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1.2曲柄群驱动装置的简介
曲柄群驱动装置的一般形式如图1-4所示,图中各曲柄与各传动轴相连,其连杆为一个整体。
由图1-4可以看出,曲柄群驱动装置在工作时,可通过曲柄驱动各个传动轴同步等速转动;
装置在运动中会有不平衡的问题,需对其平衡问题进行研究;
作为连杆形式的驱动机构,运动中不适合重载;
各曲柄之间必须是平行关系,易产生超静定问题。
图1-4曲柄群驱动装置的一般形式
像图1-4中的曲柄群驱动装置如果加工精度不够就容易出现超静定问题,因为其连杆为一个整体,无法进行调节。
在本文的设计中,就会对曲柄群驱动装置进行可组装的单元化设计,也就是将整个连杆架进行单元化,并使其可以方便组装和调节,以便在安装时通过调节连杆的长短来保证各曲柄之间的平行度,解决超静定和运动的可行性问题。
1.3安装调试说明
1.3.1安装调试
此机构在设计制造完成后需经过专门的安装调试才能正常使用。
(1)调整机构的水平度
在箱体上便面放置一水平仪,然后根据水平仪的指示,调整六个地脚螺钉,以此使得整个机构的水平度符合要求。
(2)调整机构的平衡度
先根据设计要求及现场目测,放置一定重量的平衡块,然后根据平衡快来调节机构的平衡度。
1.3.2日常保养
定期为轴承座及各旋转轴部分加入润滑油,检查各紧固件是否有松动,以及键和轴是否磨损,以便及时修复或更换。
第二章设计步骤及标准件的设计选用
2.1曲柄群驱动装置的特点
曲柄群驱动装置有如下几个特点:
(1)可以驱动多个需要同步等速转动的平行轴运动,速度可以是低速或中高速,但不能够传递重载。
曲柄群驱动装置是由一系列平行四边形机构组成的平面连杆机构,所以其每个曲柄均可同步转动,又由于每个曲柄和一个轴相连,所以其最终可以通过一个轴的转动,驱动多个平行轴同步转动。
为了减轻曲柄群驱动装置运动中的惯性问题,所以其杆件将被设计成轻质或空心的,所以曲柄群驱动装置适合于传递轻载的场合,这也符合其初衷,因为对此机构的设计和研究就是想将其应用于包装、取盒等轻工机械。
虽然曲柄群驱动装置不能适应重载,但如果对其的平衡问题进行研究后,对于其工作转速的限制将不会很大,也就是其可以应用于低速场合,也可应用于中速场合。
(2)总体结构比较简单,容易维护。
曲柄群驱动装置由平行四边形机构组成,其不仅原理简单,结构也简单紧凑,零件也较少,只有曲柄、连杆及一些辅助支撑零件等等,且曲柄和连杆均安装在要驱动的平行轴的最端部,所以其维护也比较方便。
(3)本文对曲柄群驱动装置进行了可组装单元化设计,使机构适用性更强,方便运用于多种场合,且便于拆卸和组装。
在不同的场合下,可能要驱动的各个传动轴的位置不一样,多少不一样,而且各传动轴的尺寸也不完全一样,但曲柄群驱动装置都可以方便的应用。
因为本文会对曲柄群驱动装置的零件设计一系列的基础参数,制定不同的标准尺寸,所以对不同尺寸的传动轴选用不同的曲柄及其它零件就可以了;
对于传动轴的距离,可以方便的设计并调节连杆的长短,以适应不同的场合;
关于传动轴的数量,有多少个传动轴就选用多少个曲柄,给每一个传动轴上安装一个曲柄。
为了使曲柄群驱动装置不会过于冗余,所以给每个曲柄上连接的连杆数不宜过多。
(4)采用可调节的配重方法,使该机构运动中的惯性力趋于平衡,优化其动力学性能,减少运动中的振动问题。
为了使曲柄群驱动装置在运动过程中的惯性力趋于平衡,本文给每个曲柄上专门设计了一个平衡质量块,且可方便的调节其与传动轴之间的距离以更好的平衡惯性力,平衡质量块和曲柄的连接和拆卸也很方便,其是通过螺栓固定在曲柄上的。
根据曲柄大小的不同,平衡质量块的大小也不一样,本文也对平衡质量块的尺寸设计了一系列标准,使其方便选取和应用。
为了更好的平衡,本文还给连杆上设计了一些可方便安装和拆卸的平衡阻尼块,以达到整个系统平衡的目的。
(5)曲柄群驱动装置如果各曲柄不平行,则会存在超静定问题,所以在其安装中要保证各曲柄的平行度,这个可以通过调节连杆的长短来实现。
2.2可组装单元化的设计思想
为了推动曲柄群驱动装置的应用和发展,就必须使其方便应用于多种场合,这就要求其不仅方便安装和拆卸,同时也要满足不同传动轴尺寸的要求,因此必须对曲柄群驱动装置进行可组装设计,使其方便应用和维护,然后对其进行单元化设计,使其形成系列化产品,适合应用于各种不同的传动轴上,不管传动轴的多少和距离的远近其都可方便的应用,从而推动其向机械基础零部件的迈进与发展[41]。
所以曲柄群驱动装置的可组装单元化设计的基本思想有以下三点:
(1)组装方便,安装容易,不管是曲柄和传动轴的连接还是连杆和曲柄的连接都要保证其安装的容易性,由于曲柄群驱动装置一般会有较多的曲柄和连杆,所以易安装的同时还要保证其不容易发生干涉,先装上的零件不会影响后续要安装的零件;
(2)拆卸和维护简单,从设计开始,就要对各零件之间的连接尽可能的采用可拆卸连接,为曲柄群驱动装置的维护和易用性打好基础;
(3)使曲柄群驱动装置形成系列化产品,即对于不同的场合其应用也要方便,主要体现在对于不同大小的传动轴设计不同的曲柄,对于不同的传动轴距离也有不同的连杆进行选择,并同时满足载荷和环境的要求。
鉴于上述可组装单元化设计的基本思想,本文从曲柄和连杆的设计出发进行方案的提出。
曲柄群驱动装置的主要构件为曲柄和连杆,其余均为一些辅助零件,如轴承、连接轴等等。
对于一个已知的要进行驱动的多个传动轴,其要求的转速均相同,故其直径也不会相差太大或者基本相同,所以可以选其中间值作为参考,先来确定曲柄上轴孔的大小。
曲柄的轴孔大小确定后,就可据此设计曲柄的大小及其各种特征的尺寸,其中包括曲柄的厚度、长短等等。
曲柄设计完成后,再进行连杆的设计,连杆的长度主要取决于各传动轴之间的距离,此处对连杆的设计主要是指其截面尺寸的设计,为了减轻连杆的质量,可以对其采用空心结构,空心连杆薄壁厚度的确定一方面要考虑其传递载荷的大小,另一方面也要考虑其长度。
当曲柄和连杆的设计均完成以后,就可以确定一些辅助零件的结构和尺寸,如对曲柄和连杆之间的连接装置进行设计。
所有设计完成之后,最后要对设计的产品进行校核和检验,看其是否满足各方面的要求,如是否干涉、是否满足强度的要求等等[42]。
其主要的方案设计思路总体可概括为:
(1)对一具体的问题,根据各传动轴的轴径确定曲柄的轴孔直径d;
(2)根据相关标准和曲柄的轴孔直径d设计曲柄其余几何特征的相关结构和尺寸;
(3)由各传动轴的距离确定连杆的长短,再结合需要传递的载荷设计连杆的横截面尺寸及其壁厚;
(4)选择和确定辅助零件的型号和尺寸;
(5)校核和检验设计结果。
2.3可组装的技术难题及解决办法
要对曲柄群驱动装置进行可组装单元化设计,虽然在上文中我们已经得到了其基本流程,但对于其具体的实施还是有一系列技术难题的,主要表现在:
(1)由曲柄群驱动装置的一般形式我们可以知道,一个曲柄上要连接的连杆往往是多个的并不是一个,具体一个曲柄上要连接的连杆个数是和曲柄所处的位置有关的,这就使曲柄和连杆的可组装有了一定的难度和不确定性;
(2)同一个曲柄上连接的各个连杆的方位事先也无法知道,这都要取决于各传动轴的位置,而且为了方便连杆的安装,所有连杆必须在同一个平面上,这些都给曲柄和连杆之间的连接装置的设计带来了一定的难度;
(3)组装曲柄群驱动装置时,必须保证各曲柄之间是同相位的,也就是说各曲柄之间是要具有平行的关系的,至少要保证各曲柄之间有一定的平行度,这就给曲柄群驱动装置的安装造成了困难。
鉴于以上可组装单元化设计的技术难题,本文拟采取的解决办法如下:
(1)为了使曲柄和连杆的连接具有一定的确定性,我们给每一个曲柄上只安装两个或者三个连杆,这样就会使所需连杆数减少,方便后续的设计,若通过这种方法使各连杆组成的连杆架刚度不能达到要求,可以后续再考虑给某些连杆之间增加一些加强性的连杆;
(2)确定了每个曲柄上最多安装三个连杆后,在设计曲柄和连杆之间的连接件时,就给其设计三个连接脚用来安装三个连杆,当各连接脚在同一平面上而且可以自由转动时,连杆方位不确定且要在同一平面上的问题就迎刃而解了,把连杆安装到连接脚上后,再固定连接脚,那么连杆也就随之固定了;
(3)若各曲柄之间的连杆长度可以方便的调节,那么就较容易保证各曲柄之间是平行的或者是同相位的。
因为当有两个曲柄不平行时,如果把其之间的连杆长度调整到和这两个曲柄的轴孔之间的距离一样时,那么这两个曲柄自然也就平行了。
对于连杆长度的调节,本文设计的方案是通过调整曲柄和连杆之间连接装置的连接脚和连杆的重叠部分的长度来调节的,由于连杆本身是空心的,连接脚会嵌套在里面,所以这种调整方法也是非常容易实现的。
2.4基本参数的选择
关于基本参数的选择,在此需要考虑两方面的因素。
一方面是需要运用曲柄群驱动装置进行驱动的传动轴的轴径的大小,因为此轴径的大小将决定曲柄的轴孔大小,然而曲柄轴孔的大小将最终影响曲柄的整体设计;
另一方面就是各传动轴之间的距离,因为传动轴之间距离的远与近将会决定连杆横截面尺寸的选择。
综合以上两方面的因素,我们选取曲柄的轴孔直径和连杆的横截面尺寸作为曲柄群驱动装置的基本参数,当这两个参数确定以后,零件其余的尺寸便容易选取和设计了,下面来分别讨论曲柄的轴孔直径和连杆的横截面尺寸这两个基本参数的选择问题。
(1)曲柄的轴孔直径
对于曲柄轴孔直径的选择,要尽量使其满足标准数,符合国家标准。
本文通过参照现在文献对曲柄的研究和设计,再结合曲柄群驱动装置的实际工作要求,设计其轴孔直径参数如表2-1所示。
表2-1曲柄的轴孔直径
Tab2-1Theshaftholediameterofcrank
第一系列d(mm)
12
16
20
24
28
30
32
36
第二系列d(mm)
14
15
18
22
25
26
34
35
表2-1列出了曲柄上轴孔直径的部分取值,对于轴孔的设计,优先选取表2-1中的第一系列的值,当第一系列的值不能满足实际要求时,再选取表中第二系列的值。
对于曲柄而言,如果其轴孔的直径相同,那么其就是同类型号的曲柄,对于同类型号的曲柄,之后可以再根据其外形尺寸的不同设计几种同类型号下不同具体型号的曲柄。
对于一个具体的曲柄群驱动装置而言,一定要选用同类型号的曲柄,不过可以根据实际情况选取同类型号下的不同具体型号的曲柄。
(2)连杆的横截面尺寸
连杆的横截面尺寸的大小取决于传递的动力大小和所需连杆的长度,也就是受连杆承受的载荷和传动轴之间距离远近的影响,综合考虑这些因素,并参考一定的标准,对连杆的横截面尺寸的取值如表2-2所示。
表2-2连杆横截面尺寸
Tab2-2Crosssectiondimensionsofconnectingrod
横截面的长a(mm)
40
横截面的宽b(mm)
5
6
8
10
表2-2列出了连杆横截面尺寸的部分取值,设计连杆时可以参照选取。
对于相同的长,可以选择不同的宽,同样对于相同的宽,也可以选择不同的长,这些都由具体的实际情况决定,如考虑强度是否满足要求,运动中是否干涉等等。
对于连杆而言,如果其截面有相同的长和宽,那么其就是同类型号的连杆,对于同类型号的连杆,之后可以再根据其壁厚和长度等的不同设计出多种同类型号下不同具体型号的连杆,和曲柄一样,对于一个具体的曲柄群驱动装置,其当然要选用同类型号的连杆,不过一般不是同类型号下的同一种连杆,因为曲柄群驱动装置中所需的各个连杆其长度一般是不相同的。
在对曲柄群驱动装置的基本参数进行确定以后,就可以根据这些基本参数对其设计一定的型号,如对曲柄而言,轴孔直径为12mm的就是一个型号,直径为20mm的就是另外一个型号,对于连杆也是一样的,之后就可以再通过它们的型号确定与它们配合的其余辅助零件的型号了。
2.5设计步骤
(1)箱体框架的设计及尺寸
曲柄群驱动装置进行三维样机设计所要用的箱体设计如图4-13所示,图a)是箱体的三视图,并给出了部分结构尺寸,图b)为箱体的三维效果图。
对于箱体的结构设计,设计了五个传动轴的安装位置,用于后续五曲柄群驱动装置的安装。
箱体的前后壁用来支撑传动轴,传动轴的轴向固定是通过给前后壁上安装轴承端盖来固定,箱体左右也各设计了一定高度的箱体壁,是为了加强前后壁的连接以提高箱体的整体强度和刚度,因为曲柄群驱动装置在运动中会有不平衡的问题,所以要保证箱体的强度,箱体固定可以通过地脚螺栓固定在地面上。
对于箱体的结构尺寸设计,主要是参考上述对曲柄进行单元化结构设计中所取的参数,保证五个曲柄在运动时不会和箱体产生干涉,并且使箱体尺寸和五曲柄群驱动装置的尺寸相协调。
箱体部分结构尺寸如图所示,其总高为720mm,总长为1220mm,总宽为420mm。
图a)箱体三视图
图b)箱体三维效果图
图4-13箱体设计图
2.6平衡质量块的设计
平衡质量块是单独装在曲柄上的,通过螺钉固定在曲柄上。
装平衡质量块的目的在于调节旋转力的轻重,利用平衡质量块转动过程的切向分速度产生的惯性来越过死点,以达到保持机构转动连续平稳。
平衡质量块的尺寸:
厚度为4;
长为90;
宽为70;
圆角为R5。
如下图为平衡质量块的具体尺寸:
2.7驱动轴的设计
根据整个机构的运动类型,对轴进行设计。
(1)选择轴的材料
选择轴的材料为45钢,经调制处理硬度为HRC40-45。
(2)计算轴径
由手册公式及工作环境所需,选轴径为:
L=φ360mm;
L1=φ31mm;
L2=φ25mm;
L3=φ24mm;
L4=φ20mm;
L5=φ15mm。
具体尺寸如下图:
(3)校核轴径
由于轴的参数之类均是常用时所规定的,所以只需要外在所施加的力在轴的承载能力在范围内即可,没有特别的指定。
由于实际需要,五根轴的其中一根需左右尺寸相等。
2.8轴承的选用
根据轴的工作情况及其他要求,这里选用型号为6002[GB/T276-94]
内径15
外径32
宽度9
基本额定动负荷Cr(KN):
5.58
基本额定静负荷Cr(KN):
2.58
2.9轴承端盖的选择
轴承端盖的选用是根据轴承而定的,
所以轴承端盖的具体尺寸如下图:
外圆直径φ=40
内圆直径φ=22
壁厚2
螺钉孔φ=4
端盖厚度4
2.10曲柄的设计
曲柄是要和各传动轴相连的,所以要先选取曲柄轴孔的大小,假设曲柄轴孔的孔径为d,那么其结构设计的其余主要参数均可以d为参考进行选取和设计,本文中曲柄群驱动装置上的曲柄其基本结构和尺寸参数设计如图2-1所示,曲柄为左右对称的结构,图中给出了两个视图,左边为正视图,右边为剖面视图。
由图2-1我们可以看出,当选取了曲柄轴孔的孔径为d后,其轴孔处的凸台外径取为2d,凸台和曲柄的总高度设计为1.5d,曲柄厚度取0.4d。
曲柄下端的集中质量体设计成弧形,圆心与曲柄轴孔的圆心重合,对应的圆心角为150º
,其半径为5d;
下端集中质量体与曲柄上端之间的圆角半径设计为d;
集中质量体上预留了两个孔,是为后续安装平衡质量块而设计的。
曲柄上端的宽度设计为2.5d,长度为5d,其最上端有一个轴承座,轴承座的大小参考曲柄的宽度进行设计,其外径不能超过曲柄的宽度,具体设计时再根据选取的轴承进行确定。
图2-1中对轴承座中的轴承的固定方式采用了轴承端盖,所以预留出了螺纹孔,由于此处轴承所受轴向力不是很小,所以在实际中的某些场合也可以将此处的轴承端盖设计成弹性挡圈。
曲柄轴孔直径同为d的是同一类型号的曲柄,之后可以再设计不同具体型号的曲柄,图2-1中就给出了一种具体型号曲柄的一组参数设计关系。
设计不同具体型号的曲柄时,可只改变图2-1中一个参数,如只改变其厚度,若要改变多个参数,其个数不宜过多。
曲柄设计的其余细节可以后续确定,如部分圆角和倒角等。
曲柄轴孔处的键槽参照国家标准选取,上述结构尺寸之间的数量关系最后要根据实际情况进行调节以达到最佳,符合各方面的要求,曲柄的孔径值d的选取参照表2-1中的值
2.11联轴器的选用
轴系零件的设计比较简单,技术也相对成熟,可参照国家标准也较多,图中直径相同的两处轴径是用来安装轴承的,其尺寸根据所选轴承确定,当选定了轴承之后,它们的直径就随之确定了,两个轴承之间的轴肩高度也就可依标准选取。
各尺寸如下:
L1=9;
L2=3;
L3=9
L4=25;
L5=15;
L1直径=φ15;
L2直径=φ15
L3直径=φ14
L4直径=φ12
2.12连接件的设计
(1)连接件1
连接两连杆并调整位置关系的件,由于位置不同,所以连接件需要特殊设计,
(2)连接件2
(3)连接件3
2.13连杆的设计
连杆的结构设计较为简单,本文所设计的连杆为空心矩形结构,其基本结构和尺寸参数如图,连杆的基本参数有三个,分别为其截面的长、宽和厚度。
由于实际需要多种连杆并且尺寸不一,所以具体尺寸如下图。
(1)连杆1
总长L=192;
宽=25;
厚度=12;
壁厚=1.5;
(2)连杆2
总长L=300;
宽=25;
壁厚=1.5
(3)连杆3
总长L=184;
(4)连杆4
总长L=241;
宽=24;
(5)连杆5
总长L=235;
壁厚=1.5
(6)连杆6
总长L=190;
(7)连杆7
总长L=250;
第三章研究总结
本文在对连杆机构和传动机构研究的基础上提出了一种曲柄群驱动装置,其可用来驱动一系列平行轴同步等速转动,成本低廉且方便可靠,可用于低速或中高速的轻载传动。
文中介绍了曲柄群驱动装置的运动原理,其本质为多曲柄的平面连杆机构,由一系列平行四边形机构组成,这也决定了其运动特点,就是各曲柄在运动中作同步的匀速转动,而连杆则作平动。
为了使曲柄群驱动装置的应用走向实用化,并方便应用于多种不同的场合,本文做了如下几方面的工作:
(1)研究了曲柄群驱动装置的可组装单元化设计流程,对其主要零部件的基本参数进行选择,选择了曲柄的轴孔直径和连杆横截面尺寸作为基本参数,并给出了参数值表;
之后对各零部件的结构进行设计,并给出了各零件尺寸的选取依据;
最后在保证曲柄群驱动装置在可方便组装与拆卸的条件下,使其成为系列化的产品,方便适用于多种场合和多种待驱动的传动轴。
(2)分析和考虑曲柄群驱动装置运行中的静平衡和动平衡问题。
对于静平衡问题,运用配重法对机构运动中的惯性力进行平衡,并根据曲柄的大小设计一系列的平衡质量块与曲柄配合安装,同时也给连杆设计一系列方便安装和拆卸的平衡阻尼块,最终将它们结合起来使机构在运动过程中尽可能的达到静平衡状态,并进行了算例分析,以尽量消除惯性力对机构运动的影响;
对于动平衡问题进行了初步探讨,给出了一些可减弱曲柄群驱动装置在运动中惯性力矩的措施和方法。
(3)设计了一套曲柄群驱动装置的单元化构件,并通过对单元化构件的装配和仿真,确认了各构件设计的合理性,之后通过曲柄群的拼接,装配了一个五曲柄群驱动装置的三维样机,通过对样机进行动态仿真,验证了曲柄群驱动装置结构设计的合理性与机构在运动过程中的相关运动特性,最终检验了其作为驱动装置性能基本可以符合实际工作中的要求。
本文通过对曲柄群驱动装置的可组装单元化设计和研究,提出了曲柄群驱动装置的概念,丰富了机械产品中传动机构的理论,促进曲柄群驱动装置理论的形成和技术的发展,为样机试制打下了基础,为其演变成机械基础驱动部件做了相应工作,同时也推动了我国机械行业的创新性。
致谢
本文是在刘言松老师的指导下完成的,论文的选题来源于导师的国家自然科学基金项目。
在论文的完成过程中,刘老师给我做了很多的指导,包括对课题研究思路的提出及确定,以及后续对论文具体方案的实施。
刘老师学识渊博,在他的指导过程中我学到了许多知识,同时也学习到了刘老师在做人和做事的态度和思想方法,这对我的课余学习和生活都有很大的指导意义,并对我人生的做人态度和发展规划有了一定的启迪作用,在此感谢刘老师对我的指导与帮助。
还要感谢在我大学阶段给我授过课的老师,他们不仅教会了我完成学业所要具备的基础知识和专业知识,同时也在我的成长中给我提供了学习和生活的经验。
感谢我的家人多年来对我的支持和理解,有了他们的关心与陪伴,才坚定了我走向成长的步伐。
感谢我的舍友对我在学习的支持与肯定,感谢他们对我的信任和包容。
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