直线往复运动转变单向旋转运动的机构设计

邱汝锋 曾学文 莫万勇

摘 要：文章提出了一种直线往复运动转变成单向旋转运动的机构，并从机构运动方案设计、运动原理、参数计算设计等方面给出其设计方法，其设计可为此类运动机构的设计提供参考。

关键词：直线往复运动；旋转运动；棘轮驱动；机构

中图分类号：U466 文献标志码：A 文章编号：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

机械产品能实现很多的功能，因而执行机构的运动方式及运动规律也是多种多样。由于能够实现同一种运动转变的运动方式往往有许多种，为实现同一个运动方案，在运动方式的选择上有很大的灵活性，机械运动学中有很多关于运动机构的设计方法，本文从运动设计方面介绍一种直线往复运动转变成单向旋转运动的机构设计思路及方法，为此类动作后续设计提供一种参考。

1 机构运动方案设计

机构运动方案的设计是要解决机构的工作原理方案，它是机械设计过程中方案设计阶段的初步工作，同时设计方案决定了机构的质量、使用功能及经济性，因此在整个机械设计过程中起着关键的作用。

1.1 运动机构结构

如图1所示：1、往复直线驱动杆；2、滑块连杆；3、连杆一；4、连杆二；5、单向棘轮，且定义：A点为5-单向棘轮和3-连杆一的旋转中心；B点为3-连杆一的端点，在2-滑块连杆上作滑动运动；C点为4-连杆二的旋转中心，C点位于3-连杆一杆上某点，D点为4-连杆二的端点，正向（顺时针）驱动棘轮旋转运动，反向（逆时针）在棘轮上滑动。

1.2 机构运动原理

其原理为：正向旋转，见图2（a）：1-往复直线驱动杆正向（向右）运动到1'，驱动2-滑块连杆向右运动，同时B点在2-滑块连杆上向上滑动到B'，并带动3-连杆一正向旋转，C点做旋转运动到C'，驱动点D跟随运动到D'，从而实现驱动棘轮正向旋转；反向回位，见图2（b）：1-往复直线驱动杆反向（向左）运动1"，驱动2-滑块连杆向左运动，B点在2-滑块连杆上向下滑动到B"，并带动3-连杆一反向旋转，C点做旋转运动到C"，驱动点D跟随运动到D"，实现D反向在驱动棘轮面上滑动。

2 机构设计

2.1 机构运动设计

从图2运动原理图可知，其设计机构5-棘轮旋转为单向运动，正转时，驱动D点运动到D'，并带动5-棘轮旋转；反向时，驱动D点沿着5-棘轮圆周边缘滑动到D"，5-棘轮不旋转，因此直线正向驱动时使5-棘轮正向旋转，但反向驱动时5-棘轮是没有被驱动。综合以上，设计两套运动相反的连杆机构，并用单动力源来同时驱动，使得一套连杆机构驱动棘轮旋转时，另一套方向相反的连杆机构做好接替驱动的准备，并反复交替驱动，从而使得5-棘轮不间断的旋转，从而提高效率及连续性、平稳性。

其结构见图3：1-往复直线驱动杆、2-滑块连杆共用；第一套1-3连杆、1-4连杆，驱动棘轮点为D点；第二套2-3连杆、2-4连杆，驱动棘轮点为E点。

其运动原理，见图4：当驱动1向右运动时，2跟随运动以及1-3、1-4、2-3、2-4连动，D点运动到D'，并驱动5-棘轮正向运动，E点在棘轮上滑动到E'；相反，当驱动1向左运动时，E点运动到E"，并驱动5-棘轮正向运动，D点在棘轮上滑动到D"，即1-往复直线驱动杆的左右反复运动可实现驱动5-棘轮单向圆周循环运动。

2.2 机构延伸设计

本设计所有的运动以及受力都集中在左侧，为了使运动受力均匀，运动平稳，鉴于所设计为圆周对称，保证运动形式不变，轨迹对称及方向相符前提下，延长连杆1-3、2-3至对称状态，做对称机构，见图5；对比图3其区别：延伸连杆1-3、2-3至对称状态；增加对称连杆1-4'、2-4'；增加机构运动点F、G，且F、G分别与D、E中心对称，其特点：

（1）杆1的直线运动进程和退程相等，则1-3和1-4每次摆动的弧度固定（相对棘轮旋转中心A），D（F）点和E（G）点旋转角度固定。

（2）本设计为反复交替驱动，则需要D（F）点和E（G）点相对棘轮旋转中心旋转角度相等，方向相反。

（3）杆1每往复1次棘轮旋转角度相等，N次往返行程一个圆周（360°）运动，每往返旋转360°/N，单程旋转角度360°/（N*2），即180°/N。

（4）为了使对称点F、G同样角度转动，则需要棘轮齿沿运动圆周均匀分布，且每往返旋转360°/N，所以棘轮齿分布角度为360°/N。

（5）要求平顺运动，则需杆1单次往返过程中棘轮旋转角度相同，所以连杆1-3、2-3对称相同，连杆1-4、2-4、1-4'、2-4'对称相同。

2.3 机构参数设计计算

根据图5结构，设计计算：取N=8，即直线运动8次往返完成一个圆周运动，则棘轮齿分布角度360°/N=45°，单程旋转角度180°/N=22.5°；设棘轮旋转半径R1，由于B、C、D、E、F、G、H、I、J、K全部相對棘轮旋转中心A做圆周运动，设C、H、J、K点的半径（相对棘轮旋转中心A）R2，BI的半径R3设1-4、2-4、1-4'、2-4'的长度L则各点、杆长、运动尺寸关系，见图6。

由上图的长度角度关系以及余弦定理，存在以下关系：

L2=（R1）2+（R2）2-2R1*R2*cos（45°+22.5°）

D=（R3）*cos22.5°-（R3）*cos45°

即可求得L、D数值。

特别说明：上述所有运动都是基于D、E、F、G是在棘轮上驱动或滑动的情况下得出，为了达到这个条件，我们需要在1-3、2、3上C、H、J、K点增加弹簧，使得1-4、1-4' 与1-3之间和 2-4、2-4'与2-3之间夹角最小，从而保证D、E、F、G在棘轮齿表面运动。

2.4 机构3D设计

根据以上所述，取N=8，R1=80mm，R2=150mm，R3= R2，即B点与C点重合， I点与H点重合，C、H点在杆2上滑动，计算得：L=140.4mm，D=32.5mm，运动机构三维设计，见图7，图8。

3 结束语

本文提出了一种直线往复运动转变成单向旋转运动的机构，并从机构运动结构，运动原理等方面进行了详细阐述，并给出了机构参数设计计算方法，并以一案例给了其参数及3D，此机构设计方法可为类似运动机构设计提供一定参考。

参考文献：

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