一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化

一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第1页共10页2013/2014学年第一学期课程代码：14002180课程名称:高等机械设计导读试卷:A□、B□考试形式：开卷□、闭卷□考试时间:120分钟…………………………………………………………………………………………………………学号1014010姓名任课教师_王新华_专业机械设计制造及其自动化得分提交4000字左右论文一篇，内容为现代设计方法在本专业的应用或研究。要求：摘要、关键字、概述（或引言等）、内容、结果分析、结论、参考文献等齐全；或创新设计产品设计方案与制作一件。1.论文附：选题(不限于)（1）xxx机械产品或装置的优化设计（2）xxx机械产品或装置的创新设计（3）xxx机械产品的计算机辅助设计（4）基于xxx方法的xxx产品的可靠性（5）基于xxx软件的xxx产品的反求设计2.创新产品设计：根据高等机械设计导读所学创新设计方法，结合现代设计技术进行一项产品的创新设计与构思。要求：设计产品范围不限，产品要求体现创新性，具有自己独特的思维与实用性，字数不低于4000字，包括：产品设计方案，设计意图，设计方法与实施过程，以及产品的应用前景。√√一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第2页共10页一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化姜传杰（上海理工大学机械工程学院，上海）摘要：针对“智能叠衣衣橱”创新项目中的同步带传动机构，对同步带上拨针的曲线进行研究，在两种方案中分析比较确定了最优方案。将拨针视为凸轮，利用“反转法”和用速度瞬心分析机构运动的原理，借助CAD软件，设计凸轮廓线，以使传动过程中传动角始终保持最大。结果发现，拨针的曲线实际上相当于一个凹弧面凸轮。最后，将设计好的凸轮还原为拨针曲线，进行优化，添加了一个滚子，拨针机构便类似于滚子从动件盘形凸轮机构，实现了最优传动。关键词：拨针，同步带，凸轮，凹弧面凸轮，滚子，压力角，传动角，速度瞬心，反转法，凸轮廓线StudyandOptimizationofaSpecialCamProfileBasedOnOptimalTransmissionJIANGChuanjie（SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai）Abstract:Forthebeltinourinnovativeprojectofartificialclosetforfoldingclothes,thecurveofhandsettingonthesynchronousbeltareresearched,andthetheoptimalsolutionhasbeenselectedbytheanalysisandcomparisonofthetwoprograms.Thehandsettingcanbedeemedasacam,andbyvirtueofthetheoriesofreversalprocess,theapplicationsofinstantaneouscenterofvelocityinthemovementofmechanism,andtheaidofCADsoftware,thecamprofilehasbeencorrectlydesignedsothatthedrivingangleintheprocessoftransmissionremainsthelargest.Asaresult,thecurveofhandsettingisactuallyanequivalentofaconcavearccam.Finally,transformthedesignedcambackintohandsettingcurve,optimizethemechanism,addingaroller,andthehandsettingcanbesimilartothediskcammechanismwithoscillatingrollerfollower,achievingtheoptimaltransmission.Keywords:handsetting,synchronousbelt,cam,concavearccam,roller,pressureangle,drivingangle,instantaneouscenterofvelocity,reversalprocess,comprofile一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第3页共10页1.设计背景1.1问题由来在去年我们团队设计的“智能叠衣衣橱”中，为实现同步带带动挂衣环（视为导轨）上的衣架（视为一滑块），我们在同步带外缘上一处留了一个凸出的厚度，以便放置拨针，通过拨针带动衣架在挂衣环上运行。该机构的示意图如右图所示：后来，我们在不断的调试中遇到这样一个问题：由于同步带使用次数不断增多，同步带逐渐变松，拨针因此倾斜一个角度（如下图所示），越来越难以带动衣架运动。1.2简化模型针对以上问题，我对该机构进行了初步探讨，如果以拨针与同步带连接点为参照物，则相当于同步带没有运动，拨针逆时针旋转，滑块紧贴在拨针上。根据实际情况，可设定导轨距离转动副中心的距离e不变，将滑块视为一个直动从动件，因此，机构的简化模型如下：一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第4页共10页1.3问题产生的原因由简化模型可以看出，当同步带变松时，拨针对从动件的作用力顺时针偏转一个角度，力与速度方向成一夹角（即压力角），该角度等于拨针倾斜的角度，拨针倾斜程度越大，压力角越大，由于摩擦等因素，从动件便越难以运行。由于同步带容易倾斜侧弯，从动件便很容易产生“卡死”现象。这种问题在生活中也普遍存在着。2.设计意图经过初步分析，我们需要设计一种机构，使得机构在运行过程中，压力角尽量保持为0，即传动角始终保持最大，为90度。这样的机构如果能设计出来，不仅能解决我们机械创新中遇到的问题，而且能给生活工作中很多类似的问题提供一种解决思路，带来方便，为社会创造价值。3.产品设计方案的讨论为实现最优传动，使传动角始终保持90度，结合我们在机械创新设计课程中所学的内容，我们自然会联想到两种设计方案：一、在拨针断点处加一个滚子。二、将拨针设计成特定的曲线，使得传动中该曲线始终与直动从动件垂直。显然，这两种方案都可以实现预期的目标，但可能还会受到其他因素的制约，为此，我们对这两种方案做了如下比较和讨论：3.1在拨针端点处加上一个滚子如图所示，该方案通过一个滚子，由于滚子始终与滑块表面相切，因此，能完成预期的传动效果。但是，在皮带产生松动后，因为拨针的长度是一个一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第5页共10页定值，拨针倾斜势必会造成滚子左移，滚子对滑块的作用力也因此发生偏置（如图），这样就产生了一个偏距e，产生一个力偶M=Fe.该力偶的出现会使滑块与导轨之间的压力增大，摩擦增大，滑块在导轨上运行仍旧遇到困难。3.2将拨针设计成特定的曲线如右图所示，该方案是将拨针设计成特定的曲线，使得传动中该曲线始终与直动从动件垂直，传动角自然始终保持90度。由于机构简单，且无论拨针如何偏转，都不会影响滑块的滑动。滑块由于宽度的存在可能会带来一些偏差，但在后期的优化设计中，在滑块上加一个滚子，便可解决。因此，该方案可行。3.3产品设计方案的选择综合以上两种方案，毫无疑问，选择方案二，即将拨针设计成特定的曲线。这种方法简单可行，能实现最优传动，且不会带来附加力偶，不影响滑块在导轨上的传动。3.4产品设计方案的模型替代在方案二中，如果将拨针构件扩大，想象成一个凸轮，将从动件顶端加一弹簧，那么机构又可转化为常规的凸轮问题。因此，初步的凸轮模型可以替代方案二中的机构。由该凸轮模型可以看出，与常规的凸轮机构不同的是，该凸轮机构的从动件的行程是负的，且凸轮廓线是下凹的，凸轮已不是“凸轮”，而成了“凹轮”，或者称其为“凹弧面凸轮”。4.设计方法4.1设计方法的初步探讨由以上分析，我们现在所要解决的问题就是如何设计出该凸轮廓线。一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第6页共10页首先，应该对凸轮及其从动件的运动情况了解。结合机械设计课程中的知识，我们可以利用速度瞬心法在机构运动中的分析，利用三心定理，确定该机构的三个瞬心，继而通过速度瞬心法，求出从动件的运动规律。如右图所示，找出机架1与凸轮的瞬心P13，机架1与从动件2的瞬心P23,，再根据三心定理，确定凸轮与从动件的瞬心P12.然后，我们再进行从动件运动规律的分析，为方便分析，使凸轮有效的廓线部分不变，将凹弧面凸轮转化为真正的凸轮，如图所示，因为从动件始终与凸轮廓线垂直，因此可以再从动件与凸轮接触处添加一个平底，凸轮机构的运动情况没有发生任何变化。对该凸轮机构进行运动分析，发现凸轮的瞬心始终在偏心圆上，即瞬心P12和P13不一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第7页共10页变。若设凸轮以恒定角速度ω运转，则凸轮转角θ=ωt从动件行程S=Vt从动件速度V=ωe由以上三个式子算得凸轮廓线随凸轮转角的运动规律为S=θe最后，确定了凸轮从动件的运动规律之后，也就等于知道了凸轮廓线的变化规律，我们可以利用反转法的原理，设计出凸轮廓线。4.2利用反转法设计凸轮廓线为画图方便，只讨论凸轮有效部分的廓线，如右图所示：根据反转法原理，在CAD软件中绘制凸轮廓线，以10度为一个间隔，共绘制出凸轮廓线上的五个有效点，将这五个点用样条曲线连接起来即成了凸轮廓线。如下图所示：一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第8页共10页提取出的凸轮有效廓线效果图如下：该凸轮廓线应用于凸轮，实现了传动角始终为90度，解决了开头提出的问题。5.凸轮的进一步优化5.1加滚子由于滑块存在一定的宽度，因此，为消除滑块宽度的影响，在滑块长度方向加上一个凸轮，使之固定于滑块上，并可以自转，效果如下图所示。一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第9页共10页5.2加弹簧为防止凸轮转动的角度过大而使凸轮廓线过长，凸轮过大过于笨重，因此，在凸轮的另外一面，加上一个弹簧，结构合理，尺寸小，运行灵活。5.3将最终的优化方案回归原机构根据以上两个优化的添加，应用于原机构，即可解决问题。由于同步带较软，承载能力小，加上弹簧反而不好，因此省略弹簧，得效果图如下：一种基于最优传动的特殊凸轮廓线研究及其优化第10页共10页6.优化方案结果的独创性分析由最终设计出的凹弧面凸轮，可知，该凸轮不是一般的凸轮，其机构的从动件的行程也不是常规的方式，而与常规的相反，因此凸轮廓线也是下凹的，凸轮已不再是“凸轮”，而成了“凹轮”，或者称其为“凹弧面凸轮”。该机构的设计目的是保证最优传动，即传动角始终保持90度，意图新颖，应用广泛，切实可行，着眼于使机构压力角始终保持最小，为各种机械提供了方便。综合运用速度瞬心和反转法的知识，设计凸轮廓线，使理论联系实际，巧妙的完成了凸轮廓线的设计。7.产品的应用前景该产品广泛应用于一种机构的一个构件带动另外一个构件使之一并做相同的运动。凡是有带动的运动过程都可以使用该机构，而现实工作生活中的各种机械很多就存在带动。我们团队的创新项目就是通过用拨针带动衣架运行的方法完成了可以叠多件衣服，方便，灵巧而且功能如果不使用带动，每次只能叠一件衣服，浪费了时间，降低了效率，加大了成本，使原本创新的项目失去了价值。该产品的创新设计使得拨针在带动衣架运动中，不会产生“卡死”现象，保证了最优传动，即传动角始终保持90度，意图新颖，应用广泛，切实可行。此外，在各种传输装置，皮带传动机械，传送带中，该产品都能体现出其优点与适用。因此，该产品还可以广泛应用于餐厅，仓库，工程机械，包装机械，超市，快递公司，工厂的生产线等场合。参考资料：《机械设计基础》王新华主编化学工业出版社2010《机械设计》机械设计教研室编写上海理工大学出版社2010《机械设计及理论》李柱国、许敏主编科学出版社2003《机械原理》邹慧君、张春林