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基于拨销与轮槽创成及啮合仿真的槽轮机构设计

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Design of Geneva Mechanisms Bases on the Driving Pin and W heel LotGeneration and M eshing SimulationCHEN Dian-hua,CAI Jun(Institute of Mechanical Engineering,Dalian University,Dalian Liaoning t 1 6022,China)Abstract:In order to raise eficacy of the Geneva driving by eliminating flexible shock and reducing in-ertia load, a new design method of Geneva mechanisms is presented based on kinematics, geometryshape and meshing simulation of the mechanisms. The design of configuration and driving for Genevamechanisms has been discussed by using meshing generation analysis of the drive pin and slot in whichthe geometric shape design of the non-circular section driving pin and meshing slot are taken as thecourse,and the improve the dynamic character of the Geneva are taken as the object.It is proven thatdynamic character and working capacity can be remarkably improved by designing of the practical exam-pies for Geneva mechanism.The quantity and efi ciency of Geneva mechanism design are greatly raisedby using of simulation analysis.This design method can be used to the transmission design and machi-ning simulation analysis for the high speed Geneva mechanism without any shock。

Key words:geneva mechanisms;flexible shock;meshing simulation;cam driving pin0 前 日普通的槽 轮机构难免存在着柔性 冲击 ,当用 于高速传动时惯性载荷比较大,产生振动噪音,影响了机构的使用寿命、运 动精度及 强度稳定性。由于普通槽轮机构的参数对动载荷 的影响 是确定的难以改变,为此人们提出了槽轮与凸轮、槽轮与连杆组合等各种组合机构 。尽管机构组合的方法有效的改进了动力学特性 ,但 随之带来-些弊端 ,如机构复杂 ,构件和运动副增 多,不但增加制造成本也使机构 的精度和效率受到影响。

为了减小惯性动载荷改善槽轮机构 的动力学性能 ,本研究通过改变主动拨销和轮槽几何形状的方法来设计槽轮机构 。根据选定 的运动规律 ,利用拨销与轮槽相对运动的创成原理进行拨销与轮槽的结构设计。由此原来的圆柱滚子拨销变成了非圆柱形的凸轮拨销,这样不但减少了构件和运动副数 目,而且动力学参数对槽轮载荷大型位置的影响是-种可调控的函数关系。通过优选运动规律 ,可实现槽轮无刚性和柔性冲击并减小动载荷 。所以本设计方法可有效地改善槽轮机构的动力学特性及使用效率和精度。

1 槽轮与拨销的运动学与动力学分析为达到槽轮分度运动过程 中无 刚性、柔性 冲击和减小动载荷 ,研究采用 非圆截面式凸轮拨销。这样虽将原来 的拨销与槽轮槽的滚动变成 了滚动伴滑动 ,但减少 了-个轴径 滑动摩擦 副。为说 明凸轮拨销式槽轮机构 的设计原 理,首先从槽轮 的运 动分析收稿 日期 :2012-11-27;修 回日期 :2012-12-17基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075047)的资助作者简介:陈殿华(1953-),男,盘锦人,大连大学,教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为机械设计及其强度町靠性研究,(E-mail)ehendianhua### dlu.edu.en2013年6月 陈殿华,等:基于拨销与轮槽创成及啮合仿真的槽轮机构设计 ·1 1 1·开始,再根据运动学要求设计凸轮拨销,实现最佳的传动性能。

1.1 槽轮与拨销的运动学分析由图 1可知槽轮是通过曲柄拨销与轮槽接触传动实现转位运动 ,对于普通槽轮机构 ,根据运动关系可写出槽轮与拨销曲柄转角(Ot和 0)的相对运动方程:arctan ㈩ 这里 A R/L,是曲柄 回转半径 R AB与中心距 之比, 为曲柄拨销的回转角速度。通过微分求导可得槽轮 的角速度 和角加速度 :A( -1)sin0 2了(2)萋OJmax暴4 ) ㈩ z-2I ,、Z l-~j(z-2)- -sin( ) (4) - J lvo (5)a 专sin (6)几何和运动关 系及 动力 学分析 ,凸轮拨销对槽轮槽的接触动载荷 P可写为:P 竺rd( 鲁M) ㈩ d ,根据文献[4]的分析,最大惯性力矩可由下式求得:27r J dM (A× ) (9)afro其 中t 为-次分度时间,OL。为槽轮分度半角,(A×V)m为惯性力矩极值 。因为阻力矩在分度中是不变的,在分度的前半程中,当 1/r 趋于最大( :L-R)时,凸轮拨销对槽轮槽的压力 P为最大 ,由式(8)可得 :P: ( ) (10)由式 (9)可知惯性力矩是角加速度和角速度的函数。由仿真分析得知,惯性载荷最大值与阻力载荷最大值发生位置不相同,最大压力将偏离两个载荷的峰值位置。对于不同运动规律式 (10)中的偏置载荷系数 0.85~0.93之间选取 。

研究以槽数 Z 4,摆线运动规律 的凸轮拨销式槽轮为例 ,将槽轮运动 的角 加速度与普通槽轮 的角加速度进行 比较分析如图 2。

越瑙器窖蔷lU- 本设计--普通槽 u - 2-4- 6- 8- 1n- 4 -j -2 ~l O I 2 3 4分度区问图 2 槽轮 的角加速度 变化 曲线比较普通槽轮机构的槽轮运动角加速度 曲线不但在分度始末不为零、有突变,而且最 大值较 大。本设计的槽轮的角加速度在分度始末为零、没有突变 ,所 以机构没有柔性冲击,而且最大加速度值比较小,仅为普通槽轮机构的 74%,最大加速度值发生的位置是在分度行程中的 2/8和 6/8处 ,有效减小了接触动载荷 P的大型位置 ,机构动特性得到改善 。

2 拨销和轮槽的创成原理及仿真实现槽轮的理想运动规律是通过优化设计 凸轮销 的廓线达到的,由图 1可知槽轮是 由拨销与轮槽接触传动实现转位运动的,槽轮槽与凸轮销的相对运动关系是既有相对转动又有相对移动 ,是-种啮合传动¤鉴齿轮啮合的原理,根据选定的运动规律和拨销与轮槽的创 成运动关系 ,可写 出轮槽 与拨销啮合的运动方程 :-Z - - ~: l QL2013年6月 马廉洁,等:玻璃陶瓷切削效率多元回归数值模拟研究 ·1 15·, -Q-/--1 1 Ci/C ~F( ,m- - ) ( )( ) 。

式中 :C--相关矩阵 ,且c --相关矩阵中的第 i个对角元素。

r 660·9 -0·00o2 19·2]C(X ) I-0.0002 0.1 0 I l19 2 0 2.4 J(3) 3 结论(1)选取材料去除率 馏 作为 目标 函数 ,设计并实施了云母微晶玻璃的单因素车削试验,考查了切削速度、背吃刀量、进给速度对材料去除率的影响过程。

(2)基于最小二乘法的多元回归理论 ,建立 了材相关矩阵行列式 :C361.75取置信水平 OL0.05,根据式 (3)得:F 5.4,F2 ∞ ,F343.09,F 56.73,查 F分布临界值表: 。 (1,1 1)4.48。因为F2>F>F >F。> F。o ,因此 ,全部 回归系数 ,卢2,, 都是显著地。又 F 、F、F 的值与临界值比较相差较大,属高度显著;F.值与临界值比较相差最校所以 ,背吃刀量 。 进给速度 ,对材料去 除率 V/VB的贡献率最大 ,而切削速度 的贡献率最小 。

回归方程与 回归系数两方面 的检验结果 表明 ,车削云母微 晶玻璃 时 ,基于最小二乘法 的多元 回归预测模型具有较高的可靠性。

图 3所示,将实际试验测量值与材料去除率预测模型(式2)计算值进行比较,两组数据点呈上下交错分布 ,且大部分数据点相接近。由此表明,此预测模型与实际加工情况拟合得较好,采用本模型预测云母微品玻璃切削加工具有很高的可信度和较好的可靠度。

图 3 实际测量值与预 测模 型计算值的 比较2.4 模型验证为了验证模型的可靠性,随机确定 了-组切削用量工艺组合,当 35m/min,n 0.35mlTI, ,1.6mm/min时,根据回归方程(2),可以计算得出材料 去 除 率 V/VB 2.022 ±0.101 mm /Ixm,即 在1.921 mm / m 与 2.123mm / m 之 间 的 概 率 为95%。在此工艺条 件下进行加工 试验 ,实际测量 的材料去除率值为2.122,与模型预测值吻合较好。因此 ,该模型具有-定的可靠度。

料去除率与切削用量三要素的多元 回归模型(3)分别采用 F检验、相关系数 检验两种方式 ,对 回归方程 的显著性进行 了检验 ,以 F检验方法对各个 回归系数的显著性进行 了检验。模 型检验结果表明:模型较好 的反映 了云母微 晶玻璃车 削加工 的材料去除规律 ,具有较高的显著性 。

(4)设计了验证试验 ,并与 回归模型计算结果进行了比较,数据吻合程度较好 ,表明该模型具有-定的可靠度 。

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