CN104847859A

CN104847859A - 一种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构

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Publication number: CN104847859A
Application number: CN201510275453.XA
Authority: CN
Inventors: 李坤; 贾晓红; 索双富; 王隆珂
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: CN104847859B

Abstract

一种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构，涉及机械传动领域，包括相连接的曲柄机构与滑块机构，所述曲柄机构中采用偏心花键配合代替转动副，实现行程可调；本发明通过曲柄扩大的曲柄滑块结构搭配花键配合，实现了滑块可变的微幅往复行程，利用花键组合的几何形状和质量分布的合理设计，使得机构在任意调节往复行程时都能实现惯性力的部分平衡，该发明为微小往复行程的机械传动机构提供了完整的设计方法、具体结构以及相关零件的质量选择方程。

Description

一种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构

技术领域

本发明涉及机械传动领域，特别涉及一种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构。

背景技术

曲柄滑块机构因能将圆周运动转变为周期性的往复直线运动被广泛应用于工业的各个领域。对于要求高速、行程可调的微幅往复运动(如研究往复密封中活塞启动瞬间密封圈的力学特性)，就无法采用常规的曲柄滑块结构。但是，相对于液压或者气压传动的直线机构，曲柄滑块更加环保、负载特性稳定且驱动系统设计更为简单，特别是高速特性更加准确；相对于直线电机和激振器，曲柄滑块机构造价更为便宜。因此需要对曲柄滑块机构进行重新设计，以实现更加经济、环保地实现高速、行程可调的微幅往复运动。

对于微幅的直线运动，通过将曲柄的转动副扩大来实现，曲柄转动副偏心距的2倍就是滑块的行程(考虑转动副的间隙，直线行程的测量在滑块处)，也是理论上最终获得微幅往复直线运动的振幅；如果再需要对滑块的行程进行调节，结构设计比较复杂。此外，对于高速工况，需要进行机构的动平衡整定，以消除惯性力的影响。通常做法是在曲柄的反向延长线上增加平衡质量，实现机构的一阶惯性平衡(更高阶惯性力很小，工程中往往忽略)。但是，为了平衡惯性力，若每次曲柄长度的调节都得重新设计平衡质量或者采用对称机构，这样既费时又浪费资源。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构，通过任意调节曲柄长度，实现行程调节的同时，机构本身都能依靠零件的几何关系和质量分布自动实现机构一阶惯性力的平衡。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构，包括相连接的曲柄机构与滑块机构，所述曲柄机构中采用偏心花键配合代替转动副，实现行程可调。

所述偏心花键配合为内花键组合4与外花键组合3的配合，其中，外花键组合3由偏心外花键3-1和外花键平衡套3-2装配而成，内花键组合4由偏心内花键4-1和两个内花键平衡套4-2装配而成，内花键组合4与外花键组合3之间通过偏心内花键4-1与偏心外花键3-1配合实现连接，并以偏心外花键3-1的内孔定位通过平键2安装在电机轴1上，轴承5的内圈安装于偏心内花键4-1上，由此构成曲柄机构，连杆6安装于轴承5的外圈上。

所述轴承5与连杆6之间设置挡片13，实现轴承5的轴向固定。

所述滑块机构包括机架10和位于机架10中的滑块9，滑块9通过接头7和锁定螺母8与连杆6连接。

所述内花键组合4与外花键组合3的几何形状及其质量分布，满足方程m_Iy_I＝e_Ik_Cm_C以及m_O(y_O-e_O)＝e_O(k_Cm_C+m_I)，其中，O点为组合4与外花键组合3的花键装配中心，A点电机轴1的转动中心，B为曲柄机构和连杆6组成的转动副的旋转中心，m_I为内花键组合4的质量，m₀为外花键组合3的质量，y_I为内花键组合4的质心到花键装配中心O的距离，y_O为外花键组合3的质心到花键装配中心O的距离，e_I为内花键组合4的偏心距，即花键装配中心O与曲柄机构的转动副的旋转中心之间的距离，e_O为外花键组合3的偏心距，即花键装配中心O与电机轴1的旋转中心之间的距离，m_B为连杆6在B点的等效质量，m_C为滑块9、连杆6、接头7和锁定螺母8在C的等效质量。

与现有技术相比，本发明实现了行程可调的微幅往复运动，同时能够使机构的惯性力自动得到平衡。

附图说明

图1为本发明的结构实现曲柄长度可调的设计原理图。

图2为本发明的结构实现自动部分平衡惯性力的设计原理图。

图3为本发明的结构的装配图。

图4为图3的横向剖视图(去除部分零件)。

图5为本发明的结构中偏心外花键组合的装配图。

图6为图5的横向剖视图。

图7为本发明的结构中偏心内花键组合的装配图。

图8为图7的纵向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明设计要点如下：

1、实现曲柄长度可调

为了得到滑块行程可调的曲柄滑块机构，将曲柄拆成内、外花键组合，如图1所示的设计原理，花键每旋转一个齿即对应一个曲柄长度，实现曲柄长度的调节。其中O为花键的装配中心，A为曲柄和支架组成的转动副的旋转中心(也为电机轴1的转动中心)，B为曲柄机构和连杆组成的转动副的旋转中心。

曲柄的长度可以表达为：

l_{A B} = \sqrt{e_{I}^{2} + e_{O}^{2} - 2 e_{I} e_{O} c o s &angle; A O B}

则滑块的行程S＝2l_AB∈[2|e_O-e_I|,2(e_O+e_I)]

2、实现任意位置的动平衡

如图1，通过质量等效，将杆件的质量等效到A、B、C三点上，按照惯性力部分平衡原理，在连杆BA的延长线上增加质量块m_E2，使得滑块C的替代质量的惯性力平衡：

m_{E 2} r_{E 2} = (\frac{1}{3} ~ \frac{1}{2}) m_{C} l_{A B}

B处的替代质量的惯性力也在连杆BA的延长线上增加质量m_E1进行平衡：

m_E1r_E2＝m_Bl_AB

如图2所示：∠BAO＝θ，∠ABO＝α，外花键的质心在M_O处，距离装配中心O为内花键的质心在M_I处，距离装配中心O为满足：

其中：

k_{C} = (\frac{1}{3} ~ \frac{1}{2}) + \frac{m_{B}}{m_{C}},

按照图2的坐标系，将代表上述原理质量-半径积方程展开为x,y两个方向的代数方程：

\{\begin{matrix} m_{O} (y_{O} - e_{O}) \cos θ + m_{I} ((y_{I} + e_{I}) \cos α - l_{A B}) = k_{C} m_{C} l_{A B} & (1) \\ m_{O} (y_{O} - e_{O}) \sin θ - m_{I} (y_{I} + e_{I}) \sin α = 0 & (2) \end{matrix}

同时，质心位置满足几何方程：

\{\begin{matrix} l_{A B} = e_{O} c o s θ + e_{I} c o s α & (3) \\ \frac{e_{I}}{e_{O}} = \frac{s i n θ}{s i n α} & (4) \end{matrix}

将式(3)代入到式(1)中，将式(4)代入(2)中，则上述的方程组可以表示为以下的等价形式：

\{\begin{matrix} m_{O} (y_{O} - e_{O}) c o s θ + m_{I} (y_{I} + e_{I}) c o s α = e_{O} (k_{C} m_{C} + m_{I}) c o s θ + e_{I} (k_{C} m_{C} + m_{I}) c o s α & (5) \\ \frac{e_{I}}{e_{O}} = \frac{\sin θ}{s i n α} = \frac{m_{I} (y_{I} + e_{I})}{m_{O} (y_{O} - e_{O})} & (6) \end{matrix}

为了满足任意位置，都能满足部分平衡原理，式(5)在任意角度都能满足，则：

\{\begin{matrix} m_{O} (y_{O} - e_{O}) = e_{O} (k_{C} m_{C} + m_{I}) \\ m_{I} (y_{I} + e_{I}) = e_{I} (k_{C} m_{C} + m_{I}) \end{matrix} - - - (7)

式(7)也能满足式(6)

最终方程组能等价为式(7)的简化形式：

\{\begin{matrix} m_{I} y_{I} = e_{I} k_{C} m_{C} & (8) \\ m_{O} (y_{O} - e_{O}) = e_{O} (k_{C} m_{C} + m_{I}) & (9) \end{matrix}

e_O、e_I、k_C、m_C为已知参数，利用三维设计软件调节内花键组合的几何形状和增减质量块使得内花键的质量-半径积满足方程(8)，得到参数m_I，则按照式(9)通过调节内花键的几何形状和增减质量设计外花键组合。

3、典型机构

图3～图8的机构应用于研究活塞启动瞬间密封圈的力学特性。即，偏心花键配合为内花键组合4与外花键组合3的配合，其中，外花键组合3由偏心外花键3-1和外花键平衡套3-2装配而成，内花键组合4由偏心内花键4-1和两个内花键平衡套4-2装配而成，内花键组合4与外花键组合3之间通过偏心内花键4-1与偏心外花键3-1配合实现连接，并以偏心外花键3-1的内孔定位通过平键2安装在电机轴1上，轴承5的内圈安装于偏心内花键4-1上，连杆6安装于轴承5的外圈上，由此构成曲柄机构。其中轴承5与连杆6之间设置挡片13，实现轴承5的轴向固定。

而滑块机构包括机架10和位于机架10中的滑块9，滑块9通过接头7和锁定螺母8与连杆6连接。滑块机构与曲柄机构通过销轴11和弹性卡圈12固定，最终形成曲柄滑块机构。

据研究表明，密封圈在数十微米的行程内达到材料弹性变形的极限，之后密封圈与轴发生滑动。所以，需要满足的设计需求有：活塞行程在几十微米内可调；同时需要研究往复运动的频率对密封圈力学特性的影响，频率范围5Hz～50Hz。

设计参数：e_O＝e_I＝0.5mm，花键的齿数70；经等效后m_B＝1.22kg，m_C＝7.9kg，取k_C＝0.48。

利用三维设计软件，按照式(8)设计内花键：m_I＝1.466kg、y_I＝1.28mm，如图5和图6，为了利于加工性要求，最终采用图5和图6的外花键组合；代入式(9)进而得到外花键的设计参数：m_O＝2.610kg、y_O＝1.5mm，同样的方式进行外花键组合的设计，得到图7和图8的内花键组合。

Claims

1.一种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构，包括相连接的曲柄机构与滑块机构，其特征在于，所述曲柄机构中采用偏心花键配合代替转动副，实现行程可调。

2.根据权利要求1所述种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构，其特征在于，所述偏心花键配合为内花键组合(4)与外花键组合(3)的配合，其中，外花键组合(3)由偏心外花键(3-1)和外花键平衡套(3-2)装配而成，内花键组合(4)由偏心内花键(4-1)和两个内花键平衡套(4-2)装配而成，内花键组合(4)与外花键组合(3)之间通过偏心内花键(4-1)与偏心外花键(3-1)配合实现连接，并以偏心外花键(3-1)的内孔定位通过平键(2)安装在电机轴(1)上，轴承(5)的内圈安装于偏心内花键(4-1)上，由此构成曲柄机构，连杆(6)安装于轴承(5)的外圈上。

3.根据权利要求2所述种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构，其特征在于，所述轴承(5)与连杆(6)之间设置挡片(13)，实现轴承(5)的轴向固定。

4.根据权利要求2所述种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构，其特征在于，所述滑块机构包括机架(10)和位于机架(10)中的滑块(9)，滑块(9)通过接头(7)和锁定螺母(8)与连杆(6)连接。

5.根据权利要求4所述种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构，其特征在于，所述内花键组合(4)与外花键组合(3)的几何形状及其质量分布，满足方程m_Iy_I＝e_Ik_Cm_C以及m_O(y_O-e_O)＝e_O(k_Cm_C+m_I)，其中，O点为组合(4)与外花键组合(3)的花键装配中心，A点电机轴(1)的转动中心，B为曲柄机构和连杆(6)组成的转动副的旋转中心；m_I为内花键组合(4)的质量，m₀为外花键组合(3)的质量，y_I为内花键组合(4)的质心到花键装配中心O的距离，y_O为外花键组合(3)的质心到花键装配中心O的距离，e_I为内花键组合(4)的偏心距，即花键装配中心O与曲柄机构的转动副的旋转中心之间的距离，e_O为外花键组合(3)的偏心距，即花键装配中心O与电机轴(1)的旋转中心之间的距离，m_B为连杆(6)在B点的等效质量，m_C为滑块(9)、连杆(6)、接头(7)和锁定螺母(8)在C的等效质量。

6.根据权利要求5所述种可调行程且自动平衡惯性力的曲柄滑块机构，其特征在于，所述e_O＝e_I＝0.5mm，花键齿数70，经等效后m_B＝1.22kg，m_C＝7.9kg，取k_C＝0.48，最终得到内花键组合(4)的设计参数m_I＝1.466kg、y_I＝1.28mm，外花键组合(3)的设计参数：m_O＝2.610kg、y_O＝1.5mm。