一種新型金屬薄板彎曲試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

馮建友

（山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院 太原）

在眾多機(jī)器和儀表中，有時(shí)需設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以滿足工況左右搖擺動(dòng)作的要求，有些場(chǎng)合還對(duì)擺動(dòng)角有精確的要求，本文的研究目的是完成金屬薄板彎曲試驗(yàn)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是常見(jiàn)的一種輸出擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)，但其擺動(dòng)角一般較小，當(dāng)工況要求的擺動(dòng)角超過(guò)180°時(shí)就不能滿足工程需求。為此，利用行星輪系機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大以及輸入與輸出轉(zhuǎn)向相同等傳動(dòng)特性，將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與增速行星輪系機(jī)構(gòu)串聯(lián)在一起，設(shè)計(jì)了一個(gè)大擺動(dòng)角機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在360°內(nèi)輸出任意大小擺動(dòng)角的功能，并將其成功應(yīng)用于金屬薄板彎曲試驗(yàn)機(jī)上。

一、大擺動(dòng)角的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

大擺動(dòng)角機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和增速行星輪系機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成，分別介紹2個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖1為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，繞A軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的曲柄AB驅(qū)動(dòng)連桿BC作平面運(yùn)動(dòng)，使搖桿CD繞D軸作擺動(dòng)角為Φ的擺動(dòng)。

圖1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿極限位置計(jì)算簡(jiǎn)圖

假設(shè)AB=l1、BC=l2、CD=l3、AD=l4，且l2=min{l2，l3，l4}，由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在條件[1]得：

當(dāng)曲柄與連桿重合時(shí)，搖桿擺到左極限位置[2]，此時(shí)搖桿位置角Φ1見(jiàn)式（3）。

當(dāng)曲柄與連桿共線時(shí)，搖桿擺到右極限位置，此時(shí)搖桿位置角Φ2見(jiàn)式（4）。

于是，曲柄回轉(zhuǎn)一周，搖桿的擺動(dòng)角見(jiàn)式（5）。

由文獻(xiàn)[1]可知，要保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好，連桿與搖桿所形成的傳動(dòng)角通常應(yīng)＞40°，當(dāng)曲柄與機(jī)架桿共線或重合時(shí)，如圖2所示，機(jī)構(gòu)出現(xiàn)最小傳動(dòng)角，于是得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的尺寸約束條件，見(jiàn)式（6），式（7）。

圖2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.增速行星輪系機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

行星輪系機(jī)構(gòu)也是一種常見(jiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸機(jī)械、起重機(jī)械、輕工機(jī)械和機(jī)床等的減速裝置中。行星輪系機(jī)構(gòu)具有體積小、工作平穩(wěn)、承載能力大、傳動(dòng)比大等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用了如圖3所示的增速行星輪系機(jī)構(gòu)，將繞軸D擺動(dòng)的轉(zhuǎn)臂CD作為主動(dòng)件，并在其軸E上活裝行星齒輪，行星齒輪與內(nèi)齒輪和太陽(yáng)輪同時(shí)嚙合，內(nèi)齒輪固定不動(dòng)，將與太陽(yáng)輪固定的軸F作為輸出軸。假設(shè)中心齒輪齒數(shù)為Z1，行星齒輪齒數(shù)為Z2，內(nèi)齒輪齒數(shù)為Z3，則該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為：

從機(jī)械效率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和外形輪廓尺寸等方面綜合考慮，傳動(dòng)比的取值范圍見(jiàn)式（9）。式（9）說(shuō)明，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)1圈，太陽(yáng)輪可以轉(zhuǎn)3～9圈，即增速行星輪系機(jī)構(gòu)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)角放大3～9倍。也就是說(shuō)，只須轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)角在 30°～120°，太陽(yáng)輪軸的擺動(dòng)角即可達(dá)到360°。

圖3 行星輪系機(jī)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖

由圖3還看出，作為輸出軸的軸F與主動(dòng)件轉(zhuǎn)臂CD的轉(zhuǎn)向是一致的。另外，行星齒輪與內(nèi)齒輪和太陽(yáng)輪同時(shí)嚙合，且內(nèi)齒輪與太陽(yáng)輪回轉(zhuǎn)軸線重合，于是有式（10）。

在本設(shè)計(jì)中，增速行星輪系機(jī)構(gòu)作為傳遞運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用，各構(gòu)件承受的載荷較小，故行星輪系中的行星齒輪只設(shè)置一個(gè)即可[3]。

二、金屬薄板彎曲試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

對(duì)于金屬?gòu)?fù)合板，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)其的層間結(jié)合力及其力性能做出準(zhǔn)確評(píng)估。為此，一般采用反復(fù)彎曲試驗(yàn)來(lái)對(duì)其層間結(jié)合力進(jìn)行評(píng)估，以其能夠承受的反復(fù)變異次數(shù)作為衡量其性能的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。反復(fù)彎曲試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：將試樣一端夾緊，然后繞規(guī)定半徑的圓柱形表面使試樣彎曲90°，之后向相反方向彎曲，如此反復(fù)進(jìn)行。

1.金屬薄板彎曲試驗(yàn)機(jī)工作原理

某金屬薄板彎曲性能測(cè)試儀器的工作原理是：對(duì)試樣實(shí)施反復(fù)90°彎曲變形，測(cè)得的彎曲次數(shù)作為評(píng)價(jià)試樣彎曲性能好壞的指標(biāo)，該儀器的工作機(jī)構(gòu)是由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)增速行星輪系組成的機(jī)械機(jī)構(gòu)，即將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿作為增速行星輪系機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂。設(shè)計(jì)時(shí)，取搖桿擺動(dòng)角Φ=60°，增速行星輪系的傳動(dòng)比i=1/3，即可實(shí)現(xiàn)該儀器輸出擺動(dòng)角180°，使試樣彎曲180°。

2.各構(gòu)件基本參數(shù)的確定

（1）行星輪系機(jī)構(gòu)的齒輪齒數(shù)設(shè)計(jì)。將i=1/3代入式（8）并與式（10）聯(lián)立，并取Z2=17，求得Z1=34，Z3=68。機(jī)構(gòu)主要傳遞運(yùn)動(dòng)，載荷較小，取齒輪模數(shù)m=2 mm，則轉(zhuǎn)臂最小長(zhǎng)度h=（Z1+Z2）m/2=51 mm，內(nèi)齒輪分度圓半徑r3=Z3m/2=68 mm。

（2）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)。取曲柄l1=30 mm，連桿l2=150 mm，Φ1=60°，由式（5）得，Φ2=Φ+Φ1=120°，將數(shù)據(jù)代入式（3）和（4）式得。

解此方程組得l3=138.5 mm，l4=65 mm。

（3）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的校核。將設(shè)計(jì)結(jié)果代入式（6）式（7）和式（5），計(jì)算得。

可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可以滿足傳動(dòng)條件和動(dòng)作要求。又有l(wèi)4=65 mm≥51 mm=h。說(shuō)明曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿作為增速行星輪系機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂，在結(jié)構(gòu)上是可行的。

3.主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)的反復(fù)彎曲試驗(yàn)機(jī)工作部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。

三、小結(jié)

用于金屬薄板反復(fù)彎曲試驗(yàn)的彎曲試驗(yàn)機(jī)，設(shè)計(jì)中采用了由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與增速行星輪系機(jī)構(gòu)串聯(lián)在一起構(gòu)成的輸出大擺動(dòng)角機(jī)構(gòu)，可以在360°內(nèi)輸出任意大小的擺動(dòng)角。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，大擺動(dòng)角機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。機(jī)構(gòu)也可應(yīng)用于其他有類似要求的工作場(chǎng)合。

圖4 反復(fù)彎曲試驗(yàn)機(jī)工作部分結(jié)構(gòu)示意圖

1 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2007

2 劉力紅.一種基于最佳傳動(dòng)角的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（4）：603－606

3 王許太.行星輪系設(shè)計(jì)條件研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，20（2）：48-50

4 曾敏.多層金屬薄板反復(fù)彎曲試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2015（1）：110-112