基于行程放大机构变异设计的研究*

陈 平

(邵阳职业技术学院，湖南 邵阳 422000)

1 引 言

机械行程放大机构的种类有多种，如：固定齿条+齿轮+可移动齿条的模式，移动齿条的输出位移放大为输入位移的2倍，采用齿轮连杆的模式，可将输出位移放大为输入位移的6倍，还可采用齿轮-连杆串连组合、采用复式滑轮组、采用凸轮机构等模式来实现行程的放大。

但通常情况下，这些基本机构只能满足工作机构行程放大的要求而不能实现特定的运动规律，因此，实际应用中必须与其它机构进行组合、变异设计才能满足特定的工作要求。

2 行程放大机构的变异设计方案[1]

凸轮机构中，推杆的位移-转角即S-δ曲线可粗略地表示为如图1所示。

如果直接采用凸轮机构肯定可以满足工作要求，但试设计表明，在滚子直径为22mm,且满足许用压力角≤30°的条下:

(1) 采用盘形凸轮时,其滚子中心轨迹的最小半径尺寸约为500 mm，外圆直径约为1 042 mm,压力角为29.746°。

(2) 采用圆柱形槽凸轮时,若滚子的宽度选为10 mm,则其滚子中心槽底圆柱的最小半径尺寸约为390 mm,外圆直径约为800 mm，压力角为29.397°。

以上结果表明：如果直接采用凸轮机构肯定可以满足工作要求，但结构尺寸较大，给加工带来困难，也大幅提高了生产成本，在很多情况下，还难以满足安装要求，因此，必须对基本的行程放大机构进行组合、变异设计。

图1 S-δ曲线

根据安装空间及试设计结果，我们选定如下3种设计方案：

(1) 方案一：凸轮机构+固定齿条+齿轮+可移动齿条，该方案由凸轮机构控制运动规律，其放大机构由3级固定齿条+齿轮+可移动齿条的模式串连组合而成，其设计原理图如图2所示。

该放大机构每级放大2倍且与齿轮齿数无关，而本原理图上采用了3级放大，因此，若设凸轮的升程为h,则：h=190/23=23.75 mm，这样就大大减小了凸轮的升程和外形尺寸。实际设计结果为：基圆直径29.146 mm,最大外圆直径105.5 mm, 压力角为29.116°，其最大外圆直径大约只有不组合时的1/10。

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图2 设计方案一原理图

(2) 方案二：若将上述设计方案一中的“固定齿条+齿轮+可移动齿条”的基本行程放大型式再进行一次如图3所示的衍生变异设计，则可进一步简化设计方案一的传动链，其原理图如图3所示。

图3 设计方案二原理图

此方案的核心是：小齿轮4与大齿轮6同轴且其齿数之比为1：7，小齿轮4与固定齿条5啮合，大齿轮6与移动齿条7啮合，当推杆3移动x(mm)时，则小齿轮4在移动x(mm)的同时也转过x(mm)的弧长,而大齿轮6则转过7x(mm)的弧长，这样即可实现：输出推板8的位移为凸轮升程的8倍的数量关系了，其余设计、计算与设计方案一相同。

(3) 方案三： 凸轮机构+曲柄滑块机构，该方案由凸轮机构控制运动规律，其行程由曲柄滑块机构决定，其设计原理图如图4所示。

此方案的核心是：将推杆3做成齿条，这样就将推杆3的移动转换成齿轮4的转动了，曲柄5与齿轮4固化在一起，只要将曲柄5的长度设为95 mm，即可实现190 mm的行程要求。为了安装、计算上的方便，采用对心曲柄滑块机构，而其运动规律则由凸轮

机构来控制。

如果凸轮的升程=推杆3的位移=齿轮4的分度圆周长的一半，则在推程中，齿轮4转动180°，对心曲柄滑块机构的曲柄也转动180°；在回程中，齿轮4转动180°，对心曲柄滑块机构的曲柄反向转动180°，这样即可实现凸轮旋转一周，对心曲柄滑块机构也完成一个工作周期的要求。

图4 设计方案三原理图

如果凸轮的升程=推杆3的位移=齿轮4的分度圆周长，则在推程中，齿轮4转动360°，对心曲柄滑块机构的曲柄也转动360°；在回程中，齿轮4转动360°，对心曲柄滑块机构的曲柄反向转动360°，这样即可实现凸轮旋转一周，对心曲柄滑块机构完成2个工作周期的要求。

总之，只需将上述关系进行适当修改，还可衍生出更多的符合特殊要求的放大机构来。

3 结 论

(1) 从传力方面而言，设计方案二、三比设计方案一更合理，因为设计方案一传动链较之设计方案二，三要长，摩擦阻力要大一些，传动效率要低一些。

(2) 从满足特殊运动规律而言，则设计方案三比设计方案一、二更合理，因为设计方案三中：只需将凸轮的升程、推杆3的位移、齿轮4的分度圆周长之间的关系根据特定的要求进行适当的修改即可实现。

因此，在行程放大机构设计中充分利用一些基本的机械行程放大机构，再根据具体的条件进行适当的组合，变异设计就能满足特定的工作要求。

参考资料：

[1] 成大先.机械设计手册(第1卷)[M].北京:化学工业出版社,2002.