机械设计第11章间歇运动机构

163第十一章间歇运动机构案例导入：通过自动机械和牛头刨床的进给机构，导入间歇运动机构的概念、工作原理、运动特点及其应用；介绍各种间歇运动机构的主要参数及几何尺寸的计算。第一节棘轮机构一、棘轮机构的工作原理、特点和应用典型的棘轮机构由棘爪1、棘轮2、摇杆3、机架4等组成（图11-1）。摇杆及铰接于其上的棘爪为主动件，棘轮为从动件。图11-2所示为外啮合曲柄摇杆式棘轮机构。当主动曲柄连续转动时，摇杆3往复摆动。当摇杆逆时针摆动时，棘爪2嵌入棘轮1的齿槽内，推动棘轮沿逆时针方向转过一个角度；当摇杆顺时针摆动时，棘爪4在棘轮齿背上滑过，棘轮静止不动。在机架上安装止动棘爪可防止棘轮逆转。工作棘爪和止动棘爪均利用弹簧5使其与棘轮保持可靠接触。这样，当曲柄连续回转时，棘轮作单向的间歇运动。如果要求摇杆往复运动时都能使棘轮向同一方向转动，则可采用图11-3所示的双动式棘轮机构。驱动棘爪可制成钩头（图11-3a）或直头（图11-3b）。如果要求棘轮作双向间歇运动时，可采用具有矩形齿的棘轮以及与之相适应的双向棘爪。如图11-4所示为矩形齿双向棘轮机构。图11-4a)的驱动棘爪在实线位置时，棘轮图11-1棘轮机构的组成图11-2外啮合式棘轮机构a)b)a)b)图11-3双动式驱动棘爪图11-4矩形齿双向棘轮机构164作逆时针间歇转动；将驱动棘爪绕A点翻转成虚线位置时，棘轮作顺时针间歇转动。如图11-4b）所示为回转棘爪双向棘轮机构，当棘爪1按图示位置放置时，棘轮2作逆时针间歇转动。若将棘爪提起，并绕本身轴线转动180°后再插入棘轮齿槽时，棘轮作顺时针方向间歇转动。若将棘爪提起绕本身轴线转动90°，棘爪将被架在壳体的平面上，使轮与爪脱开，当棘爪往复摆动时，棘轮静止不动。除外啮合棘轮机构外，还有内啮合棘轮机构（如图11-5）和棘条机构等。棘轮机构结构简单，但不能传递大的动力，而且传动平稳性较差，不适宜于高速传动。一般用作机床及自动机械的进给机构，送料机构、刀架的转位机构、精纺机的成型机构、牛头刨床的送进机构等，也广泛用于卷杨机、提升机及牵引设备中，用它作为防止机械逆转的止动器。二、棘轮机构的主要参数及几何尺寸1.主要参数(1)棘轮齿数z。一般应由整个机器工作的需要来决定，通常取z=12~25。(2)模数m。仿照齿轮标准确定，与齿轮不同之处是从棘轮齿顶圆测量求得。令pm（mm）式中：m为模数，mm，已系列化，见表11-1；p为周节，mm，由p=πD/z可导出D=mz（mm）。(3)齿顶圆直径da棘轮的最大直径称为棘轮的齿顶圆直径，damz。(4)棘轮齿高h=0.75m。(5)棘齿偏斜角。如图11-6所示，棘轮机构工作时，为使棘爪受载最小而推动棘轮的有效力最大，棘爪回转中心O1应位于棘轮齿顶圆的切线上。当棘爪与棘齿在A点接触时，棘齿对棘爪的作用有正压力N和阻止棘爪下滑的摩擦力F(=Ntgρ),为保证棘爪在此二力作用下仍能向棘齿根部滑动而不从齿槽滑脱，其合力R应使棘爪有逆时针回转的力矩，为此，轮齿工作面相对棘轮半径应有一个负倾角，称为棘齿偏斜角，可以证明，角与摩擦角之间应有如下关系：（11-1）式中：为摩擦角，arctgf,f为摩擦系数取25.0~2.0f,=11.3°~14°时，为了保证运转安全可靠，一般可取20°。棘轮齿槽夹角由铣刀刃面夹角决定，一般取θ=60°，因此，在绘制棘轮齿形时，需对齿顶厚s或棘齿偏斜角进行修正。2.棘轮机构几何尺寸计算棘轮机构几何尺寸按表11-1计算。图11-6棘轮齿形图11-5自行车后轮轴的棘轮机构165表11-1棘轮机构几何尺寸尺寸名称符号计算公式与参数模数m常用1,2,3,4,5,6,8,10,12,14,16等周节pP=πD/z齿顶圆直径DD=zm齿高hh=0.75m齿顶高ss=m齿槽夹角θθ=60°或55°齿根圆角半径r≥5.1棘爪长度L2πm第二节槽轮机构一、槽轮机构的工作原理、特点和应用槽轮机构又称马氏机构。如图11-7所示，它由具有径向圆销的主动拨盘1、具有径向槽的槽轮2和机架组成。当构件1作均匀连续转动时，槽轮时而转动，时而静止。在构件1的圆销A尚未进入槽轮的径向槽时，槽轮内凹锁住弧被构件1的外凸圆弧卡住，因而槽轮静止不动。图中所示是构件1的圆销开始进入槽轮径向槽的位置，这时锁住弧被松开，因此圆销便驱使槽轮转动。当圆销开始脱出径向槽时，槽轮的另一内凹锁住弧又被构件1的外凸锁住弧卡住，致使槽轮静止不动，直到圆销在进入另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。图11-7所示的具有四个槽的槽轮机构，当原动件回转一周时，从动件只转1/4周。同理，具有n个槽的槽轮机构，当原动件回转一周时，槽轮转过1/n周。如此重复循环，使槽轮实现单向间歇转动。槽轮机构的特点是结构简单，工作可靠，机械效率高，在进入和脱离接触时运动较平稳，能准确控制转动的角度，但槽轮的转角不可调节，故只能用于定转角的间歇运动机构中，如自动机床、电影机械、包装机械等。图11-8所示为六角车床的刀架转位机构。刀架上装有六种刀具，与刀架固连的槽轮2上开有六个径向槽，拨盘1上装有一圆销A，每当拨盘转动一周，圆柱销A就进入槽轮一次，驱使槽轮转过60°，刀架也随之转动60°，从而将下一工序的刀具换到工作位置上。图11-9所示为电影放映机构中的槽轮机构。为了适应人眼的视觉暂留现象，采用了槽轮机构，使影片作间歇运动。图11-7槽轮机构166二、槽轮机构的主要参数及几何尺寸1.槽轮机构的基本参数(1)槽轮的槽数z。如图11-7所示，为使槽轮开始和终止转动的瞬时角速度为零，以避免圆柱销与槽轮发生冲击，圆销进入径向槽或退出径向槽时，径向槽的中心线应切于圆销中心的轨迹。设径向槽的数目为z，当槽轮2转过22时，构件1的转角12为z22221(2)运动系数τ和圆柱销数k。槽轮每次运动的时间tm对主动件回转一周的时间t之比称为运动系数，以τ表示。当构件1等速回转时，τ可用构件1的转角之比来表示，即221ttm，因此，zz222222（11-2）因为运动系数τ必须大于零，所以由上式可知，径向槽的数目应等于或大于3。对于图11-7所示的槽轮机构，槽轮的运动系数τ总小于1/2，也就是说，槽轮的运动时间总小于静止时间。如需得到τ＞1/2的槽轮机构则须在构件1上安装多个圆销。设k为均匀分布的圆销数，则一个循环中槽轮的运动时间比只有一个圆销时增加k倍，故有12)2(zzkτ=1表示槽轮作连续转动，故τ应小于1，即有22zzk由上式可知：当3z时，k可取1~5；当z=4或5时，k可取1~3；当z≥6，则k可取1~2。由于z=3时，工作过程中槽轮的角速度变化大，而z≥9时，槽轮的尺寸将变得较大，转动时的惯性力矩也较大，但对τ的变化却不大，因此槽数z常取为4~8。图11-8刀架的转位机构图11-9放映机的卷片机构1-圆销拨盘2-槽轮1-圆销拨盘2-槽轮1672.槽轮的基本尺寸（图11-7）可以按下列公式计算：槽底高b≤L-(R1+r)圆销回转半径R1=Lsin2槽顶高R2=Lcos2式中:r为圆销的半径。第三节不完全齿轮机构不完全齿轮机构的主动轮上只有一个或数个轮齿，而从动轮上的轮齿分布视机构运动时间与静止时间的要求而定。如图11-10所示，主动轮1连续转动一周，从动轮2分别转1/8（图a）和1/4(图b)周，达到主动轮连续转动，从动轮作间歇转动的目的。为防止从动轮在静止时间内游动，主、从动轮上分别有外凸圆弧和内凹锁住弧。不完全齿轮机构与其它间歇机构相比，只要适当地选取齿轮的齿数、锁住弧的段数和锁住弧之间的齿数，就能使从动轮得到预期的停歇次数、停歇时间及每次转过的角度。但不完全齿轮机构在从动轮进入或退出啮合时，因速度突变，从而引起刚性冲击，故一般只用于低速轻载场合，常在计数器和某些间歇进给机构中采用。习题十一11-1棘轮机构的工作原理及运动特点是什么？11-2棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构是怎样组成的？它们如何实现从动件的单向间歇运动？11-3何谓槽轮机构的运动系数τ？为什么运动系数必须大于1？槽轮的槽数常取多少？11-4某单销槽轮机构的槽数z=6，中心距l=80mmm，圆销直径为10mm。(1)计算该槽轮机构的基本尺寸并按比例绘出该槽轮的简图；(2)计算该槽轮机构的运动系数。a)b)图11-10不完全齿轮机构图11-10不完全齿轮机构