一種新型金屬薄板彎曲試驗機的設計

馮建友

（山西省機電設計研究院 太原）

在眾多機器和儀表中，有時需設計一個機構來產生擺動運動，以滿足工況左右搖擺動作的要求，有些場合還對擺動角有精確的要求，本文的研究目的是完成金屬薄板彎曲試驗。曲柄搖桿機構是常見的一種輸出擺動運動的連桿機構，但其擺動角一般較小，當工況要求的擺動角超過180°時就不能滿足工程需求。為此，利用行星輪系機構的結構緊湊、傳動比大以及輸入與輸出轉向相同等傳動特性，將曲柄搖桿機構與增速行星輪系機構串聯在一起，設計了一個大擺動角機構，可實現在360°內輸出任意大小擺動角的功能，并將其成功應用于金屬薄板彎曲試驗機上。

一、大擺動角的機構的設計

大擺動角機構由曲柄搖桿機構和增速行星輪系機構串聯而成，分別介紹2個機構的設計。

1.曲柄搖桿機構的設計

圖1為曲柄搖桿機構，繞A軸勻速轉動的曲柄AB驅動連桿BC作平面運動，使搖桿CD繞D軸作擺動角為Φ的擺動。

圖1 曲柄搖桿機構搖桿極限位置計算簡圖

假設AB=l1、BC=l2、CD=l3、AD=l4，且l2=min{l2，l3，l4}，由曲柄搖桿機構存在條件[1]得：

當曲柄與連桿重合時，搖桿擺到左極限位置[2]，此時搖桿位置角Φ1見式（3）。

當曲柄與連桿共線時，搖桿擺到右極限位置，此時搖桿位置角Φ2見式（4）。

于是，曲柄回轉一周，搖桿的擺動角見式（5）。

由文獻[1]可知，要保證機構傳動良好，連桿與搖桿所形成的傳動角通常應＞40°，當曲柄與機架桿共線或重合時，如圖2所示，機構出現最小傳動角，于是得到曲柄搖桿機構設計時的尺寸約束條件，見式（6），式（7）。

圖2 曲柄搖桿機構最小傳動角計算簡圖

2.增速行星輪系機構的設計

行星輪系機構也是一種常見傳動機構，廣泛應用于運輸機械、起重機械、輕工機械和機床等的減速裝置中。行星輪系機構具有體積小、工作平穩、承載能力大、傳動比大等特點。本設計中采用了如圖3所示的增速行星輪系機構，將繞軸D擺動的轉臂CD作為主動件，并在其軸E上活裝行星齒輪，行星齒輪與內齒輪和太陽輪同時嚙合，內齒輪固定不動，將與太陽輪固定的軸F作為輸出軸。假設中心齒輪齒數為Z1，行星齒輪齒數為Z2，內齒輪齒數為Z3，則該機構的傳動比為：

從機械效率、結構復雜程度和外形輪廓尺寸等方面綜合考慮，傳動比的取值范圍見式（9）。式（9）說明，轉臂轉1圈，太陽輪可以轉3～9圈，即增速行星輪系機構能夠將轉臂的轉角放大3～9倍。也就是說，只須轉臂的轉角在 30°～120°，太陽輪軸的擺動角即可達到360°。

圖3 行星輪系機構的計算簡圖

由圖3還看出，作為輸出軸的軸F與主動件轉臂CD的轉向是一致的。另外，行星齒輪與內齒輪和太陽輪同時嚙合，且內齒輪與太陽輪回轉軸線重合，于是有式（10）。

在本設計中，增速行星輪系機構作為傳遞運動機構使用，各構件承受的載荷較小，故行星輪系中的行星齒輪只設置一個即可[3]。

二、金屬薄板彎曲試驗機的設計

對于金屬復合板，目前國內還沒有標準設備對其的層間結合力及其力性能做出準確評估。為此，一般采用反復彎曲試驗來對其層間結合力進行評估，以其能夠承受的反復變異次數作為衡量其性能的一個標準。反復彎曲試驗的國家標準規定：將試樣一端夾緊，然后繞規定半徑的圓柱形表面使試樣彎曲90°，之后向相反方向彎曲，如此反復進行。

1.金屬薄板彎曲試驗機工作原理

某金屬薄板彎曲性能測試儀器的工作原理是：對試樣實施反復90°彎曲變形，測得的彎曲次數作為評價試樣彎曲性能好壞的指標，該儀器的工作機構是由曲柄搖桿機構串聯增速行星輪系組成的機械機構，即將曲柄搖桿機構的搖桿作為增速行星輪系機構的轉臂。設計時，取搖桿擺動角Φ=60°，增速行星輪系的傳動比i=1/3，即可實現該儀器輸出擺動角180°，使試樣彎曲180°。

2.各構件基本參數的確定

（1）行星輪系機構的齒輪齒數設計。將i=1/3代入式（8）并與式（10）聯立，并取Z2=17，求得Z1=34，Z3=68。機構主要傳遞運動，載荷較小，取齒輪模數m=2 mm，則轉臂最小長度h=（Z1+Z2）m/2=51 mm，內齒輪分度圓半徑r3=Z3m/2=68 mm。

（2）曲柄搖桿機構的桿長設計。取曲柄l1=30 mm，連桿l2=150 mm，Φ1=60°，由式（5）得，Φ2=Φ+Φ1=120°，將數據代入式（3）和（4）式得。

解此方程組得l3=138.5 mm，l4=65 mm。

（3）曲柄搖桿機構運動特性的校核。將設計結果代入式（6）式（7）和式（5），計算得。

可見，所設計的曲柄搖桿機構可以滿足傳動條件和動作要求。又有l4=65 mm≥51 mm=h。說明曲柄搖桿機構的搖桿作為增速行星輪系機構的轉臂，在結構上是可行的。

3.主要結構設計

根據設計要求所設計的反復彎曲試驗機工作部分結構如圖4所示。

三、小結

用于金屬薄板反復彎曲試驗的彎曲試驗機，設計中采用了由曲柄搖桿機構與增速行星輪系機構串聯在一起構成的輸出大擺動角機構，可以在360°內輸出任意大小的擺動角。實際應用結果表明，大擺動角機構的結構緊湊，設計計算簡單、運行可靠。機構也可應用于其他有類似要求的工作場合。

圖4 反復彎曲試驗機工作部分結構示意圖

1 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2007

2 劉力紅.一種基于最佳傳動角的曲柄搖桿機構設計方法[J].長春理工大學學報，2009，32（4）：603－606

3 王許太.行星輪系設計條件研究[J].機械設計，2003，20（2）：48-50

4 曾敏.多層金屬薄板反復彎曲試驗裝置設計及運動仿真[J].機械工程與自動化，2015（1）：110-112