《机械原理》教案-第8章 其他常用机构

PAGEPAGE195《机械原理》教案第八章其他常用机构内容提要本章主要介绍棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构、螺旋机构和万向联轴节机构等常用机构，重点描述了这些机构的工作原理、类型、特点、应用实例及设计要点。在许多机器中，除了采用前面介绍的平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构外，还经常采用其他类型的机构，如间歇运动机构、螺旋机构、万向联轴节机构等。其中间歇运动机构的功能是当主动件作连续运动时，从动件产生周期性的运动和停歇。常见的间歇运动机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构等。8.1棘轮机构8.1.1棘轮机构的工作原理、应用和特点如图8-1所示为一棘轮机构（ratchetmechanism），主动件1是一个可以连续往复摆动的摇杆。当摇杆1逆时针摆动时，驱动棘爪2卡在棘轮的齿槽中（图中A处），拔动棘轮逆时针转过一个角度，此时止动棘爪4在棘轮的齿背上滑过；当摇杆1顺时针摆动时，驱动棘爪2在棘轮的齿背上滑过，而止动棘爪则卡在棘轮的齿槽中（图中B处），阻止棘轮顺时针转动，故此时棘轮静止不动。弹簧5的作用是保证止动棘爪4和棘轮3始终接触。由此可见，当摇杆1作连续摆动时，棘轮3则作单向间歇运动。图8-1棘轮机构工作原理棘轮机构一般用作机床及自动机械的进给机构、送料机构、刀架的转位机构、精纺机的成型机构、牛头刨床的进给机构等。如图8-2所示为牛头刨床的进给机构，当齿轮1转动后，经连杆2带动摇杆3作往复摆动，摇杆3上的棘爪推动棘轮4作间歇转动，与之固连的丝杠5也作同样的间歇转动，从而实现牛头刨床工作台的间歇进给运动。棘轮机构也广泛应用于卷扬机、提升机及牵引设备中，用它作为防止机械逆转的止动器。如图8-3所示的起重止动器，机构工作时，驱动力使轴2逆时针转动，通过键3带动棘轮1及卷筒逆时针转动，而提起重物，此时棘爪4在棘轮的齿背上滑动。当撤掉驱动力后，卷筒与棘轮在重物的作用下有顺时针转动的趋势，此时棘爪4卡在棘轮的齿槽中，防止机构逆转。图8-2牛头刨床的进给机构图8-3起重止动器棘轮机构结构简单，制造方便，运动可靠，且棘轮轴每次转过的角度的大小可以在较大的范围内调节。但棘轮机构不能传递大的动力，而且传动平稳性较差，工作时有较大的冲击和噪声，不适于高速传动。8.1.2棘轮机构的类型在基本的棘轮机构的基础上作些改变，即可得到不同的棘轮机构。按其工作原理可分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。1．齿式棘轮机构齿式棘轮机构的特点是棘轮上分布着若干刚性的棘齿，由棘爪推动棘齿使棘轮作间歇运动，其类型有以下几种分类方式。1）按轮齿分布方式不同分类棘轮机构可分为外棘轮机构（如图8-4a所示）、内棘轮机构（如图8-4b所示）和棘爪棘条机构（如图8-4c2）按工作方式分类按照工作方式棘轮机构可分为单动式棘轮机构（如图8-4所示）和双动式棘轮机构（如图8-5所示）。单动式棘轮机构的特点是当主动摆杆向一个方向摆动时，棘轮沿同一方向转过某一角度，而当主动摆杆反向摆动时，棘轮静止不动，即主动摆杆往复摆动一次，只能使棘轮沿一个方向间歇转动一次。（a）（b）（c）图8-4单动式棘轮机构双动式棘轮机构的棘爪即可以制成钩头的，又可以制成平头的。图8-5a所示为钩头棘爪棘轮机构。工作时，摆杆1往复摆动，棘爪2和3交替钩动棘轮4的棘齿，带动棘轮4顺时针间歇转动两次。当1个棘爪驱动棘轮转动时（如图的棘爪2），另一个棘爪在棘轮的齿背上滑过（如图中的棘爪3）。图8-（a）（b）图8-5双动式棘轮机构3）按棘轮转向是否可调分类按照棘轮转向是否可调棘轮机构可分为单向运动棘轮机构（如图8-4、8-5所示）和可变向运动棘轮机构（如图8-6所示）。单向运动棘轮机构只能实现棘轮沿一个方向的单向转动，而可变向运动棘轮机构可通过改变驱动棘爪的位置，实现棘轮分别沿两个方向单向转动，其棘轮必须采用对称齿形，常用的有梯形齿和矩形齿。图8-5a所示的可变向运动棘轮机构中，棘爪具有对称的爪端，可绕其转动中心A翻转至虚线位置，从而实现棘轮不同转向的间歇运动。图8-AA（a）（b）图8-6可变向运动棘轮机构2．摩擦式棘轮机构齿式棘轮机构中棘轮转角可在较大范围内调节，但是只能进行有级调整，其大小为一个棘齿所对中心角的整数倍。如果需要无级调整棘轮的转角，则可采用摩擦式棘轮机构（如图8-7所示），其传动过程与齿式棘轮机构相似，用楔块代替齿式棘轮机构的棘爪，用没有棘齿的摩擦轮代替棘轮。（a）楔块外接摩擦式（b）楔块内接摩擦式（c）滚子内接摩擦式图8-7摩擦式棘轮机构8.1.3棘轮机构的设计要点棘轮机构的设计主要应考虑：棘轮齿形的选择、模数齿数的确定、齿面倾斜角的确定、行程和动停比的调节方法。现以齿式棘轮机构为例，说明其设计方法。1．棘轮齿形的选择如图8-8所示为棘轮常用齿形。图8-8a所示的不对称梯形棘轮齿形主要用于承受载荷较大的单向式棘轮；当棘轮机构承受的载荷较小时，可采用图8-8b所示的不对称三角形齿形或图8-8c所示的圆弧形齿形；图8-8d所示的对称梯形齿形和图8-8e所示的对称矩形齿形用于双向式棘轮机构。2．棘轮模数、齿数的确定与齿轮相同，棘轮轮齿的有关尺寸也用模数作为计算的基本参数，但棘轮的标准模数要按棘轮的顶圆直径来计算，即 （8-1）为了方便设计和制造，应使齿顶圆直径为整数，模数m应标准化。常用的模数m（单位为mm）值有1、1.25、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10等。棘轮齿数z一般由棘轮机构的使用条件和运动要求选定。对于一般进给和分度所用的棘轮机构，可根据所要求的棘轮最小转角来确定棘轮的齿数，即，一般取，然后选定模数，确定棘轮的齿顶圆直径。（a）（b）（c）（d）（e）图8-8棘轮齿形3．棘轮齿面偏斜角的确定如图8-9所示为棘爪与棘轮齿尖A点接触时棘爪受力分析图。为了使在传递相同转矩时棘爪受力最小，棘爪转动中心与棘轮齿尖A的连线（设长度为L）应垂直于过棘轮齿尖A的向径。棘轮的轮齿工作面与齿尖向径间的夹角为齿面偏斜角，其作用是使棘爪受力时能自动滑向棘轮齿根面，保证棘轮机构可靠工作。棘爪进入棘轮齿槽时，棘轮对棘爪的作用力有正压力和摩擦力。图8-9棘爪受力分析为了使棘爪能顺利进入棘轮齿槽，应使正压力P对棘爪转动中心O2产生的力矩大于摩擦力F对其产生的力矩，即由于（为摩擦系数），则若取摩擦角，即 （8-2）从以上分析可知，棘爪能顺利滑入棘轮的齿根面并自动啮紧的条件为：棘轮齿面偏斜角应大于棘爪与棘轮齿面间的摩擦角。8.2槽轮机构8.2.1槽轮机构的工作原理、特点和应用1．槽轮机构的工作原理如图8-10所示为一典型的槽轮机构（genevamechanism），主要由带有圆柱销的主动拨盘1、带有径向槽的从动槽轮2及机架组成。工作时，主动拨盘1匀速转动，其上的圆柱销嵌入从动槽轮2的径向槽内，随后槽轮2与拨盘1的锁止弧逐渐脱离，圆柱销带动槽轮沿相反的方向转动。当拨盘上的圆柱销离开槽轮的径向槽时，两锁止弧相互配合，确保槽轮不再转动，保持静止状态。如此循环，拨盘作匀速转动时，槽轮作时转时停的单向间歇运动。图8-10槽轮机构槽轮机构的类型很多，按其结构形式可分为外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机构、槽条机构和球面槽轮机构等。图8-11a所示为双圆柱销外啮合槽轮机构，拨盘转一周，槽轮作两次间歇运动；图8-11b所示为内啮合槽轮机构；图8-11c所示为齿条槽轮机构，齿条槽轮类似齿条，拨盘转动1周，下边的槽条间歇移动一次；图8-11d所示为球面槽轮机构，拨盘转动一周，球面槽轮间歇转过一个角度。（a） （b） （c）（d）图8-11常见槽轮机构2．槽轮机构的工作特点及应用槽轮机构的优点是结构简单、制造容易、外形尺寸小，工作可靠，机械效率高，在进入和脱离接触时运动比较平稳，能准确控制转动的角度。不足之处是槽轮的转角不可调节，所以只适用于定转角的间歇运动机构中，如自动机床、电影机械、包装机械等。如图8-12所示为某一六角车床的刀架转位机构。刀架3上装有六种刀具，与刀架固连的槽轮2上开有六个径向槽，拨盘1上装有一圆销A，每当拨盘转动一周，圆柱销A就进入槽轮一次，驱使槽轮转过60°，刀架也随之转动60°，从而将下一工序的刀具换到工作位置上。如图8-13所示为某一电影放映机构中的槽轮机构。为了适应人眼的视觉暂留现象，采用了槽轮机构，使影片作间歇运动。图8-12六角车床刀架的转位机构图8-13放映机的卷片机构如图8-14所示为某一蜂窝煤制作机，该机器的模盘转位机构采用了单销四槽槽轮机构，可满足模盘完成制煤四道工序的停歇和转位的运动要求。图8-14蜂窝煤制作机8.2.2槽轮机构的运动特性1．槽轮机构的基本参数1）槽轮的槽数如图8-15所示，为使槽轮开始和终止转动的瞬时角速度为零，以避免圆柱销与槽轮发生冲击，圆销进入径向槽或退出径向槽时，径向槽的中心线应切于圆销中心的轨迹。设径向槽的数目为z，当槽轮2转过时，拨盘1的转角为 （8-3）2）运动系数和圆柱销数槽轮每次运动的时间对主动件回转一周的时间t之比称为运动系数，以表示。当构件1等速回转时，可用构件1的转角之比来表示，即因此 （8-4）因为运动系数必须大于零，所以由式（8-4）可知，槽轮的槽数应等于或大于3。对于图8-15所示的单圆销外槽轮机构，槽轮的运动系数总小于1/2，即槽轮的运动时间总小于静止时间。如需得到的槽轮机构则须在构件1上安装多个圆销。设k为均匀分布的圆销数，则一个循环中槽轮的运动时间比只有一个圆销时增加k倍，故有表示槽轮作连续转动，故应小于1，即有 （8-5）由（8-5）式可知：当时，可取；当或5时，可取；当，则可取。由于时，工作过程中槽轮的角速度变化大，而时，槽轮的尺寸将变得较大，转动时的惯性力矩也较大，但对的变化却不大，因此槽数z常取为。2．槽轮机构的运动特性如图8-16所示为外槽轮机构在转动过程中的某一瞬时位置，其拨盘1和槽轮2的转角分别为和。由图可得 （8-6）令，并代入式（8-6）得 （8-7）将式（8-7）对时间t求导，便得槽轮的角速度为 （8-8）当拨盘角速度为常数时，槽轮的角加速度为，有 （8-9）图8-15单圆销外槽轮机构图8-16外槽轮机构的任一工作位置由式（8-8）和式（8-9）可知，当拨盘的角速度一定时，槽轮的角速度和角加速度的变化取决于槽轮的槽数。图8-19所示为不同槽数的外槽轮角速度和角加速度的变化曲线。由图可看出，槽轮角速度和角加速度的最大值随槽数的增大而减小。此外，当圆销开始进入和退出径向槽的瞬时，由于角加速度有突变，故存在柔性冲击，且冲击的大小，随槽轮槽数的减少而增大。图8-17外槽轮角速度和角加速度的变化曲线8.3不完全齿轮机构8.3.1不完全齿轮机构的工作原理和特点不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮机构演化而成的一种间歇运动机构，它与普通渐开线齿轮机构不同之处是轮齿没有布满整个圆周，如图8-18所示，主动轮上只有一个或几个轮齿，其余部分为锁止弧。而从动轮上的轮齿分布则视机构运动时间与静止时间的要求而定，图8-18所示的两不完全齿轮机构中，主动轮连续转动一周，从动轮分别转八分之一周（图8-18a）和四分之一周（图8-18b不完全齿轮机构结构简单、容易制造、工作可靠，且只要适当地选取齿轮的齿数、锁止弧的段数和锁止弧之间的齿数，就能使从动轮得到预期的停歇次数、停歇时间及每次转过的角度。但不完全齿轮机构在轮齿开始进入啮合与脱离啮合时，因速度突变，引起刚性冲击，故一般只用于低速轻载场合，常在多工位、多工序的自动机和半自动机工作台的间歇转位机构，以及在要求具有间歇运动的计数机构、进给机构中采用。（a）（b）图8-18不完全齿轮机构8.3.2不完全齿轮机构的设计要点1．改善从动齿轮的动力特性不完全齿轮机构在开始和终止接触时，由于速度突变而产生刚性冲击，故不适用于高速的间歇运动场合。为了改善其动力特性，可在主、从动齿轮的端面上分别安装如图8-19所示的瞬心线附加板K和L。其作用是在首齿接触传动之前，让瞬心线附加板K和L先接触，使从动轮的角速度从一个尽可能小的值过渡到所需的等角速度值。因此，在设计板K和L时，要保证其接触点位于中心线上，从而成为两轮的速度瞬心。同样，为减小主动轮末齿在退出啮合时的刚性冲击，也可以设计另一对瞬心线附加板，这样，从动轮的角速度就会由正常值逐渐减小为零，使得整个运动过程都可保持速度变化平稳。通常，由于不完全齿轮机构在终止运动阶段的冲击比开始运动阶段的冲击小，为使结构简化，一般在终止运动阶段不设瞬心线附加板。2．避免主、从动齿轮齿顶干涉当主动轮与从动轮接触传动时，如果轮齿顶部齿廓被从动轮的齿顶圆弧所阻挡，不能进入啮合，即发生齿顶干涉。如图8-20所示，主动轮虚线齿与从动轮发生干涉，其原因是两轮齿顶圆的交点位于从动轮第一个正常齿的非工作齿廓的右侧。为避免齿顶干涉，可将主动轮的齿顶高降低，即将主动轮齿顶圆半径减小为，使两轮齿顶圆的交点正好为D点，如图8-20所示中的实线齿所示。图8-19具有瞬心线附加板的不完全齿轮机构图8-20不完全齿轮机构的干涉8.4凸轮式间歇运动机构8.4.1凸轮式间歇运动机构工作原理和特点如图8-21所示的凸轮式间歇运动机构，工程上又称凸轮分度机构，由主动凸轮1、从动转盘2和机架3组成。从动转盘2端面（如图8-21a所示的圆柱凸轮）或径向（如图8-21b所示的蜗杆凸轮）上周向均布着若干柱销4（a）（b）图8-21凸轮式间歇运动机构前面介绍的棘轮机构、槽轮机构及不完全凸轮机构，由于它们的结构、运动和动力条件的限制，一般只适用于低速场合；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改善动力性能，可减小动载荷和避免刚性与柔性冲击，故可适用于高速运转的场合。凸轮式间歇运动机构结构简单、运转可靠、传动平稳、转位精确、无需专门的定位装置，但对凸轮加工精度要求高、装配调整要求严格。8.4.2凸轮式间歇运动机构的类型和应用凸轮式间歇运动机构一般有两种形式：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如图8-21a所示的圆柱凸轮间歇运动机构中，主动凸轮1的圆柱面上有一条两端开口、不闭合的曲线沟槽。从动转盘2端面上均匀分布着柱销2．蜗杆凸轮间歇运动机构在图8-21b所示的蜗杆凸轮间歇运动机构中，主动凸轮1为圆弧面蜗杆形凸轮，其上有一条凸脊，就像变螺旋角的圆弧蜗杆，从动转盘2的径向上均匀分布着柱销，就像蜗轮的轮齿。当蜗杆凸轮转动时，通过其上的凸脊推动转盘上的柱销4，从而使从动转盘作间歇运动。蜗杆凸轮间歇运动机构可在高速下承受较大的载荷，运转平稳，定位精确，噪音和振动很小，广泛应用于要求高速，高精度的分度转位机械中，如高速冲床，多色印刷机，包装机等。8.5螺旋机构8.5.1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。如图8-22所示，螺旋机构由螺杆1、螺母2和机架3组成。（a）单螺旋机构（b）双螺旋机构图8-22螺旋机构常用的螺旋机构中除了包含螺旋副外还有转动副和移动副。螺杆1为主动件作回转运动，螺母2为从动件作轴向移动；也可使螺母不动，而螺杆一面旋转，一面轴向移动；在螺纹导程角足够的情况下，也可将螺母作为主动件，令其沿轴向移动，而迫使螺杆转动。按其功用的不同，螺旋机构可分为单式螺旋机构、复式螺旋机构和差动螺旋机构三种类型。1．单式螺旋机构如图8-22a所示的螺旋机构，其中A为转动副，B为螺旋副，导程为，C为移动副。因其只包含一个螺旋副，故称为单式螺旋机构。当螺杆1转过的角度为时，螺母2的位移s为 （8-10）2．复式螺旋机构如图8-22b所示的螺旋机构，A、B均为螺旋副，其导程分别为和。若两螺旋副的螺纹旋向相反，则当螺杆1转角为时，螺母2的位移s为两螺旋副移动量之和，即 （8-11）由式（8-11）可知，图8-24b所示的螺旋机构相较于单式螺旋机构可以使螺母2产生更大的位移，这种螺旋机构称为复式螺旋机构。3．差动螺旋机构如图8-22b所示的螺旋机构，若A、B两螺旋副的螺纹旋向相同，则当螺杆1转角为时，螺母2的位移为 （8-12）8.5.2螺旋机构的特点和应用螺旋机构有如下特点：（1）能将回转运动变换为直线运动，运动准确性高，且有很大的降速比；复式螺旋可以获得较大的位移，差动螺旋可以获得微小的位移；（2）结构简单，制造方便；（3）工作平稳，无噪声，可以传递很大的轴向力，反行程有自锁作用；（4）传动效率低，相对运动表面磨损较快；（5）实现往复运动要靠主动件改变转动方向来实现。螺旋机构广泛应用于机械工业、仪器仪表、工装、测量工具等领域，如螺旋压力机、千斤顶、车床刀架和工作台的丝杠、台钳、车厢联接器、螺旋测微器等。如图8-23所示为单式螺旋机构在切削机床横向进刀机构中的应用。通过机床丝杠1的转动，带动与之螺旋副相联的刀架2，使之横向移动。如图8-24所示为螺旋拆卸机构，压紧螺杆1与横梁2构成螺旋副，横梁2上装有爪子3、4，当压紧螺杆1转动并向下运动时，可将轴承从轴上拆卸出来。图8-23切削机床横向进刀机构图8-24螺旋拆卸装置如图8-25所示为复式螺旋机构在压榨机构中的应用。螺杆1两端分别与螺母2、3组成旋向相反且导程相同的螺旋副A与B。根据复式螺旋原理，当转动螺杆1时，螺母2与3很快地靠近，再通过连杆4、5使压板向下运动，以压榨物件。图8-25压榨机构8.6万向联轴节万向联轴节主要用于传递两相交轴之间的动力和运动，且在传动过程中，允许两轴之间的夹角在一定范围内变动，故万向联轴节是常用的变角传动机构之一，被广泛应用于汽车、机床、冶金机械等传动系统中。万向联轴节根据其结构特点可分为单万向联轴节、双万向联轴节两种形式。8.6.1单万向联轴节如图8-26所示为单万向联轴节，主动轴1与从动轴2的端部各带一个叉头，两叉头分别与中间十字轴3构成转动副A和B，主动轴1与转动副A、转动副A和B、从动轴2与转动副B的轴线分别互相垂直，且均相交于十字轴3的中心O。主动轴1与从动轴2的轴线夹角记为。由单万向联轴节的结构特点可知，当主动轴1转动一周，从动轴3也随之转动一周，但两轴的瞬时传动比却因位置不同而发生变化。现取两个特殊位置来说明主动轴1与从动轴2转速之间的关系。图8-26单万向联轴节如图8-27a所在的位置是主动轴1的叉面在图面上，从动轴2的叉面垂直于图面。设此时主动轴1的角速度为，从动轴2的角速度为，现取A为参考点，经过运动分析可得，A点为轴1、轴2以及十字轴3的等速重合点，即 （8-13）（a）（b）图8-27单万向联轴节运动关系而，，代入上（8-13）式可得 （8-14）当两轴由图8-27a所在的位置转过90°到达图8-27b所示位置时，设此时主动轴1的角速度为，从动轴2的角速度为，现取B为参考点，经过与上述相同的分析，可得 （8-15）当两轴继续转过90°，两轴的角速度又恢复到式（8-14）所示的关系。由此可知，当主动轴1以等角速度回转时，从动轴2的角速度将在和的范围内作周期性的变化，即 （8-16）由式（8-16）可知，从动轴2的角速度变化的范围与两轴夹角有关，因此在单万向联轴节中，一般取。8.6.2双万向联轴节