第四章_常用机构11介绍

第四章常用机构本章概述原动机输出的运动一般以匀速旋转和往复直线运动为主，而生产实际中要求的运动形式千变万化，为此人们在生产劳动中创造了平面连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、棘轮机构、槽轮机构等等，来实现各种运动输出。本章主要学习这些常用机构的工作原理、类型、运动特性及其应用特点。第四章常用机构§4.1平面连杆机构§4.2凸轮机构§4.3螺旋机构第四章常用机构§4.4间歇运动机构4.1平面连杆机构§4.1平面连杆机构平面连杆机构是由若干个构件通过低副联接而成的机构，又称为平面低副机构。由四个构件通过低副联接而成的平面连杆机构，称为四杆机构。如果所有低副均为转动副，这种四杆机构就称为铰链四杆机构。平面连杆机构的优点：由于是低副，为面接触，所以承受压强小、便于润滑、磨损较轻，可承受较大载荷。结构简单，加工方便，构件之间的接触是有构件本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠。利用平面连杆机构中的连杆可满足多种运动轨迹的要求。平面连杆机构的缺点：根据从动件所需要的运动规律或轨迹来设计连杆机构比较复杂，精度不高。运动时产生的惯性难以平衡，不适用于高速场合。4.1平面连杆机构一、铰链四杆机构在铰链四杆机构中，固定不动的杆4为机架，与机架相连的杆1与杆3，称为连架杆，联接两连架杆的杆2为连杆。能作整周回转的连架杆称为曲柄，不能作整周回转的连架杆称为摇杆。铰链四杆机构是四杆机构的最基本的形式，其它形式的四杆机构都可看作是在它的基础上演化而成的。根据连架杆运动形式的不同，铰链四杆机构可分为三大类别：1）曲柄摇杆机构2）双曲柄机构3）双摇杆机构4.1平面连杆机构1.曲柄摇杆机构应用举例：牛头刨床横向进给机构、搅面机、卫星天线、飞剪缝纫机脚踏板机构、自行车、走步机、送料机构。一般曲柄主动，将连续转动转换为摇杆的摆动，也可摇杆主动，曲柄从动。运动特点：定义：在两连架杆中，一个为曲柄、另一个为摇杆的铰链四杆机构。4.1平面连杆机构搅面机曲柄摇杆机构应用实例4.1平面连杆机构卫星接收装置曲柄摇杆机构应用实例4.1平面连杆机构曲柄摇杆机构应用实例缝纫机脚踏板机构4.1平面连杆机构曲柄摇杆机构应用实例自行车4.1平面连杆机构曲柄摇杆机构应用实例跑步机4.1平面连杆机构2.双曲柄机构应用举例：惯性筛、插床机构运动特点：从动曲柄变速回转。定义：两连架杆均为曲柄的四杆机构，称为双曲柄机构。4.1平面连杆机构惯性筛双曲柄机构应用实例4.1平面连杆机构3.双摇杆机构—两连杆架均为摇杆的四杆机构港口起重机、飞机起落架、车辆的前轮转向机构应用举例：定义：两连架杆均为摇杆的四杆机构，称为双摇杆机构。41平面连杆机构双摇杆机构应用实例港口起重机选择连杆上合适的点，轨迹为近似的水平直线4.1平面连杆机构双摇杆机构应用实例飞机起落架4.1平面连杆机构风扇摇头双摇杆机构应用实例4.1平面连杆机构二、铰链四杆机构的演化1.曲柄摇杆转化为曲柄滑块一般生产中广泛应用的四杆机构，都可看作是从铰链四杆机构演化而来的。四杆机构的演化方法是通过运动副的转换和机架的变换等方法实现的。以下展示几种演化。4.1平面连杆机构2.曲柄滑块转化为偏心轮滑块4.1平面连杆机构3.其他机构如压水井42凸轮机构§4.2凸轮机构平面连杆机构一般只能近似地实现给定的运动规律，而且设计较为复杂，在各种机器中，特别是自动化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构。右图所示为内燃机的气门机构，当具有曲线轮廓的凸轮1作等速回转时，凸轮曲线轮廓通过与气门2（从动件）的平底接触，迫使气门2相对于气门导管3（机架）作往复直线运动，从而控制了气门有规律的开启和闭合。气门的运动规律取决于凸轮曲线轮廓的形状。一、凸轮机构的应用和类型1.凸轮机构的组成特性和应用4.2凸轮机构凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，他通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。凸轮机构结构简单、紧凑，能方便地设计凸轮轮廓以实现从动件预期运动规律，广泛用于自动化和半自动化机械中作为控制机构。凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成。但凸轮轮廓与从动件间为点、线接触而易磨损，所以只适用于传递动力不大的场合。4.2凸轮机构凸轮机构的几种典型应用示例一机床上的应用4.2凸轮机构示例二内燃机配气机构4.2凸轮机构示例三靠模车削机构4.2凸轮机构2.凸轮机构类型凸轮机构的工作原理相对其它机构是较为简单的，从动件的运动规律主要是取决于凸轮的轮廓形状。按照凸轮的形状不同可把凸轮分为以下几种：盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮曲面凸轮按照从动件分为以下几种：尖顶从动件滚子从动件平顶从动件按照凸轮的锁合方式可把凸轮分为以下几种：力锁合形锁合42凸轮机构盘形凸轮凸轮以等角速度ω回转，驱动从动阀杆作上下运动，从而有规律地开启或关闭气阀。凸轮轮廓的形状决定了气阀开启或关闭的时间长短及其速度、加速度的变化规律。凸轮是绕固定轴转动且有变化向径的盘形零件，是凸轮最基本的型式。4.2凸轮机构移动凸轮从动件2的端部装有可自由转动的滚子，它与凸轮相对运动时为滚动摩擦，因此阻力、磨损均较小，可以承受较大的载荷，应用较广。4.2凸轮机构圆柱凸轮图示为自动机床的进刀机构。当圆柱凸轮旋转时，圆柱上凹槽曲面迫使从动件往复摆动，通过从动件上的扇形齿轮与刀架上的齿条啮合，控制刀架的自动进刀和退刀运动。4.2凸轮机构曲面凸轮4.2凸轮机构按照从动件结构分为以下几种：a)b)c)d)e)f)4.2凸轮机构力锁合4.2凸轮机构形锁合1.基圆rb2.推程运动角Φ3.远停程运动角Φs4.回程运动角Φ'5.近停程运动角Φs'4.2凸轮机构二、凸轮机构中从动件的常用运动规律1.凸轮机构的工作过程分析4.2凸轮机构图4-20对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构工作过程图为对心尖顶从动件盘形凸轮机构，凸轮回转时，从动件重复升—停—降—停的运动循环。从动件的位移s与凸轮转角a的关系可以用从动件的位移线图来表示，如右图所示。4.2凸轮机构2.从动件常用运动规律（1）等速运动规律运动开始，v由0突变为加速度a为同理，运动结束由于存在刚性冲击，如果单独使用这种运动规律，只适用于低速场合。a=-∞0h000hdtdva4.2凸轮机构（2）等加速—等减速运动规律等加速、等减速运动规律，在前半程用等加速运动规律，后半程采用等减速运动规律，两部分加速度绝对值相等。等加速、等减速运动规律在运动起点A、中点B、终点C的加速度突变为有限值，产生柔性冲击。用于中速、轻载的场合。4.2凸轮机构（3）摆线运动规律当半径为R的滚圆沿纵坐标轴作纯滚动时，圆周上某定点M的运动轨迹为一摆线，该点在纵坐标轴上投影的变化规律即构成摆线运动规律。由运动线图可知，当从动件按摆线运动规律运动时，其加速度按正弦曲线变化，故又称为正弦加速度运动规律。从动件在行程的始点和终点处加速度皆为零，且加速度曲线均匀连续而无突变，因此在运动中既无刚性冲击，又无柔性冲击，常用于较高速度的凸轮机构。4.2凸轮机构4.2凸轮机构凸轮轮廓曲线设计的方法有图解法和解析法两种，这两种方法所依据的基本原理是相同的。如右图所示，当凸轮机构工作时，凸轮是运动的，而我们设计凸轮轮廓时，却需要凸轮与图纸相对静止。为此，我们在设计中采用反转法。三、盘行凸轮轮廓设计1.盘形凸轮轮廓曲线设计基本原理4.2凸轮机构反转法原理加角速度-w(与凸轮角速度大小相等、方向相反)从动件与导路绕凸轮以角速度-w转动凸轮静止不动从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线从动件相对导路移动（1）对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计演示动画2.图解法设计凸轮轮廓曲线4.2凸轮机构（2）对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计把滚子回转中心看作尖顶绘出凸轮理论轮廓后，再以理论轮廓上一系列点为圆心，以滚子半径为半径所作一系列圆的包络线就是设计的滚子从动件盘形凸轮轮廓。4.2凸轮机构①凸轮机构的压力角从动件的运动方向和凸轮作用于它的法向力Fn方向之间所夹的角a称为压力角。由上述关系式知，压力角a愈大，有效分力Ｆy愈小，有害分力Ｆx愈大。当a角大到某一数值时，必将会出现FyFx的情况。这时，不论施加多大的Fn力，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁。因此，为了保证凸轮机构的正常工作，必须对凸轮机构的压力角进行限制。推荐压力角数值移动从动件[a]=30摆动从动件[a]=45回程中，一般不会有自锁现象，压力角取值为[a]=70～80acos1FFasin2FF3.凸轮设计中应注意的问题4.2凸轮机构基圆半径选的越小，凸轮机构越紧凑，实际分析证明当从动件运动规律确定后，基圆半径变小会引起压力角增大，但压力角不能超过许用值，否则机构的传力性能降低，甚至发生自锁，故基圆半径不能取的太小。设计时具体要以实际结构（包括凸轮允许占用空间，凸轮安装轴直径等）而定，可按经验公式确定：式中d为安装轴直径。②凸轮基圆半径的选取drb2~6.14.3凸轮机构③滚子半径的确定凸轮轮廓曲线形状与滚子半径的关系：4.2凸轮机构4.3螺旋机构§4.3螺旋机构一、螺旋机构的组合和工作原理用螺旋副联接的机构称为螺旋机构，用来传递运动和动力。下图所示是最基本的螺旋机构，它是由螺杆1、螺母2和机架3组成，螺杆与螺母组成螺旋副B，螺杆与机架组成转动副A，螺母与机架组成移动副C。通常，螺杆为主动件作匀速转动，螺母为从动件作轴向匀速直线移动，螺杆转动一周，螺母的轴向位移l为一个螺纹导程。若螺旋副的导程为s，螺杆的转角为时，其位移和转角的关系是有时也可以使螺母不动，螺杆在旋转时轴向移动。2sl4.3螺旋机构螺旋机构具有结构简单，工作连续，传动精度高，易于实现自锁等优点，在工程中应用广泛，但由于螺旋副之间是滑动摩擦，工作时磨损大，效率低，不能用于传递大功率动力。螺旋机构应用主要有三个方面：1.传力螺旋2.传导螺旋3.调整螺旋（变旋转运动为直线运动）（实现高效率传动）（进行位置调节）二、螺旋机构的类型和应用4.4间歇运动机构§4.4间歇运动机构棘轮机构（略）槽轮机构（略）人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。