《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 》課件-項(xiàng)目二 常用機(jī)構(gòu)

任務(wù)一汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)任務(wù)情境1.汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的基本結(jié)構(gòu)往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的組成部分主要有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)體和汽缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)、供油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、啟動(dòng)裝置等。其具體結(jié)構(gòu)如圖211所示。2.汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的工作原理在內(nèi)燃機(jī)中,為了將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,其汽缸內(nèi)部要進(jìn)行進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣等過(guò)程。排氣過(guò)程結(jié)束,又緊接著開(kāi)始下一個(gè)進(jìn)氣過(guò)程,就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)。每進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣一次叫作一個(gè)循環(huán)。四沖程內(nèi)燃機(jī)是活塞每走四個(gè)行程,即曲軸每轉(zhuǎn)兩圈完成一個(gè)工作循環(huán),其工作過(guò)程如圖212所示。相關(guān)知識(shí)2.1.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型和特點(diǎn)根據(jù)構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可將連桿機(jī)構(gòu)分為平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)。所有構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均為平面運(yùn)動(dòng)且只用低副連接的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為平面連桿機(jī)構(gòu),又稱(chēng)為平面低副機(jī)構(gòu)。根據(jù)構(gòu)件數(shù)目分為四桿機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)等。而在平面連桿機(jī)構(gòu)中最常見(jiàn)的形式則是平面四桿機(jī)構(gòu),它同時(shí)也是多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。平面連桿機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副都是低副,組成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件之間為面接觸,因而承受的壓強(qiáng)小,便于潤(rùn)滑,磨損較輕,可以承受較大的載荷。(2)構(gòu)件形狀簡(jiǎn)單,加工方便,構(gòu)件之間的接觸是由構(gòu)件本身的幾何約束來(lái)保持的,所以構(gòu)件工作可靠。(3)在原動(dòng)件等速連續(xù)運(yùn)動(dòng)的條件下,當(dāng)各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度不同時(shí),可使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)多種形式的運(yùn)動(dòng),滿(mǎn)足多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求。(4)利用平面連桿機(jī)構(gòu)中的連桿可以滿(mǎn)足多種運(yùn)動(dòng)軌跡的要求。平面連桿結(jié)構(gòu)具有以下缺點(diǎn):(1)根據(jù)從動(dòng)件所需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或軌跡來(lái)設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜,而且精度不高。(2)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力難以平衡,所以不適用于高速的場(chǎng)合。2.1.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型及演化1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型全部用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的平面四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu),簡(jiǎn)稱(chēng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。如圖213所示,固定構(gòu)件AD稱(chēng)為機(jī)架,與機(jī)架用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接的桿AB或桿CD稱(chēng)為連架桿,不與機(jī)架直接連接的桿BC稱(chēng)為連桿。連架桿AB或桿CD如能繞機(jī)架上的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心A或D做整周轉(zhuǎn)動(dòng),則稱(chēng)為曲柄;若僅能在小于360°的某一角度內(nèi)擺動(dòng),則稱(chēng)為搖桿。對(duì)于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),機(jī)架和連架桿總是存在的,因此可按照連架桿是否有曲柄存在,把鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)分為三種基本類(lèi)型:曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中,若兩個(gè)連架桿,一個(gè)為曲柄,另一個(gè)為搖桿,則此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。通常曲柄為原動(dòng)件,并做勻速轉(zhuǎn)動(dòng);而搖桿為從動(dòng)件,做變速往復(fù)擺動(dòng)。圖214(a)所示為牛頭刨床橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)。當(dāng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)齒輪2(曲柄)轉(zhuǎn)動(dòng),再通過(guò)連桿3使搖桿4往復(fù)擺動(dòng),搖桿另一端的棘爪便撥動(dòng)棘輪5,帶動(dòng)進(jìn)絲桿6作單向間歇運(yùn)動(dòng)。圖214(b)是其曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。圖215所示為調(diào)整雷達(dá)天線(xiàn)俯仰角的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄1緩慢地勻速轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)連桿2使搖桿3在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng),從而調(diào)整天線(xiàn)俯仰角的大小。2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化1)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖216(a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu),桿1為曲柄,桿3為搖桿,現(xiàn)將桿4做成環(huán)形槽,槽的中心在D點(diǎn),而把桿3做成弧形滑塊,與環(huán)形槽相配合,如圖216(b)所示。圖216(a)和(b)所示的機(jī)構(gòu)中盡管轉(zhuǎn)動(dòng)副D的形狀發(fā)生了變化,但其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)卻是等效的。如果將環(huán)形槽的半徑CD增加到無(wú)窮大,轉(zhuǎn)動(dòng)副D的中心移到無(wú)窮遠(yuǎn)處,則環(huán)形槽變成了直槽,而轉(zhuǎn)動(dòng)副變成了移動(dòng)副,機(jī)構(gòu)演化成偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu),如圖216(c)所示。圖中e為曲柄中心A至直槽中心線(xiàn)的垂直距離,稱(chēng)為偏心距。當(dāng)e=0時(shí),稱(chēng)為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),如圖216(a)所示。因此可以認(rèn)為,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化而來(lái)的。2)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可以看成是改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件演化而來(lái)的。如圖217(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu),若改取桿1為固定件,即得圖217(b)所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。桿4稱(chēng)為導(dǎo)桿,滑塊3相對(duì)導(dǎo)桿滑動(dòng)并一起繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。通常取桿2為原動(dòng)件。當(dāng)l1<l2時(shí),桿2和桿4可整周轉(zhuǎn)動(dòng),稱(chēng)為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)或轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu);當(dāng)l1>l2時(shí),桿4只能往復(fù)擺動(dòng),稱(chēng)為曲柄擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),或擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。由于導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角始終等于90°,具有很好的傳力性能,故用于牛頭刨床、插床和回轉(zhuǎn)式油泵之中。3)搖塊機(jī)構(gòu)在圖217(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中,若取桿2為固定構(gòu)件,即可得圖217(c)所示的擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)(或稱(chēng)搖塊機(jī)構(gòu))。此時(shí),滑塊只能繞C點(diǎn)擺動(dòng),稱(chēng)為搖塊,其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是若桿1做整周回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)時(shí),導(dǎo)桿4相對(duì)滑塊3移動(dòng),并一起繞C點(diǎn)擺動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于擺動(dòng)式內(nèi)燃機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)裝置中。例如在圖218所示卡車(chē)車(chē)廂自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)中,當(dāng)油缸3中的壓力油推動(dòng)活塞桿4運(yùn)動(dòng)時(shí),車(chē)廂1便繞回轉(zhuǎn)副中心B傾轉(zhuǎn),當(dāng)達(dá)到一定角度時(shí),物料就自動(dòng)卸下。4)定塊機(jī)構(gòu)在圖217(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中,若取滑塊3為固定件,即可得圖217(d)所示的固定滑塊機(jī)構(gòu)(或稱(chēng)定塊機(jī)構(gòu)),其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是當(dāng)主動(dòng)件桿1回轉(zhuǎn)時(shí),桿2繞C點(diǎn)擺動(dòng),桿4僅相對(duì)固定滑塊做往復(fù)移動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)常用于抽水唧筒(如圖219所示)和抽油泵中。5)偏心輪機(jī)構(gòu)圖2110所示為偏心輪機(jī)構(gòu)。桿1為圓盤(pán),其幾何中心為B,因運(yùn)動(dòng)時(shí)該圓盤(pán)繞偏心A轉(zhuǎn)動(dòng),故稱(chēng)之為偏心輪。A、B之間的距離e稱(chēng)為偏心距。按照相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,可畫(huà)出該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,如圖2110(b)所示。由圖可知,偏心輪是回轉(zhuǎn)副B擴(kuò)大到包括回轉(zhuǎn)副A而形成的,偏心距e即是曲柄的長(zhǎng)度。2.1.3平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中,能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿稱(chēng)為曲柄。而曲柄是否存在則取決于機(jī)構(gòu)中各桿的長(zhǎng)度關(guān)系,即欲使曲柄能作整周轉(zhuǎn)動(dòng),各桿長(zhǎng)度必須滿(mǎn)足一定的條件,也就是曲柄存在的條件。機(jī)構(gòu)有曲柄存在的條件如下:(1)最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和。(2)最短桿或其相鄰桿應(yīng)為機(jī)架。根據(jù)有曲柄的條件可得以下推論:(1)當(dāng)最長(zhǎng)桿與最短桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和時(shí):①最短桿為機(jī)架時(shí)得到雙曲柄機(jī)構(gòu);②最短桿的相鄰桿為機(jī)架時(shí)得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu);③最短桿的對(duì)面桿為機(jī)架時(shí)得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。(2)當(dāng)最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和時(shí),只能得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。判斷鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有無(wú)曲柄存在的邏輯過(guò)程如圖2113所示。2.壓力角和傳動(dòng)角圖2114所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu),如不計(jì)各桿質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦,則連桿BC為二力桿,它作用于從動(dòng)搖桿上的力F是沿BC方向的。作用在從動(dòng)件上的驅(qū)動(dòng)力F與該力作用點(diǎn)絕對(duì)速度vc之間所夾的銳角α稱(chēng)為壓力角。由圖可見(jiàn),力F在vc方向的有效分力Ft=Fcosα,即壓力角越小,有效分力就越大。也就是說(shuō),壓力角可作為判斷機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能的指標(biāo)。在連桿設(shè)計(jì)中,為了度量方便,習(xí)慣用壓力角α的余角γ(連桿和從動(dòng)件搖桿之間所夾的銳角)來(lái)判斷傳力性能,γ稱(chēng)為傳動(dòng)角。因γ=90°-α,所以α越小,γ越大,機(jī)構(gòu)傳力性能越好,反之,α越大,γ越小,機(jī)構(gòu)傳力越費(fèi)勁,傳動(dòng)效率越低。機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),傳動(dòng)角是變化的,為了保證機(jī)構(gòu)正常工作,必須規(guī)定最小傳動(dòng)角γmin的下限。對(duì)于一般機(jī)械通常取γmin≥40°~50°;對(duì)于顎式破碎機(jī)、沖床等大功率機(jī)械,最小傳動(dòng)角應(yīng)當(dāng)取大一些,可取γmin≥50°;對(duì)于小功率的控制機(jī)構(gòu)和儀表,γmin可略小于40°。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其最小傳動(dòng)角出現(xiàn)的位置可由下述方法求得。如圖2114所示,當(dāng)連桿與從動(dòng)件的夾角δ為銳角時(shí),則γ=δ;若δ為鈍角,則γ=180°-δ。因此,這兩種情況下分別出現(xiàn)δmin和δmax的位置即為可能出現(xiàn)γmin的位置。由圖可知,在△BCD中,BC和CD為定長(zhǎng),BD隨δ而變化,即δ變大,則BD變長(zhǎng);δ變小,則BD變短。因此,當(dāng)δ=δmax時(shí),BD=BDmax;當(dāng)δ=δmin時(shí),BD=BDmin。對(duì)于圖2114所示的機(jī)構(gòu),BDmax=AD+AB2,BDmin=AD-AB1,即此機(jī)構(gòu)在曲柄與機(jī)架共線(xiàn)的兩個(gè)位置出現(xiàn)最小傳動(dòng)角。對(duì)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu),當(dāng)原動(dòng)件為曲柄時(shí),最小傳動(dòng)角出現(xiàn)在曲柄與機(jī)架垂直的位置,如圖2115所示。對(duì)于圖2116所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),由于在任何位置時(shí)主動(dòng)曲柄通過(guò)滑塊傳給從動(dòng)桿的力的方向,與從動(dòng)桿上受力點(diǎn)的速度方向始終一致,所以傳動(dòng)角始終等于90°。3.急回運(yùn)動(dòng)圖2117所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu),當(dāng)曲柄AB為原動(dòng)件并作等速回轉(zhuǎn)時(shí),搖桿CD為從動(dòng)件并作往復(fù)擺動(dòng),曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中有兩次與連桿BC共線(xiàn)。這時(shí)搖桿CD分別處在左右兩個(gè)極限位置C1D、C2D。在這兩個(gè)極限位置時(shí)曲柄所在直線(xiàn)之間所夾的銳角θ稱(chēng)為極位夾角。曲柄順時(shí)針從AB1轉(zhuǎn)到AB2,轉(zhuǎn)過(guò)角度φ1=180°+θ,搖桿從C1D轉(zhuǎn)到C2D,所需時(shí)間為t1,C點(diǎn)的速度為v1=C1C2/t1。曲柄繼續(xù)順時(shí)針從AB2轉(zhuǎn)到AB1,轉(zhuǎn)過(guò)角度φ2=180°-θ,搖桿從C2D轉(zhuǎn)到C1D,所需時(shí)間為t2,C點(diǎn)平均速度為v2=C1C2/t2。由于φ1>φ2,所以t1>t2,v1<v2,說(shuō)明當(dāng)曲柄等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),搖桿來(lái)回?cái)[動(dòng)的速度不等,返回時(shí)速度較大。機(jī)構(gòu)的這種性質(zhì),稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的急回特性。牛頭刨床、往復(fù)式輸送機(jī)等機(jī)械就是利用這種急回特性來(lái)縮短非生產(chǎn)時(shí)間,提高生產(chǎn)率。機(jī)構(gòu)的急回特性通常用行程速度變化系數(shù)K來(lái)表示,即若θ=0,K=1,機(jī)構(gòu)無(wú)急回特性;若θ>0,K>1,機(jī)構(gòu)有急回特性,且θ越大,機(jī)構(gòu)的急回特性越顯著。設(shè)計(jì)新機(jī)械時(shí),總是根據(jù)該機(jī)械的急回要求先給出K值然后由式(218)算出極位夾角θ,再確定各構(gòu)件的尺寸。4.死點(diǎn)位置對(duì)于圖2118所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu),當(dāng)搖桿CD為主動(dòng)件時(shí),在曲柄與連桿共線(xiàn)的位置,機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角γ=0°,這時(shí)主動(dòng)件CD通過(guò)連桿作用于從動(dòng)件AB上的力F恰好通過(guò)其回轉(zhuǎn)中心,因此不論連桿BC對(duì)曲柄的作用力F有多大,都不能使AB桿轉(zhuǎn)動(dòng),機(jī)構(gòu)的這種位置稱(chēng)為死點(diǎn)。死點(diǎn)位置會(huì)使機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件出現(xiàn)卡死或運(yùn)動(dòng)不確定的現(xiàn)象。為了消除死點(diǎn)位置的不良影響,可以對(duì)從動(dòng)曲柄施加外力,或利用飛輪及構(gòu)件自身的慣性作用,使機(jī)構(gòu)順利通過(guò)死點(diǎn)位置。工程上有時(shí)也利用死點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的工作要求。如圖2119所示的飛機(jī)起落架,當(dāng)機(jī)輪放下時(shí)BC桿與CD桿共線(xiàn),機(jī)構(gòu)處在死點(diǎn)位置,地面對(duì)機(jī)輪的力不會(huì)使CD桿轉(zhuǎn)動(dòng),使降落可靠。2.1.4平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)如圖2120所示,已知連桿長(zhǎng)度BC以及它所處的三個(gè)位置B1C1、B2C2、B3C3,要求設(shè)計(jì)該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。由于連桿上鉸鏈點(diǎn)B(C)是在以A(D)為圓心的圓弧上運(yùn)動(dòng)的,已知B1(C1)、B2(C2)、B3(C3)的位置,就可以求出圓心A(D)。分別作B1、B2和B2、B3連線(xiàn)的垂直平分線(xiàn)b12、b23,其交點(diǎn)就是固定鉸鏈中心A;同理作C1、C2和C2、C3連線(xiàn)的垂直平分線(xiàn)c12、c23,其交點(diǎn)就是固定鉸鏈中心D。連接A、B1、C1、D就是所求的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。由求解過(guò)程可知,給定BC的三個(gè)位置只有一個(gè)解,如給定兩個(gè)位置,則A、D兩點(diǎn)可分別在b12、c12上任取,因此有無(wú)窮多解,在設(shè)計(jì)時(shí)可按實(shí)際情況給定輔助條件,即可得一個(gè)確定解。2.按給定兩連架桿的對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)設(shè)已知機(jī)架AD的長(zhǎng)度、連架桿AB的長(zhǎng)度及連架桿AB、CD的兩組對(duì)應(yīng)位置α1、φ1和α2、φ2,試設(shè)計(jì)該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。如圖2122(a)所示,已知四桿機(jī)構(gòu)一連架桿AB和機(jī)架AD的長(zhǎng)度,連架桿AB和另一連架桿上標(biāo)線(xiàn)ED的三組對(duì)應(yīng)位置φ1、ψ1、φ2、ψ2及φ3、ψ3,要求設(shè)計(jì)該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)步驟如下:(1)選取適當(dāng)?shù)谋壤擀蘬,按給定條件畫(huà)出兩連架桿對(duì)應(yīng)位置,并連接DB2和DB3,如圖2122(b)所示。(2)用反轉(zhuǎn)法將DB2和DB3分別繞D點(diǎn)反轉(zhuǎn)(ψ1-ψ2)、(ψ1-ψ3),得B'2和B'3。(3)作B1B'2和B'2B'3的垂直平分線(xiàn)b12和b23交于C1點(diǎn),連接A、B1、C1、D即為要求的該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。(4)桿BC和桿CD的長(zhǎng)度lBC、lCD為lBC=μl·B1C1lCD=μl·C1D3.按給定行程速度變化系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)已知搖桿CD的長(zhǎng)度c、擺角ψ和行程速度變化系數(shù)K,試設(shè)計(jì)該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定固定鉸鏈A的位置。設(shè)計(jì)步驟如下:(1)選取適當(dāng)?shù)谋壤擀蘬,按c和ψ作出搖桿的兩個(gè)極限位置C1D和C2D,如圖2123所示。(2)按式算出極位夾角θ。(3)連接C1C2,作∠C1C2O=∠C2C1O=∠90°-θ,以O(shè)為圓心、OC1為半徑作圓η,C1C2所對(duì)的圓心角∠C1OC2=2θ。(4)在圓η上,C1C2所對(duì)的圓周角為θ,因此在圓周上適當(dāng)選取A點(diǎn),使∠C1AC2=θ,則AC1、AC2即為曲柄與連桿共線(xiàn)的兩個(gè)位置。設(shè)曲柄與連桿的長(zhǎng)度分別為a和b,則μl·AC1=b-a,μl·AC2=a+b于是曲柄的長(zhǎng)度為連桿的長(zhǎng)度為2)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)已知曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速度變化系數(shù)K、行程H和偏心距e,試設(shè)計(jì)該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(如圖2124所示)。作圖步驟如下:(1)按給定行程速度變化系數(shù)K,求出極位夾角θ,即(2)按給定的行程H,畫(huà)出滑塊的兩個(gè)極限位置C1和C2。(3)以C1C2為底作等腰三角形△C1OC2,使∠C1C2O=∠C2C1O=∠90°-θ,∠C1OC2=2θ。以O(shè)為圓心、OC1為半徑作圓。(4)作與C1C2相距為e的平行線(xiàn)MN,此線(xiàn)與圓交于A(yíng)點(diǎn),A點(diǎn)即為曲柄與機(jī)架的固定鉸鏈中心。(5)作直線(xiàn)AC1和AC2得到曲柄與連桿的兩個(gè)共線(xiàn)位置,由AC1=B1C1-AB1、C2=B2C2+AB2可得曲柄AB及連桿BC的長(zhǎng)度。3)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)已知擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架長(zhǎng)度d和行程速度變化系數(shù)K,試設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)。取比例尺μl,作AD=d/μl。由K算出θ,由圖2125可知,極位夾角θ等于導(dǎo)桿的擺角ψ,因此作∠ADB1=∠ADB2=θ/2,作AB1(或AB2)垂直于B1D(或B2D),則AB就是曲柄,其長(zhǎng)度a=μl·AB1。2.1.5雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)1.雙曲柄機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中,若兩連架桿均為曲柄,則稱(chēng)為雙曲柄機(jī)構(gòu)。在雙曲柄機(jī)構(gòu)中,兩個(gè)曲柄可以分別為主動(dòng)件。圖2126所示雙曲柄機(jī)構(gòu),若取曲柄AB為主動(dòng)件,當(dāng)主動(dòng)曲柄從AB順時(shí)針回轉(zhuǎn)180°到AB1位置時(shí),從動(dòng)曲柄CD順時(shí)針回轉(zhuǎn)到C1D,轉(zhuǎn)過(guò)角度φ1;主動(dòng)曲柄AB繼續(xù)回轉(zhuǎn)180°,從動(dòng)曲柄CD轉(zhuǎn)過(guò)角度φ2。顯然φ1>φ2,φ1+φ2=360°。所以雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是:主動(dòng)曲柄勻速回轉(zhuǎn)一周,從動(dòng)曲柄隨之變速回轉(zhuǎn)一周,即從動(dòng)曲柄每回轉(zhuǎn)的一周中,其角速度有時(shí)大于從動(dòng)曲柄的角速度,有時(shí)小于從動(dòng)曲柄的角速度。圖2127所示的慣性篩,ABCD就是雙曲柄機(jī)構(gòu),這是雙曲柄機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。慣性篩機(jī)構(gòu)中,主動(dòng)曲柄AB與從動(dòng)曲柄的長(zhǎng)度不等,當(dāng)主動(dòng)曲柄等速回轉(zhuǎn)一周時(shí),從動(dòng)曲柄CD變速回轉(zhuǎn)一周,該機(jī)構(gòu)具有急回特性,使篩子EF獲得了加速度,從而將被篩選的材料分離。雙曲柄機(jī)構(gòu)中,用得最多的是平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。在平行雙曲柄機(jī)構(gòu)中,主動(dòng)曲柄與從動(dòng)曲柄的旋轉(zhuǎn)方向一致,旋轉(zhuǎn)的角速度也相同。圖2128所示的機(jī)車(chē)車(chē)輛機(jī)構(gòu)就是平行四邊形機(jī)構(gòu)(平行雙曲柄機(jī)構(gòu)),它使各車(chē)輪與主動(dòng)輪具有相同的速度,當(dāng)曲柄、機(jī)架與連桿共線(xiàn)時(shí),會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定的情況。其內(nèi)含有一個(gè)虛約束,以防止在曲柄與機(jī)架共線(xiàn)時(shí)運(yùn)動(dòng)不確定。2.雙搖桿機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中,若連架桿均為搖桿則稱(chēng)為雙搖桿機(jī)構(gòu),如圖2129所示。在雙搖桿機(jī)構(gòu)中,兩搖桿可以分別為主動(dòng)件,當(dāng)連桿與搖桿共線(xiàn)時(shí)(圖2129中AB與BC、DC與BC),機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。雙搖桿機(jī)構(gòu)有兩個(gè)死點(diǎn)位置。圖2130所示為利用雙搖桿機(jī)構(gòu)的鶴式起重機(jī),當(dāng)CD桿擺動(dòng)時(shí),連桿BC上懸掛重物的點(diǎn)M在近似水平直線(xiàn)上移動(dòng)。圖2131所示的搖頭機(jī)構(gòu)也是雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用,電動(dòng)機(jī)安裝在搖桿4上,鉸鏈A處裝有一個(gè)與連桿1固接在一起的蝸輪。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)軸上的蝸桿帶動(dòng)蝸輪迫使連桿1繞A點(diǎn)做整周轉(zhuǎn)動(dòng),從而使連桿2和4做往復(fù)擺動(dòng),達(dá)到風(fēng)扇搖頭的目的。任務(wù)二汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)任務(wù)情境圖221所示是內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu),配氣機(jī)構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序和工作過(guò)程定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén),使可燃混合氣或空氣進(jìn)入汽缸,并使廢氣從汽缸內(nèi)排出,實(shí)現(xiàn)換氣過(guò)程。配氣機(jī)構(gòu)可從不同角度來(lái)分類(lèi):按氣門(mén)的布置分為氣門(mén)頂置式和氣門(mén)側(cè)置式;按凸輪軸的布置位置分為下置式、中置式和上置式(如圖222所示);按曲軸和凸輪軸的傳動(dòng)方式分為齒輪傳動(dòng)式、鏈條傳動(dòng)式和齒帶傳動(dòng)式;按每汽缸氣門(mén)數(shù)目分,有二氣門(mén)式和四氣門(mén)式等。目前大部分內(nèi)燃機(jī)采用凸輪軸下置式和氣門(mén)頂置式結(jié)構(gòu)。配氣機(jī)構(gòu)主要由氣門(mén)傳動(dòng)組和氣門(mén)組組成,如圖223所示。氣門(mén)依靠氣門(mén)彈簧作用力落座,與氣門(mén)座緊密結(jié)合,保證了汽缸的密封性能;曲軸通過(guò)皮帶、鏈條或齒輪驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn),由凸輪軸凸起通過(guò)挺桿、搖臂等驅(qū)動(dòng)氣門(mén)打開(kāi)(凸輪軸也可直接驅(qū)動(dòng)氣門(mén)打開(kāi)),所以氣門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉特性取決于凸輪軸的設(shè)計(jì)。任務(wù)提出與任務(wù)分析1.任務(wù)提出用作圖法設(shè)計(jì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)對(duì)心直動(dòng)盤(pán)形凸輪輪廓曲線(xiàn)。已知凸輪的基圓半徑r0=13mm,推程h=8mm,推程角為60°,近休止角為220°,遠(yuǎn)休止角為20°,回程角為60°,凸輪順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng),從動(dòng)件推程和回程中按等加速等減速規(guī)律運(yùn)動(dòng)。2.任務(wù)分析內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中運(yùn)用到了凸輪機(jī)構(gòu),凸輪機(jī)構(gòu)由哪些部件組成?它是如何工作的?其分類(lèi)及應(yīng)用又是怎樣的?設(shè)計(jì)該凸輪機(jī)構(gòu)中的輪廓曲線(xiàn),需要了解圖解法的設(shè)計(jì)原理、凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程、從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期工作要求的參數(shù)。相關(guān)知識(shí)2.2.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用、類(lèi)型及特點(diǎn)1.凸輪機(jī)構(gòu)的基本組成凸輪是一種具有曲線(xiàn)輪廓或凹槽的構(gòu)件,它通過(guò)與從動(dòng)件的高副接觸,在運(yùn)動(dòng)時(shí)可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律。凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中的一種常用機(jī)構(gòu),在自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛。凸輪機(jī)構(gòu)一般是由凸輪1、從動(dòng)件2和機(jī)架3三個(gè)基本構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu)。在凸輪機(jī)構(gòu)中,凸輪通常作為主動(dòng)件作等速連續(xù)運(yùn)動(dòng),借助其輪廓曲線(xiàn)(或凹槽)使從動(dòng)件作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)(移動(dòng)或擺動(dòng)),如圖224所示。2.凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用如圖225所示的靠模切削機(jī)構(gòu),工件1回轉(zhuǎn),凸輪3作為靠模被固定在床身上,刀架2在彈簧的作用下與凸輪輪廓緊密接觸。當(dāng)拖板4縱向移動(dòng)時(shí),刀架2在靠模板(凸輪)曲線(xiàn)輪廓的推動(dòng)下做橫向移動(dòng),從而切削出與靠模板曲線(xiàn)一致的工件。圖226所示為自動(dòng)送料機(jī)構(gòu),帶凹槽的圓柱凸輪作等速轉(zhuǎn)動(dòng),槽中的滾子帶動(dòng)從動(dòng)件2做往復(fù)移動(dòng),將工件推至指定的位置從而完成送料任務(wù)。3.凸輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)凸輪機(jī)構(gòu)的種類(lèi)很多,主要從以下幾個(gè)角度進(jìn)行分類(lèi)。1)按凸輪的形狀分類(lèi)(1)盤(pán)形凸輪(見(jiàn)圖227(a))。它是凸輪中最基本的形式。凸輪是繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)且向徑變化的盤(pán)形零件,凸輪與從動(dòng)件互做平面運(yùn)動(dòng),是平面凸輪機(jī)構(gòu)。(2)移動(dòng)凸輪(見(jiàn)圖227(b))。它可看作是回轉(zhuǎn)半徑無(wú)限大的盤(pán)形凸輪,凸輪做往復(fù)直線(xiàn)移動(dòng),也是平面凸輪機(jī)構(gòu)的一種。(3)圓柱凸輪(見(jiàn)圖227(c))。它可看作是移動(dòng)凸輪繞在圓柱體上演化而成的,從動(dòng)件與凸輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為空間運(yùn)動(dòng),是一種空間凸輪機(jī)構(gòu)。圓柱凸輪可以用圓柱體上的凹槽來(lái)控制從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,也可以用圓柱體的端面輪廓曲線(xiàn)來(lái)控制。(4)曲面凸輪(見(jiàn)圖227(d))。當(dāng)圓柱表面用圓弧面代替時(shí),就演化成曲面凸輪,它也是一種空間凸輪機(jī)構(gòu)。2)按鎖合方式分類(lèi)鎖合是指使從動(dòng)件與凸輪始終保持接觸。按鎖合方式,凸輪機(jī)構(gòu)主要分為以下兩種:(1)力鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)。依靠重力、彈簧力鎖合的凸輪機(jī)構(gòu),如圖228(a)、(b)、(c)所示。(2)形鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)。依靠凸輪幾何形狀鎖合的凸輪機(jī)構(gòu),如溝槽凸輪、等徑及等寬凸輪、共軛凸輪等,如圖228(d)、(e)、(f)所示。3)按從動(dòng)件的形式分類(lèi)(1)尖頂從動(dòng)件。如圖229(a)所示,尖頂能與復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸,從而實(shí)現(xiàn)任意預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但由于凸輪與從動(dòng)件之間通過(guò)點(diǎn)或線(xiàn)接觸,容易產(chǎn)生磨損,所以只適用于受力較小的低速凸輪機(jī)構(gòu)。(2)滾子從動(dòng)件。在從動(dòng)件端部裝一滾子,即成為滾子從動(dòng)件,如圖229(b)所示。滾子與凸輪之間為滾動(dòng)摩擦,磨損較小,并且可以承受較大的載荷。其缺點(diǎn)是凸輪上凹陷的輪廓未必能很好地與滾子接觸,從而影響實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。(3)平底從動(dòng)件。在從動(dòng)件端部固定一平板,即成為平底從動(dòng)件,如圖229(c)所示。平底與凸輪之間易于形成油膜,利于潤(rùn)滑,適用于高速運(yùn)行,而且凸輪驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件的力始終與平底垂直,傳動(dòng)效率較高。其缺點(diǎn)也是凸輪上凹陷的輪廓未必能很好地與平底接觸。在凸輪機(jī)構(gòu)中,從動(dòng)件不僅有不同的類(lèi)型,而且也可有不同的運(yùn)動(dòng)形式。根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式不同,可以把從動(dòng)件分為直動(dòng)從動(dòng)件(如圖229(a)、(b)、(c)所示)和擺動(dòng)從動(dòng)件(如圖229(d)、(e)、(f)所示)兩種。在直動(dòng)從動(dòng)件中,若導(dǎo)路軸線(xiàn)通過(guò)凸輪的回轉(zhuǎn)軸,則稱(chēng)為對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件(如圖224所示),否則稱(chēng)為偏置直動(dòng)從動(dòng)件。將各種不同類(lèi)型的從動(dòng)件和凸輪組合起來(lái),就可得到各種不同類(lèi)型的凸輪機(jī)構(gòu),如圖224所示的凸輪機(jī)構(gòu)可命名為對(duì)心直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)。4.凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)1)凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu),只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?便可使從動(dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng),而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便,可以高速啟動(dòng),動(dòng)作準(zhǔn)確可靠,因此在自動(dòng)機(jī)床、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、食品機(jī)械、包裝機(jī)械和機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。2)凸輪機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)(1)凸輪與從動(dòng)件間為點(diǎn)或線(xiàn)接觸,易磨損,只宜用于傳力不大的場(chǎng)合。(2)凸輪輪廓精度要求較高,需用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。(3)從動(dòng)件的行程不能過(guò)大,否則會(huì)使凸輪變得笨重。2.2.2凸輪的結(jié)構(gòu)和材料1.凸輪的結(jié)構(gòu)1)凸輪在軸上的固定方式當(dāng)凸輪輪廓尺寸接近于軸的直徑時(shí),凸輪與軸可制作成一體,如圖2210(a)所示;當(dāng)其尺寸相差比較大時(shí),凸輪與軸分開(kāi)制造,凸輪與軸通過(guò)鍵連接,如圖2210(b)所示,或通過(guò)銷(xiāo)連接,如圖2210(c)所示。當(dāng)凸輪與軸的相對(duì)角度需要自由調(diào)節(jié)時(shí),可采用圖2210(d)所示的方式用彈性錐套和螺母連接。2)滾子及其連接如圖2211所示為常見(jiàn)的幾種滾子結(jié)構(gòu)。圖2211(a)為專(zhuān)用的圓柱滾子及其連接方式,即滾子與從動(dòng)件底端用螺栓連接。圖2211(b)、(c)為滾子與從動(dòng)件底端用銷(xiāo)軸連接,其中圖(c)為滾子直接采用合適的滾動(dòng)軸承代替。但無(wú)論上述哪種情況,都必須保證滾子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。2.凸輪機(jī)構(gòu)的材料在選擇凸輪和從動(dòng)件材料時(shí),首先要求有較高的耐磨性,以便在長(zhǎng)期工作中能保持足夠的精度,不會(huì)因磨損而失效;其次要求材料摩擦系數(shù)小、加工方便、經(jīng)濟(jì)等。1)凸輪常用材料對(duì)于載荷很大的凸輪用合金鋼或滾珠軸承鋼來(lái)制造,并考慮采用高頻淬火、淬火(低溫回火)、氮化等熱處理方法,使凸輪工作表面有較高的硬度及耐磨性。為了提高凸輪的耐磨性和抗腐蝕性,常用硬青銅、高級(jí)黃銅制造凸輪,對(duì)鋼制凸輪表面可以鍍鉻。一般對(duì)于承載不大的凸輪要求不高時(shí),可以使用碳素鋼制造,并且可不經(jīng)過(guò)淬火。對(duì)于輕載機(jī)構(gòu),從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)精度要求不高時(shí),也可采用塑料制造凸輪。2)從動(dòng)件的材料尖頂從動(dòng)件的尺寸比凸輪小,并且只用它的尖端與凸輪接觸,因此容易磨損。從更換易損零件力求簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā),一般應(yīng)當(dāng)選擇比凸輪軟一些的材料制造尖頂從動(dòng)件(或滾子從動(dòng)件的滾子)。滾子從動(dòng)件的工作條件是相對(duì)滾動(dòng),磨損較小,因此,對(duì)耐磨性要求較低,但它對(duì)滾子軸的材料和熱處理的要求與尖頂從動(dòng)件相同。2.2.3從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.平面凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸和運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖2212所示為尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),以凸輪軸心O為圓心,以凸輪輪廓的最小向徑r0為半徑所作的圓稱(chēng)為基圓,r0為基圓半徑,凸輪以等角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖示位置,尖頂與A點(diǎn)接觸,A點(diǎn)是基圓與開(kāi)始上升的輪廓曲線(xiàn)的交點(diǎn),此時(shí)從動(dòng)件的尖頂離凸輪軸心最近。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng),向徑增大,從動(dòng)件按一定規(guī)律被推上遠(yuǎn)處,到向徑最大的B點(diǎn)與尖頂接觸時(shí),從動(dòng)件被推向最遠(yuǎn)處,這一過(guò)程稱(chēng)為推程。與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角(∠BOB')稱(chēng)為推程運(yùn)動(dòng)角δt,從動(dòng)件移動(dòng)的距離AB'稱(chēng)為行程,用h表示。接著B(niǎo)C︵與尖頂接觸,從動(dòng)件在最遠(yuǎn)處停止不動(dòng),對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角稱(chēng)為遠(yuǎn)休止角δs。凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),尖頂與向徑逐漸變小的CD段輪廓接觸,從動(dòng)件返回,這一過(guò)程稱(chēng)為回程,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角稱(chēng)為回程運(yùn)動(dòng)角δh。圓弧DA與尖頂接觸時(shí),從動(dòng)件在最近處停止不動(dòng),對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角稱(chēng)為近休止角δ's。當(dāng)凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí),從動(dòng)件重復(fù)上述的升-停-降-停的運(yùn)動(dòng)循環(huán)。通常推程是凸輪機(jī)構(gòu)的工作行程,而回程則是凸輪機(jī)構(gòu)的空回行程。從動(dòng)件的位移s與凸輪的轉(zhuǎn)角δ的關(guān)系可以用曲線(xiàn)來(lái)表示,該曲線(xiàn)稱(chēng)為從動(dòng)件的位移曲線(xiàn)(也稱(chēng)為s-δ曲線(xiàn)),如圖2212(b)所示。由于大多數(shù)凸輪做等速轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)角與時(shí)間成正比,因此橫坐標(biāo)也代表時(shí)間t。位移曲線(xiàn)直觀(guān)地表示了從動(dòng)件的位移變化規(guī)律,它是凸輪輪廓設(shè)計(jì)的依據(jù)。2.常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律1)等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件上升或下降的速度為一個(gè)常數(shù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱(chēng)為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。設(shè)凸輪以等角速度ω1回轉(zhuǎn),當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)推程運(yùn)動(dòng)角δt時(shí),推桿等速上升h,其推程的運(yùn)動(dòng)方程為從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的速度為常數(shù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,稱(chēng)為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在推程階段,凸輪以等角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng),經(jīng)過(guò)T時(shí)間,凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的推程運(yùn)動(dòng)角為δt,而從動(dòng)件等速完成的行程為h。從動(dòng)件的位移s與凸輪轉(zhuǎn)角φ成正比,其推程運(yùn)動(dòng)線(xiàn)圖如圖2213所示,即位移曲線(xiàn)為一過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線(xiàn)。在回程階段,凸輪以等角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng),經(jīng)過(guò)T'時(shí)間,凸輪轉(zhuǎn)過(guò)回程運(yùn)動(dòng)角δh,而從動(dòng)件等速下降h。同理,可推得從動(dòng)件在回程階段的運(yùn)動(dòng)方程。由圖2213可知,從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí),凸輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間,速度由零突變?yōu)関0,運(yùn)動(dòng)終止時(shí),速度由v0突變?yōu)榱?由于速度發(fā)生突變,而這時(shí)的加速度在理論上達(dá)到無(wú)窮大(當(dāng)然由于材料的彈性變形,實(shí)際上不能達(dá)到無(wú)窮大),致使從動(dòng)件突然產(chǎn)生非常大的慣性力,因而使凸輪機(jī)構(gòu)受到極大的沖擊,這種沖擊稱(chēng)為剛性沖擊,這對(duì)工作是不利的。因此,如果單獨(dú)采用這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律,只適用于低速輕載的場(chǎng)合。2)等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律凸輪轉(zhuǎn)速較高時(shí),為了避免剛性沖擊,可采用等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。所謂等加速等減速運(yùn)動(dòng),是指一個(gè)行程中先做等加速運(yùn)動(dòng),后做等減速運(yùn)動(dòng),且通常加速度與減速度的絕對(duì)值相等。按照這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律,等加速段從動(dòng)件速度由零值加速到末速vmax和等減速段由初始vmax減速到末速為零值所用的時(shí)間相等,各為T(mén)/2,從動(dòng)件在加速段和減速段所完成的位移也必然相等,各為h/2。凸輪以ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角也各為δ/2。推程時(shí),等加速段運(yùn)動(dòng)方程為推程時(shí),等減速段運(yùn)動(dòng)方程為圖2214所示為推程等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)位移曲線(xiàn)圖。由圖2214(b)可知,這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的速度曲線(xiàn)是連續(xù)的,不會(huì)產(chǎn)生剛性沖擊。但在圖2214(c)中O、A、B三處加速度有突變,表明所產(chǎn)生的慣性力突變也是有限值的,由此引起的沖擊稱(chēng)為柔性沖擊。因此,這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用于中速輕載的場(chǎng)合。當(dāng)用圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓時(shí),通常需要繪制從動(dòng)件的位移曲線(xiàn)。由運(yùn)動(dòng)方程可知,其位移曲線(xiàn)為一拋物線(xiàn),因此可按拋物線(xiàn)畫(huà)法繪制。如圖2214(a)所示,在s-δ坐標(biāo)系中的縱、橫坐標(biāo)軸上,將h/2和δ/2對(duì)應(yīng)分成相同的若干等份,得分點(diǎn)1'、2'、3'…和1、2、3、…(圖中分4等份)。再將點(diǎn)O與1'、2'、3'、…相連,得連線(xiàn)O1'、O2'、O3'、…,這些連線(xiàn)分別與由點(diǎn)1、2、3、…作縱坐標(biāo)軸的平行線(xiàn)交于點(diǎn)1″、2″、3″…,再將點(diǎn)O、1″、2″、3″…連成光滑曲線(xiàn),即得等加速段的位移曲線(xiàn),如圖2214(a)所示。等減速段的拋物線(xiàn)可用同樣的方法按相反的次序畫(huà)出。3)余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律當(dāng)質(zhì)點(diǎn)在圓周上做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),質(zhì)點(diǎn)在該圓直徑上的投影所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱(chēng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),其加速度是按余弦規(guī)律變化的,故這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱(chēng)為余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)推程的加速度按余弦規(guī)律變化時(shí),其推程的運(yùn)動(dòng)方程式為圖2215所示為推程余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)線(xiàn)圖。由此圖可見(jiàn),這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律在始末位置加速度有突變,故也會(huì)引起柔性沖擊,因此在一般情況下它也只適用于中速中載場(chǎng)合,當(dāng)從動(dòng)件做升—降—升運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí),若在推程和回程中都采用這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律,則可用于高速凸輪機(jī)構(gòu)。這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移曲線(xiàn)的畫(huà)法如圖2215(a)所示。以從動(dòng)件的行程h為直徑畫(huà)半圓,將此半圓和橫坐標(biāo)軸上的推程運(yùn)動(dòng)角δ對(duì)應(yīng)分成相同等份(圖中為6等份),再過(guò)半圓周上各分點(diǎn)做水平線(xiàn)與δ中的對(duì)應(yīng)等分點(diǎn)的垂直線(xiàn)各交于一點(diǎn),過(guò)這些點(diǎn)連成光滑曲線(xiàn)即為所畫(huà)的推程位移曲線(xiàn)。3.從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇在選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),應(yīng)根據(jù)機(jī)器工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)要求來(lái)確定。如機(jī)床中控制刀架進(jìn)刀的凸輪機(jī)構(gòu),要求刀架進(jìn)刀時(shí)做等速運(yùn)動(dòng),則從動(dòng)件要選擇等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,至于行程始末端,可以通過(guò)拼接其他運(yùn)動(dòng)規(guī)律的曲線(xiàn)來(lái)消除沖擊;對(duì)無(wú)一定運(yùn)動(dòng)要求,只需要從動(dòng)件有一定位移量的凸輪機(jī)構(gòu),如夾緊送料等凸輪機(jī)構(gòu),可只考慮加工方便,采用圓弧、直線(xiàn)等組成的凸輪輪廓;對(duì)于高速機(jī)構(gòu),應(yīng)減小慣性力、改善動(dòng)力性能,可選用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律或其他改進(jìn)型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2.2.4盤(pán)形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)1.反轉(zhuǎn)法原理用圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓的原理是“反轉(zhuǎn)法”,基本原理如下:圖2216所示為一對(duì)心尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),當(dāng)凸輪以等角速度ω繞軸心O轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),從動(dòng)件按預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)設(shè)想在整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)(從動(dòng)件、凸輪、導(dǎo)路)上加一個(gè)與凸輪角速度ω大小相等、方向相反的角速度-ω,于是凸輪靜止不動(dòng),而從動(dòng)件與導(dǎo)路一起以角速度-ω繞凸輪轉(zhuǎn)動(dòng),且從動(dòng)件仍以原來(lái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)導(dǎo)路移動(dòng)(或擺動(dòng))。由于從動(dòng)件尖頂與凸輪輪廓始終接觸,所以加上反轉(zhuǎn)角速度后從動(dòng)件尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪輪廓曲線(xiàn)。把原來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)的凸輪看成是靜止不動(dòng)的,而把原來(lái)靜止不動(dòng)的導(dǎo)路及原來(lái)往復(fù)移動(dòng)的從動(dòng)件看成為反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的這一原理,稱(chēng)為“反轉(zhuǎn)法”原理。假若從動(dòng)件是滾子,則滾子中心可看作是從動(dòng)件的尖頂,其運(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線(xiàn),凸輪的實(shí)際輪廓曲線(xiàn)是與理論輪廓曲線(xiàn)相距滾子半徑rT的一條等距曲線(xiàn)。2.作圖法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線(xiàn)當(dāng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律已經(jīng)選定并作出位移曲線(xiàn)之后,各種平面的凸輪輪廓曲線(xiàn)都可以用作圖法求出。作圖法的依據(jù)為“反轉(zhuǎn)法”原理。1)尖頂對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)2)尖頂偏置移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)已知偏距為e,基圓半徑為r0,凸輪以角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),從動(dòng)件的位移線(xiàn)圖如圖2217(b)所示。設(shè)計(jì)該凸輪的輪廓曲線(xiàn)。設(shè)計(jì)步驟如下:(1)以與位移線(xiàn)圖相同的比例尺作出偏距圓(以e為半徑的圓)及基圓,過(guò)偏距圓上任一點(diǎn)K作偏距圓的切線(xiàn)作為從動(dòng)件導(dǎo)路,并與基圓相交于B0點(diǎn),該點(diǎn)也就是從動(dòng)件尖頂?shù)钠鹗嘉恢谩?2)從OB0開(kāi)始按-ω方向在基圓上畫(huà)出推程運(yùn)動(dòng)角180°(δt)、遠(yuǎn)休止角30°(δs)、回程運(yùn)動(dòng)角90°(δh)及近休止角60°(δ's),并在相應(yīng)段與位移線(xiàn)圖對(duì)應(yīng)劃分出若干等份,得點(diǎn)C1、C2、C3、…。(3)過(guò)各等分點(diǎn)C1、C2、C3、…向偏距圓作切線(xiàn),作為從動(dòng)件反轉(zhuǎn)后的導(dǎo)路線(xiàn)。(4)在以上的導(dǎo)路線(xiàn)上,從基圓上的點(diǎn)C1、C2、C3、…開(kāi)始向外量取相應(yīng)的位移量得B1、B2、B3、…,即B1C1=11'、B2C2=22'、B3C3=33'、…,得出反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件尖頂?shù)奈恢谩?5)將B1、B2、B3、…點(diǎn)連成光滑曲線(xiàn)就是凸輪的輪廓曲線(xiàn)。3)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)將滾子中心看作尖頂,按上述方法作出輪廓曲線(xiàn)η(稱(chēng)為理論輪廓曲線(xiàn)),然后以η上各點(diǎn)為圓心,以滾子半徑rg為半徑作一系列的圓,最后作出這些圓的包絡(luò)線(xiàn)η',η'就是滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪的輪廓曲線(xiàn)(即為實(shí)際輪廓曲線(xiàn)),如圖2218所示。從圖中可知,滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪的基圓半徑是在理論輪廓上度量的。任務(wù)三蜂窩煤成型機(jī)中間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)任務(wù)情境1.沖壓式蜂窩煤機(jī)的基本結(jié)構(gòu)沖壓式蜂窩煤成型機(jī)是我國(guó)城鎮(zhèn)蜂窩煤(通常又稱(chēng)煤餅,在圓柱形餅狀煤中沖出若干通孔)生產(chǎn)廠(chǎng)的主要生產(chǎn)設(shè)備,它是將煤粉加入轉(zhuǎn)盤(pán)上的模筒內(nèi),經(jīng)沖頭沖壓成蜂窩煤。如圖231(a)所示是沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的示意圖,其中1為模筒轉(zhuǎn)盤(pán),2為滑梁,3為沖頭,4為掃屑刷,5為脫模盤(pán)。實(shí)際上沖頭與脫模盤(pán)都與上下移動(dòng)的滑梁連成一體,當(dāng)滑梁下沖時(shí)沖頭將煤粉壓成蜂窩煤,脫模盤(pán)將已壓成的蜂窩煤脫模。在滑梁上升過(guò)程中掃屑刷將刷除沖頭和脫模盤(pán)上黏附的煤粉。模筒轉(zhuǎn)盤(pán)上均布了模筒,轉(zhuǎn)盤(pán)的間歇運(yùn)動(dòng)使加料后的模筒進(jìn)入加壓位置,成型后的模筒進(jìn)入脫模位置,空的模筒進(jìn)入加料位置,如圖231(b)所示。2.沖壓式蜂窩煤機(jī)的工作原理沖壓式蜂窩煤成型機(jī)通過(guò)加料、沖壓成型、脫模、掃屑、模筒轉(zhuǎn)模間歇運(yùn)動(dòng)及輸送六個(gè)動(dòng)作來(lái)完成整個(gè)工作過(guò)程。任務(wù)提出與任務(wù)分析1.任務(wù)提出已知一沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)采用槽輪間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。已知槽數(shù)z按工位要求選定為6,按結(jié)構(gòu)情況確定中心距A=300mm,試設(shè)計(jì)該槽輪間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。2.任務(wù)分析沖壓式蜂窩煤成型機(jī)是和我們生活密切相關(guān)的機(jī)器,轉(zhuǎn)盤(pán)的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是沖壓式蜂窩煤成型機(jī)必不可少的構(gòu)件。為了合理地設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)盤(pán)的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),我們必須了解槽輪機(jī)構(gòu)是如何組成并工作的,它的運(yùn)動(dòng)原理是什么,有什么運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),其主要參數(shù)及幾何尺寸應(yīng)如何確定和計(jì)算。相關(guān)知識(shí)在機(jī)器工作時(shí),當(dāng)主動(dòng)件作連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí),常需要從動(dòng)件產(chǎn)生周期性的運(yùn)動(dòng)和停歇,實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。最常見(jiàn)的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪式間歇機(jī)構(gòu)等,它們廣泛用于自動(dòng)車(chē)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)及刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)等。2.3.1棘輪機(jī)構(gòu)1.棘輪機(jī)構(gòu)的工作原理圖232所示為棘輪機(jī)構(gòu),它主要由搖桿、棘爪、棘輪、彈簧片和制動(dòng)爪組成。彈簧用來(lái)使制動(dòng)爪和棘輪保持接觸。搖桿與棘輪的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)重合。當(dāng)搖桿逆時(shí)針擺動(dòng)時(shí),棘爪插入棘輪的齒槽中,推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度,而制動(dòng)爪則阻止棘輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),使棘輪靜止不動(dòng)。因此,當(dāng)搖桿做連續(xù)的往復(fù)擺動(dòng)時(shí),棘輪將做單向間歇運(yùn)動(dòng)。2.棘輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)和應(yīng)用1)棘輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)棘輪機(jī)構(gòu)按棘輪的運(yùn)動(dòng)方向可分為單向棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖232)和雙向棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖233);按棘輪的齒形可分為棘齒棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖232)、矩形齒棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖233(a))和無(wú)棘齒的摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖234)。2)棘輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用棘輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便,運(yùn)動(dòng)可靠,轉(zhuǎn)角可調(diào),但在工作時(shí)有較大的沖擊與噪聲、運(yùn)動(dòng)精度不高,因此常用于低速輕載場(chǎng)合。棘輪機(jī)構(gòu)多用于機(jī)床及自動(dòng)機(jī)械的進(jìn)給機(jī)構(gòu)上。如牛頭刨床工作臺(tái)的橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu),就是采用圖233所示的雙向棘輪機(jī)構(gòu)。此外,棘輪機(jī)構(gòu)也常用作停止器和制動(dòng)器。如圖235所示,這類(lèi)停止器廣泛用于卷?yè)P(yáng)機(jī)、提升機(jī)以及運(yùn)輸機(jī)中。3.棘輪轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)(1)調(diào)節(jié)搖桿擺動(dòng)角度的大小,以控制棘輪的轉(zhuǎn)角。圖236所示的棘輪機(jī)構(gòu)是利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)棘輪作間歇運(yùn)動(dòng)的?？衫谜{(diào)節(jié)螺釘改變曲柄長(zhǎng)度r以實(shí)現(xiàn)搖桿擺角大小的改變,從而控制棘輪的轉(zhuǎn)角。(2)用遮板調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角。如圖237所示,在棘輪的外面罩一遮板(遮板不隨棘輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)),使棘爪行程的一部分在遮板上滑過(guò),不與棘輪的齒接觸,通過(guò)變更遮板的位置即可改變棘輪轉(zhuǎn)角的大小。2.3.2槽輪機(jī)構(gòu)1.槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理槽輪機(jī)構(gòu)又稱(chēng)為馬氏機(jī)構(gòu)。如圖238所示為單圓柱銷(xiāo)槽輪機(jī)構(gòu),它由主動(dòng)撥盤(pán)1、從動(dòng)槽輪2及機(jī)架3組成。撥盤(pán)1以等角速度ω1做連續(xù)回轉(zhuǎn),槽輪2做間歇運(yùn)動(dòng)。當(dāng)撥盤(pán)上的圓柱銷(xiāo)A沒(méi)有進(jìn)入槽輪的徑向槽時(shí),槽輪2的內(nèi)凹鎖止弧面被撥盤(pán)1上的外凸鎖止弧面卡住,槽輪2靜止不動(dòng)。當(dāng)圓柱銷(xiāo)A進(jìn)入槽輪的徑向槽時(shí),鎖止弧面被松開(kāi),則圓柱銷(xiāo)A驅(qū)動(dòng)槽輪2轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)撥盤(pán)上的圓柱銷(xiāo)離開(kāi)徑向槽時(shí),下一個(gè)鎖止弧面又被卡住,槽輪又靜止不動(dòng)。由此將主動(dòng)件的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)槽輪的間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。2.槽輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型、特點(diǎn)及應(yīng)用槽輪機(jī)構(gòu)有外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖238)和內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖239),前者撥盤(pán)與槽輪的轉(zhuǎn)向相反,后者撥盤(pán)與槽輪的轉(zhuǎn)向相同,它們均為平面槽輪機(jī)構(gòu)。此外還有空間槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2310)。槽輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、機(jī)械效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、能間歇地進(jìn)行轉(zhuǎn)位,但因圓柱銷(xiāo)突然進(jìn)入與脫離徑向槽時(shí)存在柔性沖擊,所以不適用于高速場(chǎng)合。此外,槽輪的轉(zhuǎn)角不可調(diào)節(jié),故只能用于定轉(zhuǎn)角的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中。六角車(chē)床上用來(lái)間歇地轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2311)、電影放映機(jī)中用來(lái)間歇地移動(dòng)膠片的槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2312)及化工廠(chǎng)管道中用來(lái)開(kāi)閉閥門(mén)等的槽輪機(jī)構(gòu)都是其具體應(yīng)用的實(shí)例。3.槽輪機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)槽輪機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)是槽數(shù)z和撥盤(pán)圓柱銷(xiāo)數(shù)k。如