机械原理 第7章其他常用机构.ppt
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1、第第7章章 其他常用机构其他常用机构 7.1 万向联轴节万向联轴节 7.1.1 单万向联轴节单万向联轴节 7.1.2 双万向联轴节双万向联轴节 7.1.3 万向联轴节的应用万向联轴节的应用 7.2 螺螺 旋旋 机机 构构 7.2.1 螺旋机构的类型和工作原理螺旋机构的类型和工作原理 7.2.2 螺旋机构特点螺旋机构特点 7.3 棘棘 轮轮 机机 构构 7.3.1 棘轮机构的工作原理棘轮机构的工作原理 7.3.2 棘轮机构的运动特点及使用场合棘轮机构的运动特点及使用场合 7.4 槽槽 轮轮 机机 构构 7.4.1 槽轮机构的工作原理与特点槽轮机构的工作原理与特点 7.4.2 槽轮机构的类型及应用
2、槽轮机构的类型及应用 7.4.3 槽轮机构的运动分析槽轮机构的运动分析 7.5 不完全齿轮机构不完全齿轮机构 7.5.1 不完全齿轮机构的工作原理和类型不完全齿轮机构的工作原理和类型 7.5.2 不完全齿轮机构的啮合过程不完全齿轮机构的啮合过程 7.5.3 不完全齿轮机构的特点和应用不完全齿轮机构的特点和应用 7.6 凸轮式间歇运动机构凸轮式间歇运动机构 7.6.1 凸轮式间歇运动机构的工作原理和类型凸轮式间歇运动机构的工作原理和类型 7.6.2 凸轮式间歇运动机构的运动特点凸轮式间歇运动机构的运动特点 7.6.3 凸轮式间歇运动机构的应用凸轮式间歇运动机构的应用 7.7 非圆齿轮机构非圆齿轮
3、机构 7.7.1 椭圆齿轮机构的运动特点椭圆齿轮机构的运动特点 7.7.2 非圆齿轮机构的运动特点和应用非圆齿轮机构的运动特点和应用 小小 结结 思考题与习题思考题与习题 7.1 万向联轴节万向联轴节 万向联轴节是一种常用的变角传动机构,可用于传递两相交轴万向联轴节是一种常用的变角传动机构,可用于传递两相交轴间的运动和动力,而且在传动过程中,两轴之间的夹角可以变间的运动和动力,而且在传动过程中,两轴之间的夹角可以变动。故它广泛应用于汽车、机床等机械传动系统中。本节主要介动。故它广泛应用于汽车、机床等机械传动系统中。本节主要介绍单万向联轴节和双万向联轴节的运动特点和使用场合。绍单万向联轴节和双万
4、向联轴节的运动特点和使用场合。7.1.1 单万向联轴节单万向联轴节 单万向联轴节的结构如图单万向联轴节的结构如图7.1所示。轴所示。轴1及轴及轴2的末端各有一叉的末端各有一叉头,叉头分别通过转动副头,叉头分别通过转动副A、B与中间与中间“十字形十字形”构件构件3相连,转相连,转动副动副A、B的轴线垂直相交于的轴线垂直相交于“十字形十字形”构件的中心构件的中心O,轴,轴1和轴和轴2与机架与机架4组成转动副,主、从动轴组成转动副,主、从动轴1、2的轴线亦相交于的轴线亦相交于O点,夹角点,夹角为为。由图由图7.1可见,当轴可见,当轴1转一周时,轴转一周时,轴2也必然转一周,但是两轴的也必然转一周,但
5、是两轴的瞬时角速度比却并不恒等于瞬时角速度比却并不恒等于1,而是随时变化的。设两轴的角速度,而是随时变化的。设两轴的角速度分别为分别为 和和 ,轴,轴1相连叉头的转角为相连叉头的转角为 ,其两轴角速度比,其两轴角速度比关系如下:关系如下:(7.1)为简单起见,现仅就其两个特殊位置加以说明。如图为简单起见,现仅就其两个特殊位置加以说明。如图7.2(a)所所示,当主动轴示,当主动轴1的叉面在图样平面内时,从动轴的叉面在图样平面内时,从动轴2的叉面则垂直图样的叉面则垂直图样平面,即平面,即 或或 时,角速度比值最大,其值为时,角速度比值最大,其值为 ;如图如图7.2(b)所示,当从动轴所示,当从动轴
6、2的叉面在图样平面内时,从主动轴的叉面在图样平面内时,从主动轴1的的叉面则垂直图样平面,即叉面则垂直图样平面,即 或或 时,角速度比值最小,其时,角速度比值最小,其值为值为 。由此可知,当主动轴。由此可知,当主动轴1以角速度以角速度 等速回转等速回转时,从动轴时,从动轴2的角速度将的角速度将 在在 及及 的范围内变化,即的范围内变化,即 (7.2)而且变化的幅度与两轴间夹角而且变化的幅度与两轴间夹角 的大小有关。正因为如此,两的大小有关。正因为如此,两轴夹角不能过大,一般轴夹角不能过大,一般 。单万向联轴节的特点是:当两轴夹角变化时仍可继续工作,而单万向联轴节的特点是:当两轴夹角变化时仍可继续
7、工作,而只影响其瞬时角速度比值的大小只影响其瞬时角速度比值的大小.7.1.2 双万向联轴节双万向联轴节 单万向联轴节的主动轴作等速转动时,其从动轴的转速将有单万向联轴节的主动轴作等速转动时,其从动轴的转速将有波动,这波动是随两轴的夹角的增大而增大。这种转速波动将影波动,这波动是随两轴的夹角的增大而增大。这种转速波动将影响机器的正常工作,特别在高速情况下,由此引起的附加动载荷响机器的正常工作,特别在高速情况下,由此引起的附加动载荷将导致严重的振动。为了消除上述从动轴变速转动的缺点,常将将导致严重的振动。为了消除上述从动轴变速转动的缺点,常将单万向联轴节成对使用,这便是双万向联轴节,即用一个中间轴
8、单万向联轴节成对使用,这便是双万向联轴节,即用一个中间轴2和两个单万向联轴节将主动轴和两个单万向联轴节将主动轴1和从动轴和从动轴3连接起来,如图连接起来,如图7.3所所示。示。对于连接相交见图对于连接相交见图7.3(a)的或平行见图的或平行见图7.3(b)的两轴的的两轴的双万向联轴节,为使主、从动轴的角速度恒相等,除要求主、从动双万向联轴节,为使主、从动轴的角速度恒相等,除要求主、从动轴轴1、3和中间轴和中间轴2应位于同一平面内之外,还必须使主、从动轴应位于同一平面内之外,还必须使主、从动轴1、3的轴线与中间轴的轴线与中间轴2的轴线之间的夹角相等;而且中间轴两端的叉面的轴线之间的夹角相等;而且
9、中间轴两端的叉面应位于同一平面内。应位于同一平面内。双万向联轴节常用来传递平行轴或相交轴的运动。双万向联轴节常用来传递平行轴或相交轴的运动。7.1.3 万向联轴节的应用万向联轴节的应用 单万向联轴节的特点是能够传递不平行轴的运动,并且当工作单万向联轴节的特点是能够传递不平行轴的运动,并且当工作中两轴夹角发生变化时仍能继续传递运动,因此安装、制造精度要中两轴夹角发生变化时仍能继续传递运动,因此安装、制造精度要求不高。求不高。双万向联轴节常用来传递相交轴或平行轴的运动,它的特点双万向联轴节常用来传递相交轴或平行轴的运动,它的特点是:当位置发生变化导致两轴夹角发生变化时,不但可以继续工是:当位置发生
10、变化导致两轴夹角发生变化时,不但可以继续工作,而且在满足前述的两条件时,还能保证两轴等角速度比传动。作,而且在满足前述的两条件时,还能保证两轴等角速度比传动。在一些机床的传动系统中可见到此双万向联轴节的应用。例如在汽在一些机床的传动系统中可见到此双万向联轴节的应用。例如在汽车变速箱和后桥主传动器之间用双万向联轴节连接,传递汽车变速车变速箱和后桥主传动器之间用双万向联轴节连接,传递汽车变速箱输出轴与后桥车架弹簧支撑上的后桥差速器输入轴间的运动。当箱输出轴与后桥车架弹簧支撑上的后桥差速器输入轴间的运动。当汽车行驶时由于道路不平或振动引起变速箱与差速器相对位置变汽车行驶时由于道路不平或振动引起变速箱
11、与差速器相对位置变化,联轴节的中间轴与它们的倾角虽然也有相应的变化,但是双万化,联轴节的中间轴与它们的倾角虽然也有相应的变化,但是双万向联轴节仍能继续传递动力和运动,汽车仍能继续运动。又如用于向联轴节仍能继续传递动力和运动,汽车仍能继续运动。又如用于轧钢机轧辊传动中的双万向联轴节,它可以适应不同厚度钢坯的轧轧钢机轧辊传动中的双万向联轴节,它可以适应不同厚度钢坯的轧制。制。7.2 螺螺 旋旋 机机 构构 7.2.1 螺旋机构的类型和工作原理螺旋机构的类型和工作原理 由螺旋副连接相邻构件而成的机构称为螺旋机构。常用的螺旋由螺旋副连接相邻构件而成的机构称为螺旋机构。常用的螺旋机构除螺旋副外还有转动副
12、和移动副。所以也称为三构件螺旋机机构除螺旋副外还有转动副和移动副。所以也称为三构件螺旋机构,图构,图7.4所示为最简单的三构件螺旋机构。螺旋机构由螺杆、螺所示为最简单的三构件螺旋机构。螺旋机构由螺杆、螺母及机架组成。按其功用的不同,螺旋机构可分为以下三种类母及机架组成。按其功用的不同,螺旋机构可分为以下三种类型。型。1.单式螺旋机构单式螺旋机构 图图7.4(a)所示的螺旋机构,由螺杆所示的螺旋机构,由螺杆1、螺母、螺母2及机架及机架3组成。其中组成。其中为转动副,为螺旋副,导程为为转动副,为螺旋副,导程为 ,为移动副。因其只包含一个螺,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
13、旋副,故称为单式螺旋机构。当螺杆1转过的角度为转过的角度为 时,螺母时,螺母2的位移的位移 为为 (7.3)2.复式螺旋机构复式螺旋机构 图图7.4(b)所示的螺旋机构,、都是螺旋副,它们的导程为所示的螺旋机构,、都是螺旋副,它们的导程为 和和,设两螺旋副的螺纹旋向相反,则当螺杆,设两螺旋副的螺纹旋向相反,则当螺杆1转角为转角为 时,螺母时,螺母2的的位移为两螺旋副移动量之和,即位移为两螺旋副移动量之和,即 (7.4)当导程当导程 时,有时,有 (7.5)式中,式中,为螺杆为螺杆1的位移。的位移。式式(7.5)说明螺母说明螺母2的位移是螺杆的位移是螺杆1的两倍。这种螺旋机构称为的两倍。这种螺旋
14、机构称为复复式螺旋机构,它可以使螺母式螺旋机构,它可以使螺母2快速移动。快速移动。3.差动螺旋机构差动螺旋机构 若将图若将图7.4(b)所示的螺旋机构的两个螺旋副和做成旋向相同的所示的螺旋机构的两个螺旋副和做成旋向相同的螺纹,则当螺杆螺纹,则当螺杆l转过的角度为转过的角度为 时,螺母时,螺母2的位移的位移 为为 (7.6)由式由式(7.6)可知,当导程可知,当导程 与与 相差很少时,可使螺母相差很少时,可使螺母2得到得到很很微小的位移,所以这种螺旋机构被称为差动螺旋机构。微小的位移,所以这种螺旋机构被称为差动螺旋机构。7.2.2 螺旋机构特点螺旋机构特点 螺旋机构有如下特点:螺旋机构有如下特点
15、:(1)回转运动变换为直线运动,运动准确性高,且有很大的降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。位移。(2)结构简单,制造方便。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。工作平稳,无噪声,可以传递很大的轴向力。(4)传动效率低,有自锁作用,相对运动表面磨损较快。传动效率低,有自锁作用,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。实现往复运动要靠主动件改变转动方向。另外,螺旋机构在反行程时若不自锁,即当螺旋升角大于当量另外,
16、螺旋机构在反行程时若不自锁,即当螺旋升角大于当量摩擦角时,它还可以将直线运动转换为旋转运动。在某些操纵机摩擦角时,它还可以将直线运动转换为旋转运动。在某些操纵机构、工具、玩具及武器等机构中,就利用了螺旋机构的这一特构、工具、玩具及武器等机构中,就利用了螺旋机构的这一特性。性。根据不同的工作要求,螺旋升角、导程和头数的选择是不同根据不同的工作要求,螺旋升角、导程和头数的选择是不同的。如对于要求螺旋机构具有自锁性的或是要求它起微动作用的的。如对于要求螺旋机构具有自锁性的或是要求它起微动作用的场合,应选择较小的螺旋升角,使具有较小的导程。而对于要求场合,应选择较小的螺旋升角,使具有较小的导程。而对于
17、要求传递功率大或快速传动的场合,应选择较大的螺旋升角。在传动传递功率大或快速传动的场合,应选择较大的螺旋升角。在传动精度要求较高时,因为多头螺旋的加工精度不易得到保证,所以精度要求较高时,因为多头螺旋的加工精度不易得到保证,所以不宜采用。不宜采用。7.3 棘棘 轮轮 机机 构构 7.3.1 棘轮机构的工作原理棘轮机构的工作原理 棘轮机构的基本结构如图棘轮机构的基本结构如图7.5和图和图7.6所示,它有外啮合所示,它有外啮合(图图7.5)和内啮合和内啮合(图图7.6)两种形式,主要由棘轮两种形式,主要由棘轮1、驱动棘爪、驱动棘爪2、主动件、主动件3、制动爪制动爪4和机架等组成。利用弹簧和机架等组
18、成。利用弹簧5使制动爪使制动爪4和棘轮和棘轮1保持接触;保持接触;棘轮棘轮1与转轴与转轴O固连。主动件固连。主动件3空套在转轴空套在转轴O上,且绕轴上,且绕轴O往复摆往复摆动。当主动件动。当主动件3作逆时针方向摆动时,与主动件作逆时针方向摆动时,与主动件3组成回转副的棘组成回转副的棘爪爪2便插入棘轮便插入棘轮1的齿槽中,推动棘轮转过一定角度,此时制动爪的齿槽中,推动棘轮转过一定角度,此时制动爪4在棘轮的齿背上滑过;当主动件在棘轮的齿背上滑过;当主动件3顺时针摆动时,制动爪顺时针摆动时,制动爪4阻止棘阻止棘轮顺时针方向转动,而棘爪轮顺时针方向转动,而棘爪2却能够在棘轮齿背上滑过,使棘轮静却能够在
19、棘轮齿背上滑过,使棘轮静止不动。因此当主动件不断往复摆动时,棘轮便得到单向的间歇止不动。因此当主动件不断往复摆动时,棘轮便得到单向的间歇运动,而主动件运动,而主动件3的摆动可以由连杆机构、凸轮机构、液压传动或的摆动可以由连杆机构、凸轮机构、液压传动或电磁装置等来实现。当棘轮的直径为无穷大时,棘轮变为棘条,电磁装置等来实现。当棘轮的直径为无穷大时,棘轮变为棘条,此时棘轮的单向间歇转动变为棘条的单向间歇移动。此时棘轮的单向间歇转动变为棘条的单向间歇移动。7.3.2 棘轮机构的运动特点及使用场合棘轮机构的运动特点及使用场合 棘轮机构的结构简单、制造方便、运动可靠,而且棘轮轴每次棘轮机构的结构简单、制
20、造方便、运动可靠,而且棘轮轴每次转过角度的大小可以在较大的范围内调节,这些都是它的优点。转过角度的大小可以在较大的范围内调节,这些都是它的优点。其缺点是工作时有较大的冲击和噪声,而且运动精度较差。所以其缺点是工作时有较大的冲击和噪声,而且运动精度较差。所以棘轮机构常用于速度较低和载荷不大的场合。棘轮机构常用于速度较低和载荷不大的场合。常用棘轮机构可分为轮齿式与摩擦式两大类。常用棘轮机构可分为轮齿式与摩擦式两大类。1.轮齿式棘轮机构轮齿式棘轮机构 按啮合方式可分为如图按啮合方式可分为如图7.5和图和图7.6所示的外啮合、内啮合棘轮所示的外啮合、内啮合棘轮机构。机构。根据棘轮的运动又可分为单向式和
21、双向式两种棘轮机构。根据棘轮的运动又可分为单向式和双向式两种棘轮机构。l)单向式棘轮机构单向式棘轮机构 如图如图7.5所示,其特点是摆杆向一个方向摆动时,棘轮沿同一方所示,其特点是摆杆向一个方向摆动时,棘轮沿同一方向转过某一角度;而摆杆向另一个方向摆动时,棘轮静止不动。向转过某一角度;而摆杆向另一个方向摆动时,棘轮静止不动。图图7.7所示为双动式棘轮机构,摆杆的往复摆动,都能使棘轮沿单所示为双动式棘轮机构,摆杆的往复摆动,都能使棘轮沿单一方向转动。一方向转动。2)双向式棘轮机构双向式棘轮机构 如图如图7.8所示,若将棘轮轮齿做成短梯形或矩形时,变动棘爪的所示,若将棘轮轮齿做成短梯形或矩形时,变
22、动棘爪的放置位置或方向后放置位置或方向后(图图7.8中虚、实线位置中虚、实线位置),可改变棘轮的转动方,可改变棘轮的转动方向。棘轮在正反两个转动方向上都可实现间歇转动。向。棘轮在正反两个转动方向上都可实现间歇转动。轮齿式棘轮机构结构简单,易于制造,运动可靠,棘轮转角容易轮齿式棘轮机构结构简单,易于制造,运动可靠,棘轮转角容易实现有级调整,但棘爪在齿面滑过引起噪声和冲击,在高速时就更实现有级调整,但棘爪在齿面滑过引起噪声和冲击,在高速时就更为严重,所以轮齿式棘轮机构经常在低速、轻载的场合用作间歇运为严重,所以轮齿式棘轮机构经常在低速、轻载的场合用作间歇运动控制。动控制。2.摩擦式棘轮机构摩擦式棘
23、轮机构 如图如图7.9所示为摩擦式棘轮结构,它的工作原理与轮齿式棘轮机所示为摩擦式棘轮结构,它的工作原理与轮齿式棘轮机构相同。其中图构相同。其中图7.9(a)为外接式,图为外接式,图7.9(b)为内接式。图为内接式。图7.9(a)中用中用偏心扇形楔块偏心扇形楔块4代替棘爪,用摩擦轮代替棘爪,用摩擦轮3代替棘轮。利用楔块与摩擦轮代替棘轮。利用楔块与摩擦轮间的摩擦力与楔块偏心的几何条件来实现摩擦轮的单向间歇转动。间的摩擦力与楔块偏心的几何条件来实现摩擦轮的单向间歇转动。图示机构当摆杆图示机构当摆杆2逆时针转动时,楔块逆时针转动时,楔块4在摩擦力的作用下楔紧摩擦在摩擦力的作用下楔紧摩擦轮,使摩擦轮轮
24、,使摩擦轮3同向转动;摆杆同向转动;摆杆2顺时针转动时摩擦轮静止不动。图顺时针转动时摩擦轮静止不动。图中构件中构件5为止动楔块。图为止动楔块。图7.9(b)中通过扇形块中通过扇形块2与从动轮与从动轮3间的摩擦力间的摩擦力推动从动轮间歇转动,它克服了齿啮式棘轮机构冲击噪声大及棘轮推动从动轮间歇转动,它克服了齿啮式棘轮机构冲击噪声大及棘轮每次转过角度的大小不能无级调节的缺点,但其运动准确性较差。每次转过角度的大小不能无级调节的缺点,但其运动准确性较差。图图7.10所示为单向离合器,该机构可看作是内接摩擦式棘轮所示为单向离合器,该机构可看作是内接摩擦式棘轮机构。此机构由星轮机构。此机构由星轮1、套筒
25、、套筒2、弹簧顶杆、弹簧顶杆3及滚柱及滚柱4等组成。若星等组成。若星轮轮1为主动件,则当其逆时针回转时,滚柱借摩擦力而滚向楔形空为主动件,则当其逆时针回转时,滚柱借摩擦力而滚向楔形空隙的小端,并将套筒楔紧,从而带动套筒隙的小端,并将套筒楔紧,从而带动套筒2一起转动;而当星轮顺一起转动;而当星轮顺时针回转时,滚柱被滚到空隙的大端,而将套筒松开,这时套筒时针回转时,滚柱被滚到空隙的大端,而将套筒松开,这时套筒静止不动。此种机构可同时用作单向离合器和超越离合器。静止不动。此种机构可同时用作单向离合器和超越离合器。摩擦式棘轮机构传递运动较平稳,无噪声,从动件的转角可摩擦式棘轮机构传递运动较平稳,无噪声
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