偏心齿轮

偏心齿轮（精选4篇）

偏心齿轮 篇1

1 引言

在实际生产中, 常遇到一些较为复杂和不规则零件的加工, 如果采用传统的加工工艺难以保证精度, 且效率低。胶辊偏心齿轮就是个典型的实例。笔者经过分析, 设计、制造了专用夹具, 可保证加工质量, 降低加工成本, 提高生产效率。

2 胶辊偏心齿轮的特点及技术分析

如图1所示为胶辊偏心齿轮。

(1) 该零件的特点是具有偏心部分——ɸ125的孔与齿坯外圆等的偏心距为3mm。 (2) 主要部位的尺寸精度很高 (IT7级) , 孔壁较薄且厚度不一致, 装夹易变形。 (3) 位置精度要求很高, 径向圆跳动、平行度、垂直度公差均为0.05mm, 用传统的找正方法较难保证。 (4) 毛坯材料为铸件:HT250, 外形尺寸和内孔均较大, 毛坯为空心铸件。

3 工件的装夹方法及专用夹具的设计与制造

以普通车床采用传统的四爪卡盘找正装夹可以加工此零件, 但要求操作者技术较高, 不适合职中学生 (非熟练技工) , 质量不易保证, 且生产率低。为此, 笔者决定采用图2所示的装夹方法进行加工。法兰1与车床主轴联接, 偏心心轴2与法兰联接, 并与法兰连成一体 (固定不拆分) , 是夹具的主体, 压块 (垫圈) 3与锁紧螺母4用于夹紧工件 (偏心齿轮) 。夹具各部件分别如图3~图8。

3.1 偏心心轴的加工工艺分析

(1) 偏心心轴材料采用45钢, 铸件毛坯。 (2) 三爪 (反爪) 夹毛坯大端外圆, 车平端面, 钻中心孔。 (3) 一夹一顶安装, 将夹具右端三级外圆车至工艺草图 (图7) 尺寸要求。 (4) 调头, 夹ɸ134外圆, 找正ɸ141外圆, 车端面取总长191mm, 车ɸ260外圆至尺寸要求。 (5) 工件进行调质热处理。 (6) 将调质后的工件按图8车好。

3.2 心轴与法兰连接工艺

(1) 在心轴大外圆 (ɸ260) 上均钻4个ɸ12孔 (与法兰配钻) 。 (2) 将心轴与法兰用M12的螺栓连接, 用百分表调校出零件图上所需的偏心距。注意应在法兰与心轴紧固后仍能保证其偏心距精度。 (3) 将法兰连同心轴一起拆下来, 分别钻、铰3个ɸ12的锥销孔, 装入锥销, 以保证法兰与心轴的位置在以后的使用过程中不变。 (4) 将夹具装在车床主轴上, 将与法兰连接的ɸ260偏心外圆车至与法兰尺寸一致 (ɸ250) 。

4 胶锟偏心齿轮的车削加工

4.1 在三爪卡盘上粗加工留精车余量

(1) 用三爪卡盘反爪夹住ɸ150mm毛坯处, 车削ɸ189mm, 大外圆留余量3mm, 车平面粗轴孔ɸ100mm, 留余量3mm, 深度10mm; (2) 调头夹住ɸ189mm外圆, 粗车ɸ150mm, 留余量3mm, 阶台40mm; (3) 粗车内孔ɸ125mm, 留精车余量3mm, 深度400mm; (4) 粗车内孔准82mm, 留余量3mm。

4.2 在三爪卡盘上精加工

(1) 用三爪卡盘反爪夹住ɸ150mm外圆, 精车ɸ189×63mm外圆; (2) 精车内孔ɸ82mm; (3) 精车内孔, 深度10mm; (4) 调头夹住准189mm外圆, 精车内孔ɸ125+0.04×45mm, 车平面取总长62mm, 车ɸ170×2mm外圆; (5) 车; (6) 加工沟槽外圆, 宽度, 倒角1.5×45°;

4.3 在偏心轴上加工偏心外圆

(1) 把偏心齿轮套在偏心轴上, 用开口压板顶住齿轮大端, 用螺母锁紧; (2) 用反刀法加工偏心外圆; (3) 切槽ɸ146mm, 宽度15mm; (4) 检查。

5 结语

本偏心夹具已加工出几批偏心齿轮, 通过检验各部分尺寸、平行度、垂直度、跳动度都能达到图纸要求, 工作效率大大提高。

摘要：文中围绕设计、制造专用夹具及应用夹具加工偏心齿轮等一系列工艺问题, 作了较为详细的叙述。

关键词：偏心齿轮,专用夹具,偏心心轴,法兰

参考文献

[1]张权民.机床夹具设计[M].北京:科学出版社, 2006.

[2]任杏华.车工工艺学[M].北京:科学普及出版社, 1985.

偏心齿轮 篇2

偏心圆齿轮副是指一个圆齿轮偏心安装、与另一个共轭的非圆齿轮组成的非圆齿轮传动机构。与其相共轭的非圆齿轮的特征,是由偏心圆齿轮的大小和偏心率(定义为偏心量与节圆半径之比)所决定,因此设计较其它类型的非圆齿轮简单。研究表明[1,2,3],偏心圆齿轮传动副本质上是不能由两个同样的偏心圆齿轮来组成,但是这一点目前还存在着错误的认识。在偏心率很小的条件下,虽然可以用两个同样的偏心的圆齿轮来构成非圆齿轮传动副(实践中的确存在如此的应用),但这并非是真正的共轭传动,因而就会产生传动误差大、齿侧间隙变化显著等缺陷,不能应用于精密传动。本文以非圆齿轮的设计方法,对偏心圆齿轮及其共轭齿轮的节曲线、传动中心距、传动比、最小曲率半径等进行了分析研究,为设计和制造提供理论基础。

2 偏心圆齿轮数学模型

给定主动轮1的节曲线是一偏心圆(如图1),其半径为R,偏心距为e,因此,偏心率ε=e/R,相对于它的回转中心O1来说,它也是一个非圆齿轮,可得偏心圆齿轮的节曲线方程为[4](r1以2π为一个变化周期,n1=1):

假设要求从动轮2一转中,r2的变化周期为n2,则从动非圆齿轮的节曲线封闭的条件式:

根据式(1)和式(2),可得从动轮节曲线封闭的条件式为:

最后,可由式(3)求解出偏心圆齿轮副的中心距a。从而得出齿轮2的节曲线方程为:

齿轮副的传动比为:

式(3)和式(4)的两个积分式,利用数值积分法求解出其中心距a,也可以用下面近似解法,这里引入符号,称d为相对中心距[4],式(3)就成为:

式中d的近似解为:

由n2及ε,可用上式算出d,中心距a为:

主动轮1节曲线上各点的曲率半径是常数,ρ1=R,而且是全凸的。从动轮2节曲线上各点的曲率半径,可由式(4)按式曲率半径的计算公式计算,但计算较为复杂,这里,也可由欧拉-萨伐里[4]公式求出:

根据该式的几何意义和这里的具体情况,ρp1相当于ρ1即R,ρp2相当于ρ2,,因此可写成:

由于a>r1,上式中的分母总为正值,所以齿轮2节曲线上不出现内凹的条件,是分子大于等于零,即:

此时,式中的最小值是在θ1=0,r1=R+e时,故条件可写成:

把式(13)代入式(12)化简,最后得到条件式:

从此式可见,当n2=1,2,3时,偏心率ε可以任意选取,无内凹条件式都满足。当n2=4时,条件式为ε≤0.40。当n2=5时,条件式为ε≤0.27。

3 偏心圆齿轮副传动比

利用MATLAB计算软件,由公式(5)可得偏心圆齿轮副传动比曲线,当n2=1时,取偏心率ε分别为1/12、1/6、1/4、1/3、1/2,可得偏心圆传动副传动比曲线,如图2所示。

通过对偏心圆齿轮副传动比函数曲线的对比分析,可以看出,当偏心圆齿轮副阶数不变时,传动比的幅度(Ai12)随着ε值的变大而变大,即和i12成正比。

4 偏心圆齿轮的CAM设计实例

根据上述分析,取n1=1;n2=1;R=12;e=4;由偏心圆的计算公式可得:

中心距a=24.7;偏心率ε=1/3;偏心圆主动轮1的节曲线方程:

从动轮2的方程:

然后,根据式(1)、式(4),利用MATLAB软件,编制偏心圆齿轮传动副节曲线的程序,可得其偏心圆齿轮副节曲线,如图3所示。

由图3可以看出,偏心圆齿轮副并不是由两个同样的偏心圆齿轮来组成。根据折算齿形法,计算出其各个等分点的折算齿数,利用CAXA软件,可得到偏心圆齿轮齿形图4(a)。然后将其导入到Solid Works生成三维仿真图形,如图4(b)所示。

为了对上述方法进行验证,利用CAXA下切割软件进行了模拟加工,设定相应的加工参数后,导出偏心圆齿轮的3B加工代码,如图5(c)所示,便可通过线切割,进行实物加工。

5 结语

本文根据非圆齿轮啮合原理,对偏心圆齿轮副的啮合特性和数字模拟模拟制造进行了研究,包括偏心圆齿轮副节曲线特性、传动比、齿形设计和CAM进行了分析研究,为偏心圆齿轮的精确设计提供了可靠的依据。

摘要：以非圆齿轮的啮合原理为依据,利用MATLAB计算机辅助软件,对偏心圆齿轮副的啮合特性和数字化制造技术进行了研究,根据对偏心圆齿轮的节曲线、传动比、啮合特性及凹凸性分析,证明了这类齿轮传动的可行性。通过对其齿形的设计分析,利用CAD/CAM软件,以一阶偏心圆齿轮副为分析设计实例,绘制出其三维模型,并对其进行模拟加工,验证了非圆齿轮的设计理论在此类齿轮的设计、制造中的可行性,这为偏心圆齿轮的设计和生产应用提供了依据。

关键词：偏心圆齿轮,节曲线,啮合特性,凹凸性,传动比,CAD/CAM

参考文献

[1]徐林林,陈琪.用非圆齿轮实现往复式压缩机速度波动的调节[J].北京石油化工学院学报,2003,11(2):18-22.

[2]陈明,王广林,刘福利,等.叶片差速泵偏心圆-非圆齿轮驱动系统的研究[J].机械工程学报,2005,41(3):98-102.

[3]谭伟明,陈就,安军,等.偏心齿轮的共轭非圆齿轮及其渐开线齿廓[J].甘肃工业大学学报,2002,28(4):51-53.

偏心齿轮 篇3

1 心轴法加工说明

心轴是为了便于加工偏心齿轮而设计的两根同样大小的细长轴, 需经过调质淬火精磨后保证其大小及形状精度。在偏心齿轮齿面加工完成之后, 以基准齿为中心, 往两侧数同样的任意齿数通过磁力表座将心轴吸附在齿槽中, 通过百分表找到两根心轴的最低点, 使最低点重合, 从而达到偏心齿轮齿形的分中, 以便于后续特征的加工。

2 工艺分析

2.1 加工工艺难点

如图1所示为偏心齿轮的外形图。偏心体中心外圆与齿顶圆、孔中心不同心, 同台2件偏心距离应相等, 不等允差0.03。一件偏心齿轮齿顶中心、孔中心、偏心体中心连线必须在同一直线上, 另一件偏心齿轮齿沟中心、孔中心、偏心体中心连线必须在同一直线上, 不等允差均为0.05。该零件的主要特征为偏心, 由于该零件的齿轮外圆、端面、中心孔以及偏心外圆表面的位置精度要求较高 (表面粗糙度要求也很高) , 而且要保证偏心距离, 所以装夹加工比较困难。

2.2 机加工工艺过程

机加工工艺过程如下:焊接热处理喷刷→超声波探伤→划线→车外圆、内孔、端面→划线找出毛坯偏心外圆的最高点→滚齿→磨齿→铣偏心部分的基准→车偏心部分→铣键槽→检验→钳工工序→装配。

2.3 铣偏心部分基准的加工工序

铣偏心部分的基准是最为关键的加工工序, 其加工精度合格与否直接决定了该零件的合格与否, 因此在工序进行加工前必须充分考虑好具体的加工步骤以及可能影响加工精度的各种因素。如工装的加工精度的保证, 机床误差的消除, 加工刀具的稳定性等。在该工序中就利用心轴法在龙门铣床上来加工偏心齿轮。

2.3.1 工件的装夹

如图2所示, 将同台两件偏心齿轮按照同样的方向平放于龙门铣床的工作台上, 偏心齿轮下方垫等高垫, 在放置时尽量使偏心部分与中心孔的轴线和基准齿的中心在同一直线上。以基准齿为中心, 往两侧数同样的任意齿数, 通过磁力表座将心轴吸附在齿槽中。

2.3.2 工件的找正

首先找正中心孔的侧母线后, 稍微压紧工件, 再在机床主轴上吸附百分表拉心轴的最低点, 使得心轴的最低点在同一直线上。观察表的数值, 若不相等, 则通过L型压板紧固在T型槽中, 通过螺杆穿过L型压板顶偏心齿轮的齿面进行微调, 直至百分表数值不变, 此时说明偏心齿轮以基准齿为中心的左右已经调好, 从而保证齿顶齿沟的中心、孔中心、偏心体中心连线在同一直线上, 然后压紧工件, 再对中心孔进行校验。装夹找正完成后, 开始下一步的加工。

2.3.3 铣偏心基准

在机床主轴上装上刀盘后, 先找正中心孔的中心, 然后往偏心部分偏移偏心距离确定偏心部分的中心, 在偏心部分的上端铣出基准供后续车床加工找正时使用。因为铣偏心基准时是往机床的同一侧方向偏移同样的距离, 因此可以消除机床间隙的影响, 从而保证同台2件偏心距离相等。这种加工方法简单高效, 并且测量误差小, 对操作工的要求水平降低, 能够比较容易保证同台两件偏心齿轮的各项加工要求。

2.4 加工注意事项

在加工时, 需要注意以下事项:

①作为零件加工的正常工艺流程, 使用上述方法加工零件前, 对毛坯进行划线、按线找正加工是必须的, 而且划线要准确、认真。在车床上找出毛坯偏心外圆部分的最高点后按此划线, 在滚齿前务必按此线为滚齿中心, 从而保证后续偏心部分的车削加工余量。

②因偏心齿轮为异种钢的焊接, 在焊接去应力后滚齿, 滚齿时务必注意应力的释放, 以防应力变形导致磨削余量不足从而使心轴吸附的基准齿形有误差而影响加工精度。

3 检验关键尺寸

加工完成后, 需要在三坐标上对偏心齿轮的关键尺寸进行检测以验证加工方法的合理性。同样通过心轴法检测齿顶齿沟的中心、孔中心、偏心体中心连线在同一直线上的允差。如图3所示。

通过三坐标检测同台两件偏心齿轮的偏心距和齿顶齿沟的中心、孔中心、偏心体中心连线在同一直线上的允差均符合图纸的要求, 从而验证了心轴法加工偏心齿轮的合理性。

4 结论

本文主要研究了心轴法在偏心齿轮加工和检验中的应用, 并详细介绍了该方法的加工过程和注意事项。按照上述工艺流程加工后的偏心齿轮, 经检测和压力机满负荷试机证明, 完全能够满足生产加工要求。

通过此方法对重型压力机整机的精度提供了有效保证, 减少了过去因加工误差问题造成的返工, 节约加工装配时间, 提高了公司的经济效益。

参考文献

[1]何德誉.曲柄压力机[M].北京:机械工业出版社, 1987.

[2]殷国富, 徐雷.机床夹具设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[3]陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[4]梁化春.曲轴偏心轴径加工工艺方案探讨[J].锻压装备与制造技术, 2009, 44 (1) .

偏心齿轮 篇4

关键词：高速水稻插秧机,双偏心卵形齿轮行星系,分插机构,虚拟制造

0引言

随着我国农业机械化总体水平的提高,水稻生产机械化程度也取得了长足进步。但是,我国水稻生产机械化水平与发达国家相比还是有些落后,必须对水稻栽植机械化进行不断创新。

分插机构是插秧机从秧群中取一定数量秧苗并插入土中的机构,其通过秧针的非匀速转动来实现取秧、送秧、推秧、回程等不同插秧动作。国内市场上常见的是曲柄摇杆式分插机构［1］,但由于其在转动时机器震动较大、容易出现死点、工作转速不能过高等问题,影响了插秧机的工作效率。在国外,日本在插秧机方面技术处于领先地位。其主要类型有以下几种: 1偏心齿轮行星系旋转式分插机构; 2椭圆齿轮行星系旋转式分插机构; 3非圆齿轮行星系旋转式分插机构。特别是非圆齿轮行星系旋转式分插机构,能使插秧机在实现高速化的同时保证工作可靠性和作业质量。近年来,我国非圆齿轮旋转式分插机构在理论层次方面已有了很大进步,并正逐步取代传统曲柄摇杆式分插机构运用到高速水稻插秧机中。椭圆齿轮行星系旋转式分插机构［2］正是非圆齿轮行星系旋转式分插机构的一种最简单的机构形式,并已运用到实际生产中; 但在田间作业中发现椭圆齿轮行星系旋转式分插机构在取秧过程中易出现伤秧、插秧过程中易出现倒秧或插不进秧的情况。为此,设计出一种结合偏心齿轮和非圆齿轮各自特点的双偏心卵形齿轮行星系旋转式分插机构,来代替椭圆齿轮行星系旋转式分插机构。在此之前,许多技术人员对多种非圆齿轮做了机构优化设计［3 － 5］,但非圆齿轮齿廓算法设计涉及较少。一些研究人员建立了非圆齿轮行星系分插机构运动数学模型［6 － 7］,对机构运动轨迹进行了详细介绍,而对取秧角和推秧角的讨论却没有深入。本文考虑通过已有齿轮系中心距和齿轮节曲线周长作为两个不变量,运用数学方法较精确地优化双偏心卵形齿轮节曲线和轮廓线,保证齿厚等于齿槽宽。同时,考虑运用ADAMS中轨迹追踪方法对插秧过程中一些角度关系给出了合理解释,并分析了这些角度对插秧过程的影响,进一步揭示双偏心卵形齿轮行星系分插机构运用在高速水稻插秧机上的优越性。

1非圆齿轮节曲线传动理论

任意非圆齿轮节曲线如图1所示。设主动轮1的转角为 φ1、瞬时角速度为 ω1,从动轮2的转角为 φ2、 瞬时角速度为 ω2。在起始位置,φ1= φ2= 0,要求齿轮副传递转角函数关系为 φ2= F( φ1) ,则齿轮副的传动比函数表示为［8］

用r1、r2分别表示,则瞬时传动比又可表示为i12=ω1/ω2=r2/r1。由于瞬心P的位置及r1、r2是变化的,所以非圆齿轮传动比i12不是常量。瞬心P在齿轮1、2回转平面上的轨迹就是齿轮节曲线。假设给定条件是齿轮副中心距a及主动轮1节曲线方程r1=r1(φ1),则传动比函数又可表示为

则从动轮2节曲线方程为

为了保证齿轮副作单向连续转动,以传递周期性运动关系,两齿轮节曲线都应该是封闭的,即

2双偏心卵形齿轮行星系参数设计

所谓双偏心卵形齿轮是转动中心在标准卵形( 二阶椭圆形) 齿轮的长轴( X轴) 和短轴( Y轴) 的两个方向上都有一个偏移量,以偏移后的转动中心为基准形成的齿轮如图2所示。

2.1双偏心卵形齿轮行星系节曲线设计

图2中,C点为标准卵形齿轮的回转中心,C1点为双偏心卵形齿轮的回转中心,偏心量用坐标值表示为( X0,Y0) ,r0与r1分别是两种不同齿轮节曲线上点的极半径,而 φ0与 φ1则分别是相应的极角。

标准卵形齿轮节曲线方程为

其中,A为标准卵形齿轮节曲线长轴半径; e为离心率。由图2可列出方程为

这样就可给出双偏心卵形齿轮节曲线的极半径和极角方程,即

双偏心卵形齿节曲线的周长为

根据已有的标准椭圆齿轮行星系的中心距a = 4 2 . 2 5 mm 、齿数Z = 2 0 ,初定X0= 0 . 0 3 mm 、Y0= 2. 58mm。利用Mat Lab软件,联立式( 4) 、式( 5) 、式( 7) 和式( 8) ,计算得到A = 19.992mm,e = 0.028,代入式( 5) 得标准卵形齿轮节曲线方程r0( φ0) 。同时,式( 7) 给出了双偏心卵形齿轮主动轮节曲线方程,与之啮合的共轭齿轮的节曲线方程也可利用式( 7) 的结果,并借助于式( 3) 推得,此处不再赘述。

2.2双偏心卵形齿轮的齿廓设计

双偏心卵形齿轮可以用齿条型刀具或插齿刀加工,其齿高、齿距、齿厚等一系列计算方法如表1所示。齿轮齿廓设计是齿轮设计中的难点,特别是非圆齿轮的齿廓更为复杂。基于此类难点并结合表1的基本参数,提出一种简单、精确的轮廓线设计方法。

这里需要建立两套坐标系: 整体坐标系OXY和基于每一个齿的局部坐标系Oxy,其中的原点O就是图2中的C1点,如图3所示。

由于双偏心卵形齿轮节曲线不是圆,节曲线上各点曲率半径不一样,为此提出以标准圆柱齿轮齿廓方程为基础,通过运用二分法、无约束优化方法和坐标变换等,利用Mat Lab软件近似优化出双偏心卵形齿轮齿廓。

设计思路及过程概要如下,其中给出的一些确定的数据是由大量的设计经验积累确定的。

1) 按齿数等分节曲线总长后,建立目标函数,使

调用二分法［9］求每个等分点所对应的弧度 βi( I = 1,2,…,Z) ,如图3( a) 所示。

2) 建立目标函数,使

运用步骤1) 的方法求等分点左、右两侧渐开线与节曲线的交点分别对应的弧度 βLi和 βＲi,见图3( a) 。 而交点对应的极径rLi和rＲi可利用公式( 7) 求r1的方法求得。

3) 求左、右渐开线与节曲线的交点的曲率半径 ρLi和 ρＲi,以及曲率中心坐标( XρLi,YρLi) 、( XρＲi,YρＲi) , 具体公式见表1。

4) 求左、右初始渐开线在局部坐标系下的偏转角度值 θL i和 θＲi,以及初始坐标值( xLi,yLi) 、( xＲi, yＲi) 。在第i齿的局部坐标系Oxy下[见图3( b) ],以齿的右侧渐开线为例,θＲi是渐开线从起点A到其与节圆的交点B的偏转角度值,xＲi是交点B的横坐标值,因极半径OB的极角很小,一般保持在1°,所以可近似认为xＲi= ρＲi,建立目标函数,使

调用Mat Lab中fminbnd无约束优化［10］的方法,近似优化出 θＲi。左渐开线初始偏转角的值 θL i可用类似方法求。

这样仿照圆柱齿轮的渐开线方程［11］,可有右渐开线参数方程,即

左渐开线的参数方程可类似地给出,不再赘述。

5) 由于上述渐开线方程是建立在局部坐标系下的,所以需要进行坐标变换。坐标变换时偏转角度的权重系数设为qＲi和qLi,根据设计经验,取

建立目标函数,使

选用合适的上下限,调用零点定理,可以求得 γＲi, γLi可用类似方法求得。

6) 求整体坐标系OXY上的双偏心卵形齿轮左、右渐开线参数方程。右侧渐开线的参数方程可表示为

由于过渡曲线方程较为复杂,在此对齿根圆角半径采用国家标准r = 0.38mm得近似的过渡曲线。

2.3双偏心卵形齿轮行星系模型建立

经以上理论分析,并通过Mat Lab编程计算出双偏心卵形齿轮行星系各项数据,在Solid Works［12］中使用命令: “插入”→“曲线”→“通过XYZ点的曲线”,将齿轮设计的各项数据导入,通过“转换实体引用”,“裁剪”“拉伸”等命令生成实体,最后在装配环境下生成双偏心卵形齿轮行星系实体图,如图4所示。各个齿轮之间的定位关系主要依据齿轮上的铸造标记点,参照原点和竖条的定位关系既可完成正确的定位。至此,双偏心卵形齿轮行星系设计过程完毕。

3分插机构的模拟仿真

3.1结构特点和工作机理

在Solid Works中将双偏心卵形齿轮行星系与旋转式分插机构其他零部件进行装配,如图5所示。

双偏心卵形齿轮系分插机构齿轮传动部分［13］由太阳轮、中间轮和行星轮组成。行星架与太阳轮同轴,栽植臂固定在行星轮上。工作时( 以一侧为例) , 太阳轮固定不动,行星架绕回转中心转动,中间轮绕太阳轮转动。由于是非圆齿轮啮合,从而引起传动比非匀速变化,使得行星轮相对于行星架作非匀速转动。行星轮一方面随着行星架绕回转中心作圆周运动( 牵连运动是定轴转动) ,同时相对于行星架作非匀速转动,所以栽植臂的运动也就自然成为这两种运动的复合运动。凸轮驱动轴固定在行星架上带动凸轮做平面运动,凸轮和连接臂相连,推秧杆通过连接销同连接臂相连,在复合运动作用下,通过调整一些参数之间的关系( 例如插值臂箱体长轴与水平线间夹角的定位关系) 和结构参数,秧针就会按照要求的运动轨迹实现取秧、送秧、推秧、回程等不同的插秧动作。

1、7.行星轮2.植臂输入轴3、5.中间轮4.太阳轮6.凸轮驱动轴8.行星架9.凸轮10.推秧杆11.秧针12.连接臂13.栽植臂壳体

3.2 ADAMS虚拟样机动态仿真

为了验证双偏心卵形齿轮行星系较已有的椭圆齿轮行星系更适合用在高速水稻插秧机上,这里分别建立了两者的虚拟样机进行了数据分析对比。在Solid Works里面对插秧机整体模型进行简化,导入ADAMS,设置材料属性、约束关系、载荷类型并在秧针上建立两个“marker”点( 目的是测量秧针运动轨迹) 。 特别注意要添加接触力［14］来定义齿轮之间的相对运动,不得用齿轮副,这是因为双偏心卵形齿轮啮合时速度是在不断变化的。定义驱动函数为360. 0d * time,设置仿真时间“END Time ”= “1s”,“Step ”= “3600”,并在栽植壁盖与拔叉之间添加一拉压弹簧, 预载荷为100N,弹簧刚度系数设为1,阻尼系数默认。 应用ADAMS软件的轨迹跟踪和测量功能,精确得到秧针静运动轨迹曲线如图6所示。

由图6可见,改装后的运动轨迹满足“腰子形”［15］的要求。

3.3仿真结果分析

合理的运动轨迹是保证插秧机能否顺利作业的前提,特别是在高速化运转的前提下轨迹显得尤为重要。合理的取秧角应该在12° ~ 30° 之间,图7为取秧和插秧时秧针与秧苗、秧台所成角度的关系。这里,取秧角+秧针与秧苗的夹角+秧台倾角≈推秧角+ 秧针与秧苗夹角= 90°,故取秧角+秧台倾角≈推秧角。其中,秧台倾角= 55°。

由图7( a) 可知: 秧针取秧时,秧针与秧苗夹角应尽量小,也就是说取秧角要尽量大,这样可以实现垂直取秧或近似垂直取秧; 如果取秧角较小,高速取秧时会将秧苗斜着切下,可能会打断秧苗或伤及其它秧苗。由图7( b) 可知: 推秧角应该尽量大,否则可能会出现倒秧或插不进秧的情况,实现不了垂直插秧。上述取秧角和推秧角间的关系说明: 推秧角和取秧角是一个线性增加的关系,所以在对运动过程进行分析时只需分析取秧角即可。

由于取秧是一个过程,所以取秧角相应地是一个区间,认定秧针尖点分别到秧台1和秧台2距离最近的点作为两个取秧角观测点,测出这段区间插秧角的变化曲线如图8所示。由图8可知: 双偏心卵形齿轮行星系下取秧角比椭圆齿轮行星系下取秧角变化范围要大,椭圆齿轮系下取秧角变化范围是11.039° ~ 1 3 . 5 4 8 ° ,双偏心卵形齿轮系下取秧角变化范围是23.656° ~ 28.928°。显然,双偏心卵形齿轮系在高速取秧过程中更具有优越性,能够保证垂直或近似垂直取秧,在推秧过程中也能改善标准椭圆齿轮行星系分插机构下秧苗容易倒秧和插不进秧的情况,满足农艺要求。由于椭圆齿轮节曲线在设计时变量较少,主要变量是长轴和短轴长度,而双偏心卵形齿轮节曲线在设计时变量不仅有长轴和短轴的长度,而且还有X、Y方向上两个偏心量,更能满足在高速传动时所需的不断变化的传动比。使用双偏心卵形齿轮行星系分插机构能使插秧机在田间作业效果更佳,并在实际耕作中得到了验证。

与此同时,还对改装前后秧针尖点的速度进行了比较,以反映出系统运动的平稳性。秧针速度曲线如图9、图10所示。

由图9和图10可以看出: 改装后的秧针尖点的速度比较平滑,波动处比改装前的要少很多,因此双偏心卵形齿轮行星系分插机构在稳定性方面也比改装前要优越。

4结论

1) 用数学理论并借助于Mat Lab软件导出了一套符合高速水稻插秧机要求的双偏心卵形齿轮行星系的设计方法,这种方法以标准卵形齿轮节曲线和标准直齿圆柱齿轮渐开线为基础,并结合二分法、辛普生算法、无约束优化法等数值分析方法,为齿轮设计者提供了一种新思路。

2) 描述了双偏心卵形齿轮行星系分插机构的机构特点和工作机理。运用动力学仿真软件ADAMS分别对椭圆齿轮系和双偏心卵形齿轮系下的分插机构进行模拟仿真。分析了取秧角和推秧角的关系并且对改装前后取秧角曲线进行对比,结果表明: 由于椭圆齿轮行星系在设计上存在局限性,使得秧针在取秧过程中易出现伤秧或在插秧过程中易出现倒秧或插不进秧的情况,而双偏心卵形齿轮行星系则能较好地满足高速下取秧和插秧的要求,可提高工作效率。