机械中的间歇运动机构简介

第7章间歇运动机构和其他常用机构 本章主要内容 7 1棘轮机构7 2槽轮机构7 3擒纵机构7 4凸轮式间歇运动机构7 5不完全齿轮机构7 6间歇运动机构设计的基本要求7 7其他常用机构 槽轮机构和棘轮机构的工作原理和运动特性 本章重点 掌握槽轮机构 棘轮机构的工作原理 运动特点 应用情况 了解凸轮式间歇运动机构 不完全齿轮机构和其他常用机构的工作原理 运动特点及应用情况 本章基本要求 1 棘轮机构的组成及工作原理 7 1棘轮机构 棘轮机构的组成 由主动摆杆 棘爪 棘轮 止动爪和机架等组成 棘轮机构的工作原理 当主动摇杆逆时针摆动时 棘爪便插入棘轮的齿间 推动棘轮转过一定的角度 当摇杆顺时针摆动时 止动爪阻止棘轮逆时针转动 同时棘爪在棘轮的齿背上滑过 棘轮便得到单向的间歇运动 外棘轮动画演示 内棘轮动画演示 2 棘轮机构的类型和特点 1 按结构分类 齿式棘轮机构 结构简单 制造方便 转角准确 运动可靠 动程可在较大范围内调节 动停时间可通过选择合适的驱动机构来实现 但动程只能作有级调节 棘爪在齿背上的滑行引起噪音 冲击和磨损 故不宜用于高速 摩擦式棘轮机构 它以偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪 以无齿摩擦轮代替棘轮 它的特点是传动平稳 无噪音 动程可无级调节 因靠摩擦力传动 会出现打滑现象 一方面可起超载保护作用 另一方面使得传动精度不同 适用于低速轻载的场合 外接式 内接式 运动特点 通过摩擦力推动从动轮间歇转动 克服了齿式棘轮机构噪声大 转角不能无级调节的缺点 但运动准确性差 2 按啮合方式分类 外啮合方式 它们的棘爪或楔块均安装在从动轮的外部 外啮合式棘轮机构由于加工 安装 维修方便 应用较广 内啮合方式 它们的棘爪或楔块均安装在从动轮内部 结构紧凑 外形尺寸小 3 按运动形式分类 从动件作单向间歇转动 从动件作单向间歇移动 双动式棘轮机构 双向式棘轮机构 外接齿式棘轮机构 内接齿式棘轮机构 棘轮机构示例 端面棘轮机构 双动式棘轮机构 运动特点 摇杆来回摆动都能使棘轮向同一方向转动 钩头棘爪 直推棘爪 棘爪可翻转的矩形棘齿可以获得不同转向的间歇运动 双向式棘轮机构 动画 动画 3 棘轮机构的功能应用 2 功能 制动 如卷扬机制动机构 棘轮机构单向转动 可阻止卷筒逆转 起制动作用 1 应用场合 各种机床中 以实现进给 转位或分度功能 牛头刨床工作台横向进给过程 运动通过齿轮机构 连杆机构传递给棘轮机构 带动与棘轮固联的丝杠做间歇运动 从而实现工作台间歇进给运动 间歇送进 转位 分度 冲床工作台自动转位棘轮机构的工作过程 冲头D上升时通过棘爪带动棘轮和工作台顺时针转位 冲头下降时 摇杆AB逆时针摆动 工作台不动 超越 离合 单向离合器工作原理 主动星轮1逆时针转动时 滚柱靠摩擦力滚向空隙小端 将套筒2楔紧 使之与星轮一同转动 反之 滚柱滚到大端 套筒因松开而静止 超越离合器工作原理 主动星轮1逆时针转动时 套筒2逆时针转动的速度超过星轮1的转速 套筒以高速自由转动 应用实例 自行车飞轮 内接棘轮 4 棘轮设计的要点 1 几何尺寸设计 2 棘轮转角的调节 安装棘轮罩 通过安装棘轮罩 改变插销在定位板孔中的位置 即可调节棘轮罩遮盖的棘轮齿数 使部分行程内棘爪沿棘轮罩表面滑过从而实现棘轮转角大小的调整 驱动机构设计成行程可调机构 可通过设计腰形槽 调节块 调节丝杆等改变曲柄或摇杆的长度 从而从而改变摆杆的摆角 达到改变动停时间比的目的 实际设计时 并不需要同时设置多个调整环节 例 改变主动摇杆摆角的大小 驱动机构设计成行程可调机构 加装棘轮罩 以遮盖摇杆摆角范围内的一部分棘齿 1 槽轮机构的组成及工作原理 7 2槽轮机构 槽轮机构的组成 由主动拨盘 从动槽轮和机架等组成 槽轮机构的工作原理 主动拨盘连续转动 当主动拨盘的圆销A未进入槽轮径向槽时 槽轮被锁 静止不动 当主动拨盘的圆销A进入槽轮径向槽时 槽轮受圆销A驱动而转动 从而使槽轮做间歇运动 动画演示 特点 径向槽径向尺寸不同 销轮上销分布不均匀 槽轮转一周 可以实现动停时间均不相同的运动要求 不等臂长多销槽轮机构 2 槽轮机构的类型 外槽轮机构 主 从动轮转向相反 内槽轮机构 主 从动轮转向相同 球面槽轮机构 特点 主动轮1和拨销3的轴线均通过球心 当只有一个拨销时 动停时间相等 当对称布置两个拨销时 可以实现连续转动 3 槽轮机构的特点与应用 应用 一般用于转速不很高的自动机械 轻工机械或仪器仪表中 电影放映机的送片机构 优点 结构简单 制造容易 工作可靠 能准确控制转角 机械效率高 缺点 动程不可调节 转角不可太小 在起动和停止时加速度变化大 有冲击 不适用于高速 蜂窝煤压制机构 4 槽轮机构的设计 1 槽轮机构的运动系数 间歇运动机构的运动特性通常用动停时间比k来描述 即 td表示从动件在1个运动周期中的运动时间 tt表示其停歇时间 在槽轮机构的设计中 选取不同的槽数z和圆销数n 将获得不同的动 停规律 运动系数k 从动槽轮2的运动时间t2与主动拨盘1的运动时间t1之比 即 k t2 t1 由于主动销轮1通常为等速运动 故上述时间比值可用销轮转角的比值表示 因槽轮的线速度方向应沿着径向槽的中心线 由此得出 由上式可知 k总是小于0 5的 外槽轮径向槽的数目应大于或等于3 槽轮的运动时间总小于其静止时间 如果在销轮上均匀地分布n个圆销 则当销轮盘转动一周时 槽轮将被拨动n次 故运动系数是单销的n倍 即 因k应小于1 故 槽轮机构的角速度及角加速度的最大值随槽轮数z的增多减少 当圆销开始进入和离开径向槽时 两瞬时有柔性冲击 且随槽数z的减少而增大 在机构运转速度较高时 或槽轮轴承惯性较大的情况下 就显得更为突出 内槽轮机构与外槽轮机构一样 有加速度突变 且其值与外槽轮相等 但当 0时 角加速度值迅速下降并趋于零 2 槽轮机构的运动特性 槽轮机构的运动和动力特性 通常用右边两个比值来衡量 随着槽数z的增加 运动趋于平稳 动力特性也得到改善 但槽数过多将使槽轮体积过大 产生较大的惯性力矩 一般设计中 槽数的正常选用值为4 8 设计中应尽量保证间歇运动机构动作平稳 减小从动构件在起动和停止运动时产生的冲击 尤其要减小高速运动构件的惯性负荷 改善机构的动力特性 3 槽轮机构的几何尺寸计算 参照P167所例计算式求出圆柱销的回转半径 槽顶高 槽底高 锁止弧半径等几何尺寸 7 3擒纵机构 1 擒纵机构的组成及工作原理 机构的组成 由擒纵轮 擒纵叉 游丝摆轮及机架组成 工作原理 擒纵轮受发条驱动而转动 同时受擒纵叉上的左右卡瓦阻挡而停止 并通过游丝摆轮系统控制动停时间 从而实现周期性单性间歇运动 游丝摆动系统是由游丝 摆轮及圆销 擒纵叉及叉头钉等组成 其能量的补充是通过擒纵轮齿顶斜面与卡瓦的短暂接触传动来实现的 因游丝摆轮系统振动频率固定 故可用于计量时间 常用于钟表中 2 擒纵机构的类型及应用 1 有固有振动系统型擒纵机构 擒纵机构有以下两大类 如机械手表中的擒纵机构 2 无固有振动系统型擒纵机构 此种擒纵机构仅由擒纵轮和擒纵叉组成 机构示例1 机构示例2 擒纵叉往复振动的周期与擒纵叉转动惯量 为常数 的平方成正比 与擒纵轮给擒纵叉的转矩大小 基本稳定 的平方根成反比 故此机构能使擒纵轮作平均转速基本恒定的间歇运动 这种机构结构简单 便于制造 价格低 但振动周期不很稳定 故主要用于计时精度要求不高 工作时间较短的场合 如自动记录仪 计数器 定时器 测速器及照相机快门等 7 4凸轮式间歇运动机构 组成 主动凸轮 从动转盘和机架 工作原理主动凸轮连续转动 推动从动盘实现间歇分度转动 1 凸轮式间歇运动机构的组成与工作原理 圆柱凸轮间歇运动机构 蜗杆凸轮间歇运动机构 2 机构的类型及应用 1 圆柱凸轮式间歇运动机构 常取单头螺杆凸轮z2 6 从动盘按正弦加速度规律设计 可控制中心距消除间隙 承载能力高 间歇频率为1200次 分 分度精度为30 常取凸轮槽数为1 柱销数一般取z2 6 在轻载下间歇频率为1500次 分 2 蜗杆凸轮式间歇运动机构 3 共轭凸轮式间歇机构 动力特性好 分度精度高 成本较低 应用场合轻工机械 冲压机械等高速机械中常用作高速 高精度的步进进给 分度转位等机构 例如用于高速冲床 多色印刷机 包装机 折叠机等 机构特点 结构简单 工作可靠 转位精确 不需定位装置即可获得高的定位精度 廓线设计得当 可使从动件获得预期的任意运动 动载荷小 无冲击 宜高速 加工成本高 安装 调整要求严 3 凸轮式间歇运动机构的特点和应用 1 工作原理和类型由齿轮机构演变而来 主动轮有一个或几个齿 根据运动与停歇时间要求 在从动轮上做出与主动轮齿相啮合的轮齿 当主动轮做连续转动时 从动轮做间歇回转运动 从动轮间歇期间 利用两轮边缘的锁止弧防止从动轮游动 动画演示 7 5不完全齿轮机构 内啮合不完全齿轮机构 外啮合不完全齿轮机构 不完全齿轮齿条机构 动画 2 不完全齿轮机构的特点和应用 特点 设计灵活 结构简单 制造容易 工作可靠 从动轮的运动角范围大 很容易实现一个周期中的多次动 停时间不等的间隙运动 但在进入啮合和退出啮合时速度有突变 引起刚性冲击 只宜于低速 轻载场合 主 从动轮不能互换 应用 常用于多工位 多工序的自动机械或生产线上 实现工作台的间歇转位和进给运动等 3 不完全齿轮机构设计时需注意的问题 为了避免主动轮首齿的齿顶与从动轮的齿顶发生干涉 可将主动轮首齿的齿顶降低 如果机构作正反向转动 主动轮的首 末两齿齿顶应相等 其余各齿保持标准齿高 不完全齿轮机构在进入啮合和退出啮合时 由于速度有突变而产生冲击 为改善其动力性能 可装瞬心线附加杆 使其在首齿啮合之前先接触 使从动轮从静止状态逐渐增速 主动轮末齿在退出啮合时 从动轮的角速度逐渐减小 借助于另一对瞬心线附加板 这样使从动轮由停到动和由动到停的过渡变得平稳 7 6间歇运动机构设计的基本要求 1 动力性能的要求间歇运动机构的从动机构在一个很短的时间内要经过启动 加速 减速 停止的过程 会产生较大的加速度 从而来带来载荷产生冲击 设计中为了尽量保证间歇运动机构动作平稳 特别要注意合理选择从动件运动规律 2 对从动件动 停时间的要求间歇运动机构中 从动件停歇的时间往往是机床或自动机进行工艺加工的时间 而从动件运动的时间一般是机床和自动机送进 转位等辅助工作的时间 间歇运动机构的这个运动特性通常用动停时间比k来描述 即 式中 td表示从动件在1个运动周期中的运动时间 tt表示其停歇时间 从提高生产效率的角度来看 k值应尽量取得小些 但从动力性能来看 k值过小会使起动和停止时的加速度过大 又是设计中应避免的 因此 在设计间歇运动机构时 应合理选择动 停时间比 并根据不同的动 停时间要求来设计间歇机构的结构参数 3 对从动件动 停位置的要求设计中应根据工作要求来选取从动件运动行程 简称动程 的大小 并注意从动件停歇位置的准确性 在时还要求设计的间歇运动机构能调节动程或动停比的大小 1 螺旋机构 7 7其他常用机构 1 螺旋机构的组成及特点 螺旋机构的组成 螺旋机构是由螺杆 螺母和机架组成 通常它是将旋转运动转换为直线运动 但当导程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 效率较低 特别是具有自锁性的螺旋机构效率低于50 能获得很多的减速比和力的增益 选择合适的螺旋机构导程角 可获得机构的自锁性 螺旋机构的特点 主要优点 主要缺点 因此 螺旋机构常用于起重机 压力机以及功率不大的进给系统和微调装置中 2 螺旋机构的运动分析 当螺杆转过 时 螺母沿其轴向移动的距离为 s l 2 其中l为螺旋的导程 微动螺旋机构 设螺旋机构中A B段的螺旋导程分别为lA lB 且两端螺旋的旋向相同 当螺杆1转过 时 螺母2的位移s为 s lA lB 2 动画 因lA lB相差很小时 位移s可能很小 故这种螺旋机构称为微动螺旋机构 此种机构常用测微计 分度机构及调节机构中 如用于调节镗刀进刀量的螺旋机构 复式螺旋机构 如果螺旋机构的两段螺旋导程分别为lA lB 且两端螺旋的旋向相反 这种螺旋机构称为复式螺旋机构 s lA lB 2 则 此种螺旋机构常用于车辆联接 动画 3 螺旋机构类型 按用途不同分类 按螺杆与螺母之间的摩擦性质不同分类 滑动螺旋机构 滚动螺旋机构 静压螺旋机构 传力螺旋机构 传导螺旋机构 调整螺旋机构 4 螺旋机构的设计要点 螺旋设计的关键是选择确定合适的螺旋导程角 导程及头数等参数 根据不同的工作要求 螺旋机构应选择不同的几何参数 若要求螺旋具有自锁性或具有较大的减速比 微动 时 宜选用单头螺旋 宜选用较小的导程及导程角 但效率较低 若要求传递大的功率或快速运动的螺旋机构时 宜采用具有较大导程角的多头螺旋 2 万向铰链机构 万向铰链机构用于传递两相交轴间的运动和动力 广泛用于汽车 机床等机械中 传动过程中 两轴夹角可以变动 为变角传动机构 单万向铰链机构 当主动轴 以 1等速回转时 从动轴 的 2变化范围为 1cos 2 1 cos 其变化幅度与两轴夹角 有关 一般 30 单万向铰链机构 两轴瞬时角速比随时变化 并不恒等于1 单万向铰链机构两特殊位置的机构运动简图 双万向铰链机构 主 从动轴角速度恒等的条件 主 从动轴与中间轴位于同一平面 主 从动轴线与中间轴线之间的夹角相等 中间轴两端叉面应位于同一平面内 动画 动画 即椭圆齿轮机构的传动比i21是主动轮1转角 1的函数 且与椭圆齿轮的偏心率 e有关 3 非圆齿轮机构 i21 2 1 r1 r2 1 e2 1 e2 2 ecos 1 非圆齿轮机构是一种变传动比的齿轮机构 1 椭圆齿轮机构的传动比 1 与连杆机构相比 结构牢靠 紧凑 且传动较平稳 2 比凸轮机构传动可靠 3 用非圆齿轮来实现按一定规律的变速传动 要比用其他机构容易得多 2 非圆齿轮机构的特点及其应用 特点 非圆齿轮机构在机床 自动机 仪器及解算装置中均有应用 利用椭圆齿轮带动曲柄滑块机构实现急回运动 利用椭圆齿轮带动槽轮机构实现缩短运动时间 增加停歇时间 应用 4 组合机构 1 组合机构及其特点 组合机构的概念 由于现代机械工程对机械的运动形式 运动规律和动力性能等方面要求的多样化和复杂性 以