機構設計 : 使用曲柄及肘節的減速機構 | Motion 機構模擬運動

曲柄肘節取代凸輪功能,達成肘節在行程終點的運動狀態由減速至停止。

原始檔模型下載

曲柄及連桿
肘節行程終點運動停止狀態

1. 機構運動影片

2. 為什麼不使用凸輪

由表格綜合比較,可看出肘節的優點多於凸輪,舉例來說,連桿可使用成本較低的材料,但也可依需求改為不鏽鋼,用於室外或具有腐蝕性環境,相對於凸輪,業界一般多採用材料為低碳合金結構鋼(SCM415),相比之下就顯得較無彈性。

條件肘節連桿凸輪元件
一致的夾持點優勢侷限
厚度可變性侷限優勢
成本
快速運動較快較慢
不鏽鋼材料優勢侷限

3. 什麼是肘節機構?

肘節機構(Toggle Mechanism),以2個連桿組成,當運動過程連桿形成一直線時,會產生相當大的力,這時稱為死點(dead center position)。常用於沖孔機碎石機手夾鉗…等。

3-1. 增力特性

當肘節連桿夾角為120度時,動力輸入和輸出比大約為 1 : 1,例如 : 輸入力 9 kg,當角度為150度時,就有2倍力道約18公斤。

3-2. 概算倍率表

由圖推導出連桿力(F)的公式為 (f/2) x (1/cos(θ/2)),表格紀錄當肘節角度於80°~179.5°間,連桿輸出的動力,仔細查看發現,當肘節角度不到120°時,輸出的力道會變小不足1倍,設計時最好避免此情況。

θF/f概算倍率|θF/f概算倍率
80°0.650.65 倍|170°5.735 倍
90°0.710.7 倍|175°11.4610 倍
100°0.780.8 倍|176°14.3215 倍
120°1.001 倍|177°19.1020 倍
140°1.461.5 倍|178°28.6530 倍
150°1.932 倍|179°57.2950 倍
160°2.883 倍|179.5°114.59120 倍

3. 如何設定曲柄固定點

設計肘節機構時,先規劃模型運動的起始終止位置,接著並設計模型在這兩狀態時,連桿分別的位置為何,例如 : 運動終止時,兩肘節連桿互為180度(共線)、曲柄及連桿也為180度(共線),如右圖;運動起始時,曲柄及連桿同樣互為180度(共線),兩肘節以連桿為對稱線,如左圖。

最快速的方法為,在草圖以直線取代連桿,使用共線限制條件定義兩種運動狀態的連桿位置,這時固定點就會出來了。

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