直線往復運動轉變單向旋轉運動的機構設計

邱汝鋒 曾學文 莫萬勇

摘 要：文章提出了一種直線往復運動轉變成單向旋轉運動的機構，并從機構運動方案設計、運動原理、參數計算設計等方面給出其設計方法，其設計可為此類運動機構的設計提供參考。

關鍵詞：直線往復運動；旋轉運動；棘輪驅動；機構

中圖分類號：U466 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0076-03

Abstract： In this paper， a mechanism from linear reciprocating motion to unidirectional rotating motion is presented， and its design method is given from the aspects of motion scheme design， motion principle， and parameter calculation design. Its design can provide reference for the design of this kind of sports mechanism.

Keywords： linear reciprocating motion； rotating motion； ratchet drive； mechanism

機械產品能實現很多的功能，因而執行機構的運動方式及運動規律也是多種多樣。由于能夠實現同一種運動轉變的運動方式往往有許多種，為實現同一個運動方案，在運動方式的選擇上有很大的靈活性，機械運動學中有很多關于運動機構的設計方法，本文從運動設計方面介紹一種直線往復運動轉變成單向旋轉運動的機構設計思路及方法，為此類動作后續設計提供一種參考。

1 機構運動方案設計

機構運動方案的設計是要解決機構的工作原理方案，它是機械設計過程中方案設計階段的初步工作，同時設計方案決定了機構的質量、使用功能及經濟性，因此在整個機械設計過程中起著關鍵的作用。

1.1 運動機構結構

如圖1所示：1、往復直線驅動桿；2、滑塊連桿；3、連桿一；4、連桿二；5、單向棘輪，且定義：A點為5-單向棘輪和3-連桿一的旋轉中心；B點為3-連桿一的端點，在2-滑塊連桿上作滑動運動；C點為4-連桿二的旋轉中心，C點位于3-連桿一桿上某點，D點為4-連桿二的端點，正向（順時針）驅動棘輪旋轉運動，反向（逆時針）在棘輪上滑動。

1.2 機構運動原理

其原理為：正向旋轉，見圖2（a）：1-往復直線驅動桿正向（向右）運動到1'，驅動2-滑塊連桿向右運動，同時B點在2-滑塊連桿上向上滑動到B'，并帶動3-連桿一正向旋轉，C點做旋轉運動到C'，驅動點D跟隨運動到D'，從而實現驅動棘輪正向旋轉；反向回位，見圖2（b）：1-往復直線驅動桿反向（向左）運動1"，驅動2-滑塊連桿向左運動，B點在2-滑塊連桿上向下滑動到B"，并帶動3-連桿一反向旋轉，C點做旋轉運動到C"，驅動點D跟隨運動到D"，實現D反向在驅動棘輪面上滑動。

2 機構設計

2.1 機構運動設計

從圖2運動原理圖可知，其設計機構5-棘輪旋轉為單向運動，正轉時，驅動D點運動到D'，并帶動5-棘輪旋轉；反向時，驅動D點沿著5-棘輪圓周邊緣滑動到D"，5-棘輪不旋轉，因此直線正向驅動時使5-棘輪正向旋轉，但反向驅動時5-棘輪是沒有被驅動。綜合以上，設計兩套運動相反的連桿機構，并用單動力源來同時驅動，使得一套連桿機構驅動棘輪旋轉時，另一套方向相反的連桿機構做好接替驅動的準備，并反復交替驅動，從而使得5-棘輪不間斷的旋轉，從而提高效率及連續性、平穩性。

其結構見圖3：1-往復直線驅動桿、2-滑塊連桿共用；第一套1-3連桿、1-4連桿，驅動棘輪點為D點；第二套2-3連桿、2-4連桿，驅動棘輪點為E點。

其運動原理，見圖4：當驅動1向右運動時，2跟隨運動以及1-3、1-4、2-3、2-4連動，D點運動到D'，并驅動5-棘輪正向運動，E點在棘輪上滑動到E'；相反，當驅動1向左運動時，E點運動到E"，并驅動5-棘輪正向運動，D點在棘輪上滑動到D"，即1-往復直線驅動桿的左右反復運動可實現驅動5-棘輪單向圓周循環運動。

2.2 機構延伸設計

本設計所有的運動以及受力都集中在左側，為了使運動受力均勻，運動平穩，鑒于所設計為圓周對稱，保證運動形式不變，軌跡對稱及方向相符前提下，延長連桿1-3、2-3至對稱狀態，做對稱機構，見圖5；對比圖3其區別：延伸連桿1-3、2-3至對稱狀態；增加對稱連桿1-4'、2-4'；增加機構運動點F、G，且F、G分別與D、E中心對稱，其特點：

（1）桿1的直線運動進程和退程相等，則1-3和1-4每次擺動的弧度固定（相對棘輪旋轉中心A），D（F）點和E（G）點旋轉角度固定。

（2）本設計為反復交替驅動，則需要D（F）點和E（G）點相對棘輪旋轉中心旋轉角度相等，方向相反。

（3）桿1每往復1次棘輪旋轉角度相等，N次往返行程一個圓周（360°）運動，每往返旋轉360°/N，單程旋轉角度360°/（N*2），即180°/N。

（4）為了使對稱點F、G同樣角度轉動，則需要棘輪齒沿運動圓周均勻分布，且每往返旋轉360°/N，所以棘輪齒分布角度為360°/N。

（5）要求平順運動，則需桿1單次往返過程中棘輪旋轉角度相同，所以連桿1-3、2-3對稱相同，連桿1-4、2-4、1-4'、2-4'對稱相同。

2.3 機構參數設計計算

根據圖5結構，設計計算：取N=8，即直線運動8次往返完成一個圓周運動，則棘輪齒分布角度360°/N=45°，單程旋轉角度180°/N=22.5°；設棘輪旋轉半徑R1，由于B、C、D、E、F、G、H、I、J、K全部相對棘輪旋轉中心A做圓周運動，設C、H、J、K點的半徑（相對棘輪旋轉中心A）R2，BI的半徑R3設1-4、2-4、1-4'、2-4'的長度L則各點、桿長、運動尺寸關系，見圖6。

由上圖的長度角度關系以及余弦定理，存在以下關系：

L2=（R1）2+（R2）2-2R1*R2*cos（45°+22.5°）

D=（R3）*cos22.5°-（R3）*cos45°

即可求得L、D數值。

特別說明：上述所有運動都是基于D、E、F、G是在棘輪上驅動或滑動的情況下得出，為了達到這個條件，我們需要在1-3、2、3上C、H、J、K點增加彈簧，使得1-4、1-4' 與1-3之間和 2-4、2-4'與2-3之間夾角最小，從而保證D、E、F、G在棘輪齒表面運動。

2.4 機構3D設計

根據以上所述，取N=8，R1=80mm，R2=150mm，R3= R2，即B點與C點重合， I點與H點重合，C、H點在桿2上滑動，計算得：L=140.4mm，D=32.5mm，運動機構三維設計，見圖7，圖8。

3 結束語

本文提出了一種直線往復運動轉變成單向旋轉運動的機構，并從機構運動結構，運動原理等方面進行了詳細闡述，并給出了機構參數設計計算方法，并以一案例給了其參數及3D，此機構設計方法可為類似運動機構設計提供一定參考。

參考文獻：

[1]何存興，張鐵華.液壓傳動與氣動傳動（第一版）[M].武漢：華中理工大學出版社，1998.

[2]鄭洪生.氣壓傳動及控制[M].北京：機械工業出版社，1994.

[3]氣動工程手冊編委會.氣動工程手冊[M].北京：國防工業出版社，1995.

[4]鄭武，韓明軍，農振.前車架柔性焊接夾具氣路控制系統設計[J].科技創新與應用，2019，4（260）：96-98.