《机械设计基础》课件第6章

第6章其他常用机构6.1棘轮机构的工作原理和类型

6.2槽轮机构

6.3万向联轴节

6.4螺旋机构

6.5不完全齿轮机构简介

6.6机构的组合6.1棘轮机构的工作原理和类型图6－1所示为一典型的外啮合棘轮机构。该机构由棘轮、棘爪、摇杆、止回棘爪及机架等组成。弹簧用来使止回棘爪与棘轮保持接触。棘轮与从动轴固联，摇杆空套在从动轴上。棘爪与摇杆用转动副连接。当摇杆逆时针方向摆动时，棘爪便插入棘轮的齿槽，推动棘轮转过某一角度，而此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑过。当摇杆顺时针方向摆动时，止回棘爪阻止棘轮顺时针方向转动，此时，棘爪在棘轮的齿背上滑过，因此，棘轮静止不动。这样，当摇杆作连续往复摆动时，棘轮便作单向间歇转动。摇杆的摆动，可用平面连杆机构、棘轮机构等来实现。图6－2所示为内啮合棘轮机构。图6-1外啮合棘轮机构图6-2内啮合棘轮机构6.1.1单向式棘轮机构图6-1所示为单向式棘轮机构。该机构的特点是：当摇杆向某一方向摆动时，棘爪推动棘轮转过某一角度；当摇杆反向摆动时，棘轮静止不动。改变摇杆的结构形状，可以得到如图6-3所示的双动式棘轮机构。当摇杆来回摆动时，都能使棘轮沿单向转动。单向式棘轮机构的轮齿形状为不对称形，常用的是锯齿形（见图6-1）和直边三角形（见图6-2）。图6-3双动式棘轮机构6.1.2双向式棘轮机构当棘轮齿制成方形时，则可成为如图6-4（a）所示的可变向棘轮机构。图6-4（b）为另一种可变向棘轮机构，当棘爪提起并绕自身轴线转180°后再放下，则可依靠棘爪端部结构两面不同的特点，实现棘轮沿相反方向单向间歇转动。图6-4可变向棘轮机构图6-5带遮板的棘轮机构6.1.3摩擦式棘轮机构图6－6所示是摩擦式棘轮机构，它的工作原理为：当往复摆动的摇杆逆时针方向摆动时，其上半径逐渐增大的楔块就与摩擦轮的侧表面楔紧成一体来实现摩擦轮的运动；当摇杆顺时针摆回时，楔块在摩擦轮的侧表面上滑过，摩擦轮保持静止，从而实现了单向的间歇转动。为了防止从动轮随楔块反向转动，装上了止动楔块。图6-6摩擦式棘轮机构6.1.4棘轮机构的特点及应用

1.棘轮机构的特点

（1）齿式棘轮机构。齿式棘轮机构的主动件和从动件之间是刚性推动，因此转角比较准确，而且转角大小可以调整，棘轮和棘爪的主从动关系可以互换，但是刚性推动将产生较大的冲击力，而且棘轮是从静止状态突然增速到与主动摇杆同步，也将产生刚性冲击，因此齿式棘轮机构一般只宜用于低速轻载的场合，例如工件或刀具的转位，工作台的间歇送进等，棘爪在棘齿齿背上滑过时，在弹簧力作用下将一次次地打击棘齿根部，发出噪音。

（2）摩擦式棘轮机构。这种机构的结构十分简单，工作起来没有噪音(因此有时也称为“无声棘轮”)；棘轮的转角可调，主动与从动的关系也可以互换。但是由于是利用摩擦力楔紧之后传动，因此从动件的转角准确程度较差。通常只适用于低速轻载场合。

2.棘轮机构的应用图6－7所示是一种单向离合器，是棘轮机构的一个典型应用。当主动爪轮逆时针回转时，滚柱借摩擦力而滚向空隙的收缩部分，并将套筒楔紧，使其随爪轮一同回转；而当爪轮顺时针回转时，滚柱即被滚到空隙的宽敞部分，将套筒松开，这时套筒静止不动。利用此种机构，当主动爪轮以任意角速度反复转动时，可使从动的套筒获得任意大小转角的单向间歇转动。故此种机构可用作单向离合器和超越离合器。超越离合器是指能实现超越运动(即从动件的速度可以超过主动件)的离合器。多数棘轮机构都可以用作超越离合器，如自行车中的飞轮。棘轮还常用作防止机构逆转的停止器。这种棘轮停止器广泛用于卷扬机、提升机以及运输机等设备中。图6－8所示即为提升机的棘轮停止器。在棘轮机构中，棘轮多为从动件，由棘爪推动其运动，而制成棘爪的运动可由凸轮机构、连杆机构或电磁装置等来传递。图6-7单向离合器图6-8棘轮停止器6.2槽轮机构6.2.1槽轮机构的工作原理与特点如图6－9(a)所示，槽轮机构由带有圆销A的拨盘、具有径向槽的槽轮及机架组成。拨盘为原动件，槽轮为从动件。当拨盘上的圆销A未进入槽轮时，拨盘的外凸圆弧abc(外锁住弧)锁住槽轮的内凹圆弧efg(内锁住弧)，使槽轮静止不动。图6-9外啮合槽轮机构当圆销A开始进入径向槽时，内、外锁住弧处在图6－9(a)所示的位置(a点与f点重合)，此时已不起锁住作用，于是圆销带动槽轮转动；当槽轮转过角度2Φ2，即圆销A脱离径向槽时(见图6－9（b）)，拨盘的外锁住弧又将槽轮的内锁住弧锁住，使槽轮不能转动。当拨盘连续转动时，上述过程重复出现，即槽轮作单向间歇转动，其转向与拨盘的转向相反。图6－9所示为单圆销外槽轮机构，拨盘转一周，槽轮转动一次。另外，还有内槽轮机构(见图6－10(a))及双圆柱槽轮机构(见图6－10(b))等。内槽轮机构的槽轮的转动方向与拨盘的转动方向相同。在双圆销槽轮机构中，拨盘上装有两个圆销A、B，当拨盘转过一周时，槽轮转动两次。图6-10内啮合槽轮机构和双圆柱槽轮机构图6－11所示为空间槽轮机构，从动槽轮呈半球形，槽和锁止弧均分布在球面上，主动轴的轴线、圆销的轴线都与槽轮的回转轴线汇交于槽轮球心O，故又称为球面槽轮机构。当主动轴连续回转时，槽轮作间歇转动。图6-11空间槽轮机构6.2.2槽轮机构的特点和应用

槽轮机构结构简单、工作可靠，在进入和脱离啮合时运动比较平稳。但在运动过程中的加速度变化较大，冲击较严重，因而不适用于高速。在每一个运动循环中，槽轮转角与其径向槽数和拨盘上的圆柱销数有关，每次转角大小固定而不能任意调节。所以，槽轮机构一般用于转速不很高、转角不需要调节的自动机械和仪器仪表中。如在电影放映机中用作送片机构(图6-12)，在C132单轴转塔自动车床中用作转塔刀架的转位机构等。图6-12电影放映机中的槽轮送片机构6.3万向联轴节6.3.1单万向联轴节图6-13所示的万向联轴节，实际上是一个空间四铰链连杆机构。轴1和轴2相交成α角，分别以普通圆柱面转动副A和D与机架4相铰接。轴1和轴2的端部各装有叉形接头，分别以圆锥面转动副B和C与中间十字形构件3相铰接。B和Ｃ的圆锥面中心线相交于十字形构件3的中点O，该中点也是轴1和轴2的交点。对于图6-13所示的单万向联轴节，当主动轴1回转一周时，从动轴2也随之回转一周。但仔细观察两轴的转动可以发现，当主动轴1作等角速转动时，从动轴2作变角速度的转动。如果我们以主动轴1的叉面位于两轴所组成的平面内时作为它的转角φ1的度量起始位置(此时φ1=0)，则两轴角速比i12的关系式为（6-１）图6-14所示为φ1在180°范围内，i12随α和φ1变化的曲线。由图可见，两轴夹角α越大，角速比或ω2的变化幅度也增大，ω2的变动范围为 。因此在实际使用中，考虑结构和动力性能等各方面条件的限制，α值及其变化范围一般不超过35°～45°。图6-13单万向联轴节图6-14单万向联轴节角速度变化曲线6.3.2双万向联轴节

为了消除上述从动轴变速转动的缺点，常将万向铰链机构成对使用，如图6-15所示，构成双万向联轴节。为使所联接两轴传动的角速度始终保持相等，使ω1=ω3，双万向联轴节必须满足以下两个条件：①主动轴1与中间轴2的夹角必须等于从动轴3与中间轴2的夹角，即：α1=α3；②中间轴2两端的叉面应位于同一平面内。图6-15双万向联轴节6.3.3万向联轴节的特点

万向联轴节结构紧凑，对制造和安装的精度要求不高，能适应较恶劣的工作条件。从传动方面看，它不仅可以传递两轴间夹角为定值时的转动，而且当轴间的夹角在工作过程中有变化时仍可以继续工作。因此在机械中有着广泛的应用。6.4螺旋机构

螺旋机构是利用螺旋副联接两相邻构件的一种常用机构。螺旋机构中除了螺旋副之外，通常还有转动副和移动副。最简单的三构件螺旋机构如图6-16所示。它由螺杆、螺母和机架组成。图(a)中B为螺旋副，导程为PB，A为转动副，C为移动副。当螺杆转过φ角时，螺母沿螺杆的轴向位移s为（6-2）图6-16滑动螺旋机构6.4.1差动螺旋机构

如果把图6-16（a）中的转动副A也换成螺旋副，其导程为PA，便得到如图6-16(b)所示的螺旋机构。如果螺旋副A和B的螺纹旋向相同，则当螺杆转过φ角时，螺母的轴向位移s为两个螺旋副移动量之差，即

由式（6-3）可知，当PA，PB相差很小时，螺母的位移会很小。这种含双螺旋副且两螺旋副旋向相同的螺旋机构称为差动螺旋机构，常用于微量调节、测微和分度装置中，如图6-17(a)所示为镗床调节镗刀进刀量的差动螺旋机构。两螺旋副均为右旋，导程PA＝1.25mm，PB

＝1mm，当螺杆转动一周时，镗刀相对镗杆的位移仅为0.25mm，故可实现进刀量的微量调节，以保证加工精度。（6-3）图6-17螺旋机构的应用6.4.2复式螺旋机构在图6-16(b)所示的螺旋机构中，若A，B两螺旋副旋向相反(一为左旋，一为右旋)，当螺杆转过φ角时，螺母相对机架的位移为

由式（6-4）可知，螺母可产生很快的移动。这种含双螺旋副且两螺旋副旋向相反的螺旋机构称为复式螺旋机构。图6-17(b)所示为用于车辆连接的复式螺旋机构，它可以使车钩E和F较快地靠近或离开。(6-4)6.4.3滚动螺旋和静压螺旋机构

1.滚动螺旋机构为了降低螺旋传动的摩擦，提高效率，用滚动摩擦代替普通螺旋机构中的滑动摩擦，制成了滚动螺旋。其工作原理如图6-18所示。当螺杆或螺母转动时，滚珠依次沿螺纹滚道滚动，借助于返回装置使滚珠不断循环。滚珠返回装置的结构可分为外循环和内循环两种。图6-18(a)为外循环，滚珠在螺母的外表面经返回通道循环。图6-18(b)为内循环，每一圈螺纹有一反向器，滚珠只在本圈内循环。图6-18滚动螺旋机构

2.静压螺旋机构在螺杆与螺母的螺旋面间注入静压油，摩擦状态为液体摩擦。这种机构的摩擦损失和磨损都很小，传动效率很高，但需要有一套供油系统，机构较为复杂，如图6－19所示。图6－19静压螺旋机构6.5不完全齿轮机构简介6.5.1不完全齿轮机构的工作原理和类型不完全齿轮机构是由普通齿轮机构演变而成的一种间歇运动机构，如图6-20所示的不完全齿轮机构中，主动轮1的轮齿没有布满整个圆周，所以当主动轮1作连续转动时，从动轮2作间歇转动。当从动轮2停歇时，靠轮1的锁住弧(外凸圆弧g)与轮2的边锁住弧(内凹圆弧f)相互配合，将轮2锁住，使其停歇在预定的位置上，以保证主动轮1的首齿S下次再与从动轮相应的轮齿啮合传动。

不完全齿轮机构也有外啮合和内啮合两种类型。图6-20(a)所示为外啮合不完全齿轮机构，轮1只有一段锁住弧，轮2有四段锁住弧，当轮1转一周时，轮2转四分之一周，两轮转向相反；图6-20(b)为内啮合不完全齿轮机构，轮1只有一段锁住弧，轮2有十二段锁住弧，当轮1转一周时，轮2转十二分之一周，两轮的转向相同。图6-20不完全齿轮机构6.5.2不完全齿轮机构的特点和应用

不完全齿轮机构中，主动轮和从动轮的分度圆直径、锁住弧的段数，锁住弧之间的齿数，均可在较大范围内选取，故当主动轮等速转动一周时，从动轮停歇的次数、每次停歇的时间及每次转过角度的变化范围要比槽轮机构大得多。但是，不完全齿轮机构的加工工艺较复杂，且从动轮在运动开始和终止时有较大的冲击。不完全齿轮机构一般用于低速、轻载的场合，如在自动机床和半自动机床中用作工作台的间歇转位机构，以及间歇进给机构、计数机构等。6.6机构的组合前面介绍的平面四杆机构、凸轮机构、棘轮机构和槽轮机构等都是机械中最基本的传动机构，因此也称为基本机构。由于生产中对机构要求实现的运动规律和运动轨迹是各种各样的，因此单一的基本机构都有一定的局限性，往往不能满足这样的要求。例如，虽然平面连杆机构连杆上各点的运动轨迹比较复杂、多样，但不能实现从动件的间歇运动；虽然凸轮机构能使从动件实现复杂的运动规律，但从动件一般只能作往复移动或摆动。为了满足生产上的各种要求，常常将几个基本机构组合起来使用。由几个基本机构组合而成的机构称为组合机构。组合机构可以由同类型的基本机构组合而成，也可以由不同类型的基本机构组合而成。基本机构的组合方式不同，运动特性也不同。图6-21曲柄滑块机构的运动输出规律图6-22牛头刨床机构运动输出规律6.6.1机构的串联组合

将若干个单自由度的基本机构顺序连接，使每一个前置机构的输出运动作为后继机构的输入运动，这种组合方式称为机构串联组合。在图6-23(a)所示的机构中，构件1，2，5组成凸轮机构，构件2，3，4，5组成曲柄滑块机构，构件2是凸轮机构的从动件，同时又是曲柄滑块机构的主动件。这种组合方式可用图6-23(b)所示的框图来表示。图6-23凸轮及滑块机构的串联组合6.6.2并联式组合

在机构组合系统中，若几个子机构共用同一输入构件，它们的输出运动又同时输入到一个多自由度的子机构，从而形成自由度为1的机构系统，则这种组合方式称为并联式组合。图6-24所示的双色胶版印刷机上的接纸机构就是这种组合方式的一个实例。图中，构件1是一个双轮廓的凸轮，当其转动时，同时带动四杆机构ABCD和GHKM运动，而这两个四杆机构的输出运动又同时传给五杆机构DEFNM，从而使连杆9上的P点描绘出一条工作所要求的轨迹。图6-24凸轮与五杆机构的并联组合6.6.3反馈式组合将一个多自由度基本机构的一个输出运动输入给一个单自由度基本机构所获得的输出运动再反馈给原来的多自由度基本机构，则这种组合方式称为反馈式组合。图6-25所示的精密滚齿机中的分度校正机构就是这种组合方式的一个实例。它是由自由度为2的蜗轮蜗杆机构（蜗杆除了绕本身的轴线转动φ1外，还可以沿轴向移动s1）和自由度为1的凸轮机构组合而成的。其中，蜗杆凸轮1为输入构件，凸轮2′和蜗轮2为一个构件。蜗杆1的轴向移动一个输入运动s1就是通过机构从蜗轮反馈的。图6-25蜗杆与凸轮机构的反馈式组合6.6.4复合式组合在机构组合系统中，若由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构，则这种组合方式称为复合式组合。这种组合方式的特点是，它与串联组合和并联组合都既有共同之处，又有不同之处。图6-26