机械设计基础-第6章-间歇运动机构与组合机构

第6章间歇运动机构与组合机构6.1槽轮机构6.2棘轮机构6.3不完全齿轮机构6.4组合机构在机械和仪表中，常常需要原动件作连续运动，而从动件则产生周期性时动时停的间歇运动，实现这种间歇运动的机构称为间歇运动机构。间歇运动的机构很多，本章仅介绍最常见的几种。连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构是工程中最常用的几种基本机构。对于比较复杂的运动变换，某种基本机构单独使用往往难以满足实际生产过程的需要，因此，把若干种基本机构用一定的方式联接起来成为组合机构，以便得到单个基本机构所不能具有的运动性能。在本章最后将介绍几种组合机构。槽轮机构又称马尔他机构，由槽轮、装有圆销的拨盘和机架组成。如图6-1所示，拨盘做匀速转动时，驱动槽轮作时转时停的间歇运动。当圆销未进入轮槽时，槽轮静止。圆销进入轮槽时，锁止弧松开，槽轮转动；当圆销离开槽时，槽轮又被拨盘的外锁止槽卡住，槽轮静止。直到圆销A在进入槽轮另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。6.1槽轮机构槽轮机构有两种基本型式：一种是外啮合槽轮机构，如图6-1所示，另一种是内啮合槽轮机构，如图6-2所示。6.1.1槽轮机构的工作原理图6-1外啮合槽轮机构21Rr1dr112L2b2s2dh2OA(单击打开)6-1.swf22221121图6-2内啮合槽轮机构槽轮机构结构简单，效率高，运动平稳，因此在自动机床转位机构、电影放映机卷片机构等自动机械中得到广泛的应用。6.1.2槽轮机构的主要参数z22221槽轮机构的主要参数是槽数z和拨盘圆销数K。如图6-1所示。为了使槽轮2在开始和终止转动时的瞬时角速度为零，以避免圆销A与槽轮发生撞击，圆销进入或脱出径向槽的瞬时，径向槽的中线应与圆销中心相切，即O2A应与O1A垂直。设z为均匀分布的径向槽数，当槽轮2转过22=2z弧度时，拨盘1相应转过的转角为：（6-1）21Rr1dr112L2b2s2dh2OA图6-1在一个运动循环内，槽轮2的运动时间t与主动拨盘转一周的总时间t之比，称为槽轮机构的运动系数。用表示。槽轮停止时间t与主动拨盘转一周的总时间t之比，称为槽轮的静止系数，用表示。当拨盘匀速转动时，时间之比可用槽轮与拨盘相应的转角之比来表示。如图6-1所示，只有一个圆销的槽轮机构，t、t、t分别对应于拨盘的转角为21、（2-21）、2。21Rr1dr112L2b2s2dh2OA图6-1因此，该槽轮机构的运动系数和静止系数分别为：zzzztt121222222'1（6-2）zzzttttt121221'''''（6-3）为保证槽轮运动，其运动系数应大于零。由式（6-2）可知，槽轮的径向槽数z应等于或大于3。由式（6-2）还可以看出，这种槽轮机构的运动系数恒小于0.5，即槽轮的运动时间t总小于静止时间t。欲使槽轮机构的运动系数大于0.5，可在拨盘上装数个圆销。设拨盘上均匀分布的圆销数为K，当拨盘转一整周时，槽轮将被拨动K次。因此，槽轮的运动时间为单圆销时的K倍。即：zzK2)2(（6-4）运动系数还应当小于1（=1表示槽轮2与拨盘1一样作连续转动，不能实现间歇运动），故由上式得：12)2(zzK即22zzK由上式可知，当z=3时，圆销的数目可为1~5，当z=4或5时，圆销数目可为1~3，而当z6时，圆销的数目为1或2。从提高生产效率观点看，希望槽数z小些为好，因为此时也相应减小，槽轮静止时间（一般为工作行程时间）增大，故可提高生产效率。但从动力特性考虑，槽数z适当增大较好，因为此时槽轮角速度减小，可减小震动和冲击，有利于机构正常工作。但槽数z9的槽轮机构比较少见。因为槽数过多，则槽轮机构尺寸较大，且转动时惯性力矩也增大。另外，由式（6-3）可知，当z9时，槽数虽增加，运动系数的变化却不大，故z常取为4~8。图6-3所示为外啮合棘轮机构。它由摆杆1、棘爪2、棘轮3、止回爪4和机架5组成。通常以摆杆为主动件、棘轮为从动件。当摆杆1连同棘爪2顺时针转动时，棘爪进入棘轮的相应齿槽，并推动棘轮转过相应的角度；当摆杆逆时针转动时，棘爪在棘轮齿顶上滑过。为了防止棘轮跟随摆杆反转，设置止回爪4。这样，摆杆不断地作往复摆动，棘轮便得到单向的间歇运动。6.2棘轮机构6.2.1棘轮机构的工作原理及应用图6-3外啮合棘轮机构123453(单击打开)6-3.swf棘轮机构还可以作成内啮合形式（图6-4）12343图6-4内啮合棘轮机构(单击打开)6-4.swf12343v图6-5棘条机构移动棘轮（即棘条）形式（图6-5），其工作原理和外啮合棘轮机构类似。如图6-6所示为摩擦式棘轮机构，当摆杆1作逆时针转动时，利用楔块2与摩擦轮3之间的摩擦产生自锁，从而带动摩擦轮3和摆杆一起转动；当摆杆作顺时针转动时，楔块2与摩擦轮3之间产生滑动。这时由于楔块4的自锁作用能阻止摩擦轮反转。这样，在摆杆不断作往复运动时，摩擦轮3便作单向的间歇运动。图6-6摩擦棘轮机构1234(单击打开)6-6.swf棘轮机构除了常用于实现间歇运动外，还能实现超越运动。如图6-7所示为自行车后轮轴上的棘轮机构。当脚蹬踏板时，经链轮1和链条2带动内圈具有棘齿的链轮3顺时针转动，再通过棘爪4的作用，使后轮轴5顺时针转动，从而驱使自行车前进。当自行车前进时，如果令踏板不动，后轮轴5便会超越链轮3而转动，让棘爪4在棘轮齿背上划过，从而实现不蹬踏板的自由滑行。图6-7超越式棘轮机构1232345如图6-8，为使棘爪受力最小，应使棘轮齿顶A和棘爪的转动中心O2的连线垂直与棘轮半径。作用力有：正压力Fn和摩擦力F。Fn可分为圆周力Ft和径向力Fr。力Fr使棘爪落到齿根，力F阻止棘爪落向齿根，为了保证正常工作，须使棘爪落到齿根而又不致于与齿脱开。这就要求轮齿工作面相对棘轮半径朝齿体内偏斜一角度，称为棘齿的偏斜角。6.2.2棘爪工作条件图6-8aOCEBAhnnFArFLnFtF2OD偏斜角的大小由下列关系求出：cosLFLFr（6-6）因为sinnnrFFF（6-7）有tantancossin（6-8）即式中，为齿与爪间的摩擦角，=arctan。当=0.2时，11.5。为安全起见，通常取=20。选定齿数z和按强度要求确定模数m后，棘轮棘爪的主要几何尺寸可按以下经验公式计算：顶圆直径D=mz齿高h=0.75m齿顶厚a=m齿槽夹角=60或50棘爪长度L=2m其他结构尺寸可参阅机械设计手册。由于棘轮是在动棘爪的突然撞击下启动的，接触瞬间，理论上是刚性冲击。故棘轮机构只能用于低速的间歇运动场合。6.2.3棘轮机构的使用特点1．棘轮机构结构简单，容易制造。常用作防止转动件反转的附加保险机构。2．棘轮每次转角和动停时间比可调。常用于机构工况经常改变的场合。图6-9所示为不完全齿轮机构。主动轮1为只有一个齿或几个齿的不完全齿轮，从动轮2可以是普通的完整齿轮，也可以由正常齿和带锁住弧的厚齿彼此相间地组成（图6-9a,b）。当主动轮1的有齿部分作用时，从动轮2就转动；当主动轮1的无齿圆弧部分作用时，从动轮停止不动，因而当主动轮连续转动时，从动轮获得时转时停的间歇运动。6.3不完全齿轮机构图6-9外啮合不完全齿轮机构2121(a)(b)(单击打开)6-9.swf当主动轮匀速转动时，这种机构的从动轮在运动期间也保持匀速转动，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象等速运动规律的凸轮机构那样产生刚性冲击。因此，对于转速较高的不完全齿轮机构，可在两轮的端面分别装上瞬心线附加杆L和K（图6-9c），使从动件的角速度由零逐渐增加到某一数值从而避免冲击。12KL图6-9C不完全齿轮机构有外啮合和内啮合（图6-10）两种型式，一般用外啮合型式。图6-10内啮合不完全齿轮机构12(单击打开)6-10.swf不完全齿轮机构与其他间歇运动机构相比，它的结构简单，制造方便，从动轮的运动时间和静止时间的比例不受机构结构的限制。缺点是从动轮在转动开始和终止时，角速度有突变，冲击较大，故一般只适用于低速或轻载场合。不完全齿轮机构常用于多工位自动机和半自动机工作台的间歇转位及某些间歇进给机构中。如图6-11所示的手动冲床是六杆或由两个四杆机构组成。一个是原动件（手柄）1、连杆2、从动摇杆3和机架4组成的双摇杆机构；另一个是由摇杆3、小连杆5、冲杆6和机架组成的摇杆滑块机构。采用六杆机构，增大了冲杆的作用力。6.4组合机构下面介绍几种常见的组合机构。6.4.1连杆—连杆1BCDEFG56A234图6-11手动冲床中的复合铰链机构图6-12所示为筛料机主题机构的运动简图。这个六杆机构也可看成由两个四杆机构组成。第一个是由原动曲柄1、连杆2、从动曲柄3和机架6组成的双曲柄机构；第二个是由曲柄3（原动件）、连杆4、滑块5（筛子）和机架6组成的曲柄滑块机构。图6-12筛料机机构的复合连杆机构512436图6-13所示为双凸轮机构，由两个凸轮机构协调配合控制十字滑块3上一点M准确地描绘出虚线所示预定的轨迹。6.4.2凸轮—凸轮机构图6-13双凸轮机构ω112345xyω5(单击打开)6-13.swf凸轮连杆机构的形式很多，这种组合机构通常用于实现从动件的预定的运动轨迹和规律。主动曲柄OA回转时，B点强制在凸轮凹槽中运动，从而使托杆达到图示运动规律，托包时慢进，不托包时快退，以提高生产效率。因此，只要把凸轮轮廓线设计得当，就可以使托杆达到上述要求。6.4.3连杆—凸轮图6-14巧克力包装机托包用的凸轮连杆机构慢托快退hL30°OφABx120°60°180°（a)（b)(单击打开)(单击打开)6-14a.swf6-14b.swf图6-15所示为连杆与棘轮两个基本机构组合而成的组合机构。棘轮的单向步进运动是由摇杆3的摆动通过棘爪4推动的，而摇杆的往复摆动又需要由曲柄摇杆机构ABCD来完成，从而实现了输入构件（曲柄1）的等角速度回转运动转换成输出构件（棘轮5）的步进转动。6.4.4连杆—棘轮图6-15连杆－棘轮组合AB24CE36D51F