《机械设计基础》-项目4

知识点１凸轮机构１.凸轮机构的组成凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构，如图４－２所示。凸轮是一个具有曲线轮廓或槽的构件，主动件凸轮通常作等速转动或移动，凸轮机构是通过高副接触使从动件得到所预期的运动规律。２.凸轮机构的应用凸轮机构能将主动件的连续等速运动变为从动件的往复变速运动或间歇运动，其在自动机械、半自动机械中的应用非常广泛。凸轮机构是机械中的一种常用机构。图４－３所示为内燃机配气凸轮机构。凸轮１以等角速度回转时，它的轮廓驱动从动件２（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。下一页返回知识点１凸轮机构图４－４所示为绕线机中用于排线的凸轮机构。当绕线轴３快速转动时，绕线轴上的齿轮带动凸轮１缓慢地转动，通过凸轮轮廓与尖顶Ａ之间的作用，驱使从动件２往复摇动，因而使线均匀地绕在绕线轴上。凸轮机构的优点是只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，并且结构简单、紧凑、设计方便。它的缺点是凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，所以，通常多用于传力不大的控制机构。上一页下一页返回知识点１凸轮机构３.凸轮机构的分类１）按凸轮的形状分类（１）盘形凸轮。它是凸轮的最基本型式。这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化半径的盘形零件。如图４－３和４－４所示。（２）圆柱凸轮。将移动凸轮卷成圆柱体即成为圆柱凸轮。（３）移动凸轮。当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。２）按从动件的形状分类（见表４－１纵排）（１）尖端从动件。这种从动件结构最简单，尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，以实现从动件的任意运动规律。但因尖顶易磨损，仅适用于作用力很小的低速凸轮机构。上一页下一页返回知识点１凸轮机构（２）滚子从动件。从动件的一端装有可自由转动的滚子，滚子与凸轮之间发生滚动摩擦，磨损小，可以承受较大的载荷，因此，应用最普遍。（３）平底从动件。从动件的一端为一平面，直接与凸轮轮廓相接触。若不考虑摩擦，凸轮对从动件的作用力始终垂直于端平面，传动效率高，且接触面间容易形成油膜，利于润滑，故常用于高速凸轮机构。它的缺点是不能用于凸轮轮廓有凹曲线的凸轮机构中。（４）曲面从动件。这是尖端从动件的改进形式，较尖端从动件不易磨损。上一页下一页返回知识点１凸轮机构３）按从动件的运动形式分类（见表４－１横排）（１）对心移动从动件。从动件相对机架作往复直线运动。（２）偏移放置从动件。即不对心放置的移动从动件，相对机架作往复直线运动。（３）摆动从动件。从动件相对机架作往复摆动。为了使凸轮与从动件始终保持接触，可以利用重力、弹簧力或依靠凸轮上的凹槽来实现。上一页返回知识点２从动件的常用运动规律从动件的运动规律是指从动件的位移ｓ、速度ｖ和加速度ａ随时间ｔ变化的规律。当凸轮作匀速转动时，其转角δ与时间ｔ成正比（即δ＝ωｔ），所以从动件运动规律也可以用从动件的运动参数随凸轮转角的变化规律来表示，即ｓ＝ｓ（δ），ｖ＝ｖ（δ），ａ＝ａ（δ）。通常用从动件运动线图直观地表述这些关系。现以对心移动尖顶从动件盘形凸轮机构为例，说明凸轮与从动件的运动关系，如图４－５（ａ）所示。（１）基圆。以凸轮轮廓曲线的最小向径ｒｍｉｎ为半径所作的圆，称为凸轮的基圆，ｒｍｉｎ称为基圆半径。点Ａ为凸轮轮廓曲线的起始点。下一页返回知识点２从动件的常用运动规律（２）推程和推程运动角。当凸轮与从动件在Ａ点接触时，从动件处于最低位置（即从动件处于距凸轮轴心Ｏ最近的位置）。当凸轮以匀角速ω１逆时针转动δｔ时，凸轮轮廓ＡＢ段的向径逐渐增加，推动从动件以一定的运动规律到达最高位置Ｂ′（此时从动件处于距凸轮轴心Ｏ最远的位置），这个过程称为推这时从动件移动的距离ｈ称为升程∙∙，对应的凸轮转角δｔ称为推程运动。（３）远停程和远休止角。当凸轮继续转动δｓ时，凸轮轮廓ＢＣ段向径不变，此时从动件处于最远位置停留不动，这个过程称为远停程。对应的凸轮转角δｓ称为远休止角。上一页下一页返回知识点２从动件的常用运动规律（４）回程和回程运动角。当凸轮继续转动δｈ时，凸轮轮廓ＣＤ段的向径逐渐减小，从动件在重力或弹簧力的作用下，以一定的运动规律回到起始位置，这个过程称为回程∙∙。对应的凸轮转角δｈ称为回程运动角。（５）近停程和近休止角。当凸轮继续转动δ′ｓ时，凸轮轮廓ＤＡ段的向径不变，此时从动件在最近位置停留不动，这个过程称为近停程，对应的凸轮转角δ′ｓ称为近休止角。当凸轮再继续转动时，从动件重复上述运动循环。如果以直角坐标系的纵坐标代表从动件的位移ｓ２，横坐标代表凸轮的转角δ，则可以画出从动件位移ｓ２与凸轮转角δ之间的关系线图，如图４－５（ｂ）所示，它简称为从动件位移曲线。上一页返回知识点３设计凸轮机构根据工作条件的要求，确定凸轮机构的形式、凸轮转向、凸轮的基圆半径和从动件的运动规律后，就可以进行凸轮轮廓曲线的设计。凸轮轮廓曲线的设计有图解法∙∙∙和解析法∙∙∙。传统设计采用图解法。凸轮机构工作时，通常凸轮是运动的。用图解法绘制凸轮轮廓曲线时，却需要凸轮与图面相对静止。为此，应用“反转法”，其原理如下：图４－１０所示为一对心移动尖顶从动件盘形凸轮机构。设凸轮的轮廓曲线已按预定的从动件运动规律设计。当凸轮以角速度ω１绕轴Ｏ转动时，从动件的尖顶沿凸轮轮廓曲线相对其导路按预定的运动规律移动。现设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度－ω１，此时凸轮将不动。下一页返回知识点３设计凸轮机构根据相对运动原理，凸轮和从动件之间的相对运动并未改变。这样从动件一方面随导路以角速度－ω１绕轴Ｏ转动，另一方面又在导路中按预定的规律作往复移动。由于从动件尖顶始终与凸轮轮廓相接触，显然，从动件在这种复合运动中，其尖顶的运动轨迹即是凸轮轮廓曲线。这种以凸轮作为动参考系，按相对运动原理设计凸轮轮廓曲线的方法称为反转法∙∙∙。上一页返回知识点４棘轮机构１.棘轮机构的组成和工作原理如图４－１８所示，棘轮机构主要由棘轮、主动棘爪、止回棘爪和机架组成。当主动摆杆逆时针摆动时，摆杆上铰接的主动棘爪插入棘轮的齿内，推动棘轮同向转动一定角度。当主动摆杆顺时针摆动时，止回棘爪阻止棘轮反向转动，此时主动棘爪在棘轮的齿背上滑回原位，棘轮静止不动。此机构将主动件的往复摆动转换为从动棘轮的单向间歇转动。利用弹簧使棘爪紧压齿面，保证止回棘爪工作可靠。下一页返回知识点４棘轮机构２.棘轮机构的类型和特点１）按结构分类（１）齿式棘轮机构。如图４－１８所示，齿式棘轮机构的结构简单，运动可靠；主、从动关系可互换，动程可在较大范围内调节，动、停时间比可通过选择合适的驱动机构实现。但是由于动程只能是有级调节，且有噪声、冲击、磨损，所以不适用于高速场合。（２）摩擦式棘轮机构。如图４－１９所示的摩擦式棘轮机构传动平稳、无噪声，传递扭矩较大，动程可无级调节。由于靠摩擦力传动，会出现打滑现象，一方面可起到过载保护，另一方面也使传动精度降低。适用于低速轻载的场合。上一页下一页返回知识点４棘轮机构２）按啮合方式分类（１）外啮合式。外啮合式棘轮机构的棘爪或楔块安装在棘轮的外部，如图４－１８和图４－１９所示。它的应用较广，其缺点是占用空间较大。（２）内啮合式。内啮合式棘轮机构的棘爪或楔块安装在棘轮的内部，如图４－２０所示。其特点为结构紧凑，外形尺寸小。３）按运动形式分类（１）单向间歇转动。间歇机构的从动件只做单向间歇转动，如图４－１８所示。（２）单向间歇移动。当棘轮半径为无穷大时，棘轮就成了棘齿条，主动件往复摆动时，棘爪推动棘齿条做单向间歇移动，如图４－２１所示。上一页下一页返回知识点４棘轮机构（３）双动式棘轮机构。如图４－２２所示，在主动摆杆上安装两个主动棘爪，在其向两个方向往复摆动的过程中分别带动两棘爪，依次推动棘轮转动，称此棘轮机构为双动式棘轮机构。单动式棘轮机构是当主动件向某一方向运动时，才能使棘轮转动的棘轮机构。双动式棘轮机构与单动式棘轮机构相比，结构紧凑，承载较大。（４）双向式棘轮机构。可以实现棘轮两个方向的间歇运动称为双向式棘轮机构。其工作原理是变换棘爪相对棘轮的位置，实现棘轮的变向，如图４－２３所示。４）棘轮机构的使用特点（１）棘轮机构结构简单，容易制造，常用作防止转动件反转的附加保险机构。上一页下一页返回知识点４棘轮机构（２）棘轮的转角和动、停时间比可调，常用于机构工况经常改变的场合。由于棘轮是在动棘爪的突然撞击下启动的，在接触瞬间，理论上是刚性冲击。所以棘轮机构只能用于低速的间歇运动场合。３.棘轮机构的功能棘轮机构种类繁多，运动形式多样，在工程实际中得到了广泛的应用。其主要功能如下：１）间歇送进如图４－２４所示，在牛头刨床中通过棘轮机构实现工作台横向间歇送进功能。为了实现工作台的双向间歇送进，由齿轮机构、曲柄摇杆机构和双向式棘轮机构组成了工作台换向进给机构。上一页下一页返回知识点４棘轮机构２）制动如图４－２５所示，卷扬机制动机构中卷筒、棘轮和大皮带轮（被遮住）为一体，杆１和杆２调整好角度后紧固为一体，杆１端部与皮带导板铰接。当皮带突然断裂时，皮带导板失去支撑而下摆，使杆２端齿与棘轮啮合，阻止卷筒逆转，起到制动作用。３）转位、分度如图４－２６所示，手枪盘分度机构中滑块沿导轨向上运动时，棘爪１使棘轮转过一个齿距，并使与棘轮固结的手枪盘转过一个角度，此时挡销上升使棘爪２在弹簧的作用下进入盘的槽中，使手枪盘静止并防止反向转动。上一页下一页返回知识点４棘轮机构当滑块向下运动时，棘爪１从棘轮的齿背上滑过，在弹簧力的作用下进入下一个齿槽，同时挡销使棘爪克服弹簧力绕轴逆时针转动，手枪盘解脱止动状态。４）超越离合如图４－２７所示，在钻床中以摩擦式棘轮机构作为传动中的超越离合器，实现自动进给和快、慢速进给功能。由主动蜗杆带动蜗轮，通过外环使从动轮和轴与之同向同速转动，实现自动进给；当快速转动手柄时，直接通过轮使轴作超越运动，实现快速进给。上一页返回知识点５槽轮机构１.槽轮机构的组成和工作原理槽轮机构由具有圆柱销的主动销轮、具有直槽的从动槽轮及机架组成，如图４－２８所示。从动槽轮实际上是由多个径向导槽所组成的构件，各个导槽依次间歇地工作。由主动销轮利用圆柱销带动从动槽轮转动，完成间歇转动。主动销轮顺时针作等速连续转动，当圆柱销未进入径向槽时，槽轮因内凹的锁止弧被销轮外凸的锁止弧锁住而静止；圆柱销进入径向槽时，两弧脱开，槽轮在圆柱销的驱动下转动；当圆柱销再次脱离径向槽时，槽轮另一圆弧又被锁住，从而实现了槽轮的单向间歇运动。２.槽轮机构的类型槽轮机构主要分为传递平行轴运动的平面槽轮机构和传递相交轴运动的空间槽轮机构两大类。下一页返回知识点５槽轮机构１）平面槽轮机构平面槽轮机构又分为外槽轮机构和内槽轮机构。（１）外槽轮机构。外槽轮机构中的槽轮径向槽的开口是自圆心向外的，主动构件与从动槽轮转向相反，如图４－２８所示。（２）内槽轮机构。内槽轮机构中的槽轮径向槽的开口是向着圆心的，主动构件与从动槽轮转向相同，如图４－２９所示。上述两种槽轮机构都用于传递平行轴运动。与外槽轮机构相比，内槽轮机构传动较平稳，停歇时间较短，所占空间小。上一页下一页返回知识点５槽轮机构２）空间槽轮机构球面槽轮机构是一种典型的空间槽轮机构，是用于传递两垂直相交轴的间歇运动机构。其从动槽轮是半球形，主动构件的轴线与销的轴线都通过球心。当主动构件连续转动时，球面槽轮得到间歇运动。空间槽轮机构结构比较复杂，设计和制造难度较大，如图４－３０所示。３.槽轮机构的特点和应用１）槽轮机构的特点槽轮机构能准确控制转角、工作可靠、机械效率高，与棘轮机构相比，工作平稳性较好，但其槽轮机构动程不可调节，转角不可太小，销轮和槽轮的主、从动关系不能互换，起、停有冲击。上一页下一页返回知识点５槽轮机构槽轮机构的结构要比棘轮机构复杂，加工精度要求较高，因此制造成本高。２）槽轮机构的应用槽轮机构一般应用于转速不高和要求间歇转动的机械当中，如自动机械、轻工机械或仪器仪表等。如图４－３１所示为槽轮机构用于电影放映机中作为送片机构。上一页返回知识点６凸轮式间歇运动机构１.凸轮式间歇运动机构的工作原理及类型凸轮式间歇运动机构由主动凸轮、从动转盘和机架组成，以主动凸轮带动从动转盘完成间歇运动。一般有两种形式：圆柱凸轮间歇运动机构和蜗杆凸轮间歇运动机构。１）圆柱凸轮间歇运动机构在圆柱凸轮间歇运动机构中，主动凸轮的圆柱面上有一条两端开口、不闭合的曲线沟槽。当凸轮连续地转动时，通过圆柱销带动从动转盘实现间歇转动，如图４－３２所示。２）蜗杆凸轮间歇运动机构在蜗杆凸轮间歇运动机构中，主动凸轮上有一条突脊就像蜗杆，从动转盘的圆柱面上均匀分布有圆柱销就像蜗轮的齿。下一页返回知识点６凸轮式间歇运动机构当蜗杆凸轮转动时，将通过转盘上的圆柱销推动从动转盘作间歇运动，如图４－３３所示。２.凸轮式间歇运动机构的特点和应用１）凸轮式间歇运动机构的特点前面介绍的棘轮机构和槽轮机构，由于它们的结构、运动和动力条件的限制，一般只能用于低速场合；而凸轮式间歇运动机构则可以通过适当选择从动件的运动规律和合理设计凸轮的轮廓曲线，来减小动载荷和避免刚性与柔性冲击。其适用于高速运转的场合。凸轮式间歇运动机构运转可靠、转位精确、无需专门的定位装置，但凸轮式间歇运动机构精度要求较高、加工比较复杂、安装调整比较困难。上一页下一页返回知识点６凸轮式间歇运动机构２）凸轮式间歇运动机构的应用凸轮式间歇运动机构在轻工机械、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，如糖果包装机，灯泡封气机等。上一页返回知识点７不完全齿轮机构１.不完全齿轮机构的组成和工作原理不完全齿轮机构由主动轮、从动轮和机架组成。实际上不完全齿轮机构是由普通齿轮机构转化而成的一种间歇运动机构。它与普通齿轮的不同之处是轮齿不布满整个圆周。不完全齿轮机构的主动轮上只有一个或几个轮齿，并根据运动时间与停歇时间的要求，在从动轮上有与主动轮轮齿相啮合的齿间。两轮轮缘上各有锁止弧，在从动轮停歇期间，用来防止从动轮游动，并起到定位作用，如图４－３４所示。２.不完全齿轮机构的类型不完全齿轮机构的类型有：外啮合式、内啮合式和不完全齿轮齿条机构。下一页返回知识点７不完全齿轮机构１）外啮合式外啮合式不完全齿轮机构两轮转向相反，如图４－３４所示。２）内啮合式内啮合式不完全齿轮机构两轮转向相同，如图４－３５所示。３）不完全齿轮齿条机构