CN106763483A - 高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法。其特征在于，揭示了插齿机主运动即曲柄连杆滑块机构惯性力全平衡设计方法，推导出了惯性力全平衡时曲柄上增加平衡块质量的计算公式，实现了曲柄长度任意调整时惯性力全平衡的目的，在高速插齿机实际工业应用中获得了很好的动平衡效果。

Description

高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法

技术领域

本发明涉及一种高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法，特别涉及高速插齿机曲柄连杆滑块机构不同曲柄偏心长度时实现全自动惯性力平衡的方法，属于插齿机技术领域。

背景技术

近年来，随着电动工具行业以及汽车工业的迅猛发展，小齿宽的齿轮零件需求迅猛增长，这类零件特别适合在插齿机床上大批量生产，为了降低成本和提高生产效率，高速插齿机的应用越来越广泛。目前国内插齿机实际高速运用中零件精度达不到要求且机床极不稳定，与国外机床还有一定的差距，以致国内插齿机滑块每分钟的行程次速不高，效率低下，满足不了厂家对插齿机高效、高稳定、高精度的要求，长期依靠进口国外高速插齿机。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法，在分析高速插齿机曲柄连杆滑块机构原理基础上，获得曲柄连杆滑块机构惯性力计算公式，进而建立曲柄连杆滑块机构全平衡设计方法，按此方法来设计高速插齿机主运动平衡装置，以实现高速插齿机惯性力的自动平衡。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：通过对对心正置曲柄滑块机构进行动力学分析，建立该机构滑块的位移S、速度V和加速度α₃的数学模型，分别为：

α₃＝Rω²(cosα+λcos2α) (3)

式中：λ＝R/L；R为曲柄长度；ω为曲柄等速旋转角速度；α为转角；L为连杆长度；

步骤二：根据使惯性力保持不变的质量静代换法将曲柄的质量M₁用集中于曲柄中心的O点和连杆的末端A点的两个集中质量M_o1、M_A1代替；连杆的质量M₂用集中于连杆的末端A点和连杆的另一末端B点的两个集中质量M_A2、M_B2代替；

步骤三：建立曲柄、连杆、滑块构件产生的惯性力表达式，曲柄定轴旋转只存在沿径向的向心惯性力F_A，滑块作平面运动，故其惯性力为F_B，即：

F_A＝m_ARω² (4)

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α) (5)

由于往复质量的二阶惯性力是无法平衡的，同时插齿机曲柄连杆滑块机构的主运动中λ值小于0.1，为计算方便暂不考虑，将其忽略，则：

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α)≈m_BRω²cosα (6)

步骤四：通过在曲柄的反方向增加质量块以及增加两个平衡轴实现曲柄连杆滑块机构惯性力的全平衡；

步骤五：通过平衡结构设计，增加偏心轴以及平衡质量块调整机构，实现曲柄不同偏心时均实现自动平衡。

所述步骤二中质量静代换方法具体为：

M_o1＝M₁(R-R_c)/R (7)

M_A1＝M₁R_c/R (8)

M_A2＝M₂L_c/L (9)

M_B2＝M₂(L-L_c)/L (10)

式中：R_c为曲柄质心距离中心O的距离；L_c为连杆质量中心到连杆的另一末端B点长度；

此机构经过质量替换后只存在O点、A点和B点三个集中质量m_o、m_A和m_B，即：

m_o＝M_o1＝M₁(R-R_c)/R (11)

m_A＝M_A1+M_A2＝M₁R_c/R+M₂L_c/L (12)

m_B＝M₃+M_B2＝M₃+M₂(L-L_c)/L (13)

式中：M₃为滑块的质量；

所述步骤四中具体步骤为：

(1)在曲柄反方向距离曲柄中心为R的位置增加一个质量为m_AA的质量块，使m_AA＝m_A，则：

F_AA＝-m_AARω² (14)

由于F_AA和F_A大小相等，方向相反，所以F_A被完全平衡；

(2)在曲柄的同一平面内增加两个平衡轴，两个平衡轴与曲柄旋转速度相等，旋转方向相反，在两个平衡轴上且在曲柄的中心平面内增加两个质量块m_BB，质量块相对轴中心的距离为R，则两个质量块在F_B方向上产生的惯性力为：

F_BB＝-m_BBRω²cosα (15)

为了平衡F_B方向上的惯性力，F_B＝-2F_BB，则：

m_BRω²cosα＝2m_BBRω²cosα (16)

由于两个平衡轴上增加的两个质量块旋转方向相反，两个质量块在A方向上的惯性力相互抵消，所以只需在平衡轴上增加两个m_BB＝0.5m_B的质量块就可以完全平衡掉F_B，由此，曲柄连杆滑块机构在F_A、F_B两个方向的惯性力均被平衡掉，实现了惯性力全平衡。

所述步骤五中调整机构包括曲柄偏心调整机构、平衡轴一偏心调整机构和平衡轴二偏心调整机构；所述曲柄偏心调整机构包括曲柄，曲柄轴上安装有第一齿轮和第二齿轮，所述曲柄上安装有第二传动丝杆，所述第二传动丝杆与偏心调整块构成丝杆传动配合，偏心调整块的两端面加工有齿条结构，所述齿条结构分别与第一传动齿轮和第二传动齿轮构成齿轮齿条传动，所述第一传动齿轮和第一平衡质量块上的齿条构成齿轮传动，所述第二传动齿轮和第二平衡质量块上的齿条构成齿轮传动；所述平衡轴一偏心调整机构和平衡轴二偏心调整机构上分别安装有第一传动丝杆和第三传动丝杆，所述第一传动丝杆和第三传动丝杆上都分别通过丝杆传动配合安装有平衡质量块。

本发明与常规管式泵相比具备了以下有益效果：

提供一种高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法，在分析高速插齿机曲柄连杆滑块机构原理基础上，获得曲柄连杆滑块机构惯性力计算公式，进而建立曲柄连杆滑块机构全平衡设计方法，按此方法来设计高速插齿机主运动平衡装置，以实现高速插齿机惯性力的自动平衡，满足了厂家对插齿机高效、高稳定、高精度的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为曲柄连杆滑块结构示意图。

图2为曲柄连杆滑块全平衡结构示意图。

图3为曲柄连杆滑块全平衡自动适应结构示意图。

图中：第一齿轮1、第一平衡轴齿轮2、第二齿轮3、过渡轴齿轮4、第二平衡轴齿轮5、第一传动丝杆6、第二传动丝杆7、第三传动丝杆8、曲柄偏心调整机构9、平衡轴一偏心调整机构10、平衡轴二偏心调整机构11、第一传动齿轮12、第二传动齿轮13、第一平衡质量块14、第二平衡质量块15、偏心调整块16、平衡质量块17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

如图1-3，高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：通过对对心正置曲柄滑块机构进行动力学分析，建立该机构滑块的位移S、速度V和加速度α₃的数学模型，分别为：

α₃＝Rω²(cosα+λcos2α) (3)

式中：λ＝R/L；R为曲柄长度；ω为曲柄等速旋转角速度；α为转角；L为连杆长度。

步骤二：根据使惯性力保持不变的质量静代换法将曲柄的质量M₁用集中于曲柄中心的O点和连杆的末端A点的两个集中质量M_o1、M_A1代替；连杆的质量M₂用集中于连杆的末端A点和连杆的另一末端B点的两个集中质量M_A2、M_B2代替，如图1；

质量静代换方法具体为：

M_o1＝M₁(R-R_c)/R (4)

M_A1＝M₁R_c/R (5)

M_A2＝M₂L_c/L (6)

M_B2＝M₂(L-L_c)/L (7)

式中：R_c为曲柄质心距离中心O的距离；L_c为连杆质量中心到连杆的另一末端B点长度；

此机构经过质量替换后只存在O点、A点和B点三个集中质量m_o、m_A和m_B，即：

m_o＝M_o1＝M₁(R-R_c)/R (8)

m_A＝M_A1+M_A2＝M₁R_c/R+M₂L_c/L (9)

m_B＝M₃+M_B2＝M₃+M₂(L-L_c)/L (10)

式中：M₃为滑块的质量；

步骤三：建立曲柄、连杆、滑块构件产生的惯性力表达式，曲柄定轴旋转只存在沿径向的向心惯性力F_A，滑块作平面运动，故其惯性力为F_B，如图2，即：

F_A＝m_ARω² (11)

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α) (12)

由于往复质量的二阶惯性力是无法平衡的，同时插齿机曲柄连杆滑块机构的主运动中λ值小于0.1，为计算方便暂不考虑，将其忽略，则：

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α)≈m_BRω²cosα (13)

步骤四：通过在曲柄的反方向增加质量块以及增加两个平衡轴实现曲柄连杆滑块机构惯性力的全平衡；

(1)在曲柄反方向距离曲柄中心为R的位置增加一个质量为m_AA的质量块，使m_AA＝m_A，则：

F_AA＝-m_AARω² (14)

由于F_AA和F_A大小相等，方向相反，所以F_A被完全平衡；

(2)在曲柄的同一平面内增加两个平衡轴，两个平衡轴与曲柄旋转速度相等，旋转方向相反，在两个平衡轴上且在曲柄的中心平面内增加两个质量块m_BB，质量块相对轴中心的距离为R，则两个质量块在F_B方向上产生的惯性力为：

F_BB＝-m_BBRω²cosα (15)

为了平衡F_B方向上的惯性力，F_B＝-2F_BB，则：

m_BRω²cosα＝2m_BBRω²cosα (16)

由于两个平衡轴上增加的两个质量块旋转方向相反，两个质量块在A方向上的惯性力相互抵消，所以只需在平衡轴上增加两个m_BB＝0.5m_B的质量块就可以完全平衡掉F_B，由此，曲柄连杆滑块机构在F_A、F_B两个方向的惯性力均被平衡掉，实现了惯性力全平衡。

以上可以看出，曲柄连杆滑块机构在F_A、F_B两个方向的惯性力均被平衡掉，实现了惯性力全平衡。

步骤五：通过平衡结构设计，增加偏心轴以及平衡质量块调整机构，实现曲柄不同偏心时均实现自动平衡，如图3。

调整机构包括曲柄偏心调整机构9、平衡轴一偏心调整机构10和平衡轴二偏心调整机构11；

所述曲柄偏心调整机构9包括曲柄，曲柄轴上安装有第一齿轮1和第二齿轮3，所述曲柄上安装有第二传动丝杆7，所述第二传动丝杆7与偏心调整块16构成丝杆传动配合，使偏心调整块16可以在第二传动丝杆7带动下上下移动实现机构质心A点偏心距R可调，A点的等效质量为m_A，偏心调整块16的两端面加工有齿条结构，所述齿条结构分别与第一传动齿轮12和第二传动齿轮13构成齿轮齿条传动，所述第一传动齿轮12和第一平衡质量块14上的齿条构成齿轮传动，所述第二传动齿轮13和第二平衡质量块15上的齿条构成齿轮传动；第一传动齿轮12和第二传动齿轮13带动第一平衡质量块14和第二平衡质量块15上的齿条沿着与偏心调整块16相反的方向同步移动R，第一平衡质量块14和第二平衡质量块15等效到AA点的质量为m_AA，这样实现了A方向上惯性力自动平衡。

所述平衡轴一偏心调整机构10和平衡轴二偏心调整机构11上分别安装有第一传动丝杆6和第三传动丝杆8，所述第一传动丝杆6和第三传动丝杆8上都分别通过丝杆传动配合安装有平衡质量块17。分别通过第一传动丝杆6和第三传动丝杆8带动两个平衡质量块m_BB与第二传动丝杆7相反的方向移动，使其m_BB的质心移动距离R，其中一传动丝杆6、第二传动丝杆7和第三传动丝杆8均由伺服电机驱动，可以保证两个平衡质量块m_BB与偏心调整块16移动相同距离R。这样实现了B方向上惯性力的平衡，达到曲柄连杆滑块机构惯性力自动全平衡的目的。

曲柄连杆滑块惯性力自动全平衡设计要点：

1、增加的平衡块质心与曲柄连杆滑块机构等效质心的运动必需在同一个平面内，避免引起额外的旋转力矩。

2、平衡轴一、平衡轴二必需与曲柄同步旋转，且平衡轴一、平衡轴二旋转方向相反。

3、平衡轴一与平衡轴二轴心平行，且轴心连接平面必需与滑块移动方向垂直，并相对FB成中心对称，避免引起额外的旋转力矩。

4、平衡质量块m_AA一定布置在质点A移动的反方向上，且距离中心与A点距离中心O的距离一致，两个平衡质量块m_BB分别布置在两个平衡轴上且方向与平衡质量块m_AA移动方向一致，距离与各自旋转中心距离与平衡质量块m_AA偏心的距离相等，保证两个平衡质量块m_BB在A方向上惯性力相互抵消，在B方向上的合力与F_B抵消。

5、为方便实现自动平衡，平衡质量块m_AA分解为两个质量相等、形状一样的第一平衡质量块14和第二平衡质量块15，并保持刚性连接且两质量块质心一定在质点A移动的反方向上并保护与中心的距离和质点A到中心距离R一致。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (4)

1.高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：通过对对心正置曲柄滑块机构进行动力学分析，建立该机构滑块的位移S、速度V和加速度α₃的数学模型，分别为：

α₃＝Rω²(cosα+λcos2α) (3)

式中：λ＝R/L；R为曲柄长度；ω为曲柄等速旋转角速度；α为转角；L为连杆长度；

步骤二：根据使惯性力保持不变的质量静代换法将曲柄的质量M₁用集中于曲柄中心的O点和连杆的末端A点的两个集中质量M_o1、M_A1代替；连杆的质量M₂用集中于连杆的末端A点和连杆的另一末端B点的两个集中质量M_A2、M_B2代替；

步骤三：建立曲柄、连杆、滑块构件产生的惯性力表达式，曲柄定轴旋转只存在沿径向的向心惯性力F_A，滑块作平面运动，故其惯性力为F_B，即：

F_A＝m_ARω² (4)

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α) (5)

由于往复质量的二阶惯性力是无法平衡的，同时插齿机曲柄连杆滑块机构的主运动中λ值小于0.1，为计算方便暂不考虑，将其忽略，则：

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α)≈m_BRω²cosα (6)

步骤四：通过在曲柄的反方向增加质量块以及增加两个平衡轴实现曲柄连杆滑块机构惯性力的全平衡；

步骤五：通过平衡结构设计，增加偏心轴以及平衡质量块调整机构，实现曲柄不同偏心时均实现自动平衡。

2.根据权利要求1所述的高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法，其特征在于，所述步骤二中质量静代换方法具体为：

M_o1＝M₁(R-R_c)/R (7)

M_A1＝M₁R_c/R (8)

M_A2＝M₂L_c/L (9)

M_B2＝M₂(L-L_c)/L (10)

式中：R_c为曲柄质心距离中心O的距离；L_c为连杆质量中心到连杆的另一末端B点长度；

此机构经过质量替换后只存在O点、A点和B点三个集中质量m_o、m_A和m_B，即：

m_o＝M_o1＝M₁(R-R_c)/R (11)

m_A＝M_A1+M_A2＝M₁R_c/R+M₂L_c/L (12)

m_B＝M₃+M_B2＝M₃+M₂(L-L_c)/L (13)

式中：M₃为滑块的质量。

3.根据权利要求1所述的高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法，其特征在于，所述步骤四中具体步骤为：

(1)在曲柄反方向距离曲柄中心为R的位置增加一个质量为m_AA的质量块，使m_AA＝m_A，则：

F_AA＝-m_AARω² (14)

由于F_AA和F_A大小相等，方向相反，所以F_A被完全平衡；

(2)在曲柄的同一平面内增加两个平衡轴，两个平衡轴与曲柄旋转速度相等，旋转方向相反，在两个平衡轴上且在曲柄的中心平面内增加两个质量块m_BB，质量块相对轴中心的距离为R，则两个质量块在F_B方向上产生的惯性力为：

F_BB＝-m_BBRω²cosα (15)

为了平衡F_B方向上的惯性力，F_B＝-2F_BB，则：

m_BRω²cosα＝2m_BBRω²cosα (16)

由于两个平衡轴上增加的两个质量块旋转方向相反，两个质量块在A方向上的惯性力相互抵消，所以只需在平衡轴上增加两个m_BB＝0.5m_B的质量块就可以完全平衡掉F_B，由此，曲柄连杆滑块机构在F_A、F_B两个方向的惯性力均被平衡掉，实现了惯性力全平衡。

4.根据权利要求1所述的高速插齿机主运动惯性力自动全平衡设计方法，其特征在于，所述步骤五中调整机构包括曲柄偏心调整机构(9)、平衡轴一偏心调整机构(10)和平衡轴二偏心调整机构(11)；所述曲柄偏心调整机构(9)包括曲柄，曲柄轴上安装有第一齿轮(1)和第二齿轮(3)，所述曲柄上安装有第二传动丝杆(7)，所述第二传动丝杆(7)与偏心调整块(16)构成丝杆传动配合，偏心调整块(16)的两端面加工有齿条结构，所述齿条结构分别与第一传动齿轮(12)和第二传动齿轮(13)构成齿轮齿条传动，所述第一传动齿轮(12)和第一平衡质量块(14)上的齿条构成齿轮传动，所述第二传动齿轮(13)和第二平衡质量块(15)上的齿条构成齿轮传动；所述平衡轴一偏心调整机构(10)和平衡轴二偏心调整机构(11)上分别安装有第一传动丝杆(6)和第三传动丝杆(8)，所述第一传动丝杆(6)和第三传动丝杆(8)上都分别通过丝杆传动配合安装有平衡质量块(17)。