椭圆齿轮分插机构模型的建立及其ADAMS虚拟样机仿真

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椭圆齿轮分插机构模型的建立及其 ADAMS 虚

拟样机仿真

0 、引言

水稻机械化种植技术是一项先进的农业技术，能够大幅提高水稻综合生产能力，是水稻现代化

种植的发展方向，也是未来水稻种植的主导性技术。水稻插秧机是一个由多部件组成的复杂机

械系统，分插机构是插秧机从秧群中分取一定数量的秧苗并插入土中的机构，是插秧机的主要

工作部件，其性能决定插秧质量、工作可靠性和插秧频率。由于要通过秧针的非匀速转动来实

现不同插秧动作(取秧、送秧、推秧、回程等) 对速度的不同要求，达到秧苗插直、插深、插

稳、不伤苗等插秧农艺要求，因此对分插机构的研究成为国内外水稻插秧机的研究重点。椭圆

齿轮是节曲线封闭的非圆齿轮，当用两个相同的椭圆齿轮传动时，随着椭圆偏心率的不同，可

得到不同的传动比变化曲线，以完成机构的变速传动或作为速度和加速度调节之用。椭圆齿轮

分插机构可以满足秧针的非匀速转动，并在理论与实践中得到验证，广泛应用于国内外高速水

稻插秧机。

为使分插机构高效运转，保证秧苗的直立性，对椭圆齿轮的参数有严格限定。根据插秧农艺要

求，秧针尖点的 Y 方向位移变化量在 260 ～310mm 之间为宜。但通过 ADAMS 对分插机构进

行运动学仿真，从结果可以很直观地看到: 对于确定参数，轴心在焦点的椭圆齿轮分插机构不

能满足秧针的轨迹和姿态要求。针对这个问题，根据赵匀等的研究，调整变形椭圆齿轮的偏心

率，可以使传动比实现纵向变化，增大传动比可调空间，更有利保证秧苗的直立性。结合一般

椭圆齿轮和变形椭圆齿轮的特点，以逆向思维的方法，在不改变椭圆齿轮齿廓参数的条件下，

通过调整椭圆齿轮的轴心位置对分插机构进行改进，使秧针的轨迹和姿态满足插秧机的工作要

求。

1 、椭圆齿轮传动理论

图1 Ⅰ Ⅱ 为一对初始相位相同、相互啮合的椭圆齿轮。齿轮、分别绕焦点 O1、O2 转动，F1、F2

Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ 分为椭圆齿轮、的另两个焦点，主动齿轮带动从动齿轮做非匀速转动。图 1(a) 为两椭圆齿

轮的初始安装位置，轴心距 L = 2a (a 为椭圆的长半轴长) ，轴心连线上的 M 点为两齿轮的初始

啮合点，P1、P2 分别为

到两焦点的距离之和为常数 2a ，则 Li= 2a 。因此，椭圆齿轮在任意啮合位置时，都能保证两

齿轮在节曲线上的准确啮合，没有齿侧间隙，也不会产生轮齿挤压，具有传动平稳的优点。

2 、椭圆齿轮分插机构模型的建立

椭圆齿轮的节曲线为椭圆，齿形与圆齿轮一样都是渐开线齿形。根据齿形折算法，利用 CAXA

电子图版的曲线绘制功能完成椭圆齿轮的草绘模型，结合 UG 三维造型功能完成椭圆齿轮分插

机构的建模和装配。表1 、表2 为长半轴 a = 21 ．525mm 、短半轴 b= 20 ．725mm 、齿数 z =

20 ，压力角a = 20° 的1 /4 节椭圆齿廓参数。图 2 为椭圆齿轮安装示意图，图 3 为分插机构总装

图。

图3 中，椭圆齿轮分插机构旋转1 周插秧两次，太阳轮与回转箱固连，回转箱逆时针转动带动

中间轮与行星轮非匀速转动，插植臂跟随行星轮转动。推秧弹簧通过凸轮机构压缩和释放: 在

压缩过程中取秧，当运动到凸轮缺口处瞬间释放能量，驱动推秧杆将秧苗从秧爪上插入泥土

中，完成整个插秧过程。

3 分插机构的 ADAMS 虚拟样机动态仿真

在UG 中简化模型，导入 ADAMS 并设置零件属性，约束关系和载荷类型。由于椭圆齿轮啮合

时公共速度标记点在不断变化，所以无法通过直接添加齿轮副来定义两个椭圆齿轮之间的运

动，在这里根据零件的材料及润滑条件，通过定义接触力的方式来实现运动的传递。

3 ．1 机构的运动学仿真

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椭圆齿轮分插机构模型的建立及其ADAMS虚拟样机仿真0、引言水稻机械化种植技术是一项先进的农业技术，能够大幅提高水稻综合生产能力，是水稻现代化种植的发展方向，也是未来水稻种植的主导性技术。水稻插秧机是一个由多部件组成的复杂机械系统，分插机构是插秧机从秧群中分取一定数量的秧苗并插入土中的机构，是插秧机的主要工作部件，其性能决定插秧质量、工作可靠性和插秧频率。由于要通过秧针的非匀速转动来实现不同插秧动作(取秧、送秧、推秧、回程等)对速度的不同要求，达到秧苗插直、插深、插稳、不伤苗等插秧农艺要求，因此对分插机构的研究成为国内外水稻插秧机的研究重点。椭圆齿轮是节曲线封闭的非圆齿轮，当用两个相同的椭圆齿...

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