第9章螺旋机构、万向联轴器、间歇运动机构

第9章螺旋机构、万向联轴器、间歇运动机构简介图9-1a中，A为螺旋副，其导程为l；B为转动副，C为移动副。当螺杆1转动φ角时，螺母2的位移s为如果将图9-1a中的转动副B也换成螺旋副，便得到图9-1b所示的螺旋机构。现假设A、D两段螺旋的导程分别为lA、lD，当螺杆1转动φ角时，螺母2的位移s为Fig.9-1Screwmechanisms(螺旋机构)

1—Screw(螺杆)2—Nut(螺母)3—Frame(机架)A—Screwpair(螺旋副)

B—Turningpair(转动副)C—Slidingpair(移动副)D—Screwpair(螺旋副)9.1螺旋机构Fig.9-2Rollerscrewmechanism(滚珠丝杠传动机构)根据螺杆与螺母之间摩擦状态的不同，螺旋机构可分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构。滑动螺旋传动中，螺杆与螺母的螺旋面直接接触，其摩擦状态为滑动摩擦。滚动螺旋传动中，螺杆与螺母的螺纹滚道间有滚动体，称之为滚珠螺旋传动机构。图9-2所示滚珠丝杠传动机构中，滚珠沿螺旋槽滚动，并借助于导向装置将滚珠导入返回滚道，然后再进入工作滚道中，如此循环往复，使滚珠形成一个闭合的循环回路。滚珠螺旋传动机构具有传动效率高、起动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点。Fig.9-3Singleuniversaljoint(单万向联轴器)9.2万向联轴器1.单万向联轴器

单万向联轴器由两个固接于轴Ⅰ和轴Ⅱ端部的叉形接头、一个十字形构件和机架组成，如图9-3a所示。十字形构件的中心O与两轴轴线的交点重合，轴Ⅰ和轴Ⅱ所夹的锐角α称为万向联轴器的轴角。主动轴Ⅰ每转一周，从动轴Ⅱ也随之转动一周，但是两轴的瞬时传动比却因位置的不同而随时变动。图9-3b是两个叉面球面运动示意图。轴Ⅰ的叉面由OD转动φ1，到达OA。轴Ⅱ的叉面转过φ2到达OB。轴Ⅰ及轴Ⅱ的角速度分别为ω1和ω2。2.双万向联轴器在双万向联轴器中，为使主、从动轴的角速度始终保持相等，应满足如下条件：1)主、从动轴Ⅰ、Ⅱ与中间轴Ⅲ应位于同一平面内。

2)中间轴两端的叉面应位于同一平面内。

3)主动轴与中间轴的夹角应等于从动轴与中间轴的夹角。Fig.9-4Doubleuniversaljoints(双万向联轴器)9.3棘轮机构图9-5所示的棘轮机构由主动摇杆1、棘爪2、棘轮3、止回棘爪4和机架等部分组成。弹簧5用来使止回棘爪4和棘轮3保持接触。主动摇杆1空套在与棘轮3固连的从动轴O上，并与棘爪2用转动副相连。当主动摇杆作逆时针方向摆动时，棘爪2便插入棘轮3的齿槽内，推动棘轮转动一定的角度，此时止回棘爪4在棘轮的齿背上滑过。当主动摇杆顺时针摆动时，止回棘爪阻止棘轮顺时针方向转动，棘爪2在棘轮的齿背上滑过，棘轮3保持静止不动。这样，当主动件作连续的往复摆动时，棘轮作单向的间歇转动。Fig.9-5Ratchetmechanism(棘轮机构)

1—drivingrocker(主动摇杆)

2—drivingpawl(棘爪)3—ratchet(棘轮)

4—holdingpawl(止回棘爪)5—spring(弹簧)1.棘轮机构的类型及其应用(1)齿式棘轮机构齿式棘轮的轮齿一般采用三角形齿、梯形齿或矩形齿，分为外齿棘轮和内齿棘轮。图9-6a为外齿棘轮机构，图9-6b为棘条机构，图9-6c为内齿棘轮机构。根据驱动爪的数目，棘轮机构还可分为单动式棘轮机构和双动式棘轮机构。

Fig.9-6Toothratchetmechanisms(齿式棘轮机构)图9-7a所示的机构为双动式棘轮机构。主动摇杆1不是绕棘轮转动中心O1摆动，而是绕O2轴摆动，摇杆上分别装有两个棘爪。当主动摇杆往复摆动一次时，两个棘爪分别推动棘轮沿同一方向间歇转动一次。当载荷较大，齿数较少，摇杆摆角小于齿距角时，需采用双动式棘轮机构。图9-7b所示双动式棘轮机构中,棘爪拉动棘轮实现间歇运动。单向运动棘轮一般采用三角形齿或不对称梯形齿。Fig.9-7Double-functionratchetmechanisms(双动式棘轮机构)

双向棘轮机构指棘轮能作正反两个方向的间歇运动。图9-8a、b所示的机构为摆动棘爪双向棘轮机构。棘爪安放在图9-8a位置时，将推动棘轮沿逆时针方向作单向间歇转动；棘爪安放在图9-8b位置时，推动棘轮沿顺时针方向作单向间歇转动。图9-8c、d所示的机构为直动棘爪双向棘轮机构。棘爪安放在图9-8c位置时，推动棘轮沿逆时针方向作单向间歇转动。棘爪向上提起，转过180°，如图9-8d所示位置，推动棘轮沿顺时针方向作单向间歇转动。Fig.9-8Ratchetmechanismsinwhichtherotatingdirectioncanbechanged(双向棘轮机构)Fig.9-9Table-feedmechanismofashaper

(牛头刨床工作台横向进给机构)双向棘轮机构一般采用矩形齿或对称梯形齿。图9-9所示牛头刨床工作台的横向进给机构中，即采用了图9-8c、d所示的双向式棘轮机构以及曲柄摇杆机构和齿轮机构的组合，从而实现了工作台的双向进给运动。(2)摩擦式棘轮机构摩擦式棘轮机构是依靠棘爪和棘轮之间的摩擦力实现间歇运动的。Fig.9-10Silentratchetmechanisms(摩擦式棘轮机构)图9-10a所示的摩擦式棘轮机构中，依靠棘爪2和棘轮3之间的摩擦力，将主动摇杆1的往复摆动转换成棘轮3的单向间歇转动。它克服了齿式棘轮机构中棘爪在棘轮齿面滑行时引起的噪声大、传动平稳性差以及棘轮每次转过角度的大小不能无级调节等缺点，但其运动准确性较差。图9-10b、c为内摩擦式棘轮机构，其中图9-10c所示机构中的棘爪2为滚柱形。当主动星轮1逆时针方向转动时，由于摩擦力的作用，使滚柱2楔紧在主动星轮1和套筒3之间的空隙小端，从而带动套筒3随主动星轮1以相同的转速回转。当主动星轮1顺时针方向转动时，同样由于摩擦力的作用，使滚柱2滚向主动星轮1和套筒3之间的空隙大端，此时套筒3静止不动，故该机构常用作单向离合器。此外，当主动星轮1逆时针方向转动时，如果套筒3的逆时针转速超过主动星轮1的转速时，星轮1和套筒3脱开，并以各自的速度转动，此时该机构用作超越离合器。2.棘轮机构的设计要点(1)模数、齿数的选择同齿轮一样，棘轮有关尺寸也是以模数为基本参数来确定的，模数的标准值可在手册中查取。棘轮的齿数一般根据所要求的棘轮最小转角θmin来确定，即

Fig.9-11Designofratchetmechanism

(棘轮机构的设计)（2）棘轮齿面偏斜角和棘爪轴心位置角的确定如图9-11所示，棘轮工作齿面AB与径向线O2A的夹角α称为齿面偏斜角，棘爪轴心O1与棘齿顶点A的连线O1A与过点A的齿面法线n—n的夹角δ称为棘爪轴心位置角。Fig.9-12Genevawheelmechanisms1(槽轮机构1)9.4槽轮机构槽轮机构是具有一种分度性质的间歇运动机构，由具有圆销的主动销轮1、具有若干径向槽的从动槽轮2及机架组成，如图9-12a所示。主动销轮1以等角速度ω1连续转动时，从动槽轮2便作单向间歇转动。当主动销轮1上的圆销G进入槽轮2的径向槽时，销轮外凸的锁止nn弧和槽轮内凹的锁止弧mm脱开，圆销G拨动槽轮2作顺时针转动；当圆销G与槽轮脱开时，槽轮因其内凹的锁止弧被销轮外凸的锁止弧锁住而静止。这样，就把销轮的连续回转运动转换为槽轮的单向间歇转动。1.槽轮机构的类型空间槽轮机构用来传递相交轴的间歇运动。图9-13a为垂直相交轴间的球面槽轮机构，槽轮呈半球形，主动销轮1、球面槽轮3以及圆销2的轴线都通过球心，当主动销轮1连续转动时，球面槽轮3作单向间歇转动。图9-13b为移动型槽轮机构，可实现圆弧齿条的间歇移动。Fig.9-13Genevawheelmechanisms2(槽轮机构2)Fig.9-14Genevawheelmechanismshavingspecialfunctions

(有特殊功能的槽轮机构)当要求销轮在转动一周的时间内槽轮多次停歇时间互不相等时，可以将圆销不均匀地分布在主动销轮的圆周上，如图9-14a所示。为提高分度过程中的平稳性，也可采用图9-14b所示的曲线槽轮机构。2.槽轮机构的设计要点(1)槽轮机构的运动系数如图9-15所示，从动槽轮2作周期性的间歇运动。

(2)槽轮机构的槽数为保证销轮能驱动槽轮，运动系数应大于零，槽轮径向槽的数目应大于或等于3，并且总小于0.5。

(3)尺寸设计槽轮机构的尺寸设计可参阅相关设计手册。图9-16为槽轮机构在蜂窝煤机中的应用实例。Fig.9-15DesignofGenevawheel(槽轮机构设计)Fig.9-16ApplicationofGenevamechanisms(槽轮机构的应用)1.圆柱凸轮间歇运动机构

9.5凸轮式间歇运动机构图9-17所示，圆柱凸轮间歇运动机构的主动轮1是带有曲线沟槽或凸脊的圆柱凸轮，从动轮2为带有柱销的圆盘。图9-17a是带有曲线沟槽的圆柱凸轮，图9-17b是带有凸脊的圆柱凸轮。当圆柱凸轮转动时，通过其曲线沟槽或凸脊拨动柱销，使从动圆盘作间歇运动。这种机构多用于两交错轴间的分度运动。Fig.9-17Cylindricalcamindexmechanisms(圆柱凸轮分度机构)

1—drivingcam(主动轮)2—drivenplate(从动轮)2.蜗杆形凸轮间歇运动机构Fig.9-18Worm-camindexmechanisms(蜗杆式凸轮分度机构)

1—drivingcam(主动轮)2—drivenplate(从动轮)如图9-18所示，蜗杆形凸轮间歇运动机构的主动轮1为蜗杆形的凸轮，其上有一条凸脊，就像一个变螺旋角的蜗杆，从动轮2为带有径向均布柱销的圆盘。当蜗杆凸轮转动时，通过其上的凸脊推动转盘上的柱销，从而使从动圆盘作间歇运动。同圆柱凸轮间歇运动机构类似，蜗杆形凸轮间歇运动机构也多用于两交错轴间的分度运动。这种机构具有良好的动力学性能，适用于高速精密传动，但加工制造较为困难。9.6不完全齿轮机构在不完全齿轮机构中，主动轮1连续转动，当轮齿进入啮合时，从动轮2开始转动；当轮齿退出啮合时，由于主动轮1和从动轮2上锁止弧的密合定位作用，使得从动轮2处于停歇位置，从而实现了从动轮2的间歇转动。图9-19为外啮合不完全齿轮机构示意图。Fig.9-19Partialexternalgearteeth