一种新型金属薄板弯曲试验机的设计

2015-01-06冯建友

设备管理与维修 2015年8期

冯建友

（山西省机电设计研究院太原）

在众多机器和仪表中，有时需设计一个机构来产生摆动运动，以满足工况左右摇摆动作的要求，有些场合还对摆动角有精确的要求，本文的研究目的是完成金属薄板弯曲试验。曲柄摇杆机构是常见的一种输出摆动运动的连杆机构，但其摆动角一般较小，当工况要求的摆动角超过180°时就不能满足工程需求。为此，利用行星轮系机构的结构紧凑、传动比大以及输入与输出转向相同等传动特性，将曲柄摇杆机构与增速行星轮系机构串联在一起，设计了一个大摆动角机构，可实现在360°内输出任意大小摆动角的功能，并将其成功应用于金属薄板弯曲试验机上。

一、大摆动角的机构的设计

大摆动角机构由曲柄摇杆机构和增速行星轮系机构串联而成，分别介绍2个机构的设计。

1.曲柄摇杆机构的设计

图1为曲柄摇杆机构，绕A轴匀速转动的曲柄AB驱动连杆BC作平面运动，使摇杆CD绕D轴作摆动角为Φ的摆动。

图1 曲柄摇杆机构摇杆极限位置计算简图

假设AB=l1、BC=l2、CD=l3、AD=l4，且l2=min{l2，l3，l4}，由曲柄摇杆机构存在条件[1]得：

当曲柄与连杆重合时，摇杆摆到左极限位置[2]，此时摇杆位置角Φ1见式（3）。

当曲柄与连杆共线时，摇杆摆到右极限位置，此时摇杆位置角Φ2见式（4）。

于是，曲柄回转一周，摇杆的摆动角见式（5）。

由文献[1]可知，要保证机构传动良好，连杆与摇杆所形成的传动角通常应＞40°，当曲柄与机架杆共线或重合时，如图2所示，机构出现最小传动角，于是得到曲柄摇杆机构设计时的尺寸约束条件，见式（6），式（7）。

图2 曲柄摇杆机构最小传动角计算简图

2.增速行星轮系机构的设计

行星轮系机构也是一种常见传动机构，广泛应用于运输机械、起重机械、轻工机械和机床等的减速装置中。行星轮系机构具有体积小、工作平稳、承载能力大、传动比大等特点。本设计中采用了如图3所示的增速行星轮系机构，将绕轴D摆动的转臂CD作为主动件，并在其轴E上活装行星齿轮，行星齿轮与内齿轮和太阳轮同时啮合，内齿轮固定不动，将与太阳轮固定的轴F作为输出轴。假设中心齿轮齿数为Z1，行星齿轮齿数为Z2，内齿轮齿数为Z3，则该机构的传动比为：

从机械效率、结构复杂程度和外形轮廓尺寸等方面综合考虑，传动比的取值范围见式（9）。式（9）说明，转臂转1圈，太阳轮可以转3～9圈，即增速行星轮系机构能够将转臂的转角放大3～9倍。也就是说，只须转臂的转角在 30°～120°，太阳轮轴的摆动角即可达到360°。

图3 行星轮系机构的计算简图

由图3还看出，作为输出轴的轴F与主动件转臂CD的转向是一致的。另外，行星齿轮与内齿轮和太阳轮同时啮合，且内齿轮与太阳轮回转轴线重合，于是有式（10）。

在本设计中，增速行星轮系机构作为传递运动机构使用，各构件承受的载荷较小，故行星轮系中的行星齿轮只设置一个即可[3]。

二、金属薄板弯曲试验机的设计

对于金属复合板，目前国内还没有标准设备对其的层间结合力及其力性能做出准确评估。为此，一般采用反复弯曲试验来对其层间结合力进行评估，以其能够承受的反复变异次数作为衡量其性能的一个标准。反复弯曲试验的国家标准规定：将试样一端夹紧，然后绕规定半径的圆柱形表面使试样弯曲90°，之后向相反方向弯曲，如此反复进行。

1.金属薄板弯曲试验机工作原理

某金属薄板弯曲性能测试仪器的工作原理是：对试样实施反复90°弯曲变形，测得的弯曲次数作为评价试样弯曲性能好坏的指标，该仪器的工作机构是由曲柄摇杆机构串联增速行星轮系组成的机械机构，即将曲柄摇杆机构的摇杆作为增速行星轮系机构的转臂。设计时，取摇杆摆动角Φ=60°，增速行星轮系的传动比i=1/3，即可实现该仪器输出摆动角180°，使试样弯曲180°。