机械设计基础第5章.ppt

第5章 其他常用机构在机械中，除了前面讨论过的平面连杆机构、凸轮机构外，还经常会用到各种类型的间歇机构及螺旋机构。主动件连续运动时，从动件有规律地出现停歇状态的机构称为间歇运动机构。本章将重点介绍棘轮机构、槽轮机构及不完全齿轮机构等间歇机构和螺旋机构的工作原理、类型特点及应用场合。5.1 棘 轮 机 构5.1.1 棘轮机构的工作原理及类型1.棘轮机构的工作原理棘轮机构的结构如图所示，它主要由摇杆1、主动棘爪2、棘轮3、止回棘爪4和机架5组成。当摇杆1逆时针摆动时，铰接在摇杆上的主动棘爪2插入到棘轮3的齿槽内，推动棘轮同步转动一定的角度。当摇杆1顺时针摆动时，止回棘爪4阻止棘轮3反向转动，此时主动棘爪2在棘轮3的齿背上滑回原位，棘轮3静止不动。这样，当摇杆1(主动件)连续往复摆动时，棘轮3(从动件)便得到单向的间歇转动。图中的弹簧6用来使主动棘爪2和止回棘爪4与棘轮3保持接触。2.棘轮机构的类型根据工作原理，棘轮机构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工作原理为啮合原理。按啮合方式分类，它有外啮合(如图所示)和内啮合(如图所示)两种型式。内啮合棘轮机构由轴1、驱动棘爪2与止回棘爪4、棘轮3以及弹簧5组成。按从动件的间歇运动方式分类，它又有以下几种形式。(1)单向间歇转动如图、图所示，从动件均作单向间歇转动。（2)单向间歇移动如图所示，当主动件1往复摆动时，棘爪2推动棘齿条3作单向间歇移动。（3)双动式棘轮机构如图所示，主动摇杆1上装有主动棘爪2和2，摇杆1绕O1轴来回摆动都能使棘轮3沿同一方向间歇转动，摇杆往复摆动一次，棘轮间歇转动两次。（4)双向式棘轮机构如图所示，在图（a）所示的机构中，当棘爪2在实线位置AB时，摇杆1往复摆动，棘轮3逆时针单向间歇转动；当棘爪2绕A轴翻转到虚线位置AB时，摇杆1往复摆动，棘轮3顺时针单向间歇转动。在图（b）所示的机构中，当摇杆1往第5章其他常用机构机械设计基础复摆动时，棘爪2与棘轮3的右侧齿面接触，棘轮3逆时针单向间歇转动。用手柄提起棘爪2，直至定位销脱出，再将手柄转动180后放下，使定位销插入到另一定位孔中，当摇杆1往复摆动时，棘爪2与棘轮3的左侧齿面接触，棘轮3将顺时针单向间歇转动。在双向式棘轮机构中，棘轮一般采用对称齿形。2)摩擦式棘轮机构摩擦式棘轮机构的工作原理为摩擦原理。在图所示的机构中，当摇杆往复摆动时，主动棘爪2靠摩擦力驱动棘轮3作逆时针单向间歇转动，止回棘爪4靠摩擦力阻止棘轮反转。由于棘轮的廓面是光滑的，所以又称为无棘齿棘轮机构。该类机构棘轮的转角可以无级调节，噪声小，但棘爪与棘轮的接触面间容易发生相对滑动，故运动的可靠性和准确性较差。5.1.2 棘轮转角的调节方法当需要调节棘轮每次转过的角度时，可采用以下两种方法。1.改变摇杆的摆角图（a）所示为牛头刨床中的横向进给机构。通过齿轮传动1、2，曲柄摇杆机构2、3、4，棘轮机构4、5、7来使与棘轮固连的丝杠6作间歇转动，从而使牛头刨工作台实现横向间歇进给。调节曲柄的长度O2A，可改变摇杆的摆角及棘轮的转角，从而改变横向进给量的大小。2.在棘轮上安装遮板图（b）所示的棘轮机构中，摇杆1的摆角不变，但在棘轮3上安装了遮板4，改变插销6在定位孔中的位置，即可调节摇杆摆程范围内露出的棘齿数，从而改变棘轮转角的大小。5.1.3 棘轮机构的特点及应用齿式棘轮机构具有结构简单、制造方便、运动可靠、棘轮的转角可调等优点；其缺点是传力小，工作时有较大的冲击和噪声，而且运动精度低。因此，它适用于低速和轻载场合，通常用来实现间歇式送进、制动、超越和转位分度等要求。1.间歇式送进图所示为浇注流水线的送进装置，棘轮与带轮固连在同一根轴上，当活塞1在汽缸内往复移动时，输送带2间歇移动，输送带静止时进行自动浇注。2.超越运动图所示为自行车后轴上的内啮合棘轮机构，飞轮1即是内齿棘轮，它用滚动轴承支承在后轮轮毂2上，两者可相对转动。轮毂2上铰接着两个棘爪4，棘爪用弹簧丝压在棘轮的内齿上。当链轮比后轮转的快时(顺时针)，棘轮通过棘爪带动后轮同步转动，即脚蹬得快，后轮就转得快。当链轮比后轮转的慢时，如自行车下坡或脚不蹬时，后轮由于惯性仍按原转向转动，此时，棘爪4将沿棘轮齿背滑过，后轮与飞轮脱开，从而实现了从动件转速超越主动件转速的作用。按此原理工作的离合器称为超越离合器。5.1.4 棘轮机构的参数及几何尺寸计算1 棘轮机构的基本参数(1)棘轮的齿数z。棘轮的齿数z是根据工作要求确定的。对于一般的棘轮机构，棘爪每次至少要拨动棘轮转过一个齿，即棘爪的转角应大于棘轮的齿距角2/z。因此，可根据所要求的棘轮最小转角来确定棘轮的齿数。对于轻载的进给机构，齿数可取多些，一般可达z=250；对于重载的起重设备，为了确保安全，一般取棘齿模数较大，而通常取齿数z=830。(2)棘轮的模数m。与齿轮一样，棘轮轮齿的大小也用模数来衡量。棘轮顶圆直径与齿数之比称为模数，即2.棘轮棘爪的主要几何尺寸计算棘轮结构的主要几何尺寸如图所示。5.2.1 槽轮机构的工作原理及类型1.槽轮机构的工作原理槽轮机构的典型结构如图所示，它由主动拨盘1、从动槽轮2和机架组成。拨盘1匀速转动，当拨盘上的圆销A未进入槽轮的径向槽时，由于槽轮的内凹锁止弧efg被拨盘的外凸锁止弧abc卡住，故槽轮不动。图(a)所示为圆销A刚进入槽轮径向槽时的位置，此时锁止弧efg也刚被松开;此后，槽轮受圆销A的驱动而转动。当圆销A在另一边离开径向槽时(图(b)，锁止弧efg又被卡住，槽轮又静止不动。直至圆销A再次进入槽轮的另一个径向槽时，又重复上述运动。所以槽轮作时动时停的间歇运动。2.槽轮机构的类型按结构特点槽轮机构可分为外槽轮机构(如图所示)和内槽轮机构(如图所示)，前者槽轮与拨盘的转向相反，后者则转向相同。按拨盘上圆销数目的多少，槽轮机构可分为单销槽轮机构(如图所示)和多销槽轮机构(如图所示)，前者拨盘每转一转，槽轮运动一次，后者则运动多次。拨盘的圆销数和槽轮的槽数合理搭配，可使槽轮实现不同的间歇运动规律。5.2.2 槽轮机构的特点及应用槽轮机构具有结构简单、工作可靠和运动较平稳等优点；其缺点是槽轮的转角大小不能调节，且存在柔性冲击。因此，槽轮机构适用于速度不高的场合，常用于机床的间歇转位和分度机构中。图所示为槽轮机构在转塔车床刀架转位机构中的应用，拨盘1转一转，通过槽轮2使刀架3转动一次，从而将下道工序所需要的刀具转到工作位置上。图所示为槽轮机构在电影放映机卷片机构中的应用，拨盘1连续转动，通过槽轮2使电影胶片间歇地移动，因人具有视觉暂留机能，故看到的画面正好连续。5.2.3 外啮合槽轮机构的运动参数及几何尺寸计算1.槽轮槽数z和拨盘圆销数n的选择如图所示，为了使槽轮2在开始和终止转动时的瞬时速度为零，避免圆销与槽发生撞击，圆销进入或脱出径向槽的瞬时，槽的中心线O2A与O1A应相互垂直。若槽轮上均匀分布的径向槽数为z，则当槽轮转动222/z的弧度时，拨盘1的转角21将为 在一个运动循环内，槽轮2的运动时间td与拨盘的运动时间t之间的比值，称为该槽轮机构的运动系数，用表示，即经分析上式可得出如下结论。(1)槽轮径向槽的数目z应大于或等于3。因为运动系数应大于零，若等于零则槽轮始终静止不动。(2)运动系数总是小于的，也就是说，在槽轮机构中，槽轮的运动时间总是小于其静止时间。(3)当拨盘上均匀地装有n个圆销时，则拨盘转动一周，槽轮将被拨动n次，故其运动系数是单圆销的n倍，即 又因值应小于或等于1，即由此可得槽数z与圆销数n之间的关系,见表5-1。表5-1槽数与圆销数之间的关系槽数 2.外啮合槽轮机构几何尺寸的计算外槽轮机构的槽数z、圆销数n等基本参数确定后，其余几何尺寸的计算可参照图5.16，按表5-2所列的公式进行计算。表5-2 单圆销外啮合槽轮机构的计算公式5.3 不完全齿轮机构 5.3.1 不完全齿轮机构的工作原理和类型1 不完全齿轮机构的工作原理不完全齿轮机构是由齿轮机构演化而来的一种间歇机构。它与一般齿轮机构的不同之处就在于轮齿没布满整个圆周，即主动轮上只有一个或几个轮齿，其余部分为外凸锁止弧，从动轮上有与主动轮轮齿相啮合的轮齿，且内凹锁止弧彼此相间布置。当主动轮的有齿部分作用时，从动轮就转动；当主动轮的外凸锁止弧作用时，从动轮静止不动，因而当主动轮连续转动时，从动轮则作时转时停的间歇回转运动。在从动轮停歇期内，两轮轮缘各有锁止弧起定位作用，以防止从动轮的游动。在图（a）所示的不完全齿轮机构中，主动轮1上只有1个轮齿，从动轮2上有8个齿，故主动轮转1周时，从动轮只转1/8周。在图（b）所示的不完全凸轮机构中，主动轮1上有4个齿，从动轮2的圆周上有4个运动段和4个停歇段，每段上有4个齿与主动轮的轮齿啮合，主动轮转1周，从动轮转1/4周。2 不完全齿轮机构的类型不完全齿轮机构根据啮合形式可分为外啮合(如图所示)和内啮合，同时还有圆柱不完全齿轮机构和圆锥不完全齿轮机构。5.3.2 不完全齿轮机构的特点和应用不完全齿轮机构的结构简单，工作稳定可靠，设计时从动轮的运动时间和静止时间的比例可在较大范围内变化。但是当从动轮由停歇而突然到达某一转速，以及由某一转速突然停止时，都会像作等速运动规律的凸轮机构一样，产生刚性冲击，故它不宜用于高速、重载的传动。不完全齿轮机构常用在计数器、蜂窝煤饼压制机和具有特殊要求的专用机械中。5.4 螺 旋 机 构5.4.1 螺纹的参数、类型和应用1.螺旋线、螺纹的形成在直径为d2的圆柱面上，绕一底边长为d2的直角三角形，底边与圆柱体的底面重合，则斜边在圆柱表面上将形成一条螺旋线，如图（a）所示。取一平面图形(如图（b）所示)，使其一边与圆柱体的母线贴合，并沿螺旋线移动，移动时保持此平面图形始终通过圆柱体的轴线，此平面图形在空间形成的轨迹构成螺纹。2.螺纹的类型及应用根据形成螺纹时平面图形形状的不同，螺纹可分为矩形螺纹、三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等。根据螺纹的螺旋线数目的不同，螺纹有单线、双线或多线之分，在圆柱体表面上只有一条螺旋线形成的螺纹称为单线螺纹，在圆柱体表面若有两条或两条以上等螺距螺旋线形成的螺纹则为双线或多线螺纹，如图所示。由于制造上的原因，螺纹线数一般不超过4条。单线螺纹一般用于连接，也可用于传动，多线螺纹常用于传动。螺纹按绕行方向的不同，可分右旋螺纹和左旋螺纹。最常用的是右旋螺纹，只有在某些特殊场合时才采用左旋螺纹，并特别注明。螺纹按在内外圆柱面分布的不同，又可分为内螺纹和外螺纹。在圆柱体外表面上形成的螺纹称为外螺纹，例如螺栓的螺纹。在圆柱体内表面上形成的螺纹称为内螺纹，例如螺母的螺纹。5.4.3 螺纹副的受力分析、效率和自锁以螺母与螺杆组成的空间螺旋副为例来分析受力，如图（a）所示，在轴向载荷Fa作用下的螺旋副的相对运动，可将螺母看作一滑块沿螺旋线运动。将螺纹沿中径展开，转动螺母时，相当于滑块(螺母)在水平驱动力Ft的推动下，沿斜面等速向上运动(如图（b）所示)。通过分析，螺旋副相对运动的受力分析可简化成图（a）所示的受力分析。滑块等速上升时，滑块受外载荷Fa、水平推力Ft、斜面对滑块的法向支反力FN及与运动方向相反的摩擦力Ff的作用。将FN与Ff合成为FR，FR与FN之间的夹角为当量摩擦角v(v=arctanfv，式中fv是螺旋副之间的当量摩擦系数，fv=f/cos，f为摩擦因数，为牙型斜角)。由于滑块等速运动，所以滑块上的力Fa、Ft、FR处于平衡，组成封闭的力三角形，由图（b）可知旋紧螺母所需的转矩T为等速旋紧螺母，使其沿力Fa反向移动，螺母旋转一周，驱动功W1为若滑块上升的距离为导程S，其有效功W2为由此，螺旋副的效率为当螺母松退时，相当于滑块沿斜面等速下滑。滑块在轴向力Fa、水平力Ft、支反力FR的作用下保持平衡，如图（d）所示，由力三角形可知当v时，则Ft0，这表明要使滑块下滑，必须施加一相反的力Ft，否则不论Fa有多大，滑块不会自动下滑，这种现象称为螺旋副的自锁。由此可见，螺旋副自锁的条件是 v以上各式是螺旋副受力分析的普遍公式，适用于各种类型的螺纹。当螺纹的形状不同时，其牙型斜角的数值不同，当量摩擦角v的值也不同。5.4.4 螺旋机构的工作原理及类型螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成。一般情况下，螺杆为主动件，作回转运动，螺母为从动件，做轴向移动。有时螺母不动，螺杆则一边转动一边移动。1.螺旋机构按其用途分类(1)传力螺旋：以传递动力为主，一般要求用较小的转矩转动螺杆(或螺母)，而使螺母(或螺杆)产生轴向运动和较大的轴向推力，例如螺旋千斤顶等。(2)传导螺旋：以传递运动为主，要求能在较长的时间内连续工作，工作速度较高，因此，要求较高的传动精度，如用于精密车床的走刀螺杆。(3)调整螺旋：用于调整并固定零部件之间的相对位置，它不经常转动，一般在空载下调整，要求有可靠的自锁性能和精度，用于测量仪器及各种机械的调整装置，如千分尺中的螺旋。2 螺旋机构按其摩擦性质分类(1)滑动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滑动摩擦的螺旋。滑动螺旋结构比较简单，螺母和螺杆的啮合是连续的，工作平稳，易于自锁，这对起重设备、调节装置等很有意义，但螺纹之间的摩擦大、磨损大、效率低，滑动螺旋不适宜用于高速和大功率的传动。(2)滚动螺旋：螺旋副作相对运动时产生滚动摩擦的螺旋，即将滑动螺旋传动中丝杠与螺母间的滑动摩擦改变为滚动摩擦的螺旋机构，如图所示。它明显地减小了传动摩擦，提高了传动效率，但结构复杂，成本高，不能自锁，主要用于对传动精度要求较高的场合。图5.23 滚动螺旋机构5.4.5 螺旋机构的特点和应用螺旋机构结构简单，制造方便，能将回转运动变换成直线移动，工作可靠，传动平稳，无噪声，可传递很大的轴向力，并具有自锁性能。因此，螺旋机构在机床设备、工装夹具、起重装置、仪器仪表及微调装置等方面有着广泛的应用，如机床中的丝杆螺母进给机构、螺旋千斤顶等均采用螺旋机构。