第四章 机械传动知识

第五章机械传动知识第一节机构及运动副第二节

带传动及链传动第三节螺旋传动第四节

平面连杆及凸轮机构第五节

齿轮传动第一节机构及运动副一、机器和机构1.机器机器就是人工的物体组合，它的各部分之间具有一定的相对运动，并能用来作出有效的机械功或转换机械能。机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。凡将其他形式能量变换为机械能的机器称为原动机，如内燃机、电动机(分别将热能和电能变换为机械能)等都是原动机。凡利用机械能去变换或传递能量、物料、信息的机器称为工作机，如发电机(机械能变换为电能)、起重机(传递物料)、金属切削机床(变换物料外形)、录音机(变换和传递信息)等都属于工作机。下一页返回第一节机构及运动副图5-1所示为单缸四冲程内燃机，由气缸体1、活塞2、进气阀3、排气阀4、连杆5、曲轴6,凸轮7、顶杆8,齿轮9和10等组成。燃气推动活塞作往复移动，经连杆转变为曲轴的连续转动。凸轮和顶杆是用来启闭进气阀和排气阀的。为了保证曲轴每转两周进、排气阀各启闭一次，曲轴与凸轮轴之间安装了齿数比为1:2的齿轮。这样，当燃气推动活塞运动时，各构件协调地动作，进、排气阀有规律地启闭，加上汽化、点火等装置的配合，就把热能转换为曲轴回转的机械能。上一页下一页返回第一节机构及运动副图5-2所示为一工业机器人，由铰接臂机械手1、计算机控制器2、液压装置3和电力装置4组成。当机械手的大臂、小臂和手按指令有规律地运动时，手端夹持器(图中未示出)便将物料搬运到预定的位置。在这部机器中，机械手是传递运动和执行任务的装置，是机器的主体部分，电力装置和液压装置提供动力，计算机实施控制。上一页下一页返回第一节机构及运动副2.机构机器的主体部分是由许多运动构件组成的。用来传递运动和力的、使构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统称为机构，如机器中的带传动机构、齿轮传动机构等。通常所说的机械，是机构和机器的总称。在一般情况下，为了传递运动和力，机构各构件间应具有确定的相对运动。在图5-1所示内燃机中，活塞、连杆、曲轴和气缸体组成一个曲柄滑块机构，可将活塞的往复运动变为曲柄的连续转动。上一页下一页返回第一节机构及运动副凸轮、顶杆和气缸体组成凸轮机构，将凸轮轴的连续转动变为顶杆有规律的间歇移动。曲轴和凸轮轴上的齿轮与气缸体组成齿轮机构，使两轴保持一定的速比。一部机器可以包含一个或若干个机构，例如鼓风机、电动机只包含一个机构，而内燃机则包含曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构等若干个机构。机器中最常用的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和间歇运动机构等。上一页下一页返回第一节机构及运动副就功能而言，一般机器包含四个基本组成部分:动力部分、传动部分、控制部分、执行部分。动力部分可采用人力、畜力、风力、液力、电力、热力、磁力、压缩空气等作动力源，其中利用电力和热力的原动机(电动机和内燃机)使用最广。传动部分和执行部分由各种机构组成，是机器的主体。控制部分包括各种控制机构(如内燃机中的凸轮机构)、电气装置、计算机和液压系统、气压系统等。上一页下一页返回第一节机构及运动副机构与机器的区别在于:机构只是一个构件系统，而机器除构件系统之外还包含电气、液压等其他装置;机构只用于传递运动和力，机器除传递运动和力之外，还应当具有变换或传递能量、物料、信息的功能。但是，在研究构件的运动和受力情况时，机器与机构之间并无区别。因此，习惯上用“机械”一同作为机器和机构的总称。二、运动副一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动。如图5-3所示，在xOy坐标系中，构件S可随其上任一点A沿x轴、轴y方向移动和绕A点转动。这种相对于参考系构件所具有的独立运动称为构件的自由度。所以一个作平面运动的自由构件有三个自由度。上一页下一页返回第一节机构及运动副机构是由许多构件组成的。机构的每个构件都以一定的方式与某些构件相互连接。这种连接不是固定连接，而是能产生一定相对运动的连接。这种使两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。例如轴与轴承的连接、活塞与气缸的连接、传动齿轮两个轮齿间的连接等都构成运动副，构件组成运动副后，其独立运动受到约束，自由度便随之减少，两构件组成的运动副，不外乎通过点、线或面的接触来实现。按照接触特性，通常把运动副分为低副和高副两类。上一页下一页返回第一节机构及运动副1.低副两构件通过面接触组成的运动副称为低副。如轴与滑动轴承、铰链连接、滑块与导槽、螺母与螺杆等。平面机构中的低副有转动副和移动副两种。(1)转动副。若组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动，这种运动副称为转动副或称铰链，如图5-4所示。(2)移动副。若组成运动副的两个构件只能沿某一轴线相对移动，这种运动副称为移动副，如图5-5所。上一页下一页返回第一节机构及运动副2.高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。如轴与滚动轴承、凸轮机构和齿轮啮合等。图5-6(a)中的车轮与钢轨、图5-6(b)中的凸轮与从动件、图5-6(c)中的轮齿与轮齿分别在接触处A组成高副。组成平面高副二构件间的相对运动是沿接触处切线t-t方向的相对移动和在平面内的相对转动高副的显著特点是能传递较复杂的运动，但因为是点或线接触，承受载荷时接触位置单位面积上的压力较高，因此组成高副的构件易磨损，使用寿命短。。上一页下一页返回第一节机构及运动副低副呈面接触，承受载荷的单位面积压力较低，比高副的承载能力大;低副的接触表面一般是圆柱面和平面，容易制造和维修。但是，低副不能传递较复杂的运动，由于采用滑动摩擦，摩擦损失比高副大，效率低。在机器及机构中常用滚动轴承来代替滑动轴承，用滚动导轨来代替滑动导轨。除上述平面运动副之外，机械中还经常见到如图5-7(a)所示的球面副和图5-7(b)所示的螺旋副。这些运动副两构件间的相对运动是空间运动，故属于空间运动副。空间运动副已超出本节讨沦的范围，故不赘述。上一页返回第二节带传动及链传动一、平带传动的形式及使用特点1.平带传动形式平带传动有以下几种形式，见表5-1。(1)开口式传动:用于两轴轴线平行且旋转方向相同的场合。(2)交叉式传动:用于两轴轴线平行且旋转方向相反的场合。(3)半交叉式传动:用于两轴轴线互不平行且空间交错的场合。2.平带传动的使用特点结构简单，适宜用于两轴中心距较大的场合;富有弹性，具有缓冲作用，能吸振，传动平稳无噪声;在过载时可产生打滑，因此能防止薄弱零部件的损坏，起到安全保护作用;不能保持准确的传动比，外廓尺寸较大，效率较低。下一页返回第二节带传动及链传动上一页下一页返回3.传动比平带传动的传动比为带轮的转速n1,n2之比，与两带轮的直径成反比，即(5-1)式中n1、n2—带轮的转速，r/min;D1、D2—带轮的直径，mm。通常平带传动采用的传动比为i≤5。第二节带传动及链传动二、V带传动特点与型号V带是一种没有接头的环状带，通常几根同时使用。V带同平带相比，主要特点是传动能力强(在相同条件下，约为平带的3倍)。V带又分为普通V带、窄V带、宽V带、大楔角V带、汽车V带等多种类型，其中普通V带应用最广。本节主要介绍普通V带传动的计算。上一页下一页返回第二节带传动及链传动V带由抗拉体、顶胶、底胶和包布组成，见图5-8。抗拉体是承受负载拉力的主体，其上下的顶胶和底胶分别承受弯曲时的拉仲和压缩，外壳用橡胶帆布包围成型。抗拉体由帘布或线绳组成，绳芯结构柔软易弯有利于提高使用寿命。抗拉体的材料可采用化学纤维或棉织物，前者的承载能力较强。如图5-9所示，当带受纵向弯曲时，在带中保持原长度不变的任一条周线称为节线;由全部节线构成的面称为节面。带的节面宽度称为节宽(bd)，当带受纵向弯曲时，该宽度保持不变。上一页下一页返回第二节带传动及链传动上一页下一页返回V带的刘面尺寸(国家标准)共分为Y,Z,A,B,C,D,E一七种型号。而线绳结构的V带，目前只生产Y,Z,A,B四种型号。Y型V带的截面积最小，E型的截面积最大。V带的截面积愈大，传递的功率也愈大。楔角

为40°相对高度

约为0.7的V带称为普通V带·普通V带已标准化，按截面尺寸的不同，分为一七种型号，见表5-2。第二节带传动及链传动在V带轮上，与所配用V带的节面宽度bd相对应的带轮直径称为基准直径d。带在规定的张紧力下，位于带轮基准直径上的周线长度称为基准长度Ld。普通V带的长度系列和带长修正系数KL见表5-3。V带具有一定的厚度，为了制造与测量的方便，以其内周长作为标准长度L0，但是在传动计算和设计时，则要用计算长度L，即V带中性层的长度。计算长度L与标准长度L0相差一个修正值△L，即

L=L0+△L

(5-2)△L值可查国家标准GB/T1171-1996《一般用普通V带》。上一页下一页返回第二节带传动及链传动上一页下一页返回V带的型号和标准长度都压印在胶带的外表面上，以供识别和选用。例如:"B2240”即表示B型V带，标准长度为2240mm。楔角

为40°、相对高度

约为0.9的Y带称为窄Y带·窄Y带是用合成纤维绳作抗拉体的新型V带。与普通V带相比，当高度相同时，窄V带的宽度约缩小1/3，而承载能力可提高到1.5~2.5倍，适用于传递动力大而又要求传动装置紧凑的场合。第二节带传动及链传动上一页下一页返回三、链传动的类型(一)链传动及其传动比链传动是由一个具有特殊齿形的主动链轮，通过传动链带动另一个具有特殊齿形的从动链轮传递运动和动力的一套传动装置。图5-10所示的链传动是由主动链轮1、传动链2和从动链轮3组成的。当主动链轮转动时，从动链轮也就跟着旋转。链传动的传动比，就是主动链轮的转速n1与从动链轮的转速n2之比，等于两链轮齿数Z1、Z2的反比，即(5-3)第二节带传动及链传动(二)链的类型链传动的类型很多，按用途不同，链分为以下三类。(1)传动链:在一般机械中用来传递运动和动力。(2)起重链:用于起重机械提升重物。(3)牵引链:用于运输机械驱动输送带等。上一页下一页返回第二节带传动及链传动1.链传递动力用的链，按结构的不同主要有滚子链和齿形链两种。滚子链是由内链板1、外链板2,轴销3,套简4和滚子5所组成(图5-11)，也称为套简滚子链。其中内链板紧压在套简两端，销轴与外链板铆牢，分别称为内、外链节。这样内、外链节就构成一个铰链。滚子与套简、套简与销轴均为间隙配合。当链条啮人和啮出时，内、外链节作相对转动;同时，滚子沿链轮轮齿滚动，可减少链条与轮齿的磨损。内、外链板均制成“8”字形，以减轻重量并保持链板各横截面的强度大致相等。上一页下一页返回第二节带传动及链传动链的各零件由碳素钢或合金钢制成，并经热处理，以提高其强度和耐磨性。滚子链上相邻两滚子中心的距离称为链的节距，以p表示，它是链的主要参数。节距越大，链各零件的尺寸越大，所能传递的功率也越大。滚子链可制成单排链(图5-11)和多排链，如双排链(图5-12，图中pt为排距)或三排链等。表5-4根据国家标准GB/T1243-2006《传动用短节距精密滚子键、套简链、附件和链轮》列出了几种A系列滚子链的主要参数。上一页下一页返回第二节带传动及链传动链长度以链节数来表示。链节数最好取为偶数，以便链条连成环形时正好是外链板与内链板相接，接头处可用开口销或弹簧夹锁紧[图5-13(a),(b)]。若链节数为奇数时，则需采用过渡链节[图5-13(c)]。在链条受拉时，过渡链节还要承受附加的弯曲载荷，因此通常应避免采用过渡链节。上一页下一页返回第二节带传动及链传动齿形链是由许多齿形链板用铰链连接而成(图5-14)。齿形链板的两侧是直边，工作时链板侧边与链轮齿廓相啮合。铰链可做成滑动副或滚动副，图5-14(b)所示为棱柱式滚动副，链板的成型孔内装人棱柱，两组链板转动时，两棱柱相互滚动，可减少摩擦和磨损。与滚子链相比，齿形链运转平稳，噪声小，承受冲击载荷的能力高;但结构复杂，价格较贵，也较重，所以它的应用没有滚子链那样广泛。齿形链多用于高速(链速可达40m/s)或运动精度要求较高的传动。上一页下一页返回第二节带传动及链传动2.链轮国家标准仅规定了滚子链链轮齿槽的齿面圆弧半径re,齿沟圆弧半径ri和齿沟角α的最大和最小值，如图5-15所示，其详细参数由国家标准GB/T1243-2006《传动用短节距精密滚子链、套简链、附件和链轮》规定。各种链轮的实际端面齿形均应在最大和最小齿槽形状之间。这样处理使链轮齿廓曲线设计有很大的灵活性。但齿形应保证链节能平稳自如地进人和退出啮合，并便于加工。符合上述要求的端面齿形曲线有多种，最常用的是“三圆弧一直线”齿形。上一页下一页返回第二节带传动及链传动图5-15(b)所示的端面齿形由三段圆弧(aa,ab,cd)和一段直线(bc)组成。这种“三圆弧一直线”齿形基本上符合上述齿槽形状规范，且具有较好的啮合性能，并便于加工。滚子链链轮轴面齿形两侧呈圆弧形，如图5-16所示，以便于链节进人和退出啮合。上一页下一页返回第二节带传动及链传动链轮上被链节距等分的圆称为分度圆，其直径用d表示(图5-15)。若已知节距p和内数z时，链轮主要尺寸的计算式为上一页下一页返回第二节带传动及链传动齿形用标准刀具加工时，在链轮工作图上不必绘制端面齿形，但须绘出链轮轴面齿形，以便车削链轮毛坯。轴面齿形的具体尺寸见有关设计手册。链轮齿应有足够的接触强度和耐磨性，故齿面多经热处理。小链轮的啮合次数比大链轮多，所受冲击力也大，故所用材料一般优于大链轮。常用的链轮材料有碳素钢(如Q235,Q275,34,ZG310-570等)、灰铸铁(如HT200)等。重要的链轮可采用合金钢。链轮的结构如图5-17所示。小直径链轮可制成实心式[图5-17(a)];中等直径的链轮可制成孔板式[图5-17(b)];直径较大的链轮可设讨成组合式[图5-17(c)]，若轮齿因磨损而失效，可仅更换齿圈。上一页下一页返回第二节带传动及链传动四、链传动的应用特点通常，链传动的传动比i≤8;中心距a≤5~6m,最大中心距可达15m;传递功率P≤100kW;圆周速度:v≤15m/s;传动效率为0.95~0.98。当两轴平行、中心距较远、传递功率较大且均匀的传动比要求较准确时，不宜采用带传动和齿轮传动时，可采用链传动。同时在低速、重载和高温条件下及不良环境下也可采用链传动。上一页下一页返回第二节带传动及链传动与带传动相比，链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的均匀的传动比;需要的张紧力小，作用在轴上的压力也小，可减少轴承的摩擦损失;结构紧凑;能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低;中心距较大时其传动结构简单，可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力。链传动的主要缺点是:瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差;链条的铰链磨损后，使得节距变大，易造成脱落现象;工作中有一定的冲击和噪声;安装和维护要求较高。目前，链传动广泛应用于矿山机械、农业机械、石油机械、机床及摩托车中。上一页返回第三节螺旋传动所谓螺旋传动，是用内、外螺纹组成的螺旋副传递运动和动力的传动。螺旋传动可方便地把主动件的回转运动转变为从动件的直线往复运动。例如车床的大拖板，借助开合螺母与长螺杆的啮合，实现其纵向直线往复运动(图5-18);转动刨床刀架螺杆可使刨刀上下移动;转动铣床工作台丝杠，可使工作台作直线移动等。螺旋传动与其他将回转运动转变为直线运动的传动装置(如曲柄滑块机构)相比，具有结构简单，工作连续平稳，承载能力大，传动精度高等优点。缺点是由于螺纹之间产生较大的相对滑动，因而磨损大，效率低。下一页返回第三节螺旋传动一、螺旋传动的类型螺旋传动主要用来把回转运动变为直线运动。按使用要求的不同可分为三类:1.传力螺旋以传递动力为主，要求用较小的力矩转动螺杆(或螺母)而使螺母(或螺杆)产生轴向运动和较大的轴向力，这个轴向力可以用来做起重和加压等工作。例如图5-19(a)的起重器，图5-19(b)的压力机(加压或装拆用)等。2.传导螺旋以传递运动为主，并要求具有很高的运动精度，它常用作机床刀架或工作台的进给机构[图5-19(c)]。上一页下一页返回第三节螺旋传动3.调整螺旋用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，如图5-20(a)和图5-20(b)所示，用于调整带传动的初拉力。调整螺旋不经常转动。螺杆和螺母的材料除要求有足够的强度、耐磨性外，还要求两者配合时摩擦系数小。一般螺杆可选用Q275,45,50钢等;重要螺杆可选用T12,40Cr,65Mn钢等，并进行热处理。常用的螺母材料有铸造锡青铜ZCuSn10Pb5和ZCuSn5Pb5Zn5，重载低速时可选用强度高的铸造铝青铜ZCuAl10Fe3;在低速轻载，特别是不经常运转时，也可选用耐磨铸铁。上一页下一页返回第三节螺旋传动二、螺旋传动的形式常用的螺旋传动有普通螺旋传动、差动螺旋传动和滚珠螺旋传动等。1.螺母位移螺母位移应用在机床溜板位移上的实例如图5-21所示。螺杆1在机架3中可以转动而不能移动，螺母2与螺杆1啮合并与溜板(工作台)4相连接，螺母2只能移动而不能转动。当摇动手轮使螺杆1转动时，螺母2即可带动溜板(工作台)4沿机架3的导轨移动。螺杆每转一周，螺母带动溜板(工作台)位移一个导程。螺母位移的传动，多应用于进给机构等传动机构中。上一页下一页返回第三节螺旋传动2.螺杆位移螺杆位移应用在台虎钳上的实例如图5-22所示。螺杆1上装有活动钳口2并与螺母相啮合，螺母4与固定钳口3连接。转动手柄时，螺杆1相对螺母4做螺旋运动，产生的位移带动活动钳口2一起位移。这样，活动钳口2相对固定钳口3之间可做合拢或张开的动作。从而可以夹紧或松开工件。螺杆位移的传动，通常应用于千分尺、千斤顶、螺旋压力机等传动机构中。上一页下一页返回第三节螺旋传动3.滚动螺旋在螺旋和螺母之间设有封闭循环的滚道，滚道间充以钢珠，这样就使螺旋面的摩擦成为滚动摩擦，这种螺旋称为滚动螺旋或滚珠丝杠。滚动螺旋按滚道回路形式的不同，分为外循环和内循环两种(图5-23)。钢珠在回路过程中离开螺旋表面的称为外循环，钢珠在整个循环过程中始终不脱离螺旋表面的称为内循环。内循环螺母上开有侧孔，孔内镶有反向器将相邻两螺纹滚道联通起来，钢珠越过螺纹顶部进人相邻滚道，形成一个循环回路。因此一个循环回路里只有一圈钢珠和一个反向器。一个螺母常设置2~4个回路。外循环螺母只需前后各设一个反向器即可，但为了缩短回路滚道的长度也可在一个螺母中分为两个或三个回路。上一页下一页返回第三节螺旋传动滚动螺旋的主要优点是:摩擦损失小，效率在90%以上;磨损很小，还可以用调整方法消除间隙并产生一定的预变形来增加刚度，因此其传动精度很高;不具有自锁性，可以变直线运动为旋转运动，其效率也可达到80%以上。滚动螺旋的缺点是:结构复杂，制造困难;有些机构中为防止逆转需另加自锁机构。由于其明显的优点，滚动螺旋早已在汽车和拖拉机的转向机构中得到应用。目前在要求高效率和高精度之处多已广泛应用滚动螺旋，例如飞机机翼和起落架的控制、水闸的升降和数控机床等。上一页下一页返回第三节螺旋传动三、螺旋传动时转速与移距的关系螺旋传动主要是把旋转运动变换为直线运动。不管是螺母位移或螺杆位移，其位移量L和螺旋传动时的转速n之间的关系为L=nS

(5-9)式中S——螺纹的导程(如螺纹线数为l，则可用螺距代人)，mm;n——螺杆(或螺母)转速，r/min。上一页下一页返回第三节螺旋传动例5-1图5-18所示的螺母位移溜板(工作台)机构中，S=4mm,n=50r/min。试求螺母每分钟带动溜板(工作台)的位移量L。解:L=nS=(50x4)mm/min=200mm/min上一页返回第四节平面连杆及凸轮机构一、平面连杆机构平面连杆机构是由一些刚性构件用转动副和移动副相互连接而组成的机构。低副是面接触，耐磨损;加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，制造简便，易于获得较高的制造精度。因此，平面连杆机构在各种机械和仪器中获得广泛使用。连杆机构的缺点是:低副中存在间隙，数目较多的低副会引起运动积累误差;而且它的设计比较复杂，不易精确地实现复杂的运动规律。最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，称为平面四杆机构。它的应用非常广泛，而且是组成多杆机构的基础。最常用的是由四根杆(四个构件)组成的平面四杆机构。下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构(一)铰链四杆机构的基本形式和特性全部用转动副相连的平面四杆机构称为平面铰链四杆机构，简称铰链四杆机构。如图5-24所示，机构的固定构件4称为机架，与机架用转动副相连接的杆1和杆3称为连架杆，不与机架直接连接的杆2称为连杆。连架杆1或杆3如能绕机架上的转动副中心A或D做整周转动，则称为曲柄;若仅能在小于360°的某一角度内摆动，则称为摇杆。对于铰链四杆机构来说，机架和连杆总是存在的，因此可按照连架杆是曲柄还是摇杆，将铰链四杆机构分为三种基本形式:曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构1.曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆，一为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。通常曲柄1为原动件，并作匀速转动;而摇杆3为从动件，作变速往复摆动。图5-25(a)所示为牛头刨床横向自动进给机构。当na轮1转动时，驱动na轮2(曲柄)转动，再通过连杆3使摇杆4往复摆动，摇杆另一端的棘爪便拨动棘轮5，带动送进丝杆6作单向间歇运动。图5-25(b)是其中的曲柄摇杆机构的运动简图。图5-26所示为调整雷达天线俯仰角的曲柄摇杆机构。曲柄1缓慢地匀速转动，通过连杆2，使摇杆3在一定角度范围内摆动，从而调整天线俯仰角的大小。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构2.双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。图5-27(a)所示为旋转式水泵。它由相位依次相差90°的四个双曲柄机构组成，图5-27(b)是其中一个双曲柄机构的运动简图。当原动曲柄1等角速顺时针转动时，连杆2带动从动曲柄3作周期性变速转动，因此相邻两从动曲柄(隔板)间的夹角也周期性地变化。转到右边时，相邻两隔板间的夹角及容积增大，形成真空，于是从进水口吸水，转到左边时，相邻两隔板的夹角及容积变小，压力升高，从出水口排水，从而起到泵水的作用。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构双曲柄机构中，用得最多的是平行四边形机构，或称平行双曲柄机构，如图5-28(a)中的AB1C1D所示。这种机构的对边长度相等，组成平行四边形。当杆1等角速转动时，杆3也以相同角速度同向转动，连杆2则作平移运动。必须指出，这种机构当四个铰链中心处于同一直线(如图中AB1C1D所示)上时，将出现运动不确定状态。例如在图5-28(a)中，当曲柄1由AB2转到AB3时，从动曲柄3可能转到DC'3，也可能转到DC''3。为了消除这种运动不确定状态，可以在主、从动曲柄上错开一定角度再安装一组平行四边形机构，如图5-28(b)所示。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构当上面一组平行四边形机构转到AB'C'D共线位置时，下面一组平行四边形构AB'1C'1D却处于正常位置，故机构仍然保持确定运动。图5-29所示机车驱动轮联动机构，则是利用第三个平行曲柄来消除平行四边形机构在这种位置的运动不确定状态。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构3.双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。图5-30所示为飞机起落架机构的运动简图。飞机着陆前，需要将着陆轮1从机翼4中推放出来(图中实线所示);起飞后，为了减小空气阻力，又需将着陆轮收人翼中(图5-30中虚线所示)。这些动作是由原动摇杆3通过连杆2、从动摇杆5带动着陆轮来实现的。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构两摇杆长度相等的双摇杆机构，称为等腰梯形机构。图5-31所示汽车的前轮转向机构就是等腰梯形机构的应用实例。车子转弯时，与前轮轴固联的两个摇杆的摆角β和δ不等。如果在任意位置都能使两前轮轴线的交点P落在后轮轴线的延长线上，则当整个车身绕P点转动时，四个车轮都能在地面上纯滚动，避免轮胎因滑动而损伤。等腰梯形机构就能近似地满足这一要求。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构(二)平面四连杆的演化机构通过用移动副取代转动副、变更杆件长度、变更机架和扩大转动副等途径，还可以得到平面四杆机构的其他演化形式。1.曲柄滑块机构如图5-32(a)所示的曲柄摇杆机构，铰链中心C的轨迹为以D为圆心和l3为半径的圆弧mm。若l3增至无穷大，则如图5-32(b)所示，C点轨迹变成直线。于是摇杆3演化为直线运动的滑块，转动副D演化为移动副，机构演化为如图5-32(c)所示的曲柄滑块机构。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构若C点运动轨迹正对曲柄转动中心A，则称为对心曲柄滑块机构[图5-32(c)];若C点运动轨迹mm的延长线与回转中心A之间存在偏距，[图5-32(d)]，则称为偏置曲柄滑块机构。当曲柄等速转动时，偏置曲柄滑块机构可实现急回运动。曲柄滑块机构广泛应用在活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构2.导杆机构导杆机构可看成是改变曲柄滑块机构中的固定构件而演化来的。如图5-33(a)所示的曲柄滑块机构，若改取杆1为固定构件，即得图5-33(b)所示导杆机构。杆4称为导杆，滑块3相对导杆滑动并一起绕A点转动。通常取杆2为原动件。当l1<l2时[图5-33(b)]，杆2和杆4均可整周回转，称为曲柄转动导杆机构，或转动导杆机构;当l1>l2时(图5-34)，杆4只能往复摆动，称为曲柄摆动导杆机构，或摆动导杆机构。由图可见，导杆机构的传动角始终等于90°，具有很好的传力性能，故常用于牛头刨床、插床和回转式液压泵之中。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构3.摇块机构和定块机构在图5-33(a)所示曲柄滑块机构中，若取杆2为固定构件，即可得图5-33(c)所示摆动滑块机构(或称摇块机构)。这种机构广泛应用于摆缸式内燃机和液压驱动装置中。例如在图5-35所示卡车车斗自动翻转卸料机构中，当液压缸3中的压力油液推动活塞杆4运动时，车斗1便绕回转副中心B倾转，当达到一定角度时，物料就自动卸下。在图5-33(a)所示曲柄滑块机构中，若取杆3为固定件，即可得图5-33(d)所示固定滑块机构或称定块机构。这种机构常用于抽水卿简(图5-36)和抽水用液压泵中。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构4.双滑块机构双滑块机构是具有两个移动副的四杆机构。可以认为是由铰链四杆机构中的两杆长度趋于无穷大而演化成的。按照两个移动副所处位置的不同，可将双滑块机构分成四种形式。(1)两个移动副不相邻，如图5-37所示。这种机构从动件3的位移与原动件转角的正切成正比，故称为正切机构。(2)两个移动副相邻，且其中一个移动副与机架相关联，如图5-38所示。这种机构从动件3的位移与原动件转角的正弦成正比，故称为正弦机构。这两种机构常见于计算装置之中。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构(3)两个移动副相邻，且均不与机架相关联，如图5-39(a)所示。这种机构的主动件1与从动件3具有相等的角速度。图5-39(b)所示滑块联轴器就是这种机构的应用实例，它可用来连接中心线不重合的两根轴。(4)两个移动副都与机架相关联。图5-40所示椭圆仪就用到这种机构。当滑块1和3沿机架的十字槽滑动时，连杆2上的各点便描绘出长、短径不同的椭圆。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构5.偏心轮机构图5-41(a)所示为偏心轮机构。杆1为圆盘，其几何中心为B。因运动时该圆盘绕偏心A转动，故称偏心轮。A,B之间的距离。称为偏心距。按照相对运动关系，可画出该机构的运动简图，如图5-41(b)所示。由图5-41可知，偏心轮是回转副B扩大到包括回转副A而形成的，偏心距。即是曲柄的长度。同理，图5-41(c)所示偏心轮机构可用图5-41(d)来表示。当曲柄长度很小时，通常都把曲柄做成偏心轮，这样不仅增大了轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度，而且当轴颈位于中部时，还可安装整体式连杆，使结构简化。因此，偏心轮广泛应用于传力较大的剪床、冲床、鄂式破碎机、内燃机等机械中。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构除上述以外，生产中常见的某些多杆机构，也可以看成是由若干个四杆机构组合扩展形成的。图5-42所示的手动冲床是一个六杆机构。它可以看成是由两个四杆机构组成的。第一个是由原动摇杆(手柄)1、连杆2、从动摇杆3和机架4组成的双摇杆机构;第二个是由摇杆3,小连杆5、冲杆6和机架4组成的摇杆滑块机构。在这里前一个四杆机构的输出件被作为第二个四杆机构的输人件。扳动手柄1，冲杆就上下运动。采用六杆机构，使扳动手柄的力获得两次放大，从而增大了冲杆的作用力。这种增力作用在连杆机构中经常用到。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构图5-43所示为筛料机主体机构的运动简图。这个六杆机构也可看成由两个四杆机构组成。第一个是由原动曲柄1、连杆2、从动曲柄3和机架6组成的双曲柄机构，第二个是由曲柄3(原动件)、连杆4,滑块5(筛子)和机架6组成的曲柄滑块机构。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构二、凸轮机构凸轮机构是机械中的一种常用机构，在自动化和半自动化机械中应用非常广泛。凸轮机构的作用主要是将凸轮(主动件)的连续转动，转化成从动件的往复移动或摆动。如图5-44所示的自动车床进刀机构中，当凸轮按顺时针方向回转时，推动摆杆摆动，再经齿轮齿条，使刀架和刀具向左移动而完成送刀动作。凸轮由I、II、III、IV四段曲线组成，作用是分别使刀具作快速接近、工作进刀、快速退刀、停止等四个循环动作。图5-45所示为内燃机配气凸轮机构。凸轮1以等角速度回转，它的轮廓驱使从动件2(阀杆)按预期的运动规律启闭阀门。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构图5-46所示为绕线机中用于排线的凸轮机构，当绕线轴3快速转动时，经齿轮带动凸轮1缓慢地转动，通过凸轮轮廓与尖顶A之间的作用，驱使从动件2往复摆动，从而使线均匀地缠绕在绕线轴上。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构图5-47所示为录音机卷带装置中的凸轮机构。凸轮1随放音键上下移动。放音时，凸轮1处于图示最低位置，在弹簧6的作用下，安装于带轮轴上的摩擦轮4紧靠卷带轮5，从而将磁带卷紧。停止放音时，凸轮1随按键上移，其轮廓压迫从动件2顺时针摆动，使摩擦轮与卷带轮分离，从而停止卷带。图5-48为自动送料机构。当带有凹槽的凸轮1转动时，通过槽中的滚子，驱使从动件2作往复移动。凸轮每回转一周，从动件即从储料器中推出一个毛坯，送到加工位置。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构从以上所举的例子可以看出:凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。根据凸轮和从动件的不同形状和形式，凸轮机构可分类如下。1.按凸轮的形状分(1)盘形凸轮，是凸轮的最基本形式。这种凸轮是一个绕固定轴线转动并且具有变化半径的盘形零件，如图5-45和图5-46所示。(2)移动凸轮，当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮，如图5-47所示。(3)圆柱凸轮，将移动凸轮卷成圆柱体即成为圆柱凸轮，如图5-48所示。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构2.按从动件的形式分(1)尖顶从动件，如图5-46所示，尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，因而能实现任意预期的运动规律。但尖顶与凸轮是点接触，磨损快，所以只宜用于受力不大的低速凸轮机构。(2)滚子从动件，如图5-47和图5-48所示。为了克服尖顶从动件的缺点，在从动件的尖顶处安装一个滚子，即成为滚子从动件。滚子和凸轮轮廓之间为滚动摩擦，耐磨损，可以承受较大载荷，所以是从动件中最常用的一种形式。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构(3)平底从动件，如图5-45所示，这种从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为一平面。显然，它不能与凹陷的凸轮轮廓相接触。这种从动件的优点是:当不考虑摩擦时，凸轮与从动件间的作用力始终与从动件的平底相垂直，传动效率较高，且接触面间易于形成油膜，利于润滑，故常用于高速凸轮机构。以上三种从动件都可以相对机架作往复直线移动或做往复摆动。为了使凸轮与从动件始终保持接触，可以利用重力、弹簧力(如图5-45、图5-46及图5-47)或依靠凸轮上的凹槽(如图5-48)来实现。上一页下一页返回第四节平面连杆及凸轮机构凸轮机构的优点为:只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，并且结构简单、紧凑、设计方便。它的缺点是凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，所以通常多用于传力不大的控制机构。上一页返回第五节齿轮传动一、齿轮传动的应用特点齿轮传动是由齿轮副组成的传递运动和动力的一套装置。如图5-49所示，当一对齿轮相互啮合工作时，主动轮O1的轮齿(1,2,3,...)，通过啮合点法向力式Fn的作用逐个地推动从动轮O2的轮齿(1',2',3',..)，使从动轮转动，从而将主动轴的动力和运动传递给从动轴。下一页返回第五节齿轮传动1.传动比如图5-49所示的一对齿轮传动中，设主动齿轮转速为n1,齿数为Z1，从动齿轮的转速为n2,齿数为Z2，则有Z1n1=Z2n2。由此可得一对齿轮的传动比为(5-10)式(5-10)说明一对齿轮传动比i12，就是主动齿轮与从动齿轮转速之比，等于其齿数的反比。上一页下一页返回第五节齿轮传动例5-2有一对齿轮传动，已知n1=960r/min,齿数Z1=20,Z2=50，试计算传动比i12和n2。上一页下一页返回第五节齿轮传动2.应用特点齿轮传动与摩擦传动、带传动和链传动等比较，有如下特点:(1)能保证瞬时传动比恒定，平稳性较好，传递运动准确可靠。(2)传递的功率和速度范围较大。(3)结构紧凑，工作可靠，可实现较大的传动比。(4)传动效率高，使用寿命长。(5)齿轮的制造、安装要求较高。上一页下一页返回第五节齿轮传动3.渐开线齿轮啮合特性渐开线齿轮的轮齿由两条对称的渐开线作齿廓而组成，如图5-50所示。(1)传动平稳性。传动平稳就是瞬时速比不变。从两齿轮在啮合传动时分析可得，

，即传动比等于角速度之比，与节圆半径成反比。而齿轮加工后的节圆半径是不变的，所以能保持传动比恒定不变。也就是说，一对渐开线的轮齿能够平稳啮合。上一页下一页返回第五节齿轮传动(2)正确啮合条件。要使一对渐开线齿轮各对轮齿依次正确啮合传动，就必须使它们的模数m1,m2和压力角α1、α2分别相等。即m1=m2=mα1=α2=α(3)连续传动条件。一对齿轮啮合传动时，当这对轮齿还没有脱离啮合以前，后一对轮齿就应进人啮合。否则齿轮传动就会中断，将产生冲击。连续传动条件为重合度

>1。重合度

表示了同时接触的轮齿对数。如

=2，表示任意瞬间有两

对轮齿同时进人啮合传动

越大，表示同时进人啮合的轮齿对数越多，每对轮齿分担的载荷越小上一页下一页返回第五节齿轮传动二、轮系在许多机械中，为了获得较大的传动比和变换转速等原因，通常需要采用一系列互相啮合的齿轮传动系统。这种一系列齿轮所构成的传动系统称为轮系。1.轮系的分类轮系的结构形式很多，根据轮系运转时各齿轮的几何轴线在空间的相对位置是否固定，轮系可分定轴轮系和周转轮系两大类。上一页下一页返回第五节齿轮传动(1)定轴轮系:轮系在传动时各齿轮的轴线位置均固定不动，这种轮系称为定轴轮系(或普通轮系)，图5-51(a)所示即为定轴轮系。(2)周转轮系:轮系在传动时至少有一个齿轮的轴线绕另一齿轮的固定轴线回转，这种轮系称为周转轮系。图5-51(b)所示即为周转轮系，图中齿轮2的轴线绕齿轮1的轴线回转。周转轮系在应用上具有把两个运动合成一个运动，或把一个运动分解成两个运动等特点。上一页下一页返回第五节齿轮传动2.定轴轮系的传动比及其计算把轮系中首末两轮的转速之比称为轮系的传动比。图5-52所示为一圆柱齿轮组成的定轴轮系，齿轮1为首轮(主动轮)，齿轮7为末轮(从动轮)。设轮系中各齿轮的齿数分别为Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7，各齿轮的转速分别为n1,n2,n3(n3=n2),n4,n5,n6(n6=n5),n7。则轮系的传动比上一页下一页返回第五节齿轮传动由此可知，定轴轮系的传动比等于其各对啮合齿轮的传动比之连乘积;或传动比的大小等于所有从动轮齿数的连乘积与所有主动轮齿数的连乘积之比，其正负号决定于外啮合齿轮的对数，奇数对外啮合齿轮取负号，偶数对外啮合齿轮取正号。图5-52中有三对(奇数对)外啮合齿轮，故取负号。说明该轮系首、末两轮旋转方向相反。根据以上分析，可以推出定轴轮系传动比计算的普通公式上一页下一页返回第五节齿轮传动例5-3如图5-53所示轮系，已知主动轮1的转速n1的转速n1=280r/min，各齿轮内数分别为Z1=24,Z2=20,Z3=12,Z4=36,Z5=18,Z6=45。求齿轮6转速大小及转向。解:由图5-53可知此轮系为一定轴轮系，故可根据式(5-12)进行计算。外啮合齿轮的对数n=2,设齿轮6的转速为n6，则上一页下一页返回第五节齿轮传动三、蜗杆传动1.蜗杆传动的组成蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，如图5-54所示。它们的轴线在空间交错成90°，通常蜗杆是主动件。常用的蜗杆犹如一梯形螺杆，它的轴向截面如图5-54(a)所示，呈直边齿条形(牙形半角为20°)，在垂直于轴线的刘面上为阿基米德螺旋线蜗杆。它是目前应用最广的一种蜗杆。蜗杆与螺杆一样，有单线、多线，左旋、右旋之分，加工方法也和螺杆的加工方法一样。上一页下一页返回第五节齿轮传动蜗轮的形状略如斜齿轮，它的螺旋角刀的大小、方向与蜗杆导程角λ的大小、方向相同(β=λ)。为了改善齿面接触情况，蜗轮轮齿沿齿宽方向是圆弧形的，如图5-54(b)所示。蜗轮一般是用与蜗杆形状相同的滚刀切制的。在主平面内，蜗杆的形状呈标准的直边齿条形，故蜗轮在主平面内的齿形亦为一般的渐开线齿形，如图5-54所示。上一页下一页返回第五节齿轮传动上一页下一页返回2.蜗杆传动的传动比如图5-55所示，设蜗杆头数为Z1、转速为n1,蜗轮齿数为Z2，转速为n2，观察图中节点p处时，因蜗杆每转过1周便有Z1个齿经过p点，故每分钟将有n1Z1个齿经过p点;同样地，蜗轮每转1周有Z2个齿