《机械设计基础》第7章其他常用机构课件

第7章其他常用机构§7-1棘轮机构§7-2槽轮机构§7-3不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动机构§7-4螺旋机构

本章重点与难点1.棘轮机构的工作原理及其设计要点2.槽轮机构的工作原理及其设计要点3.螺旋机构及其运动分析

在工程上，绝大数机构中的从动件是作连续运动的，如齿轮机构、曲柄摇杆机构……等。间歇运动机构:一、间歇运动机构的定义是指从动件时而运动、时而静止的机构。§7-1棘轮机构齿轮机构曲柄摇杆机构但是，为了工作的需要，有时机构中的从动件是作非连续的运动。1)棘轮机构2)槽轮机构3)凸轮式间歇运动机构4)不完全齿轮机构

……目前，常用的间歇运动机构有四种:作者：潘存云教授o1o2作者：潘存云教授下面，将分别介绍这四种间歇运动机构。二、棘轮机构及其工作原理1.棘轮机构：是指由摆杆、棘爪、棘轮、止动爪、机架等五者所组成的一种间歇运动机构。作者：潘存云教授棘轮摆杆棘爪止动爪2.工作原理：当摆杆左摆时，棘爪插入棘轮的齿槽内，利用二者的啮合作用，来推动棘轮转过一定的角度。当摆杆右摆时，棘爪滑过棘轮上轮齿，使棘轮静止不动。当摆杆连续的往复摆动时，使得棘轮作单方向的间歇运动。

在棘轮机构中，通常摆杆为原动件，作来回的的往复连续摆动；棘轮为从动件，仅作单方向的间歇转动。牛头刨棘轮机构.exe另外，为了防止棘轮因摩擦力作用而反转，设置了止动爪。机架1.优点2)由于棘爪数目有限，故传递的动力较小。作者：潘存云教授棘轮摆杆棘爪止动爪1)结构简单、制造方便。2)运动可靠、且转角可调。1)由于棘爪进入或退出齿槽时，有较大的冲击和噪音，故传动平稳性较差。适用:低速和轻载的场合。2.缺点三、棘轮机构的优、缺点作者：潘存云教授1.根据棘轮上的轮齿分布情况不同，可分为：1)外缘式棘轮机构:四、棘轮机构的分类作者：潘存云教授作者：潘存云教授2)内缘式棘轮机构:3)端面式棘轮机构:端面式内缘式.exe外缘式若轮齿分布在棘轮的外表面上。若轮齿分布在棘轮的内表面上。若轮齿分布在棘轮的端面上。作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授单动式棘轮机构2.根据棘爪的数目不同，可分为：1)单动式棘轮机构:双动式棘轮机构.exe2)双动式棘轮机构:若棘爪数目为1。若棘爪数目为2。作者：潘存云教授1)单向式棘轮机构:3.根据棘轮的转向是否可调，可分为:AB’B双向式1.exe作者：潘存云教授单向式2)双向式棘轮机构:若棘轮的转向不可调，仅单方向转动。若棘轮的转向可调，可双方向转动。作者：潘存云教授作者：潘存云教授4.根据棘轮的转角是否可调，可分为:2)可调转角棘轮机构:(2)可通过改变各杆长度来调整摆杆摆角大小,以达到调节棘轮的转角023451φ023451φ(1)可通过改变滑动罩位置,来调节棘轮的转角1)固定转角棘轮机构:作者：潘存云教授固定转角可调转角若棘轮转角不可调。若棘轮转角可调。作者：潘存云教授作者：潘存云教授2)摩擦式棘轮机构:5.根据棘轮机构工作原理的不同，可分为:132摩擦棘轮.exe1)轮齿式棘轮机构:作者：潘存云教授本节仅介绍轮齿式棘轮机构及其设计。利用棘爪与棘轮啮合作用来传递运动和动力。利用棘爪与棘轮间摩擦力来传递运动和动力。五、棘轮机构的应用1.实现进给3.实现止动2.实现转位或分度作者：潘存云教授ABCD间歇转动钻头钻孔工位自动钻床六、棘轮机构的设计要点1.棘轮齿数z的确定棘轮齿数z：一般是根据棘轮机构的“使用条件”和“运动要求”来确定。如：对于分度所用的棘轮机构，若已知棘轮最小转角为20°，则棘轮齿数z可取：18、36、54、72……。作者：潘存云教授通常z≤250，一般推荐z=8～30

。棘轮模数：棘轮模数m是根据棘轮的“齿顶圆直径da”（可以事先确定）来确定。即

2.棘轮模数m的确定最后，将上述m的计算结果按照“偏大就近”原则取为标准值（其中模数标准如下所示）。m=da

/z……(1)1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、8、10……作者：潘存云教授dao1Ao2Σ=90°

欲使棘爪能自动滑入棘轮中的齿槽，推动棘轮转动，必须满足如下条件：α正压力Pn：垂直棘轮工作齿面摩擦力F：沿着棘轮工作齿面Mo2(Pn)>Mo2(F)M齿面倾斜角结构特点：1)若不计棘爪重量，则棘爪为二力杆，即它所受压力P是沿O2A方向。PnFP另为便于研究，常将P分解:……(a)2)当P与O1A垂直时，驱动棘轮转动的力矩为最大（此为最佳设计理念）。3.棘轮齿面倾斜角α的确定齿面倾斜角:棘轮齿面与径向线O1A间所夹的锐角，记为α。作者：潘存云教授dao1Ao2Σ=90°LprPnFPn

sinα∵

F=Pnf

代入上式得：tgα>f∴

α>φ

若

f=0.2

时，则有φ＝11°30’

，即α>11°30’

。设计时，通常取α＝20°（规定值）αFtFrMo2(Pn)>Mo2(F)

为便于求出上述二个力矩，将力Pn和F均分解成二分力(一个分力沿O2A方向，另一个分力垂直O2A方向)。M=tgφ齿面倾斜角ααFcosα>LLpt上式，φ

------称为摩擦角……(a)……(1)由合力矩定理可得:作者：潘存云教授作者：潘存云教授4.棘轮机构的主要几何尺寸计算模数m 1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、8、10

齿顶圆直径dada=mz与齿轮不同

齿间距pp=πm

齿高hh=0.75m

齿顶弦长aa=m棘爪工作面长度a1a1=(0.5~0.7)a

齿倾角αα＝20°棘轮宽bb=(1~4)m棘爪斜高h1

、齿斜高h’h1=h’

≈h/cosα棘轮齿根圆角半径rfrf=1.5mm棘爪尖端圆角半径r1r1=2mm

棘爪长度L一般取

L=2pa1Lpadaαo1o2

齿数z8~30作者：潘存云教授

棘轮参数及尺寸

计算公式或取值h’h1rfr1h作者：潘存云教授o2ω1ω2§7-2槽轮机构一、槽轮机构及其结构特点1.槽轮机构：是指由拨盘1、槽轮2、机架3等三者所组成的一种间歇运动机构。o1槽轮2拨盘1

在该机构中，通常拨盘1为原动件，以ω1作匀速转动；槽轮2为从动件，以ω2作间歇转动。电影放映机.exe作者：潘存云教授o2ω1ω2o1锁止弧槽轮2拨盘1圆销2)在槽轮和拨盘上均设置有锁止弧，其中槽轮上的锁止弧为内凹圆弧，拨盘上的锁止弧为外凸圆弧。当二个锁止弧接触时，槽轮被锁定，即槽轮静止不动；反之，当二个锁止弧不接触时，槽轮被松开，即槽轮可以转动。1)在槽轮机构中，通常槽轮2上设置有数根径向槽；拨盘1上固结若干个圆销。2.结构特点：3)当圆销进入或退出槽轮上的径向槽时，为了避免二者发生刚性冲击，在设计时，一般要求径向槽中心线O2A与圆销径向线O1A之间的夹角为90°。A作者：潘存云教授o2ω1ω2o1锁止弧槽轮2拨盘1圆销1.工作原理：当拨盘1上的圆销尚未进入槽轮上的径向槽时，槽轮被锁止弧卡住，即槽轮静止不动。当拨盘上的圆销在图示位置开始进入槽轮上的径向槽时，锁止弧被松开，槽轮在圆销的推力作用下，将驱使槽轮作间歇转动。

1

很显然，槽轮转过角度大小与其槽数z(如图z=4)有关。二、槽轮机构的工作原理和优、缺点如：在“4槽的槽轮机构”中：当拨盘匀速旋转一圈时，槽轮仅旋转1/4圈。又如：在“6槽的槽轮机构”中：当拨盘匀速旋转一圈时，槽轮仅旋转1/6圈。A作者：潘存云教授o2ω1ω22.优、缺点：o1锁止弧槽轮拨盘圆销适合:低速场合。缺点:由于槽轮时而转动，时而静止，故它会产生角加速度和惯性力矩，工作时易产生冲击和振动，表现为平稳性较差。优点:1)结构简单、制造容易。2)工作可靠、机械效率高。作者：潘存云教授作者：潘存云教授三、槽轮机构的分类与应用2.应用：起转位作用。如电影放映机、自动摄影机。1)外啮合槽轮机构2)内啮合槽轮机构1.槽轮机构的分类o1o2ω12φω2设计：潘存云电影放映机.exe外啮合槽轮机构内啮合槽轮机构根据啮合方式的不同，它可分为：作者：潘存云教授

设拨盘以ω1作匀速转动，当拨盘旋转一周时，称为一个运动循环。其中所花的时间为t

，其值为

t＝2π/ω1

k=td/t2α12φ2td＝2α1/ω1

由于槽轮时而转动，时而静止，故一个运动循环内，设槽轮的运动时间为td，静止时间为ts，其值分别为:=2α1/2π……(1)ω1ω2四、槽轮机构的设计要点ts＝t－td运动系数:是指在一个运动循环中，槽轮的运动时间td与整个运动循环时间t之比值，常记为k

。……(a)……(b)……(c)定义式:1.运动系数k作者：潘存云教授

k=td/t

另由结构特点可知，当圆销进入或退出径向槽时，为了避免二者发生刚性冲击，要求径向槽中心线O2A与圆销径向线O1A成90°。故有：

α1+=π/22α12φ2=2α1/2π……(1)2α1=π－2φ22α1=π－(2π/z)将式(d)代入式(1)，得ω1ω290°90°或

式中，z－槽轮上的径向槽数，简称槽数。……(d)计算式:或……(2)结论:0＜k＜1；若k=1，则为连续运转机构＜AO2O1

1)

∵

k>02)当只有一个圆销时，运动系数k=1/2-1/z3)如果想要得到k≥0.5的槽轮机构（即槽轮的运动时间大于其静止时间），则可在拨盘上多装几个圆销。∴槽数

z≥3

即槽轮的运动时间总是小于其静止时间。＜

0.5计算式:

讨论:……(2)

k=n(1/2-1/z)∵k＜

1∴

n＜

2z/(z-2)≥61~2槽数z圆销数n31~5

41~351~3

设在拨盘上均匀安装有n个圆销，当拨盘回转一圈时，则槽轮将被拨动n次，故此时槽轮机构的运动系数是单圆销的n倍，即:……(3)……(4)根据式(4)，可知圆销数目n与槽数z之间的关系，见下表。2.圆销数目n与槽数z之间的关系ω2ω1o13.槽轮机构的运动特性分析（简介）外啮合槽轮机构

在一个运动循环中，由于槽轮常处在“时而转动，时而静止”的工作状态中，故槽轮的角速度ω2和角加速度α2均随着时间的变化而变化的。为了便于了解上述二者的变化规律，可将上述二者的变化规律分别用一个图形来表示，此二个图形总称为槽轮机构的运动特性曲线图。运动特性曲线图z=4z=6z=4z=6结论：当拨盘以ω1作匀速转动时，槽轮的ω2max、α2max与槽数z有关，当槽数z越大时二者的数值越小。因此，设计槽轮机构时，为减小其冲击和振动，应选用较大槽数z，另为了便于分度应尽可能取为“偶数”。作者：潘存云教授α2-60˚-40˚-20˚020˚40˚60˚

-50˚-30˚-10˚10˚30˚50˚

8642-4-6-8α作者：潘存云教授α54321-60˚-40˚-20˚020˚40˚60˚

-50˚-30˚-10˚10˚30˚50˚

作者：潘存云教授4.槽轮机构的主要几何尺寸计算圆销半径r

由受力大小确定

r≈R/6中心距L

由安装空间确定回转半径R

R=Lsinφ=Lsin(π/z)槽顶半径s

s=Lcosφ=Lcos(π/z)槽深h

h≥s-(L-R-r)拨盘轴径d1

d1≤2(L-s)槽轮轴径d2

d2≤2(L-R-r)参数及尺寸

计算公式或依据槽数z

由工作要求确定圆销数nsd2r槽顶侧壁厚b

b=3~5

mm经验确定b锁止弧半径r0

r0=R-r-bRLh12d1r0φ例1：在外啮合槽轮机构中，已知槽数z＝6，槽轮运动时间td=2ts，其中槽轮静止时间ts=5/6s，试求1)拔盘一个运动循环时间t；2)运动系数k；3)拔盘上圆销数目n。解：1)求拔盘一个运动循环时间t2)求运动系数k3)求拔盘上圆销数目n因为所以个一、不完全齿轮机构工作原理：当两齿轮的轮齿同时进入啮合时，主动齿轮1推动从动齿轮2转过一定角度；当两齿轮脱离啮合时，从动齿轮2保持静止不动，从而实现从动齿轮2作间歇运动。作者：潘存云教授不完全齿轮机构：是指由主动齿轮1、从动齿轮2、机架3等三者所组成的一种间歇运动机构。12在结构上，主动齿轮1只有一个或几个轮齿（取决于从动齿轮2的运动时间和停歇时间），其余部分均为锁止弧。从动齿轮2也要制作出与主动轮相对应数量的轮齿和锁止弧。

在该机构中，一般是主动齿轮1作匀速连续的转动；从动齿轮2作间歇的转动。§7-3不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动机构作者：潘存云教授作者：潘存云教授1)外啮合不完全齿轮机构2)内啮合不完全齿轮机构内啮合不完全齿.exe根据两齿轮啮合方式的不同，它可分为:外啮合不完全齿轮机构优点：从动齿轮的运动时间和静止时间，均可在较大范围内变化（即取决于主动齿轮上轮齿数量的多少）。缺点：当主动齿轮进入啮合与脱离啮合时，均有较大冲击和振动。作者：潘存云教授适用:低速、轻载场合。12如：蜂窝煤成型机等。作者：潘存云教授

蜂窝煤成型机退煤饼填料填料锁止弧锁止弧压制不完全齿轮二、凸轮式间歇运动机构

很显然，转盘2的间歇运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状。凸轮式间歇运动机构:是指由凸轮1、转盘2和机架3等三者所组成的一种间歇运动机构。

在该机构中，通常凸轮1为原动件，以ω1作匀速转动；转盘2为从动件，以ω2作间歇的转动。作者：潘存云教授1)圆柱凸轮式间歇运动机构2)蜗杆凸轮式间歇运动机构适用：高速、高精度场合，如制瓶机、包装机、高速冲床、印刷机等机械。特点:工作平稳、无冲击。根据凸轮的形状不同，它可分为:§7-4螺旋机构1.螺旋机构：是指由螺杆1、螺母2、机架3等三者所组成的一种传动机构，或称为螺旋传动。

在螺旋机构中，通常是螺杆1以ω1作匀速转动；螺母2以速度v2作轴向移动。1)具有较大的减速比，即螺杆ω1较大时，螺母v2较小。适用：微调机构、机床进给装置等。一、螺旋机构及其特点213213213作者：潘存云教授2132.特点：ω1v2功用：2)传递动力。1)传递运动；3)工作时，摩擦和磨损比较大，故机械效率较低。213213213作者：潘存云教授2132)可获得力的很大增益，即螺杆的驱动力矩M1较小时，推力F2较大。ω1v2适用：螺旋压力机、千斤顶等。潘存云教授研制4）工作时，十分容易实现反向自锁。5)精度比较高，能够准确地调整各构件间的相对位置。适用：垂直举起重物的机构。如千斤顶适用：精密机械的进給装置和测量仪器的微调机构。二、螺旋机构的运动分析1)导程l:当螺杆转过任意φ角时，螺母产生的位移s为：

s/φ=l/2πs=lφ/2π……(1)2)螺距p:三者关系：l=n×

p213213213作者：潘存云教授213

在式(1)左、右两边，分别对时间求一阶、二阶导数，可得螺母的移动速度v和加速度a:3)螺纹线数n:v=lω1

/2π；

螺杆旋转一圈(即2π)，螺母移动的轴向距离。螺杆上相邻两个牙齿上对应点的