《机械基础 》课件第3章

第3章机械传动概述3.1机械的分类与组成

3.2机构运动简图

3.3机械传动的特性与参数

3.4机械传动的组成与任务

复习思考题

3.1机械的分类与组成3.1.1机械的分类机械是现代社会进行生产和服务的五大要素(即人、资金、能量、材料和机械)之一,而且能量和材料的生产也离不开机械。它分为以下三大类:

(1)动力机械。动力机械是指将已有的机械能或非机械能转换成便于利用的机械能的设备,如电动机、风力机、水轮机、内燃机、汽轮机、液压马达、气压马达等。

(2)能量转换机械。能量转换机械是指将机械能转换为某种非机械能的设备,如发电机、液压泵、空气压缩机等。

(3)工作机械。工作机械是指利用人、畜或动力机械所提供的机械能来完成一定工作的设备,如日常生活中所见的缝纫机,交通运输中的汽车,各工业部门中使用的纺织机、轧钢机、起重机以及生产机器的工作母机——各种机床等。

3.1.2机械的组成机械又是各种机器与机构的统称。各种机械共同的特征是:

(1)它们是由人类制造的多构件组合体。

(2)各构件间具有确定的相对运动,并传递力或力矩。

(3)能够实现机械能的利用(如金属切削机床的切削加工)或能量的转换(如内燃机把热能转换成机械能)。

满足机械前两个特征的称为机构(Mechanism)。

三个特征都满足的称为机器(Machine)。

图3-1所示的单缸内燃机是由气缸体1、活塞2、进气阀3、排气阀4、推杆5、凸轮6、连杆7、曲轴8、大齿轮9和小齿轮10等构件组成的。单缸内燃机的运动过程是:活塞在其上部燃气的热能作用下作上下往复移动,通过连杆转变为曲轴的连续转动,又通过固连在曲轴上的小齿轮和凸轮轴上的大齿轮啮合,使推杆打开或关闭进气阀和排气阀。为了保证曲轴每转两周进、排气阀各开闭一次,两齿轮的齿数比应为1∶2。这样,当燃气推动活塞运动时,进、排气阀有规律地开闭,把燃气的热能转换为曲轴转动的机械能。

图3-1单缸内燃机该机器采用了实现运动形式转换和力或力矩传递的三个机构。即由曲轴、连杆、活塞和气缸体所组成的将活塞的往复移动变成曲轴连续转动的曲柄滑块机构;由大、小齿轮和气缸体所组成的可以改变轴的转速大小和方向的齿轮机构;由凸轮、推杆和气缸体所组成的将凸轮的连续转动变为推杆有规律的往复运动的凸轮机构。机械按其功能由以下四个部分组成。

(1)动力部分。动力部分用于驱动整部机器以完成预定功能的动力源。常见的动力设备有电动机和热力机(如内燃机、气轮机)。常见的金属切削机床大都使用Y系列三相异步电动机。机器依靠这些动力装置驱动来做功。

(2)工作部分。工作部分是直接完成机器预定功能、进行生产的部分，是综合体现一台机器的用途、性能的部分,也是机器设备分类的主要依据。有不少机器其原动机和传动部分大致相同,但由于工作部分不同,而构成了用途、性能不同的机器。如汽车、拖拉机、推土机等,其原动机均为内燃机,而且传动部分大同小异,但由于工作部分不同就形成了不同类的机器。

(3)传动部分。由于动力部分的功率和转速变化范围有限,而不同的机器有不同的运动形式和动力参数,为了适应机器工作部分的要求,在动力部分和工作部分之间的中间设置传动部分。传动部分能将动力部分的运动形式、运动和动力参数转变为工作部分所需的运动和动力参数,并能将原动机的动力分配给多个执行机构。

(4)控制部分。控制部分是为了提高产品质量、产量、减轻人们的劳动强度、节省人力、物力等而设置的控制系统。控制系统由控制器和被控制对象组成。不同的控制器组成的系统不一样,如由手动操纵进行控制的手动控制系统,由机械装置作为控制器的机械控制系统,由气压、液压作为控制器的气动、液压控制系统,由电气装置或计算机作为控制器的电气或计算机控制系统。

随着科学技术的快速发展,计算机控制系统已广泛应用于工业生产中。

从制造的角度来看,任何机器都是由许多零件组成的,零件(Part)是指机器中不可再拆的最基本的制造单元,如齿轮、螺钉等。机械中的零件通常分为两类:一类是通用零件,它们在各种类型的机械中都可能用到,如螺栓、螺母、轴、轴承、齿轮、弹簧等;另一类是专用零件,只用于某些类型的机械中,如电动机中的转子、叠片、笼条,内燃机、蒸汽机中的曲轴、活塞等。从运动的角度来看,机器由具有确定的相对运动的构件组成。构件可以是一个零件,也可以是由多个零件刚性地连接在一起的一个整体。图3-1中的连杆就是由连杆体、连杆头、螺栓和螺母等零件刚性连接而成的一个构件(见图3-2)。图

3-2连杆

3.2机构运动简图

3.2.1运动副及其分类

1.低副两构件通过面接触组成的运动副称为低副(LowerPair)。根据两构件间的相对运动是转动或移动,又分为转动副和移动副。

1)转动副组成运动副的两构件只能绕同一轴线作相对转动时称为转动副(TurningPair)或铰链(Hinge)。组成铰链的两构件中有一个固定的称为固定铰链(FixedHinge);两个构件都不固定的称为活动铰链。如图3-3(a)所示的轴承内圈与轴、轴承外圈与机架的转动副,图3-1中曲轴与气缸体的转动副都是固定铰链。图3-3(b)中的构件1′和构件2′及图3-1中活塞与连杆、连杆与曲轴组成的转动副是活动铰链。

图

3-3转动副

2)移动副组成运动副的两构件只能沿某一直线相对移动时称为移动副(SlidingPair)。图3-4中构件1与构件2组成的是移动副。

图3-1中活塞与气缸体的联接也是移动副。

图

3-4移动副

2.高副两构件通过点接触或线接触组成的运动副称为高副(HigherPair)。图3-5(a)中的车轮与钢轨,图3-5(b)中的凸轮与推杆,图3-5(c)中的齿轮1与齿轮2在接触点A处组成的运动副都是高副。它们的相对运动是绕接触点A的转动和沿接触点公切线t-t方向的移动。图

3-5高副

3.2.2构件的分类

1)固定件(机架)固定件(机架)(Frame)是用来支承活动构件的构件,图3-1中的气缸体1就是固定件,它用以支承活塞2和曲轴8等构件。研究机构中活动构件的运动时,常以固定件作为参考坐标。在任何一个机构中,必有一个构件被当作相对固定的构件。例如,汽车发动机的机体(气缸体)虽然随着汽车运动,但在研究发动机中各构件的运动时,仍将机体当作固定件。

2)原动件原动件(DrivingMember)是运动规律已知的活动构件,其运动由外界给定。在一个机构中,必须有一个或至少有一个原动件。图3-1中的活塞2就是原动件。

3)从动件从动件(DrivenMember)是机构中随着原动件的运动而运动的其余构件,图3-1中的连杆7、曲轴8等都是从动件。从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构的组成。

3.2.3运动副及构件的表示方法在机构运动简图中,运动副常用一些简单的线条和符号表示,具体表示方法如图3-6所示。

图

3-6运动副的表示方法

图3-6(a)、(b)是两构件组成低副的表示方法,如果两构件之一为机架,则应将代表机架的构件画上斜线表示。两构件组成高副时,在简图中应画出两构件接触处的轮廓曲线,如图3－6(c)所示。实际构件的外形和结构可以是各式各样的。在分析机构运动时,为了使问题简化,将构件的形状简化成杆状。例如,图3-7(a)中的构件3与滑块2组成移动副,构件3的外形和结构与运动无关,因此可用图3-7(b)所示简单线条来表示。图3-8(a)所示为偏心轮机构中的偏心轮2和连杆3,它们的外形和结构与运动无关,与运动有关的只是A与B及B与C间的距离,因此构件2,3可以用图3-8(b)所示的线条表示。

图

3-7构件的简化示例

图

3-8偏心轮机构

图

3-9两副构件的表示方法

图

3-10三副构件的表示方法

3.2.4机构运动简图的画法在绘制机构运动简图时,首先对机构进行运动分析,确定原动件和工作部分,根据运动传递路线,找出传动部分,从而搞清楚机构的组成构件数目及各构件间运动副的类型,最后选择视图平面,并按一定的比例画出机构运动简图。机构运动简图的绘制方法和一般步骤见例3-1。例如，

绘制图3-1所示内燃机的机构运动简图。

解

(1)分析机构的运动,判别构件的类型。如前分析,内燃机由曲柄滑块机构、凸轮机构和齿轮机构组成。在燃气的压力作用下,活塞2首先运动,并经曲柄滑块机构最终由曲轴8输出。为了使进、排气阀有规律地启闭,从曲轴8开始,由固联于该轴上的小齿轮10与固联于凸轮轴上的大齿轮9啮合带动凸轮轴转动,两个凸轮再分别推动推杆5,控制进气阀3和排气阀4的启闭。可见,机器中有:活塞、连杆、曲轴(含小齿轮)、大齿轮(含凸轮轴)、推杆、气缸体等6个构件。其中活塞2是机器的原动件,曲轴8是工作部分,其余构件为从动件。

图

3-11内燃机机构运动简图

(2)运动副的类型和数目。机器中由活塞与连杆、连杆与曲轴、曲轴与机架、凸轮轴与机架组成4个转动副;活塞与气缸体、推杆与机架组成2个移动副;大小两个齿轮和凸轮与推杆组成2个高副。

(3)选择视图平面。为了能清楚地反映各构件间的相对运动关系,通常选择机构中多数构件的运动平面作为视图平面。

据此选择曲轴、齿轮的回转平面为视图平面。

(4)确定比例尺,绘制机构运动简图。比例尺应根据实际机构和图幅大小适当选取。比例尺大小确定后,就用规定的构件和运动副符号绘制机构运动简图,如图3-11所示。

3.3机械传动的特性与参数

3.3.1转速、速比及变速范围当机械传动传递回转运动时(如一对齿轮传动),主动轮的转速n1与从动轮的转速n2之比称为该传动的速比(SpeedRatio),用i(或i12)表示,即式中,n1为主动轮转速,单位为r／min;n2为从动轮转速,单位为r／min。在速比可调的机械传动中,当输入轴转速nr一定时,经调速后能够输出的最高转速nomax与最低转速nomin之比称为变速范围,用Rb表示,即(3-2)

式中,nomax、nomin分别为调速后能输出的最高和最低转速,单位为r／min。

3.3.2功率与转矩图3-12为卷扬机传动系统简图。卷筒直径为D(mm),起升质量为m(kg),钢丝绳的牵引力F=mg(N),卷筒轴上的驱动转矩T(Nm)为(3-3)设卷筒的工作转速为n(r／min),以速度v(m／s)起升重物,略去摩擦阻力不计,起升载荷所需的驱动功率P(kW)为(3-4)式中,。代入式(3-4)得

(3-5)解得驱动转矩的表达式为

(3-6)

图3-12卷扬机传动系统简图3.3.3机械效率机器工作时,由于摩擦阻力消耗一部分功率,使输入功率不能完全得到利用。为了度量机器输入功率被利用的程度,必须引入机械效率的概念。机械效率(MechanicalEfficiency)用η表示,如机器的输入功率Pi,输出功率为Po,则由于输入功率总是大于输出功率(因为有一部分输入功率要消耗于摩擦),因此机械效率η

总是小于1。机械效率的大小是衡量机器性能的一个很重要的指标。在机械传动中,通过实验测定,一般常见机构和轴承的机械效率为:一对齿轮传动η=0.92～0.985(包括轴承损失)平带传动η=0.92～0.98(包括轴承损失)

V带传动η=0.90～0.94(包括轴承损失)一对滚动轴承η=0.99一对滑动轴承η=0.94～0.98滑动丝杠η=0.30～0.60当机械传动系统由多级传动机构串接而成时,该传动系统的总效率等于各级传动机构效率的连乘积,即

(3-7)式中,η1,η2,η3分别为第一级、第二级、第三级传动的机械效率。3.4机械传动的组成与任务

3.4.1机械传动的组成由机器的组成可知,传动部分是机器的组成部分之一。常用的传动方式有机械传动、电动传动、液压传动和气压传动,其中以机械传动应用最广。机械传动通常是由各种机构(如连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、间歇运动机构等)、传动装置(如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等)以及各种零件(如轴、螺栓、螺母、

弹簧等)及各种部件(如轴承、联轴器、离合器、制动器等)有机组合而成的。

3.4.2机械传动的分类根据传动原理的不同,机械传动可分为摩擦传动和啮合传动两类。其中摩擦传动有带传动、摩擦轮传动、绳传动;啮合传动有齿轮传动、蜗杆传动、链传动、螺旋传动等。根据传动的速比能