机械原理 第7章 其他常用机构.ppt

第7章其他常用机构 7 1万向联轴节 7 1 1单万向联轴节 7 1 2双万向联轴节 7 1 3万向联轴节的应用 7 2螺旋机构 7 2 1螺旋机构的类型和工作原理 7 2 2螺旋机构特点 7 3棘轮机构 7 3 1棘轮机构的工作原理 7 3 2棘轮机构的运动特点及使用场合 7 4槽轮机构 7 4 1槽轮机构的工作原理与特点 7 4 2槽轮机构的类型及应用 7 4 3槽轮机构的运动分析 7 5不完全齿轮机构 7 5 1不完全齿轮机构的工作原理和类型 7 5 2不完全齿轮机构的啮合过程 7 5 3不完全齿轮机构的特点和应用 7 6凸轮式间歇运动机构 7 6 1凸轮式间歇运动机构的工作原理和类型 7 6 2凸轮式间歇运动机构的运动特点 7 6 3凸轮式间歇运动机构的应用 7 7非圆齿轮机构 7 7 1椭圆齿轮机构的运动特点 7 7 2非圆齿轮机构的运动特点和应用 小结 思考题与习题 7 1万向联轴节万向联轴节是一种常用的变角传动机构 可用于传递两相交轴间的运动和动力 而且在传动过程中 两轴之间的夹角可以变动 故它广泛应用于汽车 机床等机械传动系统中 本节主要介绍单万向联轴节和双万向联轴节的运动特点和使用场合 7 1 1单万向联轴节单万向联轴节的结构如图7 1所示 轴1及轴2的末端各有一叉头 叉头分别通过转动副A B与中间 十字形 构件3相连 转动副A B的轴线垂直相交于 十字形 构件的中心O 轴1和轴2与机架4组成转动副 主 从动轴1 2的轴线亦相交于O点 夹角为 由图7 1可见 当轴1转一周时 轴2也必然转一周 但是两轴的瞬时角速度比却并不恒等于1 而是随时变化的 设两轴的角速度分别为和 轴1相连叉头的转角为 其两轴角速度比关系如下 7 1 为简单起见 现仅就其两个特殊位置加以说明 如图7 2 a 所示 当主动轴1的叉面在图样平面内时 从动轴2的叉面则垂直图样平面 即或时 角速度比值最大 其值为 如图7 2 b 所示 当从动轴2的叉面在图样平面内时 从主动轴1的叉面则垂直图样平面 即或时 角速度比值最小 其值为 由此可知 当主动轴1以角速度等速回转时 从动轴2的角速度将在及的范围内变化 即 7 2 而且变化的幅度与两轴间夹角的大小有关 正因为如此 两轴夹角不能过大 一般 单万向联轴节的特点是 当两轴夹角变化时仍可继续工作 而只影响其瞬时角速度比值的大小 7 1 2双万向联轴节单万向联轴节的主动轴作等速转动时 其从动轴的转速将有波动 这波动是随两轴的夹角的增大而增大 这种转速波动将影响机器的正常工作 特别在高速情况下 由此引起的附加动载荷将导致严重的振动 为了消除上述从动轴变速转动的缺点 常将单万向联轴节成对使用 这便是双万向联轴节 即用一个中间轴2和两个单万向联轴节将主动轴1和从动轴3连接起来 如图7 3所示 对于连接相交 见图7 3 a 的或平行 见图7 3 b 的两轴的双万向联轴节 为使主 从动轴的角速度恒相等 除要求主 从动轴1 3和中间轴2应位于同一平面内之外 还必须使主 从动轴1 3的轴线与中间轴2的轴线之间的夹角相等 而且中间轴两端的叉面应位于同一平面内 双万向联轴节常用来传递平行轴或相交轴的运动 7 1 3万向联轴节的应用单万向联轴节的特点是能够传递不平行轴的运动 并且当工作中两轴夹角发生变化时仍能继续传递运动 因此安装 制造精度要求不高 双万向联轴节常用来传递相交轴或平行轴的运动 它的特点是 当位置发生变化导致两轴夹角发生变化时 不但可以继续工作 而且在满足前述的两条件时 还能保证两轴等角速度比传动 在一些机床的传动系统中可见到此双万向联轴节的应用 例如在汽车变速箱和后桥主传动器之间用双万向联轴节连接 传递汽车变速箱输出轴与后桥车架弹簧支撑上的后桥差速器输入轴间的运动 当汽车行驶时由于道路不平或振动引起变速箱与差速器相对位置变化 联轴节的中间轴与它们的倾角虽然也有相应的变化 但是双万向联轴节仍能继续传递动力和运动 汽车仍能继续运动 又如用于轧钢机轧辊传动中的双万向联轴节 它可以适应不同厚度钢坯的轧制 7 2螺旋机构 7 2 1螺旋机构的类型和工作原理由螺旋副连接相邻构件而成的机构称为螺旋机构 常用的螺旋机构除螺旋副外还有转动副和移动副 所以也称为三构件螺旋机构 图7 4所示为最简单的三构件螺旋机构 螺旋机构由螺杆 螺母及机架组成 按其功用的不同 螺旋机构可分为以下三种类型 1 单式螺旋机构图7 4 a 所示的螺旋机构 由螺杆1 螺母2及机架3组成 其中为转动副 为螺旋副 导程为 为移动副 因其只包含一个螺旋副 故称为单式螺旋机构 当螺杆1转过的角度为时 螺母2的位移为 7 3 2 复式螺旋机构图7 4 b 所示的螺旋机构 都是螺旋副 它们的导程为和 设两螺旋副的螺纹旋向相反 则当螺杆1转角为时 螺母2的位移为两螺旋副移动量之和 即 7 4 当导程时 有 7 5 式中 为螺杆1的位移 式 7 5 说明螺母2的位移是螺杆1的两倍 这种螺旋机构称为复式螺旋机构 它可以使螺母2快速移动 3 差动螺旋机构若将图7 4 b 所示的螺旋机构的两个螺旋副和做成旋向相同的螺纹 则当螺杆l转过的角度为时 螺母2的位移为 7 6 由式 7 6 可知 当导程与相差很少时 可使螺母2得到很微小的位移 所以这种螺旋机构被称为差动螺旋机构 7 2 2螺旋机构特点螺旋机构有如下特点 1 回转运动变换为直线运动 运动准确性高 且有很大的降速比 复式螺旋可以获得较大的位移 差动螺旋可以获得微小的位移 2 结构简单 制造方便 3 工作平稳 无噪声 可以传递很大的轴向力 4 传动效率低 有自锁作用 相对运动表面磨损较快 5 实现往复运动要靠主动件改变转动方向 另外 螺旋机构在反行程时若不自锁 即当螺旋升角大于当量摩擦角时 它还可以将直线运动转换为旋转运动 在某些操纵机构 工具 玩具及武器等机构中 就利用了螺旋机构的这一特性 根据不同的工作要求 螺旋升角 导程和头数的选择是不同的 如对于要求螺旋机构具有自锁性的或是要求它起微动作用的场合 应选择较小的螺旋升角 使具有较小的导程 而对于要求传递功率大或快速传动的场合 应选择较大的螺旋升角 在传动精度要求较高时 因为多头螺旋的加工精度不易得到保证 所以不宜采用 7 3棘轮机构 7 3 1棘轮机构的工作原理棘轮机构的基本结构如图7 5和图7 6所示 它有外啮合 图7 5 和内啮合 图7 6 两种形式 主要由棘轮1 驱动棘爪2 主动件3 制动爪4和机架等组成 利用弹簧5使制动爪4和棘轮1保持接触 棘轮1与转轴O固连 主动件3空套在转轴O上 且绕轴O往复摆动 当主动件3作逆时针方向摆动时 与主动件3组成回转副的棘爪2便插入棘轮1的齿槽中 推动棘轮转过一定角度 此时制动爪4在棘轮的齿背上滑过 当主动件3顺时针摆动时 制动爪4阻止棘轮顺时针方向转动 而棘爪2却能够在棘轮齿背上滑过 使棘轮静止不动 因此当主动件不断往复摆动时 棘轮便得到单向的间歇运动 而主动件3的摆动可以由连杆机构 凸轮机构 液压传动或电磁装置等来实现 当棘轮的直径为无穷大时 棘轮变为棘条 此时棘轮的单向间歇转动变为棘条的单向间歇移动 7 3 2棘轮机构的运动特点及使用场合棘轮机构的结构简单 制造方便 运动可靠 而且棘轮轴每次转过角度的大小可以在较大的范围内调节 这些都是它的优点 其缺点是工作时有较大的冲击和噪声 而且运动精度较差 所以棘轮机构常用于速度较低和载荷不大的场合 常用棘轮机构可分为轮齿式与摩擦式两大类 1 轮齿式棘轮机构按啮合方式可分为如图7 5和图7 6所示的外啮合 内啮合棘轮机构 根据棘轮的运动又可分为单向式和双向式两种棘轮机构 l 单向式棘轮机构如图7 5所示 其特点是摆杆向一个方向摆动时 棘轮沿同一方向转过某一角度 而摆杆向另一个方向摆动时 棘轮静止不动 图7 7所示为双动式棘轮机构 摆杆的往复摆动 都能使棘轮沿单一方向转动 2 双向式棘轮机构如图7 8所示 若将棘轮轮齿做成短梯形或矩形时 变动棘爪的放置位置或方向后 图7 8中虚 实线位置 可改变棘轮的转动方向 棘轮在正反两个转动方向上都可实现间歇转动 轮齿式棘轮机构结构简单 易于制造 运动可靠 棘轮转角容易实现有级调整 但棘爪在齿面滑过引起噪声和冲击 在高速时就更为严重 所以轮齿式棘轮机构经常在低速 轻载的场合用作间歇运动控制 2 摩擦式棘轮机构如图7 9所示为摩擦式棘轮结构 它的工作原理与轮齿式棘轮机构相同 其中图7 9 a 为外接式 图7 9 b 为内接式 图7 9 a 中用偏心扇形楔块4代替棘爪 用摩擦轮3代替棘轮 利用楔块与摩擦轮间的摩擦力与楔块偏心的几何条件来实现摩擦轮的单向间歇转动 图示机构当摆杆2逆时针转动时 楔块4在摩擦力的作用下楔紧摩擦轮 使摩擦轮3同向转动 摆杆2顺时针转动时摩擦轮静止不动 图中构件5为止动楔块 图7 9 b 中通过扇形块2与从动轮3间的摩擦力推动从动轮间歇转动 它克服了齿啮式棘轮机构冲击噪声大及棘轮每次转过角度的大小不能无级调节的缺点 但其运动准确性较差 图7 10所示为单向离合器 该机构可看作是内接摩擦式棘轮机构 此机构由星轮1 套筒2 弹簧顶杆3及滚柱4等组成 若星轮1为主动件 则当其逆时针回转时 滚柱借摩擦力而滚向楔形空隙的小端 并将套筒楔紧 从而带动套筒2一起转动 而当星轮顺时针回转时 滚柱被滚到空隙的大端 而将套筒松开 这时套筒静止不动 此种机构可同时用作单向离合器和超越离合器 摩擦式棘轮机构传递运动较平稳 无噪声 从动件的转角可作无级调整 缺点是难以避免打滑现象 因此运动的准确性较差 不适合用于运动精度要求高的场合 根据棘轮机构的特点 在生产中主要用作进给 超越和转位等工艺动作的控制 7 4槽轮机构槽轮机构 又称马尔他机构 能将主动轴的匀速连续转动转换成从动轴的间歇运动 常用于各种转位机构中 7 4 1槽轮机构的工作原理与特点 常用的槽轮机构如图7 11 a 所示 它由主动拨盘1 从动槽轮2及机架3组成 拨盘1以等角速度作连续回转 槽轮2则时而转动 时而静止 当圆销A未进入槽轮的径向槽时 由于槽轮的内凹锁止弧s2而被拨盘1的外凸圆弧s1卡住 故槽轮静止不动 图示为圆销A刚开始进入槽轮径向槽时的位置 这时锁止弧s2也刚好开始被松开 此后 槽轮受圆销A的驱使而转动 当圆销A在另一边离开径向槽时 锁止弧s2又被卡住 槽轮又静止不动 直到圆销A再一次进入槽轮的另一个径向槽时 又重复上述的运动 槽轮机构的特点是构造简单 外形尺寸小 机械效率较高 并能较平稳地 间歇地进行转位 7 4 2槽轮机构的类型及应用槽轮机构可分为外接 图7 11 a 内接 图7 11 b 和球面三种基本形式 外槽轮与内槽轮机构均用于平行轴之间的间歇传动 在外槽轮机构中 拨盘与槽轮异向回转 而在内槽轮机构中拨盘与槽轮则为同向回转 图7 12所示为球面槽轮机构 它是传递两垂直相交轴的间歇运动机构 从动槽轮2呈半球形 主动构件1的轴线与销3的轴线都通过球心O 当主动件1连续转动时 从动槽轮2作间歇转动 除以上三种基本的槽轮机构以外 还有多销槽轮机构等 由于槽轮机构的转角是不可调节的 因而只能用于定转角的间歇运动机构中 如自动机床 电影机械 糖果包装机械等 7 4 3槽轮机构的运动分析1 外槽轮机构的运动特性图7 13所示为外槽轮机构在转动过程中的某一瞬时位置 其拨盘1和槽轮2的转角分别为和 由图可得 7 7 令 将此代入式 7 7 得 7 8 将 2对时间t求一次导数 便得槽轮的角速度 2为 7 9 当 1为常数时 槽轮的角加速度为 有 7 10 由图7 13可知 式中 z为槽轮的槽数 所以 由式 7 9 和式 7 10 可知 当为常数时 槽轮2的角速度及角加速度都是随槽数z变化而变化的 图7 14所示为槽数z 4的槽轮机构的角速度和角加速度曲线 从图中可以看出 在槽轮转动的前半段时间内 角速度由零增至最大值 角加速度为正值 在槽轮转动的后半段时间内 角速度由最大值减少到零 角加速度为负值 当拨盘的角速度一定时 槽数z越少 则其角加速度的最大值越大 此外 由图还可以看出 当圆销开始进入和即将脱离槽轮的径向槽时 角加速度都有突变 且突变的大小随槽轮的槽数z的减少而增大 这说明圆销在开始进入和即将脱离槽轮的径向槽的瞬时 会产生柔性冲击 且冲击的大小 随槽数z的减少而增大 因此 如果要求槽轮机构传动比较平稳 则槽轮的槽数不宜取得太少 一般选4 8 2 外槽轮机构的运动系数及参数选择在图7 13所示外槽轮机构中 当主动拨盘1回转一周时 糟轮2的运动时间td与主动拨盘1转一周的总时间t之比 称为该槽轮机构的运动系数 设以表示 则 7 11 又因拨盘多为等速回转 则时间的比值可用转角的比值来表示 图7 13所示机构只有一个圆销 所以时间与t所对应的转角分别为和 又为了避免圆销G与径向槽发生冲击 圆销开始进入 或脱出 径向槽时 径向槽的中心线应与销中心轨迹圆相切 于是可有 式中 为槽轮两径向槽间的夹角 设槽轮的径向槽数为z 且其径向槽为均匀分布 则 将上述角度关系代入式 7 11 可得有一个圆柱销时外槽轮机构的运动系数为 7 12 由于运动系数是应大于零 则从式 7 12 可知槽轮的径向槽数z应大于或等于3 从式 7 12 还可看出 总是小于0 5的 这说明在这种槽轮机构中 槽轮的运动时间总是小于其静止时间 如果在拨盘上有n个圆销 且均匀分布 则当拨盘转动一周时 槽轮将被拨动n次 其运动系数将比一个圆销的机构大n倍 即 7 13 又因值应小于1 故得 7 14 由式 7 14 可推断 对z 3的槽轮机构 圆销数n可取为1 5 当z 4时 圆销数n可取为1 3 而当z 6时 则应取n 1 2 7 5不完全齿轮机构 7 5 1不完全齿轮机构的工作原理和类型不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮机构演化而成的一种间歇运动机构 它与普通渐开线齿轮机构不同之处是轮齿没有布满整个圆周 如图7 15所示 图示当主动轮1转1周时 从动轮2转1 6周 从动轮每转1周停歇6次 当从动轮停歇时 轮1上的锁止弧s1与轮2上的锁止弧s2互相配合锁住 以保证从动轮停歇在预定的位置 不完全齿轮机构的类型有 外啮合 图7 15 内啮合 图7 16 与普通渐开线齿轮一样 外啮合的不完全齿轮机构两轮转向相反 内啮合的不完全齿轮机构两轮转向相同 当轮2的直径为无穷大时 变为不完全齿轮齿条 这时轮2的转动变为齿条的移动 7 5 2不完全齿轮机构的啮合过程先分析主动齿轮齿数z1 1的情况 如图7 17所示 轮齿啮合可以分为前接触段 正常啮合段和后接触段三个阶段 正常啮合段 与渐开线齿轮啮合相同 B2点为轮齿开始啮合点 B1点为终止啮合点 两轮作定传动比传动 啮合段 由于只有一对轮齿啮合 没有重合度大于1的连续传动条件 因此两轮啮合点到达B1处 因后面没有轮齿进入啮合 所以两轮未能脱离啮合 故轮1继续等速转动时 它的轮齿沿从动轮齿廓向齿顶滑动 直至D点脱离接触 因此该啮合段内 轮2的角速度是逐渐降低的 脱离接触点D离B1点越远 轮1齿顶磨损越严重 啮合段 同样因重合度的原因 两轮齿开始接触点也不在B2点 而由从动轮轮齿所处位置决定的E点 在啮合过程中 从动轮齿顶沿主动轮齿廓顶部向齿根滑动直至B2点 轮2转速逐渐增大 同样E点离B2点越远 轮2齿顶磨损越严重 如上所述 主动轮1作匀速转动时 从动轮2为变速转动 其角速度变化 当主动不完全齿轮齿数z1 1时 主动轮上第一个轮齿 首齿 前接触段与主动轮齿数z1 l的前接触段情况相同 当首齿与轮2的接触点到达B2点后 两轮作定传动比传动 之后的各对齿传动与普通渐开线齿轮传动相同 直至主动轮的最后一个齿 末齿 与轮2的啮合到达B1点之后再无后续轮齿进入啮合 所以接着的啮合与z1 l的不完全齿轮的后接触段情况相同 因此分析主动齿轮齿数z1 l的不完全齿轮的啮合过程 可看作是主动轮齿数为1的不完全齿轮和齿数为的普通渐开线齿轮与从动轮啮合的组合 7 5 3不完全齿轮机构的特点和应用设计不完全齿轮机构时 主动轮和从动轮的分度圆直径 锁止弧的段数 锁止弧之间的齿数 均可在较大范围内选取 故当主动轮等速转动1周时 从动轮停歇的时间及每次转过的角度 其变化的范围要比槽轮机构大得多 但是 不完全齿轮机构的加工工艺较复杂 而且从动轮在运动的开始与终止时冲击较大 不完全齿轮机构一般用于低速 轻载的场合 如在自动机和半自动机中用于工作台的间歇转位机构 以及要求具有间歇运动的进给机构 计数机构等 7 6凸轮式间歇运动机构 7 6 1凸轮式间歇运动机构的工作原理和类型图7 18和图7 19所示为凸轮式间歇运动机构 工程上又称凸轮分度机构 由主动凸轮1和从动盘2组成 转盘2端面 或径向 上有周向均布的若干滚子3 主动凸轮1作等速回转运动时 从动盘2 转盘 作单向间歇回转 这样实现交错轴间的分度运动 凸轮式间歇运动机构常见有两种形式 一种是图7 18所示的圆柱凸轮间歇运动机构 凸轮呈圆柱形状 滚子均匀分布在转盘的端面上 另一种是图7 19所示的蜗杆凸轮间歇运动机构 凸轮上有一条突脊犹如蜗杆 滚子则均匀分布在转盘的圆柱面上 犹如蜗轮的齿 这种凸轮机构可以通过调整凸轮与转盘的中心距来消除滚子与凸轮突脊接触的间隙或补偿磨损 7 6 2凸轮式间歇运动机构的运动特点凸轮间歇运动机构实际上是摆动从动件圆柱凸轮机构 其转盘相当于许多的摆动从动件 摆杆长度为滚子中心所在圆周的半径 最大摆角为 为滚子数 圆柱凸轮间歇机构中的圆柱凸轮与普通圆柱凸轮一样 只不过普通圆柱凸轮为使摆动从动件摆回原处 曲线槽必须是封闭的 而凸轮式间歇机构中的凸轮为使转盘向一个方向间歇地运动 曲线槽必须是开口的 设凸轮转1周所需的时间为t 凸轮转动转过的曲线槽所对应的角度为 凸轮曲线突脊推动滚子 使从转盘转过相邻两滚子所夹的中心角为 那么转盘的转动时间为 7 15 静止时间为 7 16 由式 7 16 可以看出 在凸轮转速一定情况下 从动盘的运动完全取决于主动凸轮的轮廓曲线形状 故只要适当设计出凸轮的轮廓 就可使从动盘获得所预期的运动规律 其动载荷小 无刚性冲击和柔性冲击 以适应高速运转的要求 同时它无需采用其他的定位装置 就可获得高的定位精度 机构结构紧凑 是当前被公认的一种较理想的高速 高精度的分度机构 其缺点是加工成本较高 对装配 调整要求严格 7 6 3凸轮式间歇运动机构的应用棘轮机构 槽轮机构和不完全齿轮机构是常用的间歇运动机构 由于它们的结构 运动和动力条件的限制 一般只能用于低速的场合 而凸轮式间歇运动机构则可以合理地选择转盘的运动规律 使得机构传动平稳 动力特性较好 冲击振动较小 而且转盘转位精确 不需要专门的定位装置 因而主要用于高速转位 分度 机构中 但凸轮加工较复杂 精度要求较高 装配调整也比较困难 在电机矽钢片的冲槽机 拉链嵌齿机 火柴包装机等机械装置中 都应用了凸轮间歇运动机构来实现高速的分度运动 7 7非圆齿轮机构 非圆齿轮机构是一种用于变传动比传动的齿轮机构 根据齿廓啮合基本定律 如要求一对齿轮作变传动比传动 则其节线就不再是一个圆 而是非圆曲线 理论上讲 节线的形状是没有限制的 但在生产实际中 常见的非圆齿轮的节线主要有椭圆形 卵形和螺旋线形等几种 非圆齿轮的型式很多 常用的是椭圆齿轮 如图7 20所示 它的瞬心线是一对大小相等的椭圆 此外 还有其他曲线作为瞬心线 7 7 1椭圆齿轮机构的运动特点图7 20所示为两个完全相同的椭圆齿轮 轮1和轮2各绕其一焦点转动 并且转动中心间的距离等于椭圆的长轴2 这样一对椭圆是能够满足纯滚动条件的 即可以保证两椭圆瞬心线作无滑动的纯滚动 设 b c分别为椭圆的长半轴 短半轴和半焦距 则椭圆的离心率 c a 椭圆上任意一点到两焦点距离之和为常数 且等于其长轴2a 故 当椭圆齿轮的主动轮1等速转动时 从动轮2的角速度是变化的 设P点为图示位置时两轮的节点 当轮1转过角时 轮1上P1点将与轮2上P2点在中心线O1O2上啮合 由于两椭圆完全相同 故 因此 7 17 在 O1P1F1中 整理得 7 18 7 19 从而可得椭圆齿轮机构的传动比为 7 20 式 7 20 表明 椭圆齿轮机构的传动比是主动轮1转角的函数 且与椭圆齿轮的离心率有关 当时 即两轮在图示的位置接触时 值最大 当时 值最小 由以上分析可知 椭圆齿轮的传动比是周期性变化的 其变化规律如图7 21所示 7 7 2非圆齿轮机构的运动特点和应用非圆齿轮的特点是传动比按一定规律变化 因此常用在要求从动轴速度需要按一定规律变化的场合 如在辊筒式平版印刷机的自动送纸装置中 当纸送进到印刷辊筒之前 需要校准 这时要求纸的送进速度应该最小 以免纸被压皱 当纸向机器送进时 要求纸张速度近似等于辊筒的圆周速度 因此纸的送进速度是变化的 用一对椭圆齿轮可以实现这个要求 非圆齿轮机构在机床 自动机 仪器及解算装置中均有应用 现举例说明如下 在图7 22所示的卧式压力机中 使用椭圆齿轮来带动压力机的对心曲柄滑块机构 使工作行程速度小 空行程速度大 这样可以改变工作行程与空行程的时间比 用以减少功率消耗 图中虚线为滑块的速度位移线图 该