（机械工程专业论文）一种新型排球发球器的设计.pdf

一种新型排球发球器的设计 摘要 论文源于国家重点科技攻关计划项目、奥运科技专项子课题项目。本文在研制的 排球扣、发球装置系统基础上，对排球发球器进行设计。 首先介绍了已经研制的排球扣、发球装置，分析了基本性能和存在的问题。然后 对各种发球器现状进行了深入的分析和研究，在此基础上分析了各种击球元件的特点 及区别，并选用板簧作为其击球部分，而且对击球元件进行了初步设计。文中分析了 液压、气压和电气的传动特点，并选用电气传动。接着分析了多种传动机构组合后的 传动特点，并分别设计了击球系统和喂球系统。最后，初步设计出一种新型发球器， 并在s o l i d w o r k s 软件中进行动画仿真演示，演示结果表明所设计的发球器能够协调运 行。 本文对排球发球器进行了理论分析和技术实现的研究，分析结果不仅为研制高球 速的击球系统与控制精确的喂球系统提供依据，而且为整台发球机的设计提供参考。 关键词：排球发球器；击球元件；击球系统；喂球系统；演示 4 d e s i g n sf o ran e wt y p eo fv o l l e y b a l lc a t a p u l t a b s t r a c t s u p p o r t e db yt h eo l y m p i cg a m e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys p e c i a ls u bt o p i cp r o j e c t , b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h ev o l l e y b a l lt r a i n i n gs y s t e mw h i c hc a l lb u c k l ea n ds e r v ea v o l l e y b a l l t h i sp a p e rm a k e sad e s i g no ft h ec a t a p u l t f i r s t l yt h i sp a p e rm a k e sa l li n t r o d u c t i o no ft h ev o l l e y b a l lb u c k l ed e v i c ew h i c hh a s a l r e a d yb e e nm a n u f a c t u r e d ，a n da n a l y s e st h eb a s i cc a p a c i t ya n dt h eq u e s t i o n s t h e nm a k e s d e e pa n a l y s e so fa n dr e s e a r c h e so nt h ep r e s e n ts t a t eo fa l lk i n d so fc a t a p u l t s b a s e do nt h i s 。 a n a l y s e so ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed i f f e r e n e e so f a l lk i n d so fb a l lh i t t i n gc o m p o n e n t sa le m a d e l e a fs p r i n gi ss e l e c t e da si t sh i t t i n gp a r t ，a n dt h ep r e l i m i n a r yd e s i g n sf o rab a l l h i t t i n gc o m p o n e n ta r em a d e t h ed r i v ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n , p n e u m a t i c t r a n s m i s s i o na n de l e c t r i c a lg e a r i n ga r ea n a l y z e d ，a n de l e c t r i c a lg e a r i n gi ss e l e c t e d t h e nt h e d r i v ec h a r a c t e r i s t i e so fm a n yk i n d so fa c t u a t i n gm a c h a n i s ma f t e rc o m b i n a t i o n , a r e a n a l y z e d ，a n dab a l lh i t t i n gs y s t e ma n dab a l lf e e d i n gs y s t e ma r es e p a r a t e l yd e s i g n e d a t l a s tan e w t y p ec a t a p u l ti sp r i m a r i l yd e s i g n e do u t 1 1 l ea n i m a t i o ns i m u l a t i o nd e m o n s t r a t i o n i sc a r r i e do ni ns o l i d w o r k s ，a n dt h er e s u ri n d i c a t e st h a tt h ec a t a p u l ti sa b l et or u n c o o r d i n a t e l y t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c h e so nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e c h n i c a lr e a l i z a t i o na b o u tt h e v o l l e y b a l lc a t a p u l t t h er e s u l tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sn o to n l yt od e v e l o pt h eb a l i h i t t i n gs y s t e ma n dt h eb a l lf e e d i n gs y s t e m ，b u ta l s ot od e s i g nac o m p l e t eb a l lh i r e r k e yw o r d s ：v o l l e y b a l lc a t a p u l t ；b a l lh i t t i n gc o m p o n e n t ；b a l lr a t t i n gs y s t e m ；b a l lf e e d i n g s y s t e m ：d e m o n s t r a t i o n 5 插图清单 图卜1 摩擦式发球器原理图l 图卜2 变频器输入电压与球速的对应曲线2 图卜3 排球运动员简易训练器4 图卜4 谢方平等人发明的发球器4 图卜5 足球发球器6 图2 一l 带传动的有效功率与最大功率之比值1 3 图2 - 2 拟采用的传动路线1 6 图3 1 一对击球元件1 8 图3 - 2 单个击球元件z l 图3 3 平衡质量的外形z l 图3 - 4 球3 受力图z b 图3 - 5 击球过程1 z b 图3 - 6 击球过程2 z 。， 图3 - 7 击球过程终点2 7 图4 1 带传动z 9 图4 2 两个椭圆齿轮示意图3 3 图4 - 3 椭圆齿轮传动比变化规律3 4 图4 4 偏心率对不均匀系数的影响3 4 图5 - 1 一对交错轴斜齿轮3 5 图5 2 圆柱蜗杆传动3 6 图5 - 3 铰链四杆机构3 8 图5 4 转动副演化为移动副3 9 图5 5 曲柄摇杆机构4 0 图5 6 有急回特性的曲柄滑块机构“4 1 图5 7 有反向急回特性的曲柄滑块机构4 1 图6 一l 两击球元件及其同轴齿轮4 2 图6 2 相互啮合的两个椭圆齿轮4 3 图6 - 3v 带传动4 。7 图6 4 喂球传动机构4 8 图6 5 增速直齿圆柱齿轮机构4 9 图6 6 击球传动系统轴测图1 5 0 图6 7 击球传动系统轴测图2 5 0 图6 8 喂球传动系统轴测图5 1 9 表 表 表 表 表格清单 实现运动的相应机构9 机械传动按工作原理分类1 1 机械传动按传动比变化情况分类1 2 各类传动特性的对比1 6 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒世王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 一擗孓寺蝴期3 砷蛳尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金起王业太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名：叮呜 签字日期：伊歹年5 r 月夕日 ， 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 3 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 致谢 光阴如梭，三年的时间在忙忙碌碌中很快就要过去了。这真是令人终身难忘的岁 月。在这段时间中，我学到了很多，收获颇丰。在此文定稿之际，我的心情久久不能 平静。在此，我向所有为本课题的完成作出贡献的人致以最诚挚的感谢! 首先感谢尊敬的导师刘正士教授。在本课题的选题及研究过程中，我得到了刘教 授悉心的指导。刘教授帮我选择课题，多次询问研究进程，并耐心细致地为我指点迷 津，精心点拨、热忱鼓励，帮助我开拓研究思路。刘教授渊博的专业知识，一丝不苟 的工作作风，严谨求实的治学态度，给我留下了深刻的印象! 刘教授不仅授业、解惑， 而且注重传道。无论在治学上还是在做人上，刘教授作为学者的崇高品质深深地影响 着我。三年的学习经历将成为我人生道路上最为宝贵的财富，在此我要向刘教授致以 最真诚的感谢和最崇高的敬意。 其次，还要向多年来在我的成长和学习生涯中给予我帮助、鼓励和关心的所有老 师、同学以及亲戚朋友，表示诚挚的谢意! 感谢我的父亲和我的弟弟给我的大力支持! 再次，向本论文中参考文献的诸位作者表示衷心的感谢! 最后，要感谢我的夫人张焱女士、儿子丁奥运，多年来对我学业上不遗余力的支 持。 6 作者：丁峰 2 0 0 9 年5 月1 日 第一章绪论 1 1 课题来源及其意义 1 1 1 课题的来源 当今，体育和科技密不可分，体育训练正从经验时代走向科学时代。现代 科学已渗透到体育训练的各个环节，起着越来越大的作用。为全面提高排球运 动员的训练水平和比赛成绩，促进体育事业的发展，提出了设计制造排球训练 装置的构想【l 】。 根据文献 2 】，设计出的排球发球机是一种排球运动员训练器，它主要是由 以下几个部分构成的。 ( 1 ) 发球器：发扣球的动力提供装置； ( 2 ) 排球挡板：改变和调节球的方向； ( 3 ) 导向机构：调节发球器和挡板的位置，满足各种姿态需要； ( 4 ) 行走移动机构：满足训练装置能够方便到达各个指定位置。 其中所用的发球器是图1 1 所示的摩擦式发球器【3 】。 图1 1 摩擦式发球器原理图 此发球器的原理如图1 1 所示，整个结构由两个飞轮和一个推动排球上下 运动的托盘组成。飞轮驱动采用变频电机直联的方式，托盘升降采用电磁铁直 接驱动的方式。发球过程中，计算机指令控制电磁铁驱动托盘推动排球向上运 动与高速旋转的飞轮接触。由于速度差，飞轮与排球之间存在滑动摩擦力，并 在该摩擦力作用下，排球向上加速，直到排球脱离飞轮边缘。 图1 2 所示便是排球速度与飞轮转速之间关系曲线【3 】，其中球速的测量采 用的是基于单片机的红外对管测量方法，曲线的横坐标表示电压。相关说明如 下：通过调节变频器0 l o v 的输入电压控制驱动飞轮转动电机的转速，转速 与电压之间是线性关系，所以利用输入电压和排球球速的关系可以间接表示出 转速与球速之间的关系。由图1 2 可知，在球速超过2 8 m s ( 1 0 0 8 k m h ) 时曲 线近似为一条平行于横轴的直线。分析如下：对于同一个排球，其形状、材料 以及球内气压是恒定的常数，所以它与飞轮表面间的相互压力可以近似为一个 只与排球和飞轮相对位置有关的函数，假设排球与飞轮刚开始接触时的位置为 0 ，排球加速过程中与接触起始位置的垂直距离为s ，则排球与飞轮表面间的压 力函数可以表示成为，l 6 j ，由此可推导出排球在s 处的球速v 1 a l m v 2 0 = 2l 。1 t f ( x l d x v = 2 其中：m 是排球的质量( 视为常数) ；肛是滑动摩擦系数。 7 _ 暑 、 溜 管 电压 图1 2 变频器输入电压与球速的对应曲线 如果飞轮的转速过高，使得排球与飞轮的整个接触过程中始终处于滑动摩 擦力的作用下，则此球速计算公式中的积分上限( 滑动摩擦力作用距离) 便 是一个定值，从而球速v 也是一个定值，这种情况为速度饱和，即此时继续提 高飞轮转速对排球的最终速度没有任何影响，表现为曲线图中末端的那段水平 直线【3 ，4 1 。 已研制的发球机基本上能够满足各种发、扣球的一般要求。它们对于提高 排球运动员的训练水平和业余爱好者的技术水平均有一定的作用。但是，所述 发球机中所用的发球器发出的球，速度低于1 4 0 k m h ( 3 8 9 m s ，国外运动员最 高发扣球速度可达此值) ，满足不了专业运动员的高强度训练，亦使所述发球机 的效用大打折扣。因此，我们开始考虑研究设计出发球速度超过1 4 0 k m h 的发 球器。 1 1 2 研究意义 排球运动在我国是一种百姓喜闻乐见的体育项目，具有广泛的群众基础。 而且，我国女排、男排水平在世界上较高，但跟顶尖球队相比还有一定差距【5 ，6 1 。 在目前的排球运动训练中，为进行有针对性的拦网训练，教练员采用在训练中 2 设置模拟对手的陪练方法。然而，长期和稳定地模拟比赛强度的发扣球是一种 较难实现的枯燥繁重的工作，并且由于身体素质等原因，陪练员在发扣球高度、 球速、出球方向以及稳定性方面较难长时间达到欧美强队优秀球员的水平p j 。 ( 1 ) 设计出发球速度超过1 4 0 k m h 的发球器可以充分发挥所述发球机的作用， 这样的发球机能够代替陪练员长期和稳定地模拟比赛强度的发扣球，从而大大 提高我国专业排球运动员的训练水平和比赛成绩。( 2 ) 球类发球器的设计是相 通的，因此，排球发球器的设计对其它球类发球器的研发具有广泛的借鉴意义。 ( 3 ) 可以把教学中讲到的各种传动机构知识应用到实际领域，理论联系实际， 提高教学水平。 1 2 国内外排球发球器的现状 文献 2 】与 7 】报到，研制出的一种排球发球机如图1 3 所示，并因此取得了多项 国家发明专利及发表多篇相关论文【8 9 】。其中所用的发球器是图1 1 所示的摩擦式发球 器【3 1 。 此发球机的具体实施方式是： 参见图1 3 ，设置低位发球平台l 和可调式发球架。发球平台l 的底部设 有万向脚轮2 ，并有高度可调的定位架3 ，发球器4 设置在发球平台1 上。 可调式发球架为固定设置在发球平台l 上的一对平行的立柱5 ，以立柱5 为导杆，其上设置可通过纵向丝杆6 调整高度的移动架7 ，在移动架7 的外侧， 呈悬臂式设置倾角可调的发球挡板8 ，发球挡板8 位于发球器4 的球道上。 具体实施中，可以在发球器4 与发球平台1 之间，设置由水平丝杆9 调节 滑移位置的水平移动副，水平移动副由固定设置在发球平台1 上的滑动导轨1 0 及配合设置的滑块1 1 构成，发球器4 支撑在滑块1 1 上，滑动导轨1 0 及水平丝 杆9 沿着与发球挡板8 的悬臂方向平行的方向设置。 定位架3 的高度调整机构为纵向丝杆1 2 ，配合设置的螺母固定设置在发球 平台l 上。 图1 - 3 排球运动员简易训练器 根据文献 1 0 】，湖南农业大学谢方平等人也在2 0 0 6 年进行排球发球机的研 究，并于当年底成功申请国家实用新型专利。该发球机的发球机构是曲柄滑块 机构，如图1 4 所示。 这种发球机构主要结构特点是： ( 1 ) 套筒4 是用来安装弹簧及击球杆2 的装置，其两端分别有端盖和法兰 盘，击球弹簧6 安装在击球杆2 中部的挡块5 与法兰盘之间，缓冲弹簧3 安装 在端盖与挡块5 之间。 ( 2 ) 击球杆2 由三部分组成，前端是击球头1 ，其材料用橡胶制成且形状、 大小可变换，其目的是用来改变击球的方向和速度。中部有挡块5 ，固联在击 球杆2 上，其作用是用来压缩弹簧。尾部是钩盘7 ，当控制钩9 运动到一定位 置时，控制钩9 就把钩盘7 钩住，来传递压缩弹簧的力。考虑到装配的关系， 前端的击球头1 和击球杆2 用螺纹连接，尾部的钩盘7 和击球杆2 用螺钉连接。 图1 4 谢方平等人发明的发球器 ( 3 ) 弹簧分为击球弹簧6 和缓冲弹簧3 ，缓冲弹簧3 安装在挡块5 的前端， 击球弹簧6 安装在挡块5 的后端，这样当击球杆2 击完球后，挡块5 对端盖不 4 会有太大的冲击。 ( 4 ) 挡块5 是用来压缩弹簧的，挡块5 并不与套筒4 的内壁相接触，以免 增大摩擦甚至在套筒4 内卡死。 ( 5 ) 端盖用螺钉与套筒4 连接，这样方便于装配；在其中心轴线位置钻孔， 与击球杆2 是孔与轴的配合，采用间隙配合，以便使击球杆2 在套筒4 内能前 后自由滑动。 ( 6 ) 法兰盘也是用螺钉与导套1 3 以及套筒4 进行连接，在其中心轴线位 置钻孔，与击球杆2 是孔与轴的配合，采用间隙配合，以便使击球杆2 在套筒 4 内自由移动。 ( 7 ) 导套1 2 是用来使导向轴1 0 在导套1 2 内进行直线运动，从而使夹板 8 和控制钩9 能按预定的轨道进行运动。导套1 2 通过法兰盘与套筒4 连接。导 套1 2 中有夹板8 、控制钩9 、导向轴l o 、限位块2 9 、导向盘1 1 、端盖；导向 盘1 1 与端盖的共同作用使导向轴1 0 在导套1 2 内作往复直线运动，夹板8 与导 向轴1 0 的前端用螺栓进行连接，控制钩9 通过销轴安装在夹板8 上，控制钩9 的前端有弹簧销，用来钩挂拉伸弹簧，控制钩9 不工作时拉伸弹簧处于自由状 态。当导向轴1 0 向前运动时，控制钩9 将要碰到击球杆2 尾部的钩盘7 时，通 过前端限位块的作用，控制钩9 将打开，随即当导向轴10 向后运动时，控制钩 9 在拉伸弹簧的作用下将钩住击球杆2 尾部的钩盘7 ，击球杆2 与导向轴1 0 一 起向后运动，从而使套筒4 内的击球弹簧6 被压缩，导向轴1 0 继续向后运动时， 通过安装在预定位置的后端限位块2 9 时，控制钩9 就将击球杆2 松开，从而随 即完成击球动作。 ( 8 ) 导向轴1 0 与连杆1 3 通过螺栓相连，并与导向盘1 1 和端盖之间采用 间隙配合。导向轴10 的前端与夹板8 用螺钉连接，从而带动夹板8 一起运动。 ( 9 ) 夹板8 是用来安装控制钩9 ，可以实现力的转化。 ( 1o ) 控制钩9 放置在夹板8 上，通过圆柱销将控制钩9 安装在夹板8 上。 ( 1 1 ) 限位块2 9 是用来使控制钩9 脱离击球杆2 尾部，从而使击球杆2 击球。 ( 1 2 ) 导向盘1 1 与端盖共同限制导向轴1 0 的作直线运动，它们与导向轴 1 0 之间采用间隙配合。 ( 1 3 ) 击球曲柄1 4 用圆盘将其两边铣平，从而来减轻自身的重量。 ( 1 4 ) 击球连杆1 3 为用圆杆将其铣成扁方，目的是增加强度和减轻重量。 ( 1 5 ) 转动手柄3 0 用来调节整个击球机构的角度，来实现击球方向和落地 点的调整。 ( 1 6 ) 分度盘3 1 是用来调节击球机构的击球角度。 根据文献 1 1 】，北京科技大学田耕在2 0 0 6 年进行足球发球机的研究，并于 次年成功申请国家实用新型专利。如图1 - 5 所示。 5 此种足球发球机采用的技术方案如下： ( 1 ) 左擒纵气缸1 1 、右擒纵气缸1 0 同时伸长时，左擒纵块13 、右擒纵块 16 之间的间隙小于板簧9 下端的宽度，可以限制板簧9 下端的运动。这时左驱 动气缸7 、右驱动气缸4 同时伸长，带动左曲柄6 、右曲柄l ，进而带动主轴3 、 板簧9 顺时针向前转动，板簧9 会产生较大的弹性形变，具有较大的弹性势能。 ( 2 ) 左擒纵气缸1 1 、右擒纵气缸1 0 同时收缩，左擒纵块1 3 、右擒纵块 16 分别以左小轴1 2 、右小轴15 为轴转动，左擒纵块1 3 、右擒纵块16 之间的 间隙张大，板簧9 的下端被释放，具有较高的速度，使固定在板簧9 下端的击 锤1 4 有较高的速度，用击锤1 4 击打备发球18 ，备发球18 被发出。 ( 3 ) 阻球气缸2 1 收缩，备滚球2 0 顺着v 形槽1 9 滚动，遇到挡球块1 7 停止，处于备发球1 8 的位置，同时，右阻球气缸2 3 伸长，阻止备滚球2 0 右边 的球滚动。 ( 4 ) 调节多级连杆2 4 可以调节备发球18 与击锤1 4 之间的位置关系，产 生不同的发球角度与旋转。 ( 5 ) 气源2 7 不同的气压可以产生不同的击球力量，对应不同的发球速度。 ( 6 ) 控制电路不同的工作循环周期对应不同的发射周期，单发或者连发。 分析如下： ( 1 ) 该发球机用空气压缩技术，用气缸作为执行元件，使结构简单，动作 可靠，便于控制。 ( 2 ) 用板簧9 进行储能，通过对板簧9 下端的释放，可以使板簧9 的下端 产生较高的速度，而如何使安装板簧9 下端的击锤1 4 获得较高的加速度、速度 是足球发球机的关键。 图1 - 5 足球发球器 6 靠。 ( 3 ) 用v 型槽1 9 进行供球，通过控制球的滚动供球，使供球方式简单可 在国外，介绍的排球发球器比较简单，发球的速度亦较低。 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 初步设计出发球速度超过1 4 0 k m h 的新型排球发球器，这样可以充 分发挥所述发球机的作用，从而大大提高我国专业排球运动员的训练水平和比 赛成绩： ( 2 ) 击球元件的设计，关键是提高能量的利用效率，尽量使击球元件的机 械能转化为排球的动能； ( 3 ) 源动力的选择问题，分析液压、气动和电气的传动特点，分析排球发 球器的工作条件和环境，选择适合排球发球器的动力源； ( 4 ) 击球传动系统的设计，关键是击球元件能够准确击球； ( 5 ) 喂球传动系统的设计，关键是喂球的时间窗口问题，这关系到排球能 否及时而准确地送达预定位置。 7 第二章设计方法概述及运动方案的拟定 2 1 设计方法概述【1 2 1 2 1 1 发球器运动方案的拟定在机器设计中的地位和内容 我们研究了各种常用机构的特性和设计方法，其目的是为了设计机器、开 发新产品，不断满足社会需要。根据对产品新要求的程度不同，设计的类型也 不同，主要有下列三种： ( 1 ) 全新设计：产品是全新的，它的工作原理、各种功能和构形等都需要 有一定的创新特点。 ( 2 ) 改进设计：产品的部分功能和构形根据新的需要有局部的改进和变化。 ( 3 ) 系列设计：产品仅在功能规格上有量的变化。 通常进行机器全新设计的难度最大，其过程和步骤如下： ( 1 ) 进行产品规划，提出机器的功能要求，明确设计任务； ( 2 ) 作功能分析，选择机器工作原理，确定工艺动作过程； ( 3 ) 分解工艺动作为几个独立运动，确定实现该运动的构件( 执行构件) ； ( 4 ) 选择和组合能实现各执行构件所需运动的机构： ( 5 ) 确定机器各执行机构的运动协调关系； ( 6 ) 各机构根据运动规律、动力条件确定机构尺寸和各机构间的相对尺寸； ( 7 ) 构形设计，选主要零件用材，定结构、外形和尺寸； ( 8 ) 总体设计； ( 9 ) 零、部件设计； ( 1 0 ) 编写技术文件。 步骤( 1 ) 至( 2 ) 是产品的规划阶段，其中功能要求包含机器规格、执行、 使用和制造等有关要求。这是机器设计的前提。步骤( 3 ) 至( 5 ) 便是机械运 动方案的拟定阶段，主要实现机器的执行功能，并有承上启下的作用，是机器 设计的关键。步骤( 6 ) 至( 1 0 ) 是详细设计阶段，确定了实现机器全部功能的 具体构形，是机器设计的最后成果。纵观全过程，可见考虑周到的运动方案可 以正确体现设计任务，保证后续工作的顺利进行；可以提高设计效率和赋予新 的机器良好的基本条件。所以机械运动方案的拟定在机械设计中的地位是十分 重要的。 2 1 2 机构的组合方式和有关的设计方法 常用机构中，结构最简单的( 从动系统一般只有一个杆组) 的机构通称为 基本机构。通常原动件作匀速连续转动，实现执行构件的运动较为简单时可选 用一个基本机构。当要实现的运动较为复杂时，可将几个相同型的或不同型的 基本机构组合应用，即将原来机构能实现的简单运动经机构组合后使运动合成 为所需复杂运动。 基本机构的组合方式有如下五种：串联式、并联式、复合式、反馈式、叠 联式。 2 1 3 机构的选型 当设计机器时，确定了所需执行构件的数目和运动后，就是选择能够实现 本设计各个执行构件所需运动的机构，也就是通称的机构选型问题。 机构选型的首要问题是要熟悉各种机构的运动特性，然后弄清原动机的类 型和它的输出运动。原动机的输出运动有： ( 1 ) 连续转动一一如普通电动机、内燃机等原动机； ( 2 ) 往复移动一一如直线电动机、固定的活塞式液压缸或气缸等原动机； ( 3 ) 往复摆动一一如双向电动机、摆动活塞式液压缸或气缸等原动机； ( 4 ) 可控转动一一如伺服电动机、调频电动机等原动机。 已知一个机构执行构件的输出运动要求和原动机输入运动后，便可挑选适 当的机构。由于绝大部分机器的原动机输出运动为连续匀速转动，因此可以将 执行构件的运动分类后，列出由转动转换成这些运动的相应机构表以便查找。 如表2 1 所示。 表2 1 实现运动的相应机构 匀速转动齿轮机构( 含轮系) 、平行双曲柄机构、摩擦轮机构 非圆齿轮机构、双曲柄四杆机构、转动导杆机构、组合机构( 如齿轮凸轮机 变速转动 构、齿轮连杆机构) 曲柄滑块机构、正弦机构、正切机构、移动导杆机构、移动从动件凸轮机构、 往复移动 齿轮齿条机构、螺旋机构、组合机构、串联式机构 往复摆动曲柄摇杆机构、曲柄摇块机构、摆动从动件凸轮机构、组合机构 单向间歇运动棘轮机构、槽轮机构、凸轮机构、不完全齿轮机构、组合机构 间歇往复移动凸轮机构、单向间歇运动机构与往复移动或摆动的串联式机构、组合机构 或摆动 给定运动轨迹铰链四杆机构、组合机构、行星轮系 2 1 4 发球器执行机构的协调 当机器的工作原理和工艺过程确定后，由于各种机器要实现的功能不同， 其工艺动作也必然各不相同，而且往往是在三维空间内作复杂运动。在拟定其 运动方案时可视机器的工作方式而定。根据工艺的差别，机器的工作方式有两 大类：其一是机器各执行机构的运动没有周期性的运动循环，常因工作条件不 同而随时改变；其二是机器各执行机构的运动是周期性地重复着，每经一定的 时间间隔完成一个运动循环。生产中的大部分机器都是这种有周期性运动循环 9 的机器。前者在选择执行构件、考虑其运动时，多数用机构组合的方式使执行 构件能独立完成复杂运动。而后者则为了简化运动，将工艺动作分成若干分动 作，再由若干个执行构件来实现，这样，选择执行机构就比较容易，而且可将 多维的复杂运动简化成各执行构件的单维运动。当然有分解必然有合成。 2 2 发球器传递动力方式的选择 机器的种类很多，其用途和性能也差别很大，但从组成上看大致有三种结 构。其基本组成部分是原动机、工作机( 也称工作机构、执行机、执行机构等) 和传动装置【j 。 当原动机的转速和结构能满足工作机的要求时，则可将工作机直接装在原 动机上。当原动机的转速虽然能满足工作机的要求，但结构上不便于将工作机 直接装在原动机轴上，则将工作机与原动机分开，中间用联轴器或别的方式连 接。 把原动机和工作机直接联接起来的情况是很少的，往往需在二者之间加入 传递动力或改变运动情况的传动装置。其主要原因是： ( 1 ) 工作机所要求的速度，一般与原动机的最优速度不相符合，故需增速 或减速，通常多为减速。 ( 2 ) 很多工作机都需要根据生产要求而进行速度调整，但依靠调整原动机 的速度来达到这一目的往往是不经济的，甚至是不可能的。 ( 3 ) 原动机的输出轴通常只作匀速回转运动，而工作机要求的运动形式则 是多种多样的，如直线运动、螺旋运动等。 ( 4 ) 在有些情况下，需要用一台原动机带动若干组工作速度不同的机构。 ( 5 ) 为了工作安全及维护方便，或因机器的外廓尺寸受到限制等其它原因， 有时不能把原动机和工作机直接联接在一起。 由此可见，传动装置是大多数机器或机组的主要组成部分。 以上提到的原动机有一次原动机和二次原动机之分；一次原动机能把自然 界的能源转变为机械能；二次原动机能把一次原动机驱动的变能机所产生的各 种形态的能转变为机械能。 在实际机器中有多种类型传动，通常可按工作原理分为机械传动、流体传 动( 液压传动、气压传动) 、电气传动和磁力传动四大类。 2 2 1 机械传动 2 2 1 1 机械传动的分类1 3 】 根据工作原理的不同，可将传动分为两类：( 1 ) 机械能不改变为另一种形 式的能的传动一一机械传动( 指广义的机械传动) ：( 2 ) 机械能改变为电能，或 电能改变为机械能的传动一电传动。狭义的机械传动分为摩擦传动、啮合传 l o 动和机构传动。如表2 2 与表2 3 所示。 表2 2 机械传动按工作原理分类 传动类型 说明 摩擦轮传动传动件：圆柱形。槽形，圆锥形，圆柱圆盘形 摩 挠性摩擦传动 带传动：v 带平带，多楔带，圆形带 擦绳及钢幺幺绳传动 传 定轴的( 无中间体的、有中间体的) 动 摩擦式无级变速传 动轴的 动 有挠性元件的 圆柱齿轮传 啮合形式：内、外啮合，齿条 齿形曲线：渐开线单、双圆弧，摆线 动 齿向曲线：直齿，斜齿( 螺旋齿) ，曲线齿 圆锥齿轮传 啮合形式：外、内啮合，平面( 端面 齿轮 齿 动 齿形曲线：渐开线，单、双圆弧 轮 齿向曲线：直齿，斜齿，弧齿及曲线齿 传 渐开线齿轮行星传动( 单自由度、多自由度) 动 动轴轮系 少齿差行星传动( 渐开线、摆线、圆弧线、活齿) 谐波传动( 三角形齿、渐开线齿) 内齿行星齿拎传动( = 环减谏器) 非圆齿轮传 可实现主、从动轴问传动比按周期性变化的函数关系 啮 动 厶 r - i 按形成原理： 传 直纹面( 普通) 圆柱蜗杆传动( 阿基米德、渐开线、延长渐开 动 圆柱蜗杆传 线) 动 蜗 曲纹面圆柱蜗杆传动( 轴面、法面圆弧齿，锥面、环面包络的 杆 圆柱蜗杆) 传 直廓环面蜗杆传动 动 环面蜗杆传 二次包络蜗杆传动( 平面、锥面和双锥面包络) 动 一次包络蜗杆传动( 直平面齿和斜平面齿蜗轮) 锥蜗杆介于准双曲面齿轮传动与普通圆柱蜗杆传动之间 链传动：套筒滚子链，套筒链，弯板链，齿形链 挠性啮合传动 带传动：同步齿形带 摩擦形式：滑动，滚动，静压 螺旋传动 头数：单头、多头 机构传动连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构 表2 3 机械传动按传动比变化情况分类 传动分类说明传动举例 定传动比传输入与输出转速对应，适用于工作机工况固定，或其 带、链、摩擦轮 动工况与原动机工况对应变化的场合传动，齿轮、蜗 杆传动 有级变 一个输入转速对应于若干输出转速，且按某种数列排齿轮变速箱、塔 变 速 列，适用于原动机工况固定而工作机有若干种工况的 轮传动 传 场合，或用来扩大原动机的调速范围 动无级变一个输入转速对应于某一范围内无限多个输出转速，各种机械无级变 比 速适用于工作机工况极多或最佳工况不明确的情况速器 传 动 按周期输出角速度是输入角速度的周期性函数，用来实现函 非圆齿轮、槽轮 性规律数传动及改善某些机构的动力特性 机构、棘轮机构 变化 无传动比传输入构件与输出构件之间的运动关系不能用传动比表连杆机构、凸轮 动达机构、组合机构 现代机器中，往往综合采用上述各类传动。 2 2 1 2 机械传动装置类型的选用【1 3 】 机械传动装置的选用( 首先是传动类型的选用) 是比较复杂的工作，它需 要考虑从原动机到工作机多方面的因素，经细致分析对比后才能作出合理的选 择。通常，以下几方面是选择机械传动装置类型的基本依据： ( 1 ) 工作机的工况的性能参数； ( 2 ) 原动机的性能及与原动机匹配对传动装置机械特性上的要求； ( 3 ) 输入轴与输出轴的轴线方位； ( 4 ) 综合分析不同类型传动装置的初始费用、运转费用和维修费用，使所 选的传动装置具有良好的经济性； ( 5 ) 能符合运转安全和环境保护( 减振、降噪等) 方面的要求； ( 6 ) 使用的控制方便、可靠。 在现代的机器设计中，为了优化机器的设计方案，传动方案的确定都是同 原动机的选择、工作机构的选定通盘考虑的。也就是考虑原动机、传动装置与 工作机的匹配问题。传动装置的选用，通常并没有一成不变的程序可行，而要 根据不同机器的具体条件和复杂程度，经多方案的分析比较才能选定。以下几 方面是在选定传动装置类型时要具体分析考虑的： ( 1 ) 机械特性：传动装置的机械特性( 一般是指转矩转速曲线) 要与原 动机和工作机的机械特性相匹配，使机器能在最佳状态下运转。 ( 2 ) 轴线方位：在机器中，传动装置通常都位于原动机和工作机之间，因 此传动装置输入、输出的轴线取决于原动机和工作机的轴线方位，即同轴线、 平行轴线、平面相交轴线或空间交叉轴线。据此，就基本上确定了可选用的传 1 2 动大类别。例如：带传动、链传动通常只适用于平行轴传动；行星齿轮传动通 常是同轴线传动；如果两轴空间交错，可选用的是准双面齿轮传动、交错轴斜 齿轮传动，或蜗杆传动。 ( 3 ) 功率范围：各种机械传动都有各自最合理的功率范围，例如摩擦轮传 动不适于传递大功率，而圆柱齿轮传递的功率可达数万k w 。因此，要在最合 理的功率范围内来选择传动装置的类型。 ( 4 ) 速度：受运转时发热、振动、噪声或制造精度等条件的限制，各种传 动装置的极限速度( 转速) 虽然在不断提高，但考虑经济性后，其合理的速度 范围还是存在的。例如，v 带传动受带与带轮间产生的气垫、带体发热和离心 力的限制，其最高带速为2 5 - - 3 0 m s ；如果带速过低、带的根数将增加过多， 这也是不可取的。几种链传动和带传动的有效功率尸与最大功率。嘣之比值与 速度v 的关系如图2 1 所示。 ( 5 ) 传动比范围：各种机械传动单级传动比的合理范围差别很大，这是由 于传动装置的结构条件有很大不同引起的。例如，圆柱齿轮传动，通常其单级 传动比i 1 0 ，而单级谐波传动的传动比f 可达5 0 0 。因此，按合理的传动比范 围来选用传动装置类型是重要的。 ( 6 ) 传动效率：对于小功率的传动，其传动效率的高低一般不太引人注意； 但是对于大功率的传动，其传动效率对能源的消耗和运转费用的影响就举足轻 重了。因此在这种情况下，就应该优先考虑选用传动效率高的传动类型。 毒 誉 耋耋耋萋y p 二y 毒_ 蘧灌口7 m 5 - ! 图2 1 带传动的有效功率与最大功率之比值 ( 7 ) 寿命：机械传动装置的寿命主要表现在疲劳寿命和磨损寿命两方面， 在设计机械传动装置时，一般都做了详细的考虑和计算。 ( 8 ) 外廓尺寸：在相同的传动功率和速度下，采用不同类型的传动装置， 其外廓尺寸可以相差很大。如果受安装空间限制，要求结构紧凑时，就不宜采 用带传动和链传动。相反，如果由于布置上的原因，要求主从动轴之间的距离 较大时，就应该采用带传动或链传动，而不宜采用齿轮传动。 ( 9 ) 重量：很多机器对自重有限制，例如飞机等航空器、机动车辆、安装 在海上钻探平台上用的机器等。在这种情况下，传动装置的重量( 常用功率重 量比g p ，k g k w 来表示) 在选择传动时就要重点考虑了。各种传动的g p 差 别很大，即使是同类传动，各型式传动的g p 值也不同。 ( 1 0 ) 变速要求：通常可以用机械有级变速或无级变速传动装置来满足机 器的变速要求。有级变速常采用圆柱齿轮传动，或采用带、链的塔轮机构来实 现。后者由于操纵不方便、尺寸大，目前已很少用。机械无级变速最常用的是 摩擦式无级变速器，它有结构紧凑、传动平稳、噪声小等优点，但传递的功率 不能太大，寿命也较短。 ( 1 1 ) 运转的平稳性：由于高速、重载机器的发展和对环境的保护日益重 视，因而对传动装置运转平稳性的要求也愈加严格。传动装置运转平稳性的主 要指标是振动和噪声，它反映了传动装置的制造质量水平。许多重要的传动装 置，其订货合同中都明确规定验收的振动、噪声等级。由于各种传动装置的设 计尺寸和应用条件不同，因此对振动、噪声的要求也不同。不同类型的传动装 置只要提高制造精度，通常都可以在一定程度上将振动、噪声降下来，但是由 于制造成本增加，在经济上不一定合算。因此，在运转平稳性要求高的场合， 选择蜗杆传动或带传动可能是有利的。 ( 1 2 ) 价格：传动装置的初始费用主要决定于价格，这是在选用传动装置 类型时必须考虑的经济因素。 2 2 2 液压传动【1 4 】 液压传动是一种以液体为传动介质，利用液体的压力能来实现运动和力的 传递的一种传动方式。它具有以下特点： ( 1 ) 以液体为传动介质来传递运动的动力。 ( 2 ) 液压传动必须在密闭的容器内进行。 ( 3 ) 依靠密封容积的变化传递运动。 ( 4 ) 依靠液体的静压力传递动力。 2 2 2 气压传动【1 4 】 气压传动是指以压缩空气为工作介质传递动力和控制信号的一门技术，包 括传动技术和控制技术两方面的内容。气压传动具有如下优点： ( 1 ) 工作介质是空气，来源方便，取之不尽，使用后直接排入大气而无污 染，不需要设置专门的回气装置。 ( 2 ) 空气的粘度很小，所以流动时压力损失较小，节能、高效，适用于集 1 4 中供应和远距离输送。 ( 3 ) 气动动作迅速，反应快，维护简单，调节方便，特别适合于一般设各 的控制。 ( 4 ) 工作环境适应性好。特别适合在易燃、易爆、潮湿、多尘、强磁、振 动、辐射等恶劣条件下工作，外泄漏不污染环境，在食品、轻工、纺织、印刷、 精密检测等环境中采用最为适宜。 ( 5 ) 成本低，过载能自动保护。 气压传动与其他传动相比，具有以下缺点： ( 1 ) 空气具有可压缩性，不易实现准确的速度控制和很高的定位精度，负 载变化时对系统的稳定性影响较大。 ( 2 ) 空气的压力较低，只适用于压力较小的场合。 ( 3 ) 排气噪声较大，高速排气时应加消声器。 ( 4 ) 因空气无润滑性能，故在气路中应设置给油润滑装置。 2 2 3 电气传动【巧】 电气传动又称电力传动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总 称。它是为了合理地使用电动机，通过对电动机的控制，使被拖动的机械按照 某种预定的要求运行。电气传动系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现 生产机械的启动、停止、速度调节以及各种生产工艺过程的要求。 电气传动系统由电动机、控制装置以及被拖动的生产机械所组成。其主要 特点是功率范围极大，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦；调速范围极宽， 转速从每分钟几转到每分钟几十万转，在无变速机构的情况下调速范围可达1 ： 1 0 0 0 0 ；适用范围极广，可适用于任何工作环境与各种各样的负载。电气传动是 国民经济中充满活力的基础技术和高新技术，它的发展和进步已成为更经济地 使用材料、能源、提高劳动生产率的合理手段：成为促进国民经济不断发展的 重要因素：成为国家现代化的重要标志之一。 电气传动可分为不调速和调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动 又分为直流与交流传动两大类。交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机，因其 结构简单、运行可靠、价格低廉、维修方便，故应用面很广。几乎所有不调速 传动都采用交流电动机。 各类传动特性的对比如表2 4 【1 6 】所示。 1 5 表2 - 4 各类传动特性的对比 电力传机械传动 各种特点 动啮合的摩擦的液力的气力的 便于集中供应能量+ + 在远距离传动时，设备简单+ 能量易于储存+ 易于在较大范围内实现有级变速+ 易于在较大范围内实现无级变速+ 保持准确的传动比+ 可用于高转速+ + 易于实现直线运动+ 周