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机械基础 教学最好的PPT 常用机构 (公开课)

发布时间:2013-11-24 08:04:46  

第1章

常用机构

常用机构有平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构和变速、 变向机构等。

1.1 1.2 1.3

平面连杆机构 凸轮机构 间歇运动机构

1.4
1.5

变速机构和变向机构
常用机构的观察与分析

1.1.1

运动副

所谓运动副是使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接。 根据运动副中两构件的接触形式不同,运动副又可分为低副和高副。 1.低副 低副是指两构件之间作面接触的运动副。按两构件的相对运动情况,可分为: (1)转动副 两构件在接触处只允许作相对转动。 (2)移动副 两构件在接触处只允许作相对移动。 (3)螺旋副 两构件在接触处只允许作一定关系的转动和移动的复合运动, 低副的接触表面一般是平面或圆柱面,易制造和维修,承受载荷时的单位面积压 力较小,较为耐用,传力性能好。但低副是滑动摩擦,摩擦大而效率较低。 2.高副 高副是指两构件之间作点或线接触的运动副。 高副由于是点或线的接触,单位面积压力较大,构件接触处容易磨损,制造和维 修困难,但高副能传递较复杂的运动,比较灵活,易于实现预定的运动规律。

低 副

高 副

1.1.2

铰链四杆机构的基本类型及其应用

当平面四杆机构中的运动副都是转动副时,称为铰链四杆机构。如图所示的铰链 四杆机构中,杆4是固定不动的,称为机架。与机架相连的杆1和杆3称为连架杆,不 与机架直接相连的杆2,称为连杆。如果杆1(或杆3)能绕铰链A(或铰链D)作整周的连 续旋转,则此杆称为曲柄。如果不能作整周的连续旋转,而只能来回摇摆一个角度, 则此杆就称为摇杆。

铰链四杆机构

铰链四杆机构中,机架和连杆总是存在的,因此可按曲柄存在情况,分为三 种基本形式:曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。 1.曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中的两连架杆,如果一个为曲柄,另一个为摇杆,那么该机 构就称为曲柄摇杆机构。取曲柄AB为主动件,当曲柄AB作连续等速整周转动时, 从动摇杆CD将在一定角度内作往复摆动。由此可见,曲柄摇杆机构能将主动件的 整周回转运动转换成从动件的往复摆动。剪刀机是通过原动机驱动曲柄转动,通 过连杆带动摇杆往复运动,实现剪切工作。

1.1.2

铰链四杆机构的基本类型及其应用

曲柄摇杆机构

剪刀机

缝纫机踏扳机构

在曲柄摇杆机构中,当摇杆为主动件时,可将摇杆的往复摆动经连杆转换为曲柄 的连续旋转运动。在生产中应用很广泛。缝纫机的踏板机构,当脚踏板(相当于 摇杆)作往复摆动时,通过连杆带动曲轴(相当于曲柄)作连续运动,使缝纫机 实现缝纫工作。 2.双曲柄机构 在铰链四杆机构中

,若两个连架杆均为曲柄,则该机构称为双曲柄机构。两曲 柄可分别为主动件。惯性筛中,ABCD为双曲柄机构,工作时以曲柄AB为主动件, 并作等速转动,通过连杆BC带动从动曲柄CD,作周期性的变速运动,再通过E点的 联接,使筛子作变速往复运动。惯性筛就是利用从动曲柄的变速转动,使筛子具 有一定的加速度,筛面上的物料由于惯性来回抖动,达到筛分物料的目的。

1.1.2

铰链四杆机构的基本类型及其应用

双曲柄机构

惯性筛

双曲柄机构中,当两曲柄长度不相等时,主动曲柄作等速转动,从动曲柄随之作 变速转动,即从动曲柄在每一周中的角速度有时大于主动曲柄的角速度,有时小 于主动曲柄的角速度。 双曲柄机构中,常见的还有平行双曲柄机构和反向双曲柄机构。
(1)当两曲柄的长度相等且平行时,称为平行双曲柄机构。 平行双曲柄机构的两曲柄的旋转方向相同,角速度也相等(图 a)。平行双曲柄机构应用很广,机车联动装臵中,车轮相当 于曲柄,保证了各车轮同速同向转动。此机车联动装臵中还增 设一个曲柄EF作辅助构件,以防止平行双曲柄机构ABCD变成为 反向双曲柄机构。

1.1.2

铰链四杆机构的基本类型及其应用

机车主动轮联动装臵

车门启闭机构

(2)当双曲柄机构对边都相等,但互不平行,则称其为反向双曲柄机构。反向双曲柄 的旋转方向相反,且角速度也不相等。车门启闭机构中,当主动曲柄AB转动时,通
过连杆BC使从动曲柄CD朝反向转过,从而保证两扇车门能同时开启和关闭。 3.双摇杆机构 在铰链四杆机构中,若两个连架杆均为摇杆时,则该机构称为双摇杆机构。在双 摇杆机构中,两杆均可作为主动件。主动摇杆往复摆动时,通过连杆带动从动摇杆 往复摆动。 双摇杆机构在机械工程上应用也不少,汽车离合器操纵机构中,当驾驶员踩下踏 板时,主动摇杆AB往右摆动,由连杆BC带动从动杆CD也向右摆动,从而对离合器产 生作用。

1.1.2

铰链四杆机构的基本类型及其应用

汽车离合器操纵机构

自卸翻斗机构

起重机

载重车自卸翻斗装臵中,当液压缸活塞向右伸出时,可带动双摇杆AB和CD 向右摆动,从而使翻斗车内的货物滑下。起重机中,在双摇杆AB和CD的配 合下,起重机能将起吊的重物沿水平方向移动,以省时省功。

1.1.3

铰链四杆机构的曲柄存在条件

从铰链四杆机构的三种基本形式可知,它们的根本区别在于连架杆是否为 曲柄。而连架杆能否成为曲柄,则取决于机构中各杆的长度关系和选择哪个构 件为机架有关。即要使连架杆成为能整周转动的曲柄,各杆必须满足一定的长 度条件,这就是所谓的曲

柄存在的条件。 下图所示的曲柄摇杆机构,其中AB为曲柄,BC为连杆,CD为摇杆,AD为机 架,它们的长度分别用a、b、c、d来表示,在AB转动一周中,曲柄AB与机架AD 两次共线。借助这两个位臵,可找出一些铰链四杆机构的几何关系。

当连杆在B1点时,形成△B1C1D。根据三角形两边之 和必大于第三边的定理,得b+c>d+a① 当连杆在B2点时,形成△B2C2D, 得 (d-a)+c>b 即d+c>b+a ② (d-a)+b>c 即d+b>c+a ③ 考虑到四杆位于同一直线时,则①②③可写成如下 形式 b+c≥d+a ④ d+c≥ b+a ⑤ d+b≥ c+a ⑥ 将式④、⑤、⑥分别两两相加,则得c≥a,b≥a, d≥a,即AB杆为最短杆。

曲柄摇杆机构

1.1.3

铰链四杆机构的曲柄存在条件

在曲柄摇杆机构中,要使连架杆AB为曲柄,它必须是四杆中的最短 杆,且最短杆与最长杆长度之和应小于其余两杆长度之和,考虑到更 一般的情形,可将铰链四杆机构曲柄存在条件概括为:(1)连架杆与机 架中必有一个最短杆; (2)最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其 余两杆长度之和。 上述两条件必须同时满足,否则机构中无曲柄存在,根据曲柄条 件,还可作如下推论: (1)若铰链四杆机构中最短杆长度与最长杆长度之和小于或等于其 余两杆长度之和,则可能有以下三种情况: ①以最短杆的相邻杆为机架,则最短杆为曲柄,而与机架相连的 另一杆为摇杆,则该机构为曲柄摇杆机构。 ②以最短杆为机架,则其相邻两杆均为曲柄,故该机构为双曲柄 机构。 ③以最短杆相对杆为机架,则无曲柄存在,因此该机构为双摇杆 机构。 (2)若铰链四杆机构中最短杆长度与最长杆长度之和大于其余两杆 长度之和,则无论以哪一杆为机架,均为双摇杆机构。

1.1.4

铰链四杆机构的演化及其应用

除了铰链四杆机构的上述三种形式外,人们还广泛采用其他形式的平面四 杆机构。分析、研究这些平面四杆机构的运动特性可以发现:这些平面四杆机 构是由铰链四杆机构通过一定途径演化而来的。 1.偏心轮机构 在图a所示的曲柄摇杆机构中,杆1为曲柄,杆3为摇杆,若将转动副的销钉 B的半径逐渐扩大至超过曲柄的长度,便可得到如图b所示的机构,这时曲柄演 变成一几何中心不与回转中心相重合的圆盘,此圆盘称偏心轮,该两轮中心之 间的距离称为偏心距,它等于曲柄长。曲柄为偏心轮的机构称偏心轮机构。

销钉扩大

偏心轮机构一般多用于曲柄销承受较大冲击载荷或曲柄较短的机构,如 剪床、冲床以及破碎机等。

1.1.4

铰链四杆机构的演化及其应用

2.曲柄滑块机构 在图a所示的曲柄摇杆机构中,杆1为曲柄,杆3为摇杆,若在机架上作一弧形槽,槽的曲率 半

径等于摇杆3的长度,把摇杆3改成弧形滑块,如图b所示,这样尽管把转动副改成了移动副, 但相对运动的性质却完全相同。如果将圆弧形槽的半径增加到无穷大,则圆弧形槽变成了直槽, 这样曲柄摇杆机构就演化成了偏臵的曲柄滑块机构(图c),图中P为曲柄中心A至直槽中心线的垂 直距离,称偏心距。当时,称为对心曲柄滑块机构,常简称为曲柄滑块机构(图d)。因此,可以 认为曲柄滑块机构是由曲柄摇杆机构演化而来的。

压 力 机

曲柄摇杆机构的演化

曲柄滑块机构在机械中应用十分广泛。如内燃机、搓丝机、自动送料装臵以及 压力机都是曲柄滑块机构。在曲柄滑块机构中,若曲柄为主动件,可将曲柄的连续 旋转运动,经连杆转换为从动滑块的往复直线运动,图所示的压力机,当曲柄连续 旋转运动时,经连杆带动滑块实现加压工作;反之若滑块为主动件,经连杆转换为 从动曲柄的连续旋转运动。

1.1.4

铰链四杆机构的演化及其应用

3.导杆机构 若将曲柄滑块机构(图1a)中的构件1作为机架,就演化成导杆机构(图1b)。 导杆机构可分转动导杆机构和摆动导杆机构。

图1 导杆机构

转动导杆机构

摆动导杆机构

(1)转动导杆机构 图1b所示导杆机构,当时,机架1为最短杆,它的相邻杆2与 导杆4均能绕机架作连续转动,故称为转动导杆机构(图2a);图2b所示为插床机构, 其中构件1、2、3、4组成转动导杆机构,工作时,导杆4绕A点回转,带动构件5及插 刀6往复运动,实现切削。 (2)摆动导杆机构 图1b所示导杆机构,当时,机架1不是最短杆,它的相邻构件 导杆4只能绕机架摆动,故称为摆动导杆机构(图3a)。图3b所示为刨床机构,其中 构件1、2、3、4组成摆动导杆机构,工作时,导杆4绕A点摆动,带动构件5及刨刀6 往复运动,实现刨削。

1.1.4

铰链四杆机构的演化及其应用

4.定块机构 若将曲柄滑块机构(图1)中的构件3作为机架,就演化成定块机构(图2a),此机 构中滑块固定不动。图2b所示的抽水机,就应用了定块机构。当摇动手柄1时,在杆2 的支撑下,活塞杆4即在固定滑块3(唧筒作为静件)内上下往复移动,以达到抽水的 目的。

图1 曲柄滑块机构

图2 定块机构

图3 摇块机构

5.摇块机构 若将曲柄滑块机构(图1)中的构件2作为机架,就演化成摇块机构(图3a),此 机构中滑块相对机架摇动。这种机构常应用于摆缸式内燃机或液压驱动装臵。图3b 所示的自卸翻斗装臵,也应用了摇块机构。杆1(车厢)可绕车架2上的B点摆动。杆 4(活塞杆),液压缸3(摇块)可绕车架上C点摆动,当液压缸中的压力油推动活塞 杆运动时,迫使

车厢绕B点翻转,物料便自动卸下。

1.1.5

平面四杆机构的运动特性

1.急回特性 图所示为曲柄摇杆机构,设等速转动的曲柄AB为主动件,它在回转一周的过程中, 与连杆BC有两次共线位臵ABl和AB2,此时从动件摇杆CD分别位于左、右两个极限位臵 ClD和C2D,其夹角称为摇杆的摆角。主动曲柄与连杆在两共线位臵时所夹的锐角称为 极位夹角。 当曲柄等速转动时,摇杆来回摆动的速度是不同的, 其空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度,这种 性质为机构的急回特性。为了表达这个特征的相对程度, ? 设 C2C1
K? v2 t t ? 180? ? ? ? 2 ? 1 ? 1 ? ? v1 C1C2 t2 ?2 180? ? ? t1
图1 曲柄摇杆机构

该值称为从动件的行程速比系数。

K的大小表示急回的程度。由上式可知,K与θ有关,当θ=0时,K=1,说 明该机构无急回特性;当θ>0,则机构具有急回特性,θ越大,K值越大, 急回特性越明显。θ与K的关系为
? ? 180??
K ?1 K ?1

1.1.5

平面四杆机构的运动特性

2.死点 在曲柄摇杆机构中,如图所示,若取摇杆为主动件,当摇杆在两极限位臵时,连杆与曲柄共 线,通过连杆加于曲柄的力F经过铰链中心A,该力对A点的力矩为零,故不能推动曲柄转动,从而 使整个机构处于静止状态。这种位臵称为死点。 平面四杆机构是否存在死点位臵,决定于从动件是否与连杆共线。凡是从动件与连杆共线的 位臵都是死点。

图1 死点位臵

图2 夹紧机构

对机构传递运动来说,死点是有害的,因为死点位臵常使机构从动件无法运动或出现运动不确 定现象。如图1所示的缝纫机踏板机构(曲柄摇杆机构),当踏板CD为主动件并作往复摆动时,机 构在两处有可能出现死点位臵,致使曲柄AB不转或出现倒转现象。为了保证机构正常运转,可在曲 柄轴上装飞轮,利用其惯性作用使机构顺利地通过死点位臵。 在工程上,有时也利用死点进行工作,如图2所示的铰链四杆机构中,就是应用死点的性质来夹 紧工件的一个实例。当夹具通过手柄1,施加外力F使铰链的中心B、C、D处于同一条直线上时,工 件2被夹紧,此时如将外力F去掉,也仍能可靠地夹紧工件,当需要松开工件时,则必须向上扳动手 柄1,才能松开夹紧的工件。

1.2.1

凸轮机构的特点和应用

凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成(图1)。凸轮是主动件,从动件的运动规律由凸轮轮廓 决定。凸轮机构是机械工程中广泛应用的一种高副机构。

图1 凸轮机构

图 2 汽车内燃机结构

图3 自动车床的走刀机构

凸轮机构常用于低速、轻载的自动机或自动机的控制机构。 图2所示为汽车内燃机的配气机构,当凸轮1转动时

,依靠凸轮的轮廓,可以迫使从动件气阀2 向下移动打开气门(借助弹簧的作用力关闭),这样就可以按预定时间,打开或关闭气门,以完成内 燃机的配气动作。 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。它能控制从动件运动规律,因此凸轮通常作主动件并 作等速转动,当凸轮运动时,借助它的曲线轮廓(或凹槽),可使从动件作预期的运动。 凸轮机构的应用特点有: (1)便于准确地实现给定的运动规律。(2)结构简单紧凑,易于设计; (3)凸轮机构可以高速起动,动作准确可靠。 (4)凸轮与从动件为高副接触,不便润滑,容易磨损,为延长使用寿命,传递动力不宜过大。 (5)凸轮轮廓曲线不易加工。

1.2.2

凸轮机构的类型

凸轮机构按凸轮的形状与从动件形式可分为不同类型。 1.按凸轮形状分 (1)盘形凸轮 凸轮的基本形式,应用最广。但从动件的行程不能太大,否则凸轮变化过大, 对凸轮机构的工作不利,所以一般应用于行程较短的场合。 (2)移动凸轮(板状凸轮) 可视为回转中心趋向于无穷远的盘形凸轮,它相对于机架作直线 往复移动。图1中用以车制手柄的靠模就是采用移动凸轮机构。移动凸轮机构在靠模仿形机械中应 用较广。

图1 移动凸轮机构

图2 端面圆柱凸轮机构

上述两种凸轮组成机构时,凸轮与从动件的相对运动是平面运动,因此,上述两种凸轮机构称 为平面凸轮机构,其凸轮称为平面凸轮。 (3)圆柱凸轮 在圆柱面上开有曲线凹槽,或在圆柱端面上制出曲线轮廓,可使从动件得到 较大的行程。属于空间凸轮机构(图2)。

1.2.2

凸轮机构的类型

2.按从动件的形式分类 根据从动件的运动形式和端部形状区分,基本类型列于表1。 表1 凸轮机构从动件的基本类型
运动形式 接触形式 移动 摆动 结构简单、紧凑,可准确地实现任 意运动规律。但易磨损,适用于低 速、传力小和动作灵敏的场合,如 仪表机构中 滚子接触,摩擦阻力小,不易磨损, 承载能力较大,但运动规律有局限 性,不宜于高速,故可用于传递较 大的动力 结构紧凑,润滑性能好,摩擦阻力 小,适用于高速。但不能与内凹的 轮廓接触,因此运动规律受到一定 限制 主要特点

尖顶

滚子

平底

曲面

介于滚子和平底之间

1.2.3

凸轮机构的基本参数

1.基圆半径 在图1所示的机构中,从动件(杆)在最低位臵时,尖顶在点(图1a),以凸轮的最小半径所作的 圆称为基圆,称为基圆半径。
图 2 凸 轮 机 构 的 压 力 角 图1 凸轮机构的位移曲线

2.行程和转角 当凸轮按逆时针方向转过一个角度δ时(图1b),从动件将上升一段距离,即产生一段位移s。 当凸轮转过δ0时,从动

件到达最高位臵(图1c),此时从动件的最大升距称为行程,用h表示。 凸轮转动角度δ,称为转角(也称为动作角或运动角)。 3.位移曲线 如果将从动件的位移s与凸轮转角δ的关系用曲线表示(图1d),此曲线称为从动件(杆)的 位移曲线(s-δ曲线)。 4.压力角 图2所示的凸轮机构中,从动件(杆)与凸轮轮廓在A点接触,凸轮给从动件一作用力F,其方 向为沿接触点的法线方向,我们把这个力的作用线与从动件运动方向之间的夹角,叫做凸轮机 构在该点的压力角,用α表示。

1.2.4

从动件常用运动规律

从动件的运动规律是指其位移、速度和加速度随时间变化的规律。从动件的运动规律是根据 机器工作要求确定的。从动件不同的运动规律对应于不同的凸轮轮廓。在设计凸轮机构时, 首先选定从动件的运动规律,再根据运动规律设计凸轮轮廓。最常用的运动规律有以下两种。 1.等速运动规律 当凸轮以等角速度转动时,从动件在推程和回程的速度为常数,这种运动规律叫做等速运动规 律(图1)。

图1

等速运动规律

图2 等加速等减速运动规律

2.等加速等减速运动规律 这种运动规律是从动件在一个推程或者回程中,前半段做等加速运动,后半段做等减速运 动;而且前后两段加速度的绝对值相等。

1.2.5 凸轮机构轮廓曲线的画法
当从动件运动规律选定后,即可根据该运动规律和其他给定条件(如凸轮转向、基圆半径等) 确定凸轮的轮廓曲线。确定凸轮轮廓曲线的方法有图解法和解析法。图解法的特点是简便、 直观,但不够精确,不过其准确度已足以满足一般机器的工作要求。 1.“反转法”作图方法 凸轮轮廓曲线作图的方法是“反转法”。为了作图方便起见,可以看成凸轮在图纸上不转动, 而将从动件的位臵看成是相反于凸轮的旋转方向转动,并以此方向作图,这就是“反转法”。 这种方法的优点是容易作图。 2.轮廓曲线画法步骤 (1)先画出从动件的位移曲线图。用凸轮转角作横坐标,以从动件的位移作纵坐标,由从动件 的运动规律作出位移曲线,如图b所示。 (2)再画凸轮轮廓曲线。在凸轮基圆上作等分角线,用“反转法”以与位移曲线相同的比例截 取各对应点(位移行程),连接各点,即可得凸轮轮廓曲线。如图a所示。

尖 顶 式 移 动 凸 轮 的 画 法

1.3.1

棘轮机构

1.棘轮机构的工作原理及应用 典型的棘轮机构(图1)是由棘轮1、棘爪2、机架以及止回棘爪5等组成。弹簧6使止回棘爪5 和棘轮1始终保持接触。当曲柄连续转动时,摇杆作往复摆动。当摇杆逆时针摆动时,棘爪 便嵌入棘轮的齿槽中,棘爪被推动向逆时针方向转过一个角度;当

摇杆顺时针摆动时,棘爪 便在棘轮齿背上滑过,这时止回棘爪阻止棘轮顺时针转动,故棘轮静止不动。这样,当摇杆 作连续摆动时,棘轮就作单向的间歇运动。
图 1 棘 轮 机 构 图2 双动式棘轮机构 图3 可变向棘轮机构 图4 摩擦式棘轮机构

棘轮机构的类型很多,按照工作原理可分为齿啮式和摩擦式,按结构特点可分为外接式和 内接式。下面介绍几种常用的棘轮机构。 (1)具有棘齿的棘轮机构 ①单动式棘轮机构(图1), ②双动式棘轮机构(图2), ③可变向棘轮机构(图3), 前述棘轮机构,棘轮的转角都是以棘轮的轮齿为单位的,即棘轮转角的改变都是有级的, 若要无级地改变棘轮的转角,可采用无棘齿的摩擦棘轮机构(图4),该机构是摩擦棘轮机构中 的一种。摩擦式棘轮机构的使用优点是无噪声,多用于轻载间歇运动机构。

1.3.2

槽轮机构

1.槽轮机构的工作原理 槽轮机构能把主动轴的等速连续运动转变为从动轴周期性的间歇运动,槽轮机构 常用于转位或分度机构。图1所示为一单圆外啮合槽轮机构,它由带圆柱销2的主 动拨盘1、具有径向槽的从动槽轮3和机架等组成。槽轮机构工作时,拨盘为主动 件并以等角速度连续回转,从动槽轮作时转时停的间歇运动。

图1 槽轮机构

当圆销2未进入槽轮的径向槽时,由于槽轮的内凹锁止弧被拨盘的外凸圆弧卡住, 故槽轮静止不动。图1a所示为圆销2刚开始进入槽轮径向槽的位臵。这时锁止弧刚好 被松开,随后槽轮受圆销2的驱使而沿反向转动。当圆销2开始脱出槽轮的径向槽时 (图1b),槽轮的另一内凹锁止弧又被曲柄的外凸圆弧卡住,致使槽轮又静止不动, 直到曲柄上的圆销2进入下一径向槽时,才能重复上述运动。这样拨盘每转一周,槽 轮转过两个角度。

1.3.2

槽轮机构

2.槽轮机构的特点和应用 构造简单,外形尺寸小,工作可靠。但槽轮的转角大小不能调节,圆销与轮槽间冲击较 严重,尤其是在槽轮径向槽数目较少的情况下更为明显,因此在设计槽轮机构时不能将槽 轮的槽数选得很少,在生产实际中用的槽轮机构,其槽数常取4~8。 槽轮机构一般应用在转速不高、要求断续地转过某一特定角度的装臵中。例如:在自 动机上,用以间歇地转动刀架或工作台;在化工厂管道系统中,用以启闭阀门;在电影放 映机中,用作卷片机构(图1),为了适应人们的视觉暂留现象,要求影片作间歇运动,它 采用四槽槽轮机构,当传动轴带动圆销每转过一周,槽轮相应地转过90°,因此能使影片 的画面作短暂的停留。图2所示为六角自动车床的刀架转位机构,为了满足零件加工工艺要 求自动变换所需刀具,采用

六槽的槽轮机构,当圆销1进、出槽轮一次,则可推动槽轮2转 过60°,并且使下一工序的刀具转到工作位臵。

图1 放映机的卷片机构

图2 刀架转位机构

1.4.1

变速机构和变向机构

变速机构是指在输入转速不变的条件下,使从动轮(轴)得到不同转速的传动装臵。例 如机床主轴的变速传动系统是将动力源(主电动机)的恒定转速通过变速箱变换为主轴的多 级转速。 机床、汽车和其他机械上常用的变速机构有滑移齿轮变速机构、塔齿轮变速机构、倍 增变速机构和拉键变速机构等。但无论哪一种变速机构,都是通过改变一对齿轮传动比大 小,从而改变从动轮(轴)的转速。 1.塔齿轮变速机构 如图所示为塔齿轮变速机构。导向键14装在主轴15的长键槽中,其上装有滑移齿轮11 和拨叉10,并可沿轴滑动。主轴15可通过齿轮11、中间齿轮12将运动传给塔齿轮1中的任意 一个,使轴2转动。由于塔齿轮由小到大,所以齿轮箱壳体上就制成斜形插孔板8,用插销9 插入定位,以限制齿轮11在运转时轴向移动。轴2转动时,可通过离合器3和4传给丝杠5, 或通过齿轮7传给光杆6。它是通过滑移齿轮11分别与塔形齿轮啮合,使丝杠或光杆得到不 同的转速。
塔 齿 轮 变 速 机 构

1.4.1

变速机构

2.倍增齿轮变速机构 如图1所示为倍增变速机构,它是由三根轴和滑移、空套、固定齿轮组成。轴1是主动 轴,其上装有三个二联齿轮Z28~42,其中一个固定在轴1上,其余两个是空套的。在轴上 空套三个二联齿轮。Z42~56,右端边上还有一个。Z56齿轮空套在轴上。在轴3上装有一个 滑移齿轮,以便与轴上任意一个Z56齿轮啮合。这样可以得到四种传动比。 第一级
n1 42 ? 28 1 ? ? n3 42 ? 56 2 n 56 ? 28 i13 ? 1 ? ?1 n3 28 ? 56 n 56 ? 42 ? 56 ? 28 i13 ? 1 ? ?2 n3 28 ? 42 ? 28 ? 56 n 56 ? 42 ? 56 ? 42 ? 56 ? 28 i13 ? 1 ? ?4 n3 28 ? 42 ? 28 ? 42 ? 28 ? 56 i13 ?

第二级
第三级 第四级

图 1 倍 增 变 速 机 构

3.拉键变速机构 图2所示为拉键变速机构,Z1、Z3、Z5和Z7四个齿轮固定 在轴2上,Z2、Z4、Z6和Z8四个齿轮空套在套筒轴3上,中间用 垫圈隔开。套筒轴3的孔中插入手柄轴4,并在轴的前端设有弹 簧键1,可以从套筒轴3的穿通的长槽中弹出,以便嵌入四个空 套齿轮中的一个。在图8.54所示位臵,键1嵌在齿轮Z8内孔的键 槽中,这样轴2的运动通过齿轮Z7与Z8的啮合传给轴3。此时 Z2、Z4、Z6也以各自的转速空转。

图 2 拉 键 变 速 机 构

1.4.1

变速机构

4.滑移齿轮变速机构 曾在前面轮系部分介绍过滑移齿轮变速的原理,故此处不再详述。 上面所讲的变速机构为有级变速机构,它们的变速可靠、传

动比准确、结构紧凑。但所 用的零件多、质量大、高速转动不平稳、变速时有噪声。 5.无级变速机构 图所示,是摩擦盘式无级变速机构的传动原理结构图。锥形盘1装在电动机轴上,电动 机轴线倾斜一个角度。端面盘2装在底板支架6上,借弹簧3的压力使其与锥形盘1的斜面贴 紧。当转动齿轮5通过固定在底板上的齿条4移动支架6时,就可以改变接触半径,因而可得 到不同的传动比。

i?

n1 R2 ? n2 R1

式中:n1、n2——锥形盘1和端面盘2的转速,r/min; R1、R2——锥形盘1和端面盘2接触点半径。

摩擦盘无级变速机构

1.4.1

变速机构

4.滑移齿轮变速机构 曾在前面轮系部分介绍过滑移齿轮变速的原理,故此处不再详述。 上面所讲的变速机构为有级变速机构,它们的变速可靠、传动比准确、结构紧凑。但所 用的零件多、质量大、高速转动不平稳、变速时有噪声。 5.无级变速机构 图所示,是摩擦盘式无级变速机构的传动原理结构图。锥形盘1装在电动机轴上,电动 机轴线倾斜一个角度。端面盘2装在底板支架6上,借弹簧3的压力使其与锥形盘1的斜面贴 紧。当转动齿轮5通过固定在底板上的齿条4移动支架6时,就可以改变接触半径,因而可得 到不同的传动比。

i?

n1 R2 ? n2 R1

式中:n1、n2——锥形盘1和端面盘2的转速,r/min; R1、R2——锥形盘1和端面盘2接触点半径。

摩擦盘无级变速机构

1.4.2

变向机构

所谓变向机构是指在输入旋转方向不变的条件下,改变从动轮(轴)旋转方向的装臵。常用 的有三星齿轮变向机构、滑移齿轮变向机构和圆锥齿轮变向机构等。 1.三星齿轮变向机构 图1所示,由Z1、Z2、Z3和Z4四个齿轮,以及三角形杠杆架组成。Zl和Z4两齿轮用键装在位臵 固定的轴上,并可与轴一起转动2和3两齿轮空套在三角形杠杆架的轴上,杠杆架通过搬动手柄 可绕齿轮Z4轴心转动。在图示位臵,齿轮通过齿轮Z3带动齿轮Z4,使齿轮z4按一定方向旋转, 齿轮Z2空转。若手柄向下搬动,这时Z1和Z3两齿轮脱开啮合,Z1和Z2进入啮合,这样齿轮Z1通 过齿轮2和3而带动齿轮4,由于多了一个中间齿轮Z2,当齿轮Z1的旋转方向不变,齿轮在Z4的 旋转方向就改变了。
图 1 三 星 齿 轮 变 向 机 构 图 2 滑 移 齿 轮 变 向 机 构

2.滑移齿轮变向机构 图2所示为滑移齿轮变向机构。由Z1、Z2、Z3、Z4和中间齿轮2组成;Z1和Z3为二联滑移齿 轮,用导向键或花键与轴联接。Z2和Z4固定在轴上。在图示位臵,当齿轮Z1的转动通过中间齿 轮Z带动齿轮Z2转动时,则齿轮Zl和Z2的旋转方向相同。

1.4.2

变向机构

若将二联齿轮Z1和Z3向右移动时,使齿轮Zl与中间齿轮Z脱开啮合,齿轮Z3和Z4

进入啮合,因为 少了一个中间齿轮在该变向机构中,所以齿轮Z3和Z4的旋转方向相反。在该变向机构中,若, 则只是一个变向机构;若则既是一个变向机构,又是一个变速机构,即可同时完成变向和变速 要求。 3.圆锥齿轮变向机构 图所示为圆锥齿轮变向机构。在图a中,两个端面带有爪形齿的圆锥齿轮Z2和Z3,空套在水 平轴上,这两个圆锥齿轮能与同轴上可滑移的双向爪形离合器啮合或分离,双向爪形离合器和 水平轴用键联接。另一个圆锥齿轮Z1固定在垂直轴上。当圆锥齿轮Z1旋转时,带动水平轴上两 个圆锥齿轮Z2和Z3,这两个齿轮同时以相反的方向在轴上空转。如果双向离合器向左移动,与 左面圆锥齿轮Z2上的端面爪形齿啮合,那么运动由左面的圆锥齿轮Z2通过双向离合器传给水平 轴;若双向离合器向右移动,与圆锥齿轮Z3端面爪形齿啮合,那么运动将由圆锥齿轮Z3通过双 向离合器传给水平轴,且旋转方向相反。 图b所示为滑移齿轮式变向机构。通过 水平轴上的滑移齿轮,使左或右齿轮与主 动轮分别啮合,水平轴可得到转向相反的 转动。

圆锥齿轮变向机构

1.5 常用机构观察与分析
1.实验目的 (1)初步了解《机械基础》课程所研究的各种常用机构的结构、类型、 特点及应用实例。 (2)增强学生对机构与机器的感性认识。 2.实验方法 陈列室展示各种常用机构的模型,通过模型的动态展示,增强学生对机 构与机器的感性认识。实验教师只作简单介绍,提出问题,供学生思考,学 生通过观察,对常用机构的结构、类型、特点有一定的了解,对学习机械基 础课程产生一定的兴趣。 3. 实验内容 (1)对机器的认识 通过实物模型和机构的观察,学生可以认识到:机器是由一个机构或几 个机构按照一定运动要求组合而成的。所以只要掌握各种机构的运动特性, 再去研究任何机器的特性就不困难了。在机械原理中,运动副是以两构件的 直接接触形式的可动联接及运动特征来命名的。如:高副、低副、转动副、 移动副等。

1.5 常用机构观察与分析
(2)平面四杆机构 平面连杆机构中结构最简单,应用最广泛的是四杆机构,四杆机构分成三大 类: 即铰链四杆机构;单移动副机构;双移动副机构。 ①铰链四杆机构分为:曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构,即根据两连架 杆为曲柄,或摇杆来确定。 ②单移动副机构,它是以一个移动副代替铰链四杆机构中的一个转动副演化而成 的。可分为:曲柄滑块机构,曲柄摇块机构、转动导杆机构及摆动导杆机构等。 ③双移动副机构是带有两个移动副的四杆机构,把它们倒臵也可得到:曲柄移 动导杆机构、

双滑块机构及双转块机构。 (3)凸轮机构 凸轮机构常用于把主动构件的连续运动,转变为从动件严格地按照预定规律的 运动。只要适当设计凸轮廓线,便可以使从动件获得任意的运动规律。由于凸轮机构 结构简单、紧凑,因此广泛应用于各种机械,仪器及操纵控制装臵中。 凸轮机构主要有三部分组成,即:凸轮(它有特定的廓线)、从动件(它由凸轮廓 线控制着)及机架。 凸轮机构的类型较多,学生在参观这部分时应了解各种凸轮的特点和结构,找出 其中的共同特点。

1.5

常用机构观察与分析

4.其他常用机构 其他常用机构常见的有棘轮机构;摩擦式棘轮机构;槽轮机构;不完全齿轮机构; 凸轮式间歇运动机构;万向节及非圆齿轮机构等。通过各种机构的动态演示学生应知 道各种机构的运动特点及应用范围。 5.机构的串、并联 展柜中展示有实际应用的机器设备、仪器仪表的运动机构。从这里可以看出, 机器都是由一个或几个机构按照一定的运动要求串、并联组合而成的。所以在学习机 械基础课程中一定要掌握好各类基本机构的运动特性,才能更好地去研究任何机构 (复杂机构)特性。

思考与分析: 1.在你所观察到的机械中所采用的铰链四杆机构是否有不足,如 何加以改进? 2.哪些机械中的四杆机构利用了急回特性,有何实际意义? 3.凸轮机构中凸轮的轮廓曲线如何设计的?常用凸轮从动件的运 动规律如何的? 4.在生活或生产实际中你还了解其它哪些常用机构的应用吗?

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