机械设计基础-第6章-间歇运动机构与组合机构ppt课件.ppt

第第6章章 间歇运动机构与组合机构间歇运动机构与组合机构 6.1 槽轮机构槽轮机构6.2 棘轮机构棘轮机构6.3 不完全齿轮机构不完全齿轮机构6.4 组合机构组合机构 在机械和仪表中，常常需要原动件作连续运动，而在机械和仪表中，常常需要原动件作连续运动，而从动件则产生周期性时动时停的间歇运动，实现这种间从动件则产生周期性时动时停的间歇运动，实现这种间歇运动的机构称为歇运动的机构称为间歇运动机构间歇运动机构。间歇运动的机构很多，。间歇运动的机构很多，本章仅介绍最常见的几种。本章仅介绍最常见的几种。 连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构是连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构是工程中最常用的几种基本机构工程中最常用的几种基本机构。对于比较复杂的运动变。对于比较复杂的运动变换，某种基本机构单独使用往往难以满足实际生产过程换，某种基本机构单独使用往往难以满足实际生产过程的需要，因此，把若干种基本机构用一定的方式联接起的需要，因此，把若干种基本机构用一定的方式联接起来成为组合机构，以便得到单个基本机构所不能具有的来成为组合机构，以便得到单个基本机构所不能具有的运动性能。在本章最后将介绍几种组合机构。运动性能。在本章最后将介绍几种组合机构。 槽轮机构又称马尔他机构槽轮机构又称马尔他机构，由槽轮、装有圆销的，由槽轮、装有圆销的拨盘和机架组成。如图拨盘和机架组成。如图6-1所示，拨盘做匀速转动时，所示，拨盘做匀速转动时，驱动槽轮作时转时停的间歇运动。当圆销未进入轮槽驱动槽轮作时转时停的间歇运动。当圆销未进入轮槽时，槽轮静止。圆销进入轮槽时，锁止弧松开，槽轮时，槽轮静止。圆销进入轮槽时，锁止弧松开，槽轮转动；当圆销离开槽时，槽轮又被拨盘的外锁止槽卡转动；当圆销离开槽时，槽轮又被拨盘的外锁止槽卡住，槽轮静止。直到圆销住，槽轮静止。直到圆销A在进入槽轮另一径向槽时，在进入槽轮另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。两者又重复上述的运动循环。 6.1 槽轮机构槽轮机构 槽轮机构有两种基本型式：槽轮机构有两种基本型式：一种是一种是外啮合槽轮机外啮合槽轮机构构，如图，如图6-1所示，另一种是所示，另一种是内啮合槽轮机构内啮合槽轮机构，如图，如图6-2所示。所示。6.1.1 槽轮机构的工作原理槽轮机构的工作原理 图图6-1 外啮合槽轮机构外啮合槽轮机构21Rr1dr112L2b2s2dh2OA(单击打开单击打开)6-1.swf22221121图图6-2 内啮合槽轮机构内啮合槽轮机构 槽轮机构结构简单，效率高，运动平稳槽轮机构结构简单，效率高，运动平稳，因此在，因此在自动机床转位机构、电影放映机卷片机构等自动机械自动机床转位机构、电影放映机卷片机构等自动机械中得到广泛的应用。中得到广泛的应用。 6.1.2 槽轮机构的主要参数槽轮机构的主要参数z22221 槽轮机构的主要参数是槽轮机构的主要参数是槽数槽数 z 和和拨盘圆销数拨盘圆销数K。 如图如图6-1所示。为了使所示。为了使槽轮槽轮2在开始和终止转动时在开始和终止转动时的瞬时角速度为零，以避的瞬时角速度为零，以避免圆销免圆销A与槽轮发生撞击，与槽轮发生撞击，圆销进入或脱出径向槽的圆销进入或脱出径向槽的瞬时，径向槽的中线应与瞬时，径向槽的中线应与圆销中心相切，即圆销中心相切，即O2A应应与与O1A垂直。设垂直。设z为均匀分为均匀分布的径向槽数，当槽轮布的径向槽数，当槽轮2转转过过2 2=2z弧度时，拨盘弧度时，拨盘1相应转过的转角为：相应转过的转角为：（6-1）21Rr1dr112L2b2s2dh2OA图图6-1在一个运动循环内，槽在一个运动循环内，槽轮轮2的运动时间的运动时间 t 与主动拨盘与主动拨盘转一周的总时间转一周的总时间t 之比，称为之比，称为槽轮机构的运动系数。用槽轮机构的运动系数。用 表表示。槽轮停止时间示。槽轮停止时间 t 与主动与主动拨盘转一周的总时间拨盘转一周的总时间t之比，之比，称为槽轮的静止系数，用称为槽轮的静止系数，用 表示。当拨盘匀速转动时，表示。当拨盘匀速转动时，时间之比可用槽轮与拨盘相时间之比可用槽轮与拨盘相应的转角之比来表示。如图应的转角之比来表示。如图6-1所示，只有一个圆销的槽所示，只有一个圆销的槽轮机构，轮机构，t 、t 、t分别对应于分别对应于拨盘的转角为拨盘的转角为2 1、（、（2 -2 1）、）、2 。21Rr1dr112L2b2s2dh2OA图图6-1因此，该槽轮机构的因此，该槽轮机构的运动系数运动系数和和静止系数静止系数分别为：分别为：zzzztt1212222221（6-2）zzzttttt121221 （6-3） 为保证槽轮运动，其运动系数应大于零为保证槽轮运动，其运动系数应大于零。由式（。由式（6-2）可知，槽轮的径向槽数）可知，槽轮的径向槽数z 应等于或大于应等于或大于3。由式（。由式（6-2）还可以看出，这种槽轮机构的运动系数还可以看出，这种槽轮机构的运动系数 恒小于恒小于0.5，即，即槽轮的运动时间槽轮的运动时间 t 总小于静止时间总小于静止时间t 。 欲使槽轮机构的运动系数欲使槽轮机构的运动系数 大于大于0.5，可在拨盘上，可在拨盘上装数个圆销。设拨盘上均匀分布的圆销数为装数个圆销。设拨盘上均匀分布的圆销数为K，当拨盘，当拨盘转一整周时，槽轮将被拨动转一整周时，槽轮将被拨动K次。因此，次。因此，槽轮的运动时槽轮的运动时间为单圆销时的间为单圆销时的K倍倍。即：。即：zzK2)2( （6-4） 运动系数运动系数 还应当小于还应当小于1（ =1表示槽轮表示槽轮 2与拨盘与拨盘1一样作连续转动，不能实现间歇运动），故由上式一样作连续转动，不能实现间歇运动），故由上式得：得：12)2(zzK即即22zzK 由上式可知，当由上式可知，当 z =3时，圆销的数目可为时，圆销的数目可为15，当，当z=4 或或 5 时，圆销数目可为时，圆销数目可为13，而当，而当 z 6时，圆销的时，圆销的数目为数目为1或或2。从提高生产效率观点看，希望槽数。从提高生产效率观点看，希望槽数z小些小些为好，因为此时为好，因为此时 也相应减小，槽轮静止时间（一般为也相应减小，槽轮静止时间（一般为工作行程时间）增大，故可提高生产效率。但从动力特工作行程时间）增大，故可提高生产效率。但从动力特性考虑，槽数性考虑，槽数 z 适当增大较好，因为此时槽轮角速度减适当增大较好，因为此时槽轮角速度减小，可减小震动和冲击，有利于机构正常工作。但槽数小，可减小震动和冲击，有利于机构正常工作。但槽数z 9的槽轮机构比较少见。因为槽数过多，则槽轮机构的槽轮机构比较少见。因为槽数过多，则槽轮机构尺寸较大，且转动时惯性力矩也增大。另外，由式（尺寸较大，且转动时惯性力矩也增大。另外，由式（6-3）可知，当）可知，当z 9时，槽数虽增加，运动系数时，槽数虽增加，运动系数 的变化却的变化却不大，故不大，故z 常取为常取为48。 图图6-3所示为外啮合棘轮机所示为外啮合棘轮机构。它由摆杆构。它由摆杆1、棘爪、棘爪2、棘轮、棘轮3、止回爪止回爪4和机架和机架5组成。通常以组成。通常以摆杆为主动件、棘轮为从动件。摆杆为主动件、棘轮为从动件。当摆杆当摆杆1连同棘爪连同棘爪2顺时针转动顺时针转动时，棘爪进入棘轮的相应齿槽，时，棘爪进入棘轮的相应齿槽，并推动棘轮转过相应的角度；并推动棘轮转过相应的角度；当摆杆逆时针转动时，棘爪在当摆杆逆时针转动时，棘爪在棘轮齿顶上滑过。为了防止棘棘轮齿顶上滑过。为了防止棘轮跟随摆杆反转，设置止回爪轮跟随摆杆反转，设置止回爪4。这样，摆杆不断地作往复摆动，这样，摆杆不断地作往复摆动，棘轮便得到单向的间歇运动。棘轮便得到单向的间歇运动。6.2 棘轮机构棘轮机构6.2.1 棘轮机构的工作原理及应用棘轮机构的工作原理及应用图图6-3 外啮合棘轮机构外啮合棘轮机构 123453(单击打开单击打开)6-3.swf 棘轮机构还可以作成内啮合形式（图棘轮机构还可以作成内啮合形式（图6-4）12343图图6-4 内啮合棘轮机构内啮合棘轮机构(单击打开单击打开)6-4.swf12343v图图6-5 棘条机构棘条机构 移动棘轮（即棘条）形式（图移动棘轮（即棘条）形式（图6-5），其工作原），其工作原理和外啮合棘轮机构类似。理和外啮合棘轮机构类似。如图如图6-6所示为摩擦所示为摩擦式棘轮机构，当摆杆式棘轮机构，当摆杆1作逆作逆时针转动时，利用楔块时针转动时，利用楔块2与与摩擦轮摩擦轮3之间的摩擦产生自之间的摩擦产生自锁，从而带动摩擦轮锁，从而带动摩擦轮3和摆和摆杆一起转动；当摆杆作顺杆一起转动；当摆杆作顺时针转动时，楔块时针转动时，楔块2与摩擦与摩擦轮轮3之间产生滑动。这时由之间产生滑动。这时由于楔块于楔块4的自锁作用能阻止的自锁作用能阻止摩擦轮反转。这样，在摆摩擦轮反转。这样，在摆杆不断作往复运动时，摩杆不断作往复运动时，摩擦轮擦轮3便作单向的间歇运动。便作单向的间歇运动。图图6-6 摩擦棘轮机构摩擦棘轮机构1234(单击打开单击打开)6-6.swf 棘轮机构除了常用于棘轮机构除了常用于实现间歇运动外，还能实实现间歇运动外，还能实现超越运动。如图现超越运动。如图6-7所示所示为自行车后轮轴上的棘轮为自行车后轮轴上的棘轮机构。当脚蹬踏板时，经机构。当脚蹬踏板时，经链轮链轮1和链条和链条2带动内圈具带动内圈具有棘齿的链轮有棘齿的链轮3顺时针转动，顺时针转动，再通过棘爪再通过棘爪4的作用，使后的作用，使后轮轴轮轴5顺时针转动，从而驱顺时针转动，从而驱使自行车前进。当自行车使自行车前进。当自行车前进时，如果令踏板不动，前进时，如果令踏板不动，后轮轴后轮轴5便会超越链轮便会超越链轮3而而转动，让棘爪转动，让棘爪4在棘轮齿背在棘轮齿背上划过，从而实现不蹬踏上划过，从而实现不蹬踏板的自由滑行。板的自由滑行。 图图6-7 超越式棘轮机构超越式棘轮机构 1232345 如图如图6-8，为使棘爪受力，为使棘爪受力最小，应使棘轮齿顶最小，应使棘轮齿顶A和棘爪和棘爪的转动中心的转动中心O2的连线垂直与的连线垂直与棘轮半径。作用力有：正压棘轮半径。作用力有：正压力力Fn和摩擦力和摩擦力F 。Fn可分为可分为圆周力圆周力Ft和径向力和径向力Fr。力。力Fr使使棘爪落到齿根，力棘爪落到齿根，力F 阻止棘阻止棘爪落向齿根，为了保证正常爪落向齿根，为了保证正常工作，须使棘爪落到齿根而工作，须使棘爪落到齿根而又不致于与齿脱开。这就要又不致于与齿脱开。这就要求轮齿工作面相对棘轮半径求轮齿工作面相对棘轮半径朝齿体内偏斜一角度朝齿体内偏斜一角度 ，称为，称为棘齿的偏斜角棘齿的偏斜角。 6.2.2棘爪工作条件棘爪工作条件 图图6-8aOCEBAhnnFArFLnFtF2OD偏斜角偏斜角 的大小由下列关系求出：的大小由下列关系求出：cosLFLFr（6-6）因为因为sinnnrFFF（6-7）有有tantancossin（6-8）即即 式中，式中， 为齿与爪间的摩擦角，为齿与爪间的摩擦角， =arctan 。当。当 =0.2时，时，11.5 。为安全起见，。为安全起见，通常取通常取 =20 。 选定齿数选定齿数z和按强度要求确定模数和按强度要求确定模数m后，棘轮棘爪的后，棘轮棘爪的主要几何尺寸可按以下经验公式计算：主要几何尺寸可按以下经验公式计算：顶圆直径顶圆直径 D=mz 齿高齿高 h=0.75m齿顶厚齿顶厚 a=m齿槽夹角齿槽夹角 =60 或或50 棘爪长度棘爪长度 L=2 m其他结构尺寸可参阅机械设计手册。其他结构尺寸可参阅机械设计手册。 由于棘轮是在动棘爪的突然撞击下启动的，接触由于棘轮是在动棘爪的突然撞击下启动的，接触瞬间，理论上是刚性冲击。故棘轮机构只能用于低速瞬间，理论上是刚性冲击。故棘轮机构只能用于低速的间歇运动场合。的间歇运动场合。 6.2.3 棘轮机构的使用特点棘轮机构的使用特点 1棘轮机构结构简单，容易制造。常用作防止转动棘轮机构结构简单，容易制造。常用作防止转动件反转的附加保险机构。件反转的附加保险机构。 2棘轮每次转角和动停时间比可调。常用于机构工棘轮每次转角和动停时间比可调。常用于机构工况经常改变的场合。况经常改变的场合。 图图6-9所示为不完全所示为不完全齿轮机构。主动轮齿轮机构。主动轮1为只为只有一个齿或几个齿的不完有一个齿或几个齿的不完全齿轮，从动轮全齿轮，从动轮2可以是可以是普通的完整齿轮，也可以普通的完整齿轮，也可以由正常齿和带锁住弧的厚由正常齿和带锁住弧的厚齿彼此相间地组成（图齿彼此相间地组成（图6-9a,b）。当主动轮）。当主动轮1的有的有齿部分作用时，从动轮齿部分作用时，从动轮2就转动；当主动轮就转动；当主动轮1的无的无齿圆弧部分作用时，从动齿圆弧部分作用时，从动轮停止不动，因而当主动轮停止不动，因而当主动轮连续转动时，从动轮获轮连续转动时，从动轮获得时转时停的间歇运动。得时转时停的间歇运动。6.3 不完全齿轮机构不完全齿轮机构图图6-9 外啮合不完全齿轮机构外啮合不完全齿轮机构2121(a)(b)(单击打开单击打开)6-9.swf当主动轮匀速转动时，当主动轮匀速转动时，这种机构的从动轮在运动期这种机构的从动轮在运动期间也保持匀速转动，但是当间也保持匀速转动，但是当从动轮由停歇而突然到达某从动轮由停歇而突然到达某一转速，以及由某一转速突一转速，以及由某一转速突然停止时都会象等速运动规然停止时都会象等速运动规律的凸轮机构那样产生刚性律的凸轮机构那样产生刚性冲击。因此，对于转速较高冲击。因此，对于转速较高的不完全齿轮机构，可在两的不完全齿轮机构，可在两轮的端面分别装上瞬心线附轮的端面分别装上瞬心线附加杆加杆L和和K（图（图6-9c），使从），使从动件的角速度由零逐渐增加动件的角速度由零逐渐增加到某一数值从而避免冲击。到某一数值从而避免冲击。12KL图图6-9C 不完全齿轮机构有外啮合和内啮合（图不完全齿轮机构有外啮合和内啮合（图6-10）两）两种型式，一般用外啮合型式。种型式，一般用外啮合型式。 图图6-10 内啮合不完全齿轮机构内啮合不完全齿轮机构12(单击打开单击打开)6-10.swf不完全齿轮机构与其他间歇运动机构相比，它的不完全齿轮机构与其他间歇运动机构相比，它的结构简单，制造方便，从动轮的运动时间和静止时间结构简单，制造方便，从动轮的运动时间和静止时间的比例不受机构结构的限制。缺点是从动轮在转动开的比例不受机构结构的限制。缺点是从动轮在转动开始和终止时，角速度有突变，冲击较大，故一般只适始和终止时，角速度有突变，冲击较大，故一般只适用于低速或轻载场合。用于低速或轻载场合。 不完全齿轮机构常用于多工位自动机和半自动机不完全齿轮机构常用于多工位自动机和半自动机工作台的间歇转位及某些间歇进给机构中。工作台的间歇转位及某些间歇进给机构中。 如图如图6-11所示的手动所示的手动冲床是六杆或由两个四杆机冲床是六杆或由两个四杆机构组成。一个是原动件（手构组成。一个是原动件（手柄）柄）1、连杆、连杆2、从动摇杆、从动摇杆3和机架和机架4组成的双摇杆机构；组成的双摇杆机构；另一个是由摇杆另一个是由摇杆3、小连杆、小连杆5、冲杆冲杆6和机架组成的摇杆滑和机架组成的摇杆滑块机构。采用六杆机构，增块机构。采用六杆机构，增大了冲杆的作用力。大了冲杆的作用力。 6.4 组合机构组合机构下面介绍几种常见的组合机构。下面介绍几种常见的组合机构。6.4.1 连杆连杆连杆连杆1BCDEFG56A234图图6-11 手动冲床中的复合铰链机构手动冲床中的复合铰链机构图图6-12所示为筛料机主题机构的运动简图。这个所示为筛料机主题机构的运动简图。这个六杆机构也可看成由两个四杆机构组成。第一个是由六杆机构也可看成由两个四杆机构组成。第一个是由原动曲柄原动曲柄1、连杆、连杆2、从动曲柄、从动曲柄3和机架和机架6组成的双曲柄组成的双曲柄机构；第二个是由曲柄机构；第二个是由曲柄3（原动件）、连杆（原动件）、连杆4、滑块、滑块5（筛子）和机架（筛子）和机架6组成的曲柄滑块机构。组成的曲柄滑块机构。 图图6-12 筛料机机构的复合连杆机构筛料机机构的复合连杆机构512436 图图6-13所示为双凸轮机构，由两个凸轮机构协调配所示为双凸轮机构，由两个凸轮机构协调配合控制十字滑块合控制十字滑块3上一点上一点M准确地描绘出虚线所示预定的准确地描绘出虚线所示预定的轨迹。轨迹。6.4.2 凸轮凸轮凸轮机构凸轮机构图图6-13 双凸轮机构双凸轮机构112345xy5(单击打开单击打开)6-13.swf 凸轮连杆机构的形式很多，这种组合机构通常用凸轮连杆机构的形式很多，这种组合机构通常用于实现从动件的预定的运动轨迹和规律。于实现从动件的预定的运动轨迹和规律。 主动曲柄主动曲柄OA回回转时，转时，B点强制在凸点强制在凸轮凹槽中运动，从轮凹槽中运动，从而使托杆达到图示而使托杆达到图示运动规律，托包时运动规律，托包时慢进，不托包时快慢进，不托包时快退，以提高生产效退，以提高生产效率。因此，只要把率。因此，只要把凸轮轮廓线设计得凸轮轮廓线设计得当，就可以使托杆当，就可以使托杆达到上述要求。达到上述要求。 6.4.3 连杆连杆凸轮凸轮图图6-14 巧克力包装机托包用的凸轮连杆机构巧克力包装机托包用的凸轮连杆机构慢托慢托快退快退h L30OABx 12060180（a)（b)(单击打开单击打开)(单击打开单击打开)6-14a.swf6-14b.swf 图图6-15所示为连杆与棘轮两个基本机构组合而成所示为连杆与棘轮两个基本机构组合而成的组合机构。棘轮的单向步进运动是由摇杆的组合机构。棘轮的单向步进运动是由摇杆3 的摆动通的摆动通过棘爪过棘爪4推动的，而摇杆的往复摆动又需要由曲柄摇杆推动的，而摇杆的往复摆动又需要由曲柄摇杆机构机构ABCD来完成，从而实现了输入构件（曲柄来完成，从而实现了输入构件（曲柄1）的）的等角速度回转运动转换成输出构件（棘轮等角速度回转运动转换成输出构件（棘轮5）的步进转）的步进转动。动。6.4.4 连杆连杆棘轮棘轮图图6-15 连杆棘轮组合连杆棘轮组合AB24CE36D51F