《机械基础 》课件第4章

第4章常用机构4.1平面连杆机构

4.2凸轮机构

4.3螺旋机构

4.4间歇运动机构

复习思考题

4.1平面连杆机构

4.1.1铰链四杆机构的基本类型图4-1(a)所示的破碎机的破碎机构采用了四杆机构。当轮子绕固定轴心A转动时,通过轮子上的偏心销B和连杆BC,使动颚板CD往复摆动。当动颚板摆向左方时,它与固定颚板间的空间变大,使矿石落入两颚板间;摆向右方时,矿石在两板之间被压碎。其机构运动简图如图4－1(b)所示,其中A,B,C,D分别为四个铰链。这种用铰链将构件相互连接而成的四杆机构,称为铰链四杆机构(FourBarLinkage)。其中,固定件1称为静件或机架(Frame);和机架相连的两构件2和4统称为连架杆或臂(ideLink)；能作整周转动的连架杆2称为曲柄(Crank);能作往复摆动的连架杆4称为摇杆(Rocker);不与机架直接相连的构件3称为连杆(Connectingbar)。

图

4-1破碎机的破碎机构

1)曲柄摇杆机构在四杆机构的两连架杆中,如果一个为曲柄,另一个为摇杆,则此机构称为曲柄摇杆机构(Crank-rockerMechanism)。曲柄摇杆机构应用相当广泛,图4-2～4－4所示均为曲柄摇杆机构的应用实例。

图

4-2雷达天线调节机构

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4-3搅拌机的搅拌机构

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4-4缝纫机的驱动机构

分析曲柄摇杆机构应注意以下两个特点:

(1)具有急回运动。如图4-5所示,当曲柄AB为主动件并作等速回转时,摇杆CD为从动杆作变速往复摆动。由图可见,曲柄AB在回转一周的过程中,有两次与连杆BC共线,此时摇杆CD分别位于两极限位置C1D和C2D。摇杆两极限位置的夹角φ称为最大摆角。摇杆往返摆过这一角度时,对应着曲柄的转角分别为α1和α2。图中,α1＞α2表明摇杆往复摆动同样角度φ所需的时间不等。这种主动件作匀速运动,从动件往复运动所需的时间不等的性质称为急回运动(QuickReturnMotion)。在生产中,利用机构的急回运动,将慢行程作为工作行程,快行程作为空回行程,可提高生产效率。图

4-5曲柄摇杆机构

(2)存在死点位置。图4-5中，摇杆为主动件,曲柄为从动件,当摇杆CD到达两极限位置C1D和C2D时,连杆和曲柄在一条直线上,此时,主动件通过连杆施加于曲柄的力将通过铰链A的中心,作用力矩等于零。因此,不论力多大,都不能推动曲柄转动,机构处于静止状态。我们称这两个极限位置为死点位置(DeadPointPosition)。对传动来说,机构存在死点是一个缺陷,这个缺陷常利用构件的惯性力加以克服,如缝纫机的驱动机构在运动中就依靠飞轮的惯性通过死点。

2)双曲柄机构当四杆机构的两连架杆都为曲柄时,则该机构称为双曲柄机构(DoubleCrankMechanism),如图4-6所示。在双曲柄机构中,若两曲柄不等长,当主动曲柄等速回转一周时,

从动曲柄变速回转一周,即有急回运动。图4-7所示的惯性筛便属于这种机构。

图

4-6双曲柄机构

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4-7惯性筛机构

在双曲柄机构中,若两曲柄等长,连杆与机架也等长,根据曲柄相对位置的不同,可得到平行双曲柄机构(ParallelDoubleCrankMechanism)(见图4－8(a))和反向双曲柄机构(OppositeDirectionDoubleCrankMechanism)(见图4-8(b))。前者两曲柄的回转方向相同,且角速度相等,而后者两曲柄的回转方向相反,且角速度不等。由于平行双曲柄机构具有等传动比的特点,故在传动机械中应用较广。图4-9所示的移动摄影车的升降机构和图4-10所示的机车车轮是平行四边形机构的应用实例。平行双曲柄机构中当主动曲柄与从动曲柄共线时,有可能变成反向双曲柄机构,为防止这种机构在运动过程中变成反向双曲柄机构,应安装一个辅助曲柄(如图4-10中的杆EF)。图

4-8平行双曲柄机构和反向双曲柄机构

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4-9摄影车升降机构

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4-10机车联动机构

3)双摇杆机构当四杆机构中的两连架杆均为摇杆时,则此机构称为双摇杆机构(DoubleRockerMechanism),如图4-11所示。在双摇杆机构中,两摇杆可以分别作为主动件。当连杆与从动摇杆共线时,机构处于死点位置。图4-12所示的翻台式造型机即采用了双摇杆机构。当摇杆摆动时,翻台处于合模和起模两个工作位置。图4-13所示的港口起重机也采用了双摇杆机构,该机构利用连杆上的特殊点M来实现货物的水平吊运。图4-14所示的飞机起落架利用双摇杆机构控制飞机起飞和着陆时机轮的收起与推出。

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4-11双摇杆机构

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4-12造型机翻台机构

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4-13港口起重机

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4-14飞机起落架机构

4.1.2铰链四杆机构类型的判别铰链四杆机构的三种基本形式的区别与连架杆是否为曲柄有关,而连架杆是否为曲柄与各构件的相对长度和机架的选取有关。在四杆机构中,当最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时,存在以下三种情况:

(1)取与最短杆相邻的杆为机架时,得到曲柄摇杆机构。

(2)取最短杆为机架时,得到双曲柄机构。

(3)取与最短杆相对的杆为机架时,得到双摇杆机构。

表4-1铰链四杆机构的基本形式

4.1.3铰链四杆机构的演化

1.曲柄滑块机构曲柄滑块机构(SliderCrankMechanism)是曲柄摇杆机构的一种演化形式。当图4-5中摇杆CD的长度趋向无穷大时,摇杆就变成了沿直线导轨作往复移动的滑块,成为曲柄滑块机构。图4-15(a)所示为对心曲柄滑块机构(RadialSliderCrankMechanism),图4－15(b)所示为偏置曲柄滑块机构(OffsetSliderCrankMechanism)。曲柄滑块机构中,若曲柄为主动件,可将曲柄的回转运动变成滑块的往复直线运动(如图4-16所示的曲柄压力机);反之,若滑块为主动件,则将滑块的往复直线运动变成曲柄的整周连续转动(如图4-17所示的内燃机)。图

4-15曲柄滑块机构

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4-16压力机中的曲柄滑块机构

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4-17内燃机中的曲柄滑块机构

2.导杆机构

导杆机构是通过改变曲柄滑块机构(见表4-2(a))中的固定构件演化而来的。演化后能在滑块中作相对移动的构件(表4-2中图(b),(c),(d),(e)中的杆1)称为导杆(LeaderGuideRod)。

表4-2机

构

的

演

化

1)转动导杆机构在表4-2图(a)中,若以曲柄2为机架,则与其相邻的杆1和杆3都可作整周转动,该机构称为转动导杆机构(见表4-2图(b))。图4-18所示的小型刨床机构简图中,采用的就是由杆1,2,3,4组成的转动导杆机构。

2)摆动导杆机构在表4-2图(b)中,如果杆2的长度大于杆3的长度，此时杆3可绕铰链B作回转运动，而导杆1只能在小于360°的范围内摆动,则该机构演化成表4-2图(c)所示的摆动导杆机构(OscillatingShaperMechanism)。图4－19为摆动导杆机构在电气开关中的应用,当曲柄BC处于图示位置时,动触点2和静触点1接触,当BC偏离图示位置时,两触点分开。

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4-18转动导杆机构

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4-19电气开关机构

3)曲柄摇块机构在表4-2图(a)中,以杆3为机架,便得到表4-2图(d)所示的曲柄摇块机构。图4-20所示的汽车自动卸料机构用的就是曲柄摇块机构。

图

4-20汽车自动卸料机构

4)直动导杆机构直动导杆机构也称定块机构。在表4-2图(a)中,以滑块4为机架,则导杆1只相对滑块4作往复移动,这便是直动导杆机构(见表4-2图(e))。其中滑块4称为定块。这种机构常用于抽水机和液压机。图4-21所示的抽水唧筒就是移动导杆机构的应用实例。由以上分析可以看出,通过用移动副取代转动副、改变构件的长度、以不同的构件作机架或扩大转动副等方法,均能使铰链四杆机构演化成满足各种运动要求的平面四杆机构。此外,平面四杆机构又是平面多杆机构的基本形式。在实际应用中,常将多个平面四杆机构组合在一起,构成平面多杆机构,以满足各种不同的工作要求。图4-7所示的惯性筛机构便是由构件1,2,3,4组成的双曲柄机构和由构件1,4,5,6组成的曲柄滑块机构组合而成的六杆机构,图4-18也是平面多杆机构的应用实例。

图4-21抽水唧筒4.2凸轮机构

4.2.1凸轮机构的应用和特点凸轮机构(Cams)是一种常用的高副机构,广泛用于各种机械传动和自动控制装置中。下面介绍几个应用实例。图3-1所示的内燃机中的凸轮机构中，当凸轮6以等角速度转动时,其轮廓迫使推杆5上下往复移动,使气阀按预定的时间打开或关闭气门,完成配气动作。

图4-22所示为铸造车间造型机的凸轮机构。当凸轮1按图示方向转动时,由于凸轮向径逐渐变大,凸轮轮廓推动滚子2使工作台3上升;当工作台上升到最高时,凸轮向径的突变使工作台自由落下而产生震动,从而将工作台上砂箱中的砂子震实。图4-23所示为车削手柄的仿形机构示意图。从动杆2的滚子在弹簧作用下始终与凸轮接触,当刀架移动时,凸轮轮廓迫使刀具随凸轮轮廓曲线变化,切出与凸轮轮廓相同的旋转曲面。

图

4-22造型机凸轮机构

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4-23车床仿形机构

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4-24自动送料机构

4.2.2凸轮机构的类型凸轮机构的种类很多,一般分类如下:

1)按凸轮的形状分类按照凸轮形状的不同可分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。

(1)盘形凸轮机构。在这种凸轮机构中,凸轮是一个绕固定轴转动且具有变化向径的盘形零件。它是凸轮中最基本的形式(图3-1中的构件6和图4-22中的构件1)。

(2)移动凸轮机构。当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时,就成为移动凸轮。在移动凸轮机构中,凸轮作往复直线运动(图4-23中的构件1)。

(3)圆柱凸轮机构。在这种凸轮机构中,圆柱凸轮可以看成是将移动凸轮卷在圆柱体上而得到的凸轮。圆柱凸轮机构是一个空间凸轮机构(见图4-24中的构件1)。

2)按从动杆的端部形式分类

(1)尖顶从动杆凸轮机构(KnifeEdgeFollowerCams)。这种凸轮机构的从动杆结构筒单(见图4-25(a)),由于以尖顶和凸轮接触,因此对于较复杂的凸轮轮廓也能准确地获得所需要的运动规律,但容易磨损。它适用于受力不大、低速及要求传动灵敏的场合,如仪表记录仪等。

(2)滚子从动杆凸轮机构(RollerFollowerCams)。这种凸轮机构(见图4-25(b))的从动杆与凸轮表面之间的摩擦阻力小,但结构复杂。一般适用于速度不高、载荷较大的场合,如用于各种自动化生产机械等。

图

4-25从动杆的形式

(3)平底从动杆凸轮机构(FlatFacedFollowerCams)。在这种凸轮机构(见图4-25(c))中,从动杆的底面与凸轮轮廓表面之间容易形成楔形油膜,能减少磨损,故适用于高速传动。但平底从动杆不能用于具有内凹轮廓曲线的凸轮。此外,按从动杆的运动方式,凸轮机构还可分为移动从动杆凸轮机构和摆动从动杆凸轮机构。

4.3螺旋机构

4.3.1普通螺旋机构

1.普通螺旋机构的特点普通螺旋机构广泛应用于各种机械设备和仪器中。其特点是:结构简单,制造方便,能将较小的回转力矩转变成较大的轴向力,能达到较高的传动精度,并且工作平稳,易于自锁。但摩擦损失大,传动效率低,因此一般不用来传递大的功率。螺旋机构中的螺杆常用中碳钢(45,40Mn,T10A,40Cr,9Mn2V,CrWMn)制造,而螺母则需用耐磨性较好的材料(如青铜、

耐磨铸铁等)来制造。

2.螺纹的分类

螺纹按其牙形不同分为矩形(RectangularScrew-thread)、梯形(TrapeziformScrew-thread)、锯齿形(SawToothScrew-thread)和三角形(TriangleScrew-thread)等几种,如图4-26所示。其中,三角形螺纹主要用于联接;其余螺纹主要用于传动。除矩形螺纹外,均已标准化。梯形螺纹牙根强度较高,加工较容易,能够铣削和磨削,而且磨损后可利用剖分式螺母来消除螺纹间隙,因此应用广泛,特别是要求保证精度的传动螺旋和调整螺旋,几乎全用梯形螺纹。锯齿形螺纹一侧用于承载,另一侧用来增加牙根强度,适用于单向受力的起重螺旋和压力螺旋中。矩形螺纹难于精确制造,故应用较少,已被淘汰。

图

4-26螺纹的牙形

如图4-27所示,根据螺旋线旋绕方向的不同,螺纹分为右旋(Dextrorotation)和左旋(Levorotation)两种。一般机械中大多采用右旋螺纹。左旋螺纹用于特殊要求中。根据螺旋线数目的不同,分为单线和多线。螺纹转动一圈,同一螺旋线移动的轴向距离称为导程。

图

4-27螺纹的旋向、线数和导程

3.普通螺旋机构的形式

普通螺旋机构有单螺旋机构、双螺旋机构两种形式。

1)单螺旋机构单螺旋机构是由单一螺旋副组成,它有以下四种形式:

(1)螺母不动,螺杆转动并作直线运动,如台式虎钳、千分尺等。图4-28所示为台式虎钳。

(2)螺杆不动,螺母转动并作直线运动,如千斤顶、插齿机刀架、龙门刨床垂直刀架的水平移动等。图4-29所示的为螺旋千斤顶。

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4-28台式虎钳

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4-29螺旋千斤顶

(3)螺母转动,螺杆直线运动。图4-30所示为应力实验机上的观察镜螺旋调整装置,游标卡尺中的微量调节装置也属于这种形式的单螺旋机构。

(4)螺杆转动,螺母作直线运动。如车床滑板的横向进给机构、摇臂钻床中摇臂的升降机构、牛头刨床工作台的升降机构等。图4-31所示为机床手摇进给机构。

图

4-30应力实验机观察镜调整机构

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4-31机床手摇进给机构

在单螺旋机构中,螺杆与螺母间相对移动的距离s可按下式计算:s=Phz=nPz

其中,s为移动距离(mm);n为线数,通常n=1～4;P为螺距(mm),即相邻两牙对应点之间的轴向距离;z为螺杆或螺母转过的圈数；Ph为导程(mm)。

2)双螺旋机构图4-32所示为双螺旋机构,螺杆3上有两段导程分别为Ph1

和Ph2的螺纹,分别与螺母1,2组成两个螺旋副。按两螺旋副的旋向是否相同,双螺旋机构分为差动螺旋机构和复式螺旋机构两种。图

4-32双螺旋机构

(1)差动螺旋机构。图4-32所示的双螺旋机构中，若两螺旋副旋向相同,便构成差动螺旋机构。图4-32中,当螺杆3转动时,一方面相对螺母2移动,同时又使不能转动的螺母1相对螺杆3移动。螺母1相对螺母2(机架)移动的距离L为两螺旋副移动量之差。即

s=（Ph1－Ph2）z

当Ph1和Ph2相差很小时,则移动量可以很小。该机构的优点是:在螺纹的导程不太小的情况下,可获得极小的位移。因此,差动螺旋常应用于测微器、计算机、分度机,以及许多精密切削机床、仪器和工具中。图4-33为镗刀微调螺旋机构,两螺旋副均为右旋,导程Ph1=1.25mm,Ph2=1mm,当螺杆转动一周,镗刀仅移动0.25mm,故可实现进刀量的微量调节。图

4-33镗刀微调机构

(2)复式螺旋机构。图4-32所示的双螺旋机构中，若两螺旋副旋向相反,便构成复式螺旋机构。复式螺旋机构中可动螺母1相对机架移动的距离s可按下式计算:s=（Ph1＋Ph2）z

因为复式螺旋机构的移动距离s与两螺母导程的和(Ph1＋Ph2)成正比,可用于实现快速调整两构件相对位置的场合。当Ph1＝Ph2时,可使两构件等速趋近或远离。图4-34为用于车辆连接的复式螺旋机构。它可使车钩快速靠近或离开。图

4-34车辆连接机构

4.3.2滚珠螺旋机构滚珠螺旋机构主要由螺母、丝杠、滚珠和滚珠循环装置组成。如图4-35所示,在螺母和丝杠上分别加工有半圆形的螺旋槽,并将螺母上螺旋槽的进、出口用导路连通,二者对合起来形成一条圆形截面的封闭螺旋滚道。在螺旋滚道之间装入许多滚珠,当丝杠与螺母之间产生相对转动时,滚珠沿螺旋滚道滚动,并通过导路构成封闭循环。螺旋副中的摩擦为滚动摩擦,故称滚动螺旋机构。

图

4-35滚珠螺旋机构

4.4间歇运动机构

4.4.1棘轮机构棘轮机构(RatchetMechanisms)如图4-36所示,主要由棘轮1、棘爪2与机架组成。当摇杆O1A向左摆动时,装在摇杆上的棘爪2插入棘轮1的齿间,推动棘轮逆时针方向转动。当摇杆O1A向右摇动时,棘爪在齿背上滑过,棘轮静止不动。故棘轮机构的特点是:将摇杆的往复摆动转换为棘轮的单向间歇转动。止退棘爪3的作用是防止棘轮1反转。图

4-36棘轮机构

图4-36中,棘轮转过的角度可通过螺杆4调节。转动螺杆4通过调整螺母5的位置而改变曲柄O2B的长度,从而改变摇杆摆动的角度,使棘轮1转过的角度也随之相应变化。图4-37所示为另一种调节棘轮转角的方法,棘轮1装在罩盖3内,仅露出一部分齿,转动罩盖3,则不用改变摇杆摆角φ,就能使棘轮的转角由α1(见图4-37(a))变成α2(见图4-37(b))。棘轮机构的棘爪与棘轮的齿开始接触的瞬间会发生冲击,在工作过程中有噪声,一般用于主动件速度不大、从动件行程需要改变的场合,如各种机床和自动机械的进给机构、进料机构以及自动计数器等。图

4-37棘轮转角的调节

4.4.2槽轮机构槽轮机构(TroughWheelMechanisms)如图4-38所示,它由槽轮、拨盘与机架组成。当拨盘2转动时,其上的圆销3进入槽轮1相应的槽内,使槽轮转动。当拨盘转过φ角时,槽轮转过α角(见图4-38(b)),圆销3便离开槽轮。当拨盘继续转动,槽轮上的凹弧abc与拨盘的凸弧def相接触,使槽轮不能转动。等到拨盘的圆销3再次进入槽轮的另一槽内时,槽轮又开始转动。这样就将主动