《機械設計基礎 》課件-第6章

項目六間歇運動機構設計任務一棘輪機構任務二槽輪機構

任務三其他間歇運動機構

知識目標

(1)了解棘輪機構,槽輪機構,不完全齒輪機構的運動特點、主要參數(shù)及應用。

(2)了解萬向聯(lián)軸節(jié)的特點、應用。

能力目標

能夠應用棘輪機構,槽輪機構,不完全齒輪機構及萬向聯(lián)軸節(jié)。

任務一棘輪機構

任務導入某牛頭刨床如圖6-1所示,其工作臺采用一棘輪絲杠串聯(lián)機構實現(xiàn)自動進給,已知絲杠(單頭)的導程S=16mm,要求機床的進給量L=0.2~2mm,試求

(1)棘輪齒數(shù)z,棘論最小轉角δmin和最大轉角δmax;

(2)當進給量為0.8mm時,應調整遮板遮住多少個棘齒?圖6-1牛頭刨床及其工作臺的齒式棘輪結構

任務實施

一、棘輪機構的工作原理

1.單向式棘輪機構

圖6-2所示為單向式棘輪機構。該機構的特點是:當搖桿向某一方向擺動時,棘爪推動棘輪轉過某一角度;當搖桿反向擺動時,棘輪靜止不動。改變搖桿的結構形狀,可以得到如圖6-3所示的雙動式棘輪機構。當搖桿來回擺動時,都能使棘輪沿單向轉動。單向式棘輪機構的輪齒形狀為不對稱形,常用的是鋸齒形(見圖6-1)和直邊三角形(見圖6-3)。單向式棘輪機構有外嚙合棘輪機構(如圖6-2所示)和內嚙合棘輪機構(如圖6-4所示)圖6-2外嚙合棘輪機構圖6-3雙動式棘輪機構圖6-4內嚙合棘輪機構

2.雙向式棘輪機構

當棘輪齒制成方形時,則可成為如圖6-5(a)所示的可變向棘輪機構。圖6-5(b)為另一種可變向棘輪機構,當棘爪提起并繞自身軸線轉180°后再放下,則可依靠棘爪端部結構兩面不同的特點,實現(xiàn)棘輪沿相反方向單向間歇轉動。圖6-5可變向棘輪機構

二、棘輪機構的類型

1.根據(jù)結構特點分類

根據(jù)棘輪機構的結構特點,棘輪機構可分為齒式棘輪機構和摩擦式棘輪機構兩種。在齒式棘輪機構中,棘輪外緣或內緣上具有剛性輪齒,依靠棘爪與棘輪齒間的嚙合傳遞運動,如圖6-6所示。摩擦式棘輪機構采用沒有棘齒的棘輪,棘爪為扇形的偏心輪,如圖6-7所示。圖6-6-齒式棘輪機構圖6-7摩擦式棘輪機構

2.根據(jù)嚙合方式分類

根據(jù)棘輪機構的嚙合方式,棘輪機構又可分為外嚙合棘輪機構和內嚙合棘輪機構兩種。外嚙合棘輪機構的輪齒分布在棘輪的外緣,如圖6-6(a)所示;內嚙合棘輪機構的輪齒分布在棘輪的內緣,如圖6-6(b)所示。

三、棘輪機構的特點及應用

1.棘輪機構的特點

(1)齒式棘輪機構。齒式棘輪機構的主動件和從動件之間是剛性推動,因此轉角比較準確,而且轉角大小可以調整,棘輪和棘爪的主從動關系可以互換,但是剛性推動將產生較大的沖擊力,而且棘輪是從靜止狀態(tài)突然增速到與主動搖桿同步,也將產生剛性沖擊,因此齒式棘輪機構一般只宜用于低速輕載的場合,例如工件或刀具的轉位,工作臺的間歇送進等。棘爪在棘齒齒背上滑過時,在彈簧力作用下將一次次地打擊棘齒根部,發(fā)出噪音。

(2)摩擦式棘輪機構。這種機構的結構十分簡單,工作起來沒有噪音(因此有時也稱為“無聲棘輪”);棘輪的轉角可調,主動件與從動件的關系也可以互換。但是由于是利用摩擦力楔緊之后傳動,因此從動件的轉角準確程度較差,通常只適用于低速輕載場合。

2.棘輪機構的應用

除上述棘輪機構以外,圖6-8所示的是一種單向離合器,是棘輪機構的一個典型的應用。當主動爪輪逆時針回轉時,滾柱借摩擦力而滾向空隙的收縮部分,并將套筒楔緊,使其隨爪輪一同回轉;而當爪輪順時針回轉時,滾柱即滾到空隙的寬敞部分,而將套筒松開,這時套筒靜止不動。利用此種機構,當主動爪輪以任意角速度反復轉動時,可使從動的套筒獲得任意大小轉角的單向間歇轉動,故此種機構可用作單向離合器和超越離合器。超越離合器是指能實現(xiàn)超越運動(即從動件的速度可以超過主動件)的離合器。多數(shù)棘輪機構都可以用作超越離合器。圖6-9所示為自行車后軸上的飛輪結構,這是一種典型的超越機構。圖6-8單向離合器圖6-9自行車后軸上的飛輪超越機構

棘輪機構還可以起到制動的作用。在一些起重設備或牽引設備中,經常用棘輪機構作為制動器,以防止機構的逆轉。圖6-10所示為起重機的棘輪制動器。圖6-10棘輪制動器

四、棘輪與棘爪的位置關系

1.棘輪與棘爪的正確位置

棘輪在工作的時候,受到棘爪推力的作用。同時,棘爪也會受到棘輪反作用力的作用。如圖6-11所示,當棘輪的轉矩一定時,為了使棘爪的受力最小,應使棘輪的齒頂A與棘爪的轉動中心O2的連線O2A垂直于棘輪的半徑O1A,即∠O2AO1=90°。圖6-11棘輪棘爪的位置及尺寸

2.棘輪的齒面偏斜角

如圖6-11所示,棘輪輪齒的工作面相對于棘輪半徑O1A朝齒體內部偏斜了一個角度,這個角稱為棘輪的齒面偏斜角,用φ表示。為了保證機構的正常工作,必須使棘爪能夠順利地進入齒面,而不致與輪齒脫開。因此,經過推導可以得出如下結論:

式中:ρ為輪齒與棘爪之間的摩擦角。摩擦角ρ可以由棘輪輪齒與棘爪之間的摩擦系數(shù)f求出:

為可靠起見,一般取棘輪的齒面偏斜角φ≈20°。

3.單動式棘輪機構棘輪每次轉過的角度δ

單動式棘輪機構棘輪每次轉過的角度δ由下式計算:

式中:z為棘輪的齒數(shù);k為棘爪一次推過的齒數(shù)。

2.齒距

在棘輪齒頂圓的圓周上,相鄰兩個齒對應點之間的弧長稱為棘輪的齒距,用p表示,如圖6-11所示。

3.棘輪幾何尺寸計算公式

計算圖6-12所示棘輪幾何尺寸的公式見表6-1。

圖6-12棘輪幾何尺寸

六、棘輪機構在牛頭刨床工作臺橫向進給機構中的應用

牛頭刨床工作臺橫向進給機構采用的是棘輪機構。圖6-1(b)所示為牛頭刨床上用于控制工作臺橫向進給的齒式棘輪機構。當主動曲柄1轉動時,搖桿4作往復擺動,通過棘爪使棘輪作單向間歇運動,從而帶動工作臺6作橫向進給運動。

【例6-1】某牛頭刨床如圖6-1所示,其工作臺采用一棘輪絲杠串聯(lián)機構實現(xiàn)自動進給,已知絲杠(單頭)的導程S=16mm,要求機床的進給量l=0.2~2mm,試求:(1)棘輪齒數(shù)z,棘論最小轉角δmin和最大轉角δmax;(2)當進給量為0.8mm時,應調整遮板遮住多少個棘齒?

任務二槽輪機構

任務導入圖6-13所示為六角車床上刀架轉位的槽輪機構,試根據(jù)圖形說明其工作原理。圖6-13六角車床上的槽輪機構

任務實施

一、槽輪機構的組成和工作原理

1.槽輪機構的組成

槽輪機構通常由撥盤、槽輪和機架等組成,如圖6-14所示。其中撥盤1為主動件,槽輪2為從動件。圖6-14單圓柱銷外嚙合槽輪機構

2.工作原理

如圖6-14所示,撥盤1以等角速度ω1作連續(xù)回轉,當撥盤上的圓柱銷A沒有進入槽輪徑向槽時,槽輪的內凹鎖止弧被撥盤上的外凸鎖止弧面卡住,槽輪2靜止不動。當圓柱銷A進入槽輪徑向槽時,鎖止弧面被松開,圓柱銷驅動槽輪2轉動。當撥盤上的圓柱銷離開槽輪徑向槽時,下一個鎖止弧面又被卡住,槽輪又靜止不動。所以槽輪機構是將主動件的連續(xù)轉動轉換為從動槽輪的間歇轉動。

3.槽輪機構的類型

1)根據(jù)嚙合情況分類根據(jù)嚙合的情況,槽輪機構可分為外嚙合和內嚙合兩種類型。在外嚙合槽輪機構中(如圖6-14所示),主動件的轉動方向與從動件的轉動方向相反;在內嚙合的槽輪機構中(如圖6-15所示),兩個構件的轉動方向相同,而且內嚙合槽輪機構的結構比較緊湊。圖6-15內嚙合槽輪機構

2)根據(jù)圓柱銷數(shù)分類

圓柱銷可以是一個,也可以是多個。在單圓柱銷槽輪機構中,撥盤轉動一周,槽輪轉動一次,如圖6-14所示。如果有多個圓柱銷,撥盤轉動一周,則槽輪轉動多次。圖6-16-所示為雙圓柱銷外嚙合槽輪機構,在這種機構中,撥盤1轉動一周,槽輪轉動兩次。圖6-16-雙圓柱銷外嚙合槽輪機構

3)按槽輪機構中兩軸線之間的相對位置不同分類

圖6-17(a)所示為平面槽輪、圖6-17(b)所示為空間槽輪。圖6-17平面槽輪與空間槽輪

二、槽輪機構的特點與應用

1.特點

槽輪機構結構簡單、工作可靠、機械效率高,能較平穩(wěn)、間歇的進行轉位。但因圓柱銷的突然進入與脫離徑向槽,傳動存在柔性沖擊,不適用于高速場合。此外,槽輪機構的轉角不能調節(jié),只能用于定轉角的間歇運動機構中。

2.應用

圖6-18所示為槽輪機構在電影放映機中的應用,用作送片機構。圖6-18電影放映機中槽輪機構

三、槽輪機構的主要參數(shù)

1.轉角

在槽輪機構中,當圓柱銷開始進入槽輪的徑向槽時,槽輪開始轉動。而當圓柱銷從槽輪的徑向槽中脫出時,槽輪終止轉動。在圖6-14所示的外嚙合槽輪機構中,為了避免圓柱銷與槽輪的徑向槽發(fā)生撞擊,槽輪2在開始和終止運動時的瞬時角速度為0。

2.運動特性系數(shù)

在一個運動循環(huán)內,撥盤1轉動一周的時間即為一個運動循環(huán)的時間,用T表示;槽輪運動的時間用t表示。槽輪的運動時間與撥盤1的運動時間之比,稱為槽輪機構的運動特性系數(shù),用τ表示。當撥盤1作等速轉動時,這個時間之比也可以用轉角之比來表示。對于單圓柱銷的槽輪機構來說,T和t分別對應于撥盤1轉過的角度2π和2α1。因此,槽輪機構的運動特性系數(shù)為

如果τ=0,則表示槽輪始終靜止不動;如果τ=1,則表示槽輪2與撥盤1一樣作連續(xù)轉動,不能實現(xiàn)間歇運動。對于單圓柱銷的槽輪機構,由式(6-7)可得出

3.槽輪的槽數(shù)

槽輪上的徑向槽是均勻地分布的。由式(6-7)可知

4.圓柱銷數(shù)

如果在撥盤1上均勻地安裝多個圓柱銷,則可使槽輪機構的運動特性系數(shù)τ>0.5。設均勻分布的圓柱銷數(shù)目為k,則運動特性系數(shù)由式(6-7)改寫為

5.幾何尺寸

槽輪的槽數(shù)z和圓柱銷數(shù)k是由具體的工作要求確定的,而槽輪機構的中心距a和圓柱銷的半徑則是根據(jù)受載情況和實際機器所允許的空間尺寸的大小來確定的。其他幾何尺寸可由幾何關系或經驗公式求得,需要時可查閱有關文獻。

四、槽輪機構在六角車床上的應用

圖6-1所示為槽輪機構在六角車床上的應用。當撥盤1轉動時,圓柱凸輪跟著一起轉動,推動從動件(定位銷4)沿槽輪軸線方向移動,定位銷4和轉塔刀架脫離時,撥盤上的銷2進入槽輪徑向槽,撥盤帶動槽輪轉動60°,使得轉塔刀架上下一個工位上的刀具進入工作位置。刀架的進給是由進給凸輪帶動扇形齒輪擺動,再通過齒輪齒條機構帶動工作臺進給。

任務三其他間歇運動機構圖6-19萬向聯(lián)軸節(jié)在汽車中的應用

任務導入說明圖6-19所示萬向聯(lián)軸節(jié)在汽車中的應用。

任務實施

一、萬向聯(lián)軸節(jié)

1.萬向聯(lián)軸節(jié)的分類

萬向聯(lián)軸節(jié)分單萬向聯(lián)軸節(jié)和雙萬向聯(lián)軸節(jié)兩種。1)單萬向聯(lián)軸節(jié)α圖6-20所示的萬向聯(lián)軸節(jié),實際上是一個空間四鉸鏈連桿機構。軸1和軸2相交成角,分別以普通圓柱面轉動副A和D與機架4相鉸接。

對于圖6-20所示的單萬向聯(lián)軸節(jié),當主動軸1回轉一周時,從動軸2也隨之回轉一周。但仔細觀察兩軸的轉動可以發(fā)現(xiàn),當主動軸1作等角速轉動時,從動軸2作變角速度的轉動。如果以主動軸1的叉面位于兩軸所組成的平面內時作為它的轉角φ1的度量起始位置(此時φ1=0),角速度為ω1、ω2,則兩軸角速比i12的關系式為圖6-20單萬向聯(lián)軸節(jié)

圖6-21所示為φ1在180°范圍內,i12隨α和φ1變化的曲線。由圖6-21可見,兩軸夾角α越大,角速比或角速度ω2的變化幅度也增大,ω2的變動范圍為

因此在實際使用中,考慮結構和動力性能等各方面條件的限制,α值及其變化范圍一般不超過35°~45°。圖6-21單萬向聯(lián)軸節(jié)角速度變化曲線

2)雙萬向聯(lián)軸節(jié)

為了消除上述從動軸變速轉動的缺點,常將萬向鉸鏈機構成對使用,如圖6-22所示,構成雙萬向聯(lián)軸節(jié)。為使所聯(lián)接兩軸傳動的角速度始終保持相等,使i1=i3,雙萬向聯(lián)軸節(jié)必須滿足以下兩個條件:

(1)主動軸1與中間軸2的夾角必須等于從動軸3與中間軸2的夾角,即α1=α3;

(2)中間軸2兩端的叉面應位于同一平面內。圖6-22雙萬向聯(lián)軸節(jié)

3.萬向聯(lián)軸節(jié)的特點

萬向聯(lián)軸節(jié)結構緊湊,對制造和安裝的精度要求不高,能適應較惡劣的工作條件。從傳動方面看,它不僅可以傳遞兩軸間夾角為定值時的轉動,而且當軸間的夾角在工作過程中有變化時仍可以繼續(xù)工作,因此在機械中有著廣泛的應用。

二、萬向聯(lián)軸節(jié)在汽車中的應用

如圖6-19所示發(fā)動機旋轉,帶動左萬向聯(lián)軸節(jié),驅動傳動軸轉動,再通過右萬向聯(lián)軸節(jié),驅動后橋轉動。這是一雙萬向聯(lián)軸節(jié),使所聯(lián)接兩軸傳動的角速度始終保持相等。

三、不完全齒輪機構

1.組成和類型

1)組成不完全齒輪機構主動輪1上的輪齒不是布滿在整個圓周上,而只有一個輪齒(如圖6-23(a)所示)或者幾個輪齒(如圖6-23(b)所示),其余部分為外凸鎖止弧;從動輪2上加工出與主動輪輪齒相嚙合的齒和內凹鎖止弧,彼此相間地布置。圖6-23外嚙合不完全齒輪機構．

2)類型不完全齒輪機構分外嚙合不完全齒輪機構(如圖6-23所示)和內嚙合不完全齒輪機構(如圖6-24所示)。圖6-24內嚙合不完全齒輪機構

2.工作原理

在圖6-23所示的外嚙合不完全齒輪機構中,兩個齒輪均作回轉運動。當主動輪1上的輪齒與從動輪2的輪齒嚙合時,驅動從動輪2轉動;當主動輪1的外凸鎖止弧與從動輪2的內凹鎖止弧接觸時,從動輪2停止不動。

3.特點和應用

1)特點不完全齒輪機構的優(yōu)點是設計靈活,從動輪的運動角范圍大,很容易實現(xiàn)在一個