的慣性力也在連桿BA的延長(zhǎng)線上增加質(zhì)量mE1進(jìn)行平衡：
[0031] mE1rE2 =HIbIab
[0032] 如圖2所示：ZBAO = Θ，Z ABO = α，外花鍵的質(zhì)心在Mq處，距離裝配中心O為 .W；內(nèi)花鍵的質(zhì)心在M1處，距離裝配中心0為=W，滿足：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] 按照?qǐng)D2的坐標(biāo)系，將代表上述原理質(zhì)量-半徑積方程展開為X，y兩個(gè)方向的代 數(shù)方程：
[0038]
[0039] 同時(shí)，質(zhì)心位置滿足幾何方程：
[0040]
[0041] 將式⑶代入到式⑴中，將式⑷代入⑵中，則上述的方程組可以表示為以下 的等價(jià)形式：
[0042]
[0043] 為了滿足任意位置，都能滿足部分平衡原理，式（5)在任意角度都能滿足，則：
[0044]
[0045] 式（7)也能滿足式（6)
[0046] 最終方程組能等價(jià)為式（7)的簡(jiǎn)化形式：
[0047]
[0048] eQ、ei、kc、mc為已知參數(shù)，利用三維設(shè)計(jì)軟件調(diào)節(jié)內(nèi)花鍵組合的幾何形狀和增減質(zhì) 量塊使得內(nèi)花鍵的質(zhì)量-半徑積滿足方程（8)，得到參數(shù)HI1,則按照式（9)通過調(diào)節(jié)內(nèi)花鍵 的幾何形狀和增減質(zhì)量設(shè)計(jì)外花鍵組合。
[0049] 3、典型機(jī)構(gòu)
[0050] 圖3~圖8的機(jī)構(gòu)應(yīng)用于研宄活塞啟動(dòng)瞬間密封圈的力學(xué)特性。即，偏心花鍵配 合為內(nèi)花鍵組合4與外花鍵組合3的配合，其中，外花鍵組合3由偏心外花鍵3-1和外花鍵 平衡套3-2裝配而成，內(nèi)花鍵組合4由偏心內(nèi)花鍵4-1和兩個(gè)內(nèi)花鍵平衡套4-2裝配而成， 內(nèi)花鍵組合4與外花鍵組合3之間通過偏心內(nèi)花鍵4-1與偏心外花鍵3-1配合實(shí)現(xiàn)連接， 并以偏心外花鍵3-1的內(nèi)孔定位通過平鍵2安裝在電機(jī)軸1上，軸承5的內(nèi)圈安裝于偏心 內(nèi)花鍵4-1上，連桿6安裝于軸承5的外圈上，由此構(gòu)成曲柄機(jī)構(gòu)。其中軸承5與連桿6之 間設(shè)置擋片13,實(shí)現(xiàn)軸承5的軸向固定。
[0051] 而滑塊機(jī)構(gòu)包括機(jī)架10和位于機(jī)架10中的滑塊9,滑塊9通過接頭7和鎖定螺 母8與連桿6連接?；瑝K機(jī)構(gòu)與曲柄機(jī)構(gòu)通過銷軸11和彈性卡圈12固定，最終形成曲柄 滑塊機(jī)構(gòu)。
[0052] 據(jù)研宄表明，密封圈在數(shù)十微米的行程內(nèi)達(dá)到材料彈性變形的極限，之后密封圈 與軸發(fā)生滑動(dòng)。所以，需要滿足的設(shè)計(jì)需求有：活塞行程在幾十微米內(nèi)可調(diào)；同時(shí)需要研宄 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率對(duì)密封圈力學(xué)特性的影響，頻率范圍5Hz~50Hz。
[0053] 設(shè)計(jì)參數(shù)：eQ= e := 0· 5mm，花鍵的齒數(shù) 70 ;經(jīng)等效后 mB= I. 22kg，！?。= 7. 9kg， 取心=(λ 48。
[0054] 利用三維設(shè)計(jì)軟件，按照式（8)設(shè)計(jì)內(nèi)花鍵：1?= I. 4661^4:= I. 28mm，如圖5和 圖6,為了利于加工性要求，最終采用圖5和圖6的外花鍵組合；代入式（9)進(jìn)而得到外花 鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)：mQ= 2. 610kg、y Q= I. 5mm，同樣的方式進(jìn)行外花鍵組合的設(shè)計(jì)，得到圖7和 圖8的內(nèi)花鍵組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，包括相連接的曲柄機(jī)構(gòu)與滑塊機(jī) 構(gòu)，其特征在于，所述曲柄機(jī)構(gòu)中采用偏心花鍵配合代替轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)行程可調(diào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其特征在于， 所述偏心花鍵配合為內(nèi)花鍵組合（4)與外花鍵組合（3)的配合，其中，外花鍵組合（3)由偏 心外花鍵（3-1)和外花鍵平衡套（3-2)裝配而成，內(nèi)花鍵組合（4)由偏心內(nèi)花鍵（4-1)和 兩個(gè)內(nèi)花鍵平衡套（4-2)裝配而成，內(nèi)花鍵組合（4)與外花鍵組合（3)之間通過偏心內(nèi)花 鍵（4-1)與偏心外花鍵（3-1)配合實(shí)現(xiàn)連接，并以偏心外花鍵（3-1)的內(nèi)孔定位通過平鍵 (2)安裝在電機(jī)軸（1)上，軸承（5)的內(nèi)圈安裝于偏心內(nèi)花鍵（4-1)上，由此構(gòu)成曲柄機(jī)構(gòu)， 連桿（6)安裝于軸承（5)的外圈上。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其特征在于， 所述軸承（5)與連桿（6)之間設(shè)置擋片（13)，實(shí)現(xiàn)軸承（5)的軸向固定。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其特征在于， 所述滑塊機(jī)構(gòu)包括機(jī)架（10)和位于機(jī)架（10)中的滑塊（9)，滑塊（9)通過接頭（7)和鎖定 螺母⑶與連桿（6)連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其特征在于， 所述內(nèi)花鍵組合（4)與外花鍵組合（3)的幾何形狀及其質(zhì)量分布，滿足方程miyi=eikcmc以 及mQ(yQ-eQ) =eoGyiic+i%)，其中，0點(diǎn)為組合（4)與外花鍵組合（3)的花鍵裝配中心，A點(diǎn) 電機(jī)軸⑴的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，B為曲柄機(jī)構(gòu)和連桿（6)組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)中心；mi為內(nèi)花鍵組 合⑷的質(zhì)量，為外花鍵組合（3)的質(zhì)量，yi為內(nèi)花鍵組合⑷的質(zhì)心到花鍵裝配中心0 的距離，K為外花鍵組合（3)的質(zhì)心到花鍵裝配中心0的距離，ei為內(nèi)花鍵組合（4)的偏心 距，即花鍵裝配中心0與曲柄機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)中心之間的距離，％為外花鍵組合（3)的 偏心距，即花鍵裝配中心0與電機(jī)軸（1)的旋轉(zhuǎn)中心之間的距離，心+mBS 3 2mc 連桿（6)在B點(diǎn)的等效質(zhì)量，m。為滑塊（9)、連桿（6)、接頭（7)和鎖定螺母（8)在C的等效 質(zhì)量。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其特征在于， 所述eQ=e:= 0? 5mm，花鍵齒數(shù) 70,經(jīng)等效后mB= 1. 7. 9kg，取k。= 0? 48,最終 得到內(nèi)花鍵組合（4)的設(shè)計(jì)參數(shù)1%=ljeekgAyii1.28mm，外花鍵組合（3)的設(shè)計(jì)參數(shù)：m0= 2. 610kg、y0=L5mm〇
【專利摘要】一種可調(diào)行程且自動(dòng)平衡慣性力的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，涉及機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，包括相連接的曲柄機(jī)構(gòu)與滑塊機(jī)構(gòu)，所述曲柄機(jī)構(gòu)中采用偏心花鍵配合代替轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)行程可調(diào)；本實(shí)用新型通過曲柄擴(kuò)大的曲柄滑塊結(jié)構(gòu)搭配花鍵配合，實(shí)現(xiàn)了滑塊可變的微幅往復(fù)行程，利用花鍵組合的幾何形狀和質(zhì)量分布的合理設(shè)計(jì)，使得機(jī)構(gòu)在任意調(diào)節(jié)往復(fù)行程時(shí)都能實(shí)現(xiàn)慣性力的部分平衡，該發(fā)明為微小往復(fù)行程的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供了完整的設(shè)計(jì)方法、具體結(jié)構(gòu)以及相關(guān)零件的質(zhì)量選擇方程。
【IPC分類】F16H21/20
【公開號(hào)】CN204677715
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520348888
【發(fā)明人】賈曉紅, 李坤, 索雙富, 王隆珂
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年5月26日