汽车机械基础-第四章.ppt

汽车机械基础 第四章机构的组成及汽车常用机构 一 机构的组成与运动简图 二 汽车常用四杆机构 三 凸轮机构 四 螺旋机构 本章内容 第一节机构的组成与运动简图 一 机构的组成及相关概念 构件 运动单元体 零件 制造单元体 构件可由一个或几个零件组成 第一节机构的组成与运动简图 机械 机械和机构的统称 一 机构的组成及相关概念 构件 运动单元体 零件 制造单元体 构件可由一个或几个零件组成 第一节机构的组成与运动简图 机械 机械和机构的统称 第一节机构的组成与运动简图 图4 3组成内燃机的机构a 曲柄连杆机构b 齿轮机构c 凸轮机构 第一节机构的组成与运动简图 气缸体1 活塞2 进气阀3 排气阀4 连杆5 机构能实现运动变换和动力传递的零件 构件的组合 机器能代替或减轻人的劳动 能完成有用机械功的机构与构件的组合 构件和构件之间既要相互连接 接触 在一起 又要有相对运动 而两构件之间这种可动的连接 接触 就称为运动副 二 运动副及其分类 运动副 例如 轴与轴承的联接 活塞与汽缸的联接 两啮合齿轮的联接等 平面运动副分平面低副和平面高副两种基本类型 空间运动副常见的有螺旋副和球面副 1 平面低副两构件面接触构成的运动副 又分为 1 转动副 也称铰链 2 移动副 平面运动副 1 转动副 只允许两构件作相对转动 又称作铰链 平面运动副 2 移动副 只允许两构件作相对移动 图4 1平面高副a 车轮与钢轨b 两轮齿间c 凸轮与推杆间 2 平面高副两构件点接触或线接触所构成的运动副 平面运动副 低副与高副的对比 低副接触压强低 承载大 磨损慢 寿命长 且构件的形状简单 容易制造 成本低 高副接触压强高 材料和加工要求高 但能实现某些复杂精确的运动 1 螺旋副 球面副 空间运动副 若两构件之间的相对运动均为空间运动 则称为空间运动副 三 机构运动简图 图4 2机械中的运动转换a 钉鞋机的进针b 气动门的开关c 脚踏缝纫机 1 机械中的机构 机构能实现运动转换和动力传递的零件 构件组合 2 机构中的三类构件 机构中的构件分为以下三种类型 图4 3液体搅拌机1 机架2 曲柄3 连杆4 摇杆 1 机架机构中被视为固定不动的构件 机构中其他构件在它的支承下运动 图4 3中的构件1是机架 2 原动件机构中由外部给定其运动的构件 也称为输入构件 机构中其他构件的运动由它驱动 图4 3中曲柄2的转动由外部输入 是原动件 3 从动件机构中由原动件驱动的其他构件 若从动件直接实现机构的功能 称为执行件 若从动件把运动输出本机构 称为输出构件 图4 3中连杆3 摇杆4都是从动件 1 3 机构运动简图 1 机构运动简图及其作用 图4 4横截面形状不同的连杆 机构中各构件间的相对运动 取决于运动副的类型 数目 所在平面内的构件尺寸等几个因素 而与构件外形 断面尺寸 组成构件的零件数 运动副的结构形式等无关 如连杆机构中的连杆 与构件间运动关系有关的只是 连杆长度 而与截面形状 是单个还是多个零件组成无关 机构运动简图排除实际机构中与运动关系无关的因素 用一定比例的简单线条和规定的符号 来表示运动副及构件间运动关系的图形 2 运动副的表示方法 转动副用一个小圆圈表示 转动副的表示方法 在代表转动副中机架 固定件 的线条上 需画上一列斜线 移动副用与移动方向一致的一条直线或两条平行线表示 移动副的表示方法 2 运动副的表示方法 1 平面高副简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓 球面副与螺旋副 平面高副的表示方法 球面副和螺旋副的表示方法a 球面副b 螺旋副 3 构件的表示方法 构件简图的表示方法是 在构件的相应位置上将运动副用符号标出 再用简单线条连成一体以表明是同一构件即可 图4 5a是几种二运动副构件 指一个构件上有两个运动副 的示例 图4 5b是几种三运动副构件 指一个构件上有三个运动副 的示例 图4 5的部分图形中 在线条交接的内角涂以形如 的焊缝标记 或在一个封闭的图形内画上斜向 剖面线 这是表示同一构件的两种符号 图4 5运动简图中构件的表示方法a 二运动副构件示例b 三运动副构件示例 机构运动简图的一般绘制步骤如下 分析机构 确定机架 原动件 从动件 从原动件开始 按照运动传递的顺序 分析构件间的运动关系 确定从动件的个数 运动副的类型和数目 在表示机构运动的投影平面内选择适当的比例尺 根据构件和运动副的位置关系和构件尺寸 以规定的符号绘制出运动简图 绘制机构运动简图的通行习惯还有 以大写英文字母A B C 依次标注各转动副 以阿拉伯数字1 2 3 依次标注各构件 用箭头表示原动件的运动方向 4 机构运动简图的绘制步骤 例绘制图4 6a所示抽水唧筒的机构运动简图 图4 6抽水唧筒及其机构简图 a 抽水唧筒b 抽水唧筒的机构运动简图1 手柄2 连杆3 活塞杆4 抽水筒 绘制说明 1 唧筒的机构分析 机架是抽水筒4 原动件是手柄1 其余连杆2和活塞杆3为从动件 2 运动与运动副分析 操作手柄1以转动副A为中心摆动 依次带动连杆2和活塞杆3运动 该机构在A B C三处有三个转动副 活塞杆3与抽水筒4形成移动副 3 绘制运动简图 取转动副A点为基准点 选择合适比例尺 根据图4 6a中构件的尺寸和几个运动副的位置 绘制出抽水唧筒的运动简图如图4 6b所示 例试绘制内燃机的机构运动简图 四 机构具有确定运动的条件 平面机构具有确定运动的条件 机构原动件个数应等于机构的自由度数目 1 构件自由度 一个构件未用运动副与其它构件连接之前 有三个自由度 当用运动副连接后 构件间的相对运动受到约束 失去一些自由度 运动副不同 失去的自由度数目和保留的自由度数目也不同 2 计算公式 n 机构中活动构件数 Pl 机构中低副数 Ph 机构中高副数 F 机构的自由度数 F 3n 2Pl Ph 计算实例 n 3 Pl 4 Ph 0 F 3n 2Pl Ph 3 3 2Pl Ph 3 3 2 4 0 1 计算实例 n 5 Pl 7 Ph 0 F 3n 2Pl Ph 3 5 2 7 0 1 解 第二节汽车常用四杆机构概述 1 平面连杆机构 若干构件通过低副连接而成的平面机构 2 平面连杆机构的特点 具有运动可逆性 3 平面连杆机构主要优点 A D C B 1 低副压力小 制造简单 制造精度较高 2 实现转动 摆动和移动等基本运动形式转换 3 实现多种运动规律 一 概述 1 低副存在间隙 产生运动误差 2 不易精确实现复杂运动规律 4 平面连杆机构主要缺点 平面四杆机构 铰链四杆机构 全转动副 含有移动副的平面四杆机构 1 铰链四杆机构 图4 10铰链四杆机构1 3 连架杆2 连杆4 机架 以4个铰链联接4个构件而成的机构 铰链四杆机构有三种基本形式 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 二 铰链四杆机构的基本型式及应用 曲柄 作整周定轴回转的构件 连杆 与其他构件链接的构件 连架杆 与机架相联的构件 摇杆 作定轴摆动的构件 周转副 能作360相对回转的运动副 摆转副 只能作有限角度摆动的运动副 曲柄 连杆 摇杆 铰链四杆机构有三种基本形式 曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 二 铰链四杆机构的基本型式及应用 连架杆 1 曲柄摇杆机构 铰链四杆机构的两个连架杆之一是曲柄 另一是摇杆 为曲柄摇杆机构 1 将转动变为摆动 图4 8破碎机的破碎机构 将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动 1 雷达 1 曲柄摇杆机构 2 搅拌器 曲柄主动 1 曲柄摇杆机构 3 汽车玻璃窗雨刷 转动变换为摆动 1 曲柄摇杆机构 2 将摆动变为转动 4 缝纫机踏板机构 摆动变换为转动 将摇杆的往复摆动转变为曲柄的整周转动 1 曲柄摇杆机构 脱粒机及其机构运动简图a 脚踏脱粒机b 机构运动简图 摇杆为原动件 脚踏缝纫机脚踏脱粒机 2 将摆动变为转动 图4 13缝纫机踏板机构 2 双曲柄机构 铰链四杆机构的两个连架杆均为曲柄 称为双曲柄机构 双曲柄机构中的任一个曲柄均可作为原动件 带动从动曲柄旋转 图4 14惯性筛 但双曲柄机构具有如下运动特性 原动曲柄匀速转动时 从动曲柄以每圈为周期作变速转动 图4 14所示的惯性筛中 原动曲柄匀速转动 从动曲柄则在每一圈转动中周期性地变换快慢 从而达到筛分物料的目的 平行双曲柄机构或平行四边形机构两曲柄长度相等 且连杆机架的长度也相等的双曲柄机构 图4 15平行四边形机构的运动特性及其应用示例a 平行双曲柄机构b 机车车轮联动机构 平行四边形机构运动有两个特性 原动从动曲柄的转动保持同步 运动中两曲柄保持平行 连杆与 机架 也保持平行 它因此获得广泛应用 如火车车轮的联动机构 平行双曲柄机构 2 双曲柄机构 1 两曲柄等长且平行 1 2 2 双曲柄机构 当两曲柄共线时 有可能成为反向双曲柄机构 1 2 反平行双曲柄机构 车门 反平行四边形机构 公共汽车的车门开关机构1 主动曲柄2 连杆3 从动曲柄4 机架5 右车门6 左车门7 活塞门8 气缸 2 双曲柄机构 插床双曲柄机构 2 双曲柄机构 摄影台升降机构 2 双曲柄机构 电风扇摇头机构示意图 3 双摇杆机构 双摇杆机构两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构 双摇杆机构中的任一个活动件 摇杆或连杆 均可作为原动件 使两个摇杆均实现往返摆动 如电风扇的一种摇头机构 起重机机构 汽车转向机构 3 双摇杆机构 飞机起落架机构 4 铰链四杆机构的类型判别 1 铰链四杆机构曲柄存在条件为 1 连架杆和机架中必有一杆是最短杆 2 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和 称为杆长条件 上述两个条件必须同时满足 否则机构不存在曲柄 在满足杆长和的条件下 取不同杆为机架就可以得到不同类型的铰链四杆机构 1 以最短杆的相邻构件为机架 则最短杆为曲柄 另一连架杆为摇杆 即该机构为曲柄摇杆机构 2 以最短杆为机架 则两连架杆为曲柄 该机构为双曲柄机构 3 以最短杆的对边构件为机架 均无曲柄存在 即该机构为双摇杆机构 三 铰链四杆机构的演化 演化方法 转动副移动副 滑块四杆机构 选取不同构件作为机架 一 转动副转化成移动副 1 铰链四杆机构中一个转动副转化为移动副 1 1 滑块四杆机构 图4 12曲柄滑块机构a 对心曲柄滑块机构b 偏置曲柄滑块机构1 曲柄2 连杆3 滑块4 机架 含有移动副四杆机构称为滑块四杆机构 简称滑块机构 其基本形式有曲柄滑块机构 导杆机构 摇块机构和定块机构 1 曲柄滑块机构应用很广泛 如内燃机里的曲柄滑块机构和自动送料机构等 图4 21曲柄滑块机构的应用示例a 内燃机中的曲柄滑块机构b 自动送料机构1 曲轴2 连杆3 活塞4 滑块5 曲柄 2 摇块机构 1 演化过程 曲柄滑块机构中 当将连杆改为机架时 就演化成摇块机构 2 应用 泵 3 导杆机构 曲柄滑块机构中 当将曲柄改为机架时 就演化成导杆机构 4 定块机构 曲柄滑块机构中 当将滑块改为机架时 就演化成定块机构 第三节凸轮机构 v M M0M 进气过程中 实际进入气缸的新气的质量 Mo 在理想状态下 充满气缸工作容积的新气质量 按照发动机每个气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求 定时开启和关闭气缸的进 排气门 使新鲜可燃混合气 汽油机 或空气 柴油机 得以及时进入气缸 废气得以及时从气缸排出 一 发动机配气机构的工作过程 在进气行程中 实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量与在进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比 配气机构的布置型式 目前国产的汽车发动机都采用气门顶置式配气机构 压缩比受到限制 进排气门阻力较大 发动机的动力性和高速性均较差 逐渐被淘汰 凸轮轴的布置型式 凸轮轴下置 凸轮轴中置 凸轮轴上置 凸轮轴的传动方式 气门数目及排列方式 每缸四气门的布置 凸轮机构 1 凸轮机构的组成 特点 1 凸轮机构的组成 图7 25凸轮机构及其组成示例a 内燃机配气机构b 冲床送料机构c 机床进退刀机构1 凸轮2 从动件 从图7 25的三个例子可知 凸轮机构由凸轮 从动件和机架三部分组成 凸轮是一个具有曲线轮廓或曲线凹槽的构件 凸轮与从动件构成高副 凸轮通常是原动件 它作转动 摆动或往返移动 驱动从动件按预设的规律作连续或间歇的转动 移动或摆动 二 凸轮机构的组成及特点 1 2 凸轮机构的特点 优点依靠凸轮轮廓便可使从动件实现预设的运动 包括较复杂的曲线运动 与四杆机构比较 凸轮机构设计方便 结构简单紧凑 工作可靠 缺点凸轮与从动件是点 线接触 易磨损 传递的力量小 复杂凸轮轮廓的加工困难 成本也高 但数控加工技术已使这一困难缓解 凸轮机构广泛用作自动 半自动的控制机构 实现复杂运动轨迹的机构等 在玩具 娱乐设施中的应用也很常见 盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮 2 凸轮机构的分类 按照凸轮的形状分 1 尖顶从动件 优点 能实现任意预期的运动缺点 易磨损适用 轻载低速 2 滚子从动件 优点 耐磨损适用 较大载荷 按从动件的形状分 3 平底从动件 优点 磨损小 油膜 缺点 不能应用在有内凹轮廓的凸轮机构适用 高速 直动从动件 摆动从动件 按照从动件的运动形式分 表凸轮机构的分类 四 凸轮机构从动件的运动规律 基圆 远休止角 s 回程 回程运动角 h 近休止角 s 五 凸轮机构的应用示例 例1自动送料机构 图凸轮自动送料机构1 圆柱凸轮2 从动件 推杆 例2变速箱换档操纵机构 变速箱的换档操纵机构 用靠模仿形加工手柄1 移动凸轮 靠模 2 滚子3 溜板箱体 1 圆柱凸轮2 从动拨叉3 可动齿轮 例3仿形加工的 靠模 第四节螺旋机构 1 螺纹类型和螺纹参数 1 螺纹的类型 按旋行方向 分为右旋螺纹和左旋螺纹两种 常用的是右旋螺纹 按螺旋线数同 分为单线螺纹 双线螺纹和多线螺纹 图4 14螺纹的线数a 单线螺纹b 双线螺纹c 三线螺纹 螺杆螺纹为外螺纹 螺母螺纹为内螺纹 按螺纹的牙型 分为三角形螺纹 矩形螺纹 梯形螺纹和锯齿型螺纹等 图4 15螺纹的牙型a 三角形螺纹b 矩形螺纹c 梯形螺纹d 锯齿形螺纹 2 螺纹的主要参数 图4 16螺纹的主要参数 大径d即技术标准中的螺纹公称直径 螺纹牙的最大直径 小径d1螺纹牙的最小直径 中径d2螺纹牙厚与牙间宽度相等的假想圆柱的直径 螺距P0螺纹相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离 导程Ph同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离 导程Ph与螺距P0之间的关系为 Ph nP0 左式中的n是螺纹的线数 1 2 螺旋机构的类型 图4 17四种不同运动形式的螺旋机构 螺旋机构的基本构件为螺母 螺杆和机架 1 按构件的运动形式分类 螺杆转动 螺母移动 螺母转动 螺杆移动 螺母固定 螺杆转动并移动 螺杆固定 螺母转动并移动 螺旋机构中螺纹副的构件转动360 对应移动距离为一个导程Ph 因构件转角与移动距离成正比 因此构件转角 对应的移动距离s为 4 1 这个式子称为螺旋机构的运动方程 1 2 差动螺旋机构与复式螺旋机构 图4 18差动螺旋机构或复式螺旋机构1 螺杆2 可移动螺母3 机架 若螺旋机构包含两个螺纹副 一个移动副 如图4 18所示 螺纹副A B的导程分别为PhA PhB 则转动螺杆时 螺母在机架上的运动 分为两种情况 差动螺旋机构 螺纹副A与B旋向相同 为差动螺旋机构 运动方程为 4 2 上式说明 若差值 PhA PhB 很小 则转动差动螺旋机构时 构件的移动量将很小 因此适宜用来作精密调节 复式螺旋机构 螺纹副A与B旋向相反 为复式螺旋机构 运动方程为 4 3 上式说明 转动复式螺旋机构时 构件的移动量等于两个单螺纹副移动量的叠加 明显加大 因此能适合某些特殊的要求 3 按摩擦副的摩擦形式分类 图4 19不同类型摩擦副的螺旋机构a 滑动摩擦副b 滚动摩擦副 分为滑动摩擦螺旋副 滚动摩擦螺旋副等类型 在螺杆和螺母设有封闭循环的滚道 在滚道间填充钢珠 使螺旋副的滑动摩擦变为滚动摩擦 提高传动效率 这种传动称为螺旋传动 又称为滚珠丝杠副 1 3 螺旋机构的应用 螺旋机构结构简单 制造方便 可获得大传动比和力的增益 机构具自锁性能 因而应用广泛 主要用于传递运动和动力 转变运动形式 调节与测量等 常用于起重 挤压 锁紧 进给 调节装置中 例1千斤顶 压力机 图4 20传递运动和动力的螺旋机构示例a 螺旋千斤顶结构图b 螺旋千斤顶机构简图c 螺旋压力机机构简图 1 例2机床走刀 进刀机构 图4 21转变运动形式的螺旋机构示例a 机床纵向走刀机构b 机床横向进刀机构 例3轮子与轴承拆卸工具 图4 22螺旋机构的拆卸工具a 拆轮器b 滚动轴承拆卸工具 例4绘图圆规 钢索拉紧器和铣床快速夹紧装置 图4 23复式螺旋机构示例 右图所示为台钳定心夹紧机构 即由螺旋机构组成 螺杆3的A段是右旋螺纹 B段是左旋螺纹 采用导程不同的复式螺旋 当转动螺杆3时 夹爪1与V型夹爪2相对移动 从而夹紧工件5 复式螺旋机构示例 复式螺旋机构示例 右图所示为螺旋压力机 螺杆1左右两段分别与螺母3 4组成旋向相反 导程相同的螺旋副A和C 根据复式螺旋的原理 当转动螺杆1时 螺母3 4很快地相对靠近 再通过连杆5 6 使压板2向下运动以压紧物件7 问题讨论在上述两例应用中 如果螺旋机构没有自锁作用 两装置能否起到夹紧工件和压紧物件的作用 复式螺旋机构示例 问题讨论在上述两例应用中 如果螺旋机构没有自锁作用 两装置能否起到夹紧工件和压紧物件的作用 不能 因为当夹紧工件和压紧物件后 螺杆停止转动 驱动力矩去除 此时夹紧力就成为主动力 并传至螺母 如果螺旋无自锁作用 则会带动螺杆反转 导致夹紧力和压紧力迅速消失 1 第五节间歇运动机构 间歇运动机构能将原动件的连续转动转为从动件周期运动和停歇的机构 棘轮机构槽轮机构不完全齿轮机构 一 棘轮机构 1 棘轮机构的基本组成 图4 24棘轮机构的基本组成1 棘轮2 驱动棘爪3 扭簧4 原动件 摇杆 5 止回棘爪 原动摇杆4顺时针摆动 棘爪2推动棘轮1同向转一角度 摇杆4逆时针摆动 驱动棘爪2在棘轮1的齿背上滑过 止回棘爪5阻止棘轮反转 使棘轮停歇不动 因此摇杆4不断往返摆动 棘轮1作单方向时动时停的间歇运动 扭簧3让棘爪贴靠在棘轮齿面上 以保工作的可靠 棘轮机构工作过程演示 第五节间歇运动机构 2 棘轮机构的类型 棘轮机构分齿啮式和摩擦式两大类 还有外啮合 内啮合 双动 可调等形式 下面仅介绍外齿啮式棘轮机构的几种应用示例