《机械设计基础1》-第5章

5.1棘轮机构一、棘轮机构的基本形式和工作原理棘轮机构是机械中常见的一种间歇运动机构。图5-1所示为一种基本形式的棘轮机构。它主要由摇杆1、棘爪2和外棘轮3所组成。摇杆为运动输入构件,棘轮为运动输出构件。当摇杆顺时针摆动时,铰接在杆上的棘爪插入棘轮的齿内,使棘轮同时转过一定角度。当摇杆逆时针摆动时,棘爪在棘轮的齿上滑过,棘轮静止不动。这样,当摇杆作连续的往复摆动时,棘轮便得到单向的间歇转动。下一页返回5.1棘轮机构

另外两种棘轮机构如图5-2所示,其中:图5-2(a)中的棘轮为内棘轮(相应的图5-1中的棘轮为外棘轮);当图5-1中的棘轮半径无限大时,棘轮就变为棘条,如图5-2(b)所示,此时摇杆的连续往复摆动变为棘条的单向间歇移动。图5-3为摩擦式棘轮机构,它的工作原理与轮齿式棘轮机构相同,只不过用偏心扇形块代替棘爪,用摩擦轮代替棘轮。当杆1逆时针方向摆动时,扇形块2楔紧摩擦轮3成为一体,使摩擦轮3也一同逆时针方向转动,这时止回扇形块4打滑;当杆1顺时针方向转动时,扇形块2在摩擦轮3上打滑,这时止回扇形块4楔紧,以防止摩擦轮3倒转。这样,当杆1作连续反复摆动时,摩擦轮3便得到单向的间歇运动。上一页下一页返回5.1棘轮机构

常用的摩擦式棘轮机构如图5-4所示,当构件1顺时针方向转动时,由于摩擦力的作用使滚子2楔紧在构件1、3的狭隙处,从而带动构件3一起转动;当构件1逆时针方向转动时,滚子松开,构件3静止不动。二、棘轮机构的特点与应用轮齿式棘轮机构运动可靠,从动棘轮的转角容易实现有级的调节,但在工作过程中有噪声和冲击,棘齿易磨损,在高速工作时尤其严重,所以常用在低速、轻载条件下的间歇运动。例如在图5-5所示的牛头刨床工作台的横向进给机构中,运动由一对齿轮传到曲柄1,再经连杆2带动摇杆3作往复摆动;摇杆3上装有棘爪,推动棘轮4作单向间歇转动;由于棘轮与螺杆固连,从而使螺母5(工作台)作进给运动。若改变曲柄的长度,就可以改变棘爪的摆角,以调节进给量。上一页下一页返回5.1棘轮机构

图5-6所示为Z7105钻孔攻丝机的棘轮转位机构。蜗杆1经蜗轮2带动分配轴上的定位凸轮3,使摆杆4上的定位块离开定位盘上面的V形槽,这时分度凸轮6推动杠杆7带动连杆8,装在连杆8上的棘爪便推动棘轮9顺时针方向转动,从而使工作盘10实现转位运动。转位完毕,定位凸轮3和拉簧11使定位块再次插入定位盘5上面的V形槽中进行定位。棘轮棘爪机构还可以用来实现快速的超越运动。如图5-7所示,运动由蜗杆1传到蜗轮2,通过装在蜗轮2上的棘爪3使棘轮4逆时针方向转动,棘轮与输出轴5固连,由此得到轴5的慢速转动。当需要轴5快速转轮蜗杆传动的速度,所以棘爪在棘轮上打滑,从而在蜗杆蜗轮继续转动的情况下,可用快速手动来实现超越运动。上一页下一页返回5.1棘轮机构

此外,棘轮机构还可以用来做计数器。如图5-8所示,当电磁铁1的线圈通入脉冲直流信号电流时,电磁铁吸动衔铁2,把棘爪3向右拉动,棘爪在棘轮5的齿上滑过;当断开信号电流时,借助弹簧4的恢复力作用,使棘爪向左推动,这时棘轮转过一个齿,表示计入一个数字,重复上述动作,便可实现数字计入运动。在起重机、绞盘等机械装置中,还常利用棘轮机构使提升的重物能停止在任何位置上,以防止由于停电等原因造成事故。摩擦式棘轮机构传递运动较平稳,无噪声,从动构件的转角可作无级调节,常用来做超越离合器,在各种机械中实现进给或传递运动。但其运动准确性差,不宜用于运动精度要求高的场合。上一页下一页返回5.1棘轮机构

三、棘轮机构的设计如图5-9所示,设计的棘轮轮齿的工作齿面与向径OA的倾斜角α应使棘爪能顺利地滑入棘轮齿底。已知∠OAO′=Σ,若不计棘爪的重力和转动副中的摩擦,则棘爪受到棘轮轮齿对其作用的法向压力Pn和摩擦力F。为使棘爪不致从棘轮轮齿上滑脱出来,则要求Pn和F的合力R对O′的力矩应迫使棘爪进入棘轮齿底,合力R的作用线应位于之间,即式中:β为合力R与OA之间的夹角。又由图知上一页下一页返回5.1棘轮机构

代入式(5-2),得为了在传递相同的转矩时,棘爪受力最小,一般取Σ=90°。所以,有α>φ(5-4)当摩擦因数f=0.2时,φ=11°30′,故常用α=20°。上一页返回5.2槽轮机构一、槽轮机构的组成及工作原理槽轮机构是机械中常见的间歇运动机构之一。图5-10为外槽轮机构简图。它由带若干直线沟槽的槽轮2和带有圆柱销的拨盘1及机架所组成。拨盘1为原动件,一般作等速转动。槽轮2为从动件,作单向间歇转动。当圆柱销A进入径向槽时,槽轮转动;当圆柱销A退出径向槽时,槽轮静止不动。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。下一页返回5.2槽轮机构

二、槽轮机构的类型、特点及应用平面槽轮机构又分为外槽轮机构(图5-10)和内槽轮机构(图5-11)。外槽轮机构的槽轮2转向同拨盘1的转向相反;内槽轮机构则转向相同,与外槽轮机构相比,内槽轮机构结构紧凑,所占空间小。图5-12所示为空间槽轮机构结构简图。槽轮2呈半球状,4个槽和锁止弧均布在球面上,其组成特点是原动件1的轴线、原动件上圆柱销A的轴线及槽轮的轴线相交于球面的球心O,故又称为球面槽轮机构。上一页下一页返回5.2槽轮机构

槽轮机构具有结构简单、制造容易、工作可靠和机械效率较高等优点。但是槽轮机构在工作时有冲击,且冲击随着转速的增加及槽数的减少而加剧,不宜用于高速工作场合,其适用范围受到一定的限制。槽轮机构一般用于转速不是很高的自动机械、轻工机械和仪器仪表中,例如图5-13所示的电影放映机中的送片机构。在该送片机构中,由槽轮带动胶片,有停歇的送进,从而形成动态画面。此外,槽轮机构也常与其他机构组合,在自动生产线中作为工件传送或转位机构。上一页下一页返回5.2槽轮机构

三、槽轮机构的运动系数以图5-14所示的外槽轮机构为例,讨论其运动系数。为了使槽轮开始转动瞬时和终止转动瞬时的角速度为0,以避免刚性冲击,圆销开始进入径向槽或自径向槽脱出时,径向槽的中心线应切于圆销中心运动的圆周,因此,设z为均匀分布的径向槽数,则由图5-14得槽轮2转动时构件1的转角2φ1为上一页下一页返回5.2槽轮机构

在一个运动循环内,槽轮2运动的时间td与构件1运动的时间t之比称为运动系数τ。当构件1等速转动时,这个时间比可以用转角比来表示。对于只有一个圆销的槽轮机构,td和t各对应于构件1回转2φ1和2π,因此,槽轮机构的运动系数τ为上一页下一页返回5.2槽轮机构

由于运动系数τ必须大于0(因τ=0表示槽轮始终不动),所以由式(5-6)可知,径向槽的数目z应大于2,这种槽轮机构的运动系数总小于0.5,也就是说,槽轮运动的时间总小于静止的时间。如果主动构件1装上若干个圆销,则可以得到τ>0.5的槽轮机构。设均匀分布的圆销数目为k,则此时槽轮在一个循环中的运动时间比只有一个圆销时增加k倍,因此由于运动系数τ应小于1(因τ=1表示槽轮2与构件1一样作连续转动,不能实现间歇运动)。上一页下一页返回5.2槽轮机构

由式(5-7)得由式(5-8)可算出槽轮槽数确定后所允许的圆销数。例如:当z=3时,圆销的数目可为1~5;当z=4,5时,圆销的数目可为1~3;当z≥6时,圆销的数目可为1、2。图5-15所示为z=4及k=2的外槽轮机构,它的运动系数τ=0.5,即槽轮运动的时间与静止的时间相等。这时,除了径向槽和圆销都是均匀分布外,两圆销至轴O1的距离也是相等的。上一页下一页返回5.2槽轮机构

在主动构件等速转动期间,如果要使槽轮每次停歇的时间不相等,则主动构件1上的圆销应作不均匀分布;如果要使槽轮每次运动时间不相等,则应使圆销的回转半径不相等。图5-16所示为在主动构件等速转动时槽轮每次停歇和运动的时间均不相等的槽轮机构。对于图5-17所示的内槽轮机构,当槽轮2运动时,构件1所转过角度2φ1′为上一页下一页返回5.2槽轮机构

所以运动系数τ为由式(5-10)可知,内槽轮机构的运动系数总大于0.5。又因τ应小于1,所以z>2,也就是说径向槽的数目最少应为3,内槽轮机构永远仅有1个圆销可以用,因为所以,当z≥3时,k<2。上一页下一页返回5.2槽轮机构

四、槽轮机构的运动和动力特性槽轮机构的运动和动力特性通常用来衡量。图5-18为外槽轮机构在运动过程中的某一瞬时位置。槽轮2的转角φ2与拨盘1的转角φ1间的关系为令并代入式(5-12),得上一页下一页返回5.2槽轮机构

将上式对时间求一次导数,得槽轮角速度将上式对时间求一次导数,得槽轮角加速度根据圆柱销在进入和退出径向槽瞬时的位置,径向槽的中心线必须同圆柱销中心轨迹相切,如图5-19所示,由此可得上一页下一页返回5.2槽轮机构

式中:φ2为槽轮的槽间半角。由式(5-16)可看出,当ω1一定时,槽轮的角速度ω2和角加速度ε2均随槽数z而变化。图5-20给出了外槽轮机构的运动和动力特性曲线。表5-1中给出了不同槽数外槽轮的速度比,表中:ω2max、ε2max、ε02分别为外槽轮的最大角速度、最大角加速度和停止瞬时的角加速度。由表5-1可看出,随着槽数z的增加,槽轮的运动趋于平稳,动力特性也得到改善。但槽数过多,使槽轮所占空间增大,并且还因质量增大而将产生较大的惯性力矩。因此,设计时槽数一般在z=4~8中选取。上一页返回5.3其他常用机构简介一、不完全齿轮机构不完全齿轮机构的组成及工作原理:不完全齿轮机构是一种由普通渐开线齿轮机构演变而成的间歇运动机构。其基本结构形式可分为外啮合式和内啮合式两种,如图5-21所示。不完全齿轮机构的结构特点是在主、从动轮圆周上没有布满轮齿,当主动轮连续回转时,从动轮作单向间歇转动。例如图5-21所示的不完全齿轮机构,主动轮1每转1周,从动轮2转1/4周,从动轮每转停歇4次。当从动轮处于停歇位置时,从动轮上的锁止弧S2与主动轮上的锁止弧S1贴合,保证从动轮停歇在确定位置上。不完全齿轮机构与槽轮机构比较,其主要优点是较易满足不同停歇规律要求。下一页返回5.3其他常用机构简介

因为不完全齿轮机构可设计(或选取)的参数较多,如两轮圆周上设想布满齿时的齿数z1、z2,主、从动轮上锁止弧的数目M、N及锁止弧间的齿数等均可在相当宽广的范围内自由选取,因而需标出间歇运动特性参数,如主动轮每转1周从动轮停歇的次数、从动轮每转1周停歇的次数、每次运动转过的角度、每次停歇的时间长短等,允许调整的幅度比槽轮机构大很多,故设计比较灵活。从动轮在运动全过程中并非完全等速,运动开始和终止时存在刚性冲击。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

不完全齿轮机构和普通齿轮机构的区别,不仅体现在轮齿分布上,而且体现在啮合传动中,当首齿进入啮合及末齿退出啮合过程中,轮齿并非在实际啮合线上啮合,因而,在此期间不能保证定按传动比传动。由于从动轮每次转动开始和终止时,角速度有突变,故存在刚性冲击。不完全齿轮机构与槽轮机构相比,其从动轮每转1周的停歇时间、运动时间及每次转动的角度变化范围都较大,设计较灵活。但其加工工艺较复杂,而且从动轮在运动的开始与终止时冲击较大,故一般用于低速、轻载的场合,如在自动机和半自动机中用于工作台的间歇转位、要求具有间歇运动的进给机构、计数机构等。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

图5-22所示为插秧机的秧箱移行机构。该机构由与摆杆固连的棘爪1、棘轮2、与棘轮固连的不完全齿轮3、上下齿条4(秧箱)组成。当构件1顺时针方向摆动时,棘轮2、不完全齿轮3不动,秧箱4停歇,这时秧爪(图中未示出)取秧;当取秧完毕,构件1逆时针方向摆动,棘轮2与不完全齿轮3一同逆时针方向转动,不完全齿轮3与上齿条4啮合,使齿条4向左移动,即秧箱向左移动。当秧箱移到终止位置(如图示位置)时,不完全齿轮3与下齿条4啮合,使秧箱自动换向向右移动。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

二、不完全摆线针轮机构简介不完全摆线针轮机构的组成及工作原理:不完全摆线针轮机构又称为星轮机构,如图5-23所示。它实质上是一对外啮合针轮———摆线齿轮组成的不完全齿轮机构。主动轮1为一不完全针轮,其上只有若干个针齿,从动轮2为一摆线齿轮,所不同的只是每隔若干个摆线齿,就间隔一特殊齿形的厚齿C,通常称轮2为星轮。图5-23为正在运动的不完全摆线针轮机构。主动针轮1等速连续转动,当它转过φ1=180°时,对应星轮转过φ2=90°,当针轮继续转动其余角度2π-φ1时,星轮停止不动,由厚齿齿顶部设有的锁止弧给予保证锁定。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

主动针轮转1周的时间即为作间歇运动的星轮运动周期。运动周期内的动停时间比可方便地用增减主动轮的针齿数来改变。图5-23中星轮的4段摆线齿分布完全相同,故该星轮的运动周期和动停比也是完全相同的。图5-24所示为1个周期内具有两个不同动停比的不完全摆线针轮机构。该机构由于针轮和星轮上分别对应两部分不同大小和数目的针齿和摆线齿,故当主动针轮等速转动时,星轮可得到两个不同动停比和不同转速比的停歇运动。由上可知,不完全摆线针轮机构作为间歇运动机构,其适应性较广,但是因为星轮的设计及制造加工较为困难,所以限制了它的广泛应用。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

如图5-25所示,组成不完全摆线针轮机构的针轮,其针齿实际上是有一定直径的圆柱销。摆线齿轮的齿廓其实为圆的外摆线的等距曲线k2,而k2同针轮圆柱销的圆曲线k1为共轭曲线,故以此共轭曲线作为齿廓的一对外啮合针轮,摆线齿轮机构能实现定传动比传动。为避免不完全摆线针轮机构中首末两针齿进入或退出啮合时引起强烈冲击,星轮厚齿两侧齿槽必须作如下设计:首先,必须让首末两齿能沿切向进入和退出厚齿两侧齿槽。其次,首齿与厚齿一侧齿廓曲线的啮合过程应使针轮从静止状态逐渐加速,直到针齿与摆线齿进入等速啮合为止。而末齿与另一厚齿的齿廓曲线啮合过程,应使星轮逐渐减速,直到末齿脱离啮合、星轮进入停歇时期为止。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

由此可见,不完全摆线针轮机构具有槽轮机构的起动性能,又兼有齿轮机构等速转位的优点。三、凸轮式间歇运动机构凸轮式间歇运动机构如图5-26所示,它由主动凸轮、从动转盘和机架组成,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。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

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(如蜗杆),从动转盘的圆柱面上均匀分布有圆柱销(像蜗轮的齿)。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。四、螺旋机构螺旋机构的工作原理和类型:螺旋机构是利用螺旋副来传递运动和动力的机构。常用的螺旋机构除螺旋副外还有转动副和移动副。图5-27所示为最简单的三构件螺旋机构。设螺旋副B的导程为lB,当螺杆转过φ角时,螺母的位移s为上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

设螺旋副A、B的导程分别为lA和lB,且两者螺旋方向相同。若螺杆转过φ角,螺母的位移s为式中:s′为螺杆1的位移。由式(5-18)可看出,若lA和lB相差极小时,螺母2的位移s也就极小。这种螺旋机构称为差动螺旋。若图5-28所示螺旋机构的螺旋副A、B的螺旋方向相反,且两者导程lA=lB,则螺杆转过角,螺母的位移s为上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

由式(5-19)可看出,螺母2的位移是螺杆1位移的2倍,也即可使螺母产生较大的位移。这种螺旋机构称为复式螺旋机构。螺旋机构的传动特点和应用:螺旋机构能将回转运动变换为直线运动;运动准确性高,且有很大的减速比;工作平稳、无噪声,可以传递很大的轴向力。但由于螺旋副为面接触,且接触面间的相对滑动速度较大,故运动副表面摩擦、磨损较大,传动效率较低,一般螺旋传动具有自锁作用。螺旋机构的结构简单,制造方便,在各种机械产品上(如仪器仪表、工装夹具、测量工具等)得到广泛应用。图5-29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4。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

图5-30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。滚珠螺旋传动是一种较为新型的传动,其结构简图如图5-31所示。滚珠螺旋传动与一般螺旋机构传动的主要区别是在螺杆1和螺母2之间增加了滚动体3(一般均为滚珠)。这样使螺杆和螺母不直接接触,而且将原来接触表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

当螺杆相对螺母转动时,滚动体在螺纹滚道内滚动,为使其不断连续滚动,滚道分成工作滚道和返回滚道两部分,且连接成一个闭合循环回路。滚珠螺旋传动具有摩擦小、传动效率高、起动力矩小、传动灵活、平稳、工作寿命长等优点,近年来随着数控机床的发展,滚珠螺旋传动在机床、航空航天、汽车等领域中得到越来越广泛的应用。滚珠螺旋结构较复杂,径向尺寸比一般螺旋传动大,制造成本高,没有自锁作用。五、万向联轴节万向联轴节的结构及其运动特性:万向联轴节是传递两相交轴转动的机构。由空间机构自由度计算可知,该机构属于空间球面四杆机构。万向联轴节分为单万向联轴节和双万向联轴节。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

图5-32所示为单万向联轴节,两轴交角为α,当主动轴1转1周时,从动轴3也随之转1周,但在1个周期内两轴的瞬时角速度并不时时相等。设φ1为轴1的转角,并以轴1的端叉平面位于两轴线所在平面时为起始位置,如图5-32(b)所示位置φ1=0,则两轴的角速度比可写成由此得上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

由分析得知,ω3随φ1的变化范围为按式(5-22)中给定不同的α值,可计算得到不同的i31=f(φ1)曲线,如图5-33所示。由此得出,α越大,ω3的波动幅度也越大,这将影响机器的正常工作。因此,两轴夹角α不宜取得过大。为避免单万向联轴节输出角速度存在波动的缺点,在生产实际中常采用双万向联轴节,有两种连接形式,其结构如图5-34所示。将两个单万向联轴节1、3的从动轴和主动轴合为一根轴2,即构成由两个单万向联轴节组成的双万向联轴节。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

双万向联轴节输出和输入的角速度比为式中:ω3/ω2和ω1/ω2分别表示图中右、左两个单万向联轴节的角速度比,可分别按式(5-24)计算。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

由此分析可知,要使ω3=ω1,即i31=1,则应使α3=α1。换言之,若要求双万向联轴节输出和输入角速度相等,必须满足如下安装条件:①中间轴2与轴1、轴3的夹角α1和α3必须相等;②中间轴的两端叉面必须位于同一平面内,如图5-34所示。值得指出的是,条件①只要求两夹角相等,而并不要求为定值。也就是说,若两夹角变化相同,仍可保证角速度比为1。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

同传递平行轴或相交轴运动的齿轮机构比较,万向联轴节有以下显著特点:当两轴夹角有所变化时,单万向联轴节仍可继续工作,而只影响其瞬时传动比的大小;双万向联轴节常用来传递平行轴(图5-34(b))或相交轴的转动(图5-34(a)),当两轴间的夹角变化时,其不但可以继续工作,而且在满足一定安装条件时,还能保证等角速比。万向联轴节结构紧凑,径向尺寸小,对制造和安装的精度要求不高,尤其适用于在工作过程中,主、从动轴间夹角和轴间距发生变化的场合。因此,万向联轴节被广泛地应用于各种机械设备的传动系统中。上一页下一页返回5.3其他常用机构简介

汽车传动轴就是双万向联轴节的典型应用实例,如图5-35所示。装在汽车底盘前部的发动机变速箱,通过双万向联轴节带动后桥中的差速器,驱动后轮转动。在底盘和后桥间装有减振钢板弹簧。汽车行驶中,由于道路等原因引起钢板弹簧变形,使变速箱输出轴的相对位置时时有变动,这时双万向联轴节的中间轴(也称传动轴)与它们的倾角虽然也有相应的变化,但传动并不中断,汽车仍然继续行驶。图5-36为多轴钻床的双万向联轴节。输入ω通过齿轮分解成两轴ω1和ω′1转动,下面的轴3