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第三章、连续运动结构设计3.1概述3.2旋转机构设计3.3直线运动机构3.4曲线运动机构3.1概述一、常用运动结构的功能与种类运动机构种类繁多，产品的设计功能决定所选择和采用的机构。根据运动机构在产品中的作用，可分为执行机构和传动机构。如图3-1，以自行车为例。车轮的转动前轮的左右摆动、车闸的摆动抱合和变速拨叉的摆动是设计要求的基本运动，是实现自行车功能需要执行的运动。直接保证这些运动的相应机构是飞轮、前叉合件、车闸组件及拨链器，按功能称为执行机构。为实现这些运动，需要相应的机构和装置将源动力和运动传递到执行机构，按功能称为传动机构。车轮的旋转通过曲柄链轮链条将脚蹬动力传递给飞轮实现，车闸和拨链器的运动通过柔性钢丝（本质是连杆）将作用在闸把和控制器上的运动和动力传递给相应的执行机构完成。曲柄链轮和链条、闸把和钢丝、变速控制器和钢丝等即为所谓的传动机构。图3-2为一药片包装机数片机头结构示意图。由图3-2可知，在产品或机械系统中，执行机构的主要作用是实现所需功能动作（包括执行运动和执行力），而传动机构（传动链）则负责传递、变换、调节运动和动力，以适应不同产品的功能需要。无论是执行机构还是传动机构，实现产品设定运动功能可选择和采用的具体机构种类和形式都不是唯一的。一个具体产品中的运动机构通常可能由多个结构环节组成，为了研究、分析和设计方便，可将其分解为一个个相对独立的结构环节或简单机构，如图3-2中的齿轮、蜗轮和蜗杆。运动结构设计通常就是选择、配置、组合、设计这些简单机构。运动机构的种类可按照运动构件的运动规律或轨迹分为平面机构和空间机构两种。空间机构的运动构件可在三维空间中运动，其运动自由度至少在两个以上，如图3-3中的筛子。平面机构的运动构件在某一平面内运动。按照机构运动构件的运动规律特征，运动机构又可分为转动机构、直线运动机构、曲线运动机构、往复运动机构、间歇运动机构。最常用的是按照机构的结构特点分类的运动机构，即分为齿轮机构、链传动机构、槽轮机构、曲柄滑块机构、连杆机构等。二、机构学基础机构通常由相互间有规律相对运动的刚性体组成，这些刚性体称为机构的构件。机构中自身相对静止的构件称为机架，其他构件称为运动构件。构件可以是一个零件，也可是由若干零件组成的刚性系统。机构的构件间允许相对运动，构件间需采用活动连接。这种使构件间保持接触又允许相对运动的连接成为运动副。面接触的运动副称为低副，点或线接触的运动副称为高副。运动副按运动范围可分为空间运动副和平面运动副两类，常用的是平面运动副。平面运动副按运动形式特征又可分为转动副、移动副、螺旋副、圆柱副等。在机构分析中，运动副常采用简图符号表示，如图3-4所示。运动副决定了所连接构件间的相互运动关系，运动副将构件连接起来，同时也限制了被连接构件的自由度。机架固定，运动自由度为0.一个通过转动副与机架相连的构件，只有相对机架转动一个自由度，如图3-5（a），整个机构仅需一个独立参数即可确定机构各构件的位置，此机构有一个自由度；在此运动构件末端，再通过转动副连接一个运动构件，如图3-5（b），则第二个运动构件相对第一个运动构件有一个运动自由度，加上随同第一个运动构件的一个转动自由度，共有二个自由度，机构也需要二个独立参数确定各构件的相对位置，机构自由度为2；同理，图3-5（c）的机构有三个自由度。确定运动机构各构件位置所需独立参数的总个数称为机构的自由度。一个机构的自由度数应大于0，否则机构无法运动、不成立。机构中用于输入驱动力的构件称为驱动构件（也称原动件或主动件），驱动构件数应与机构的自由度数相同；其他运动构件称为传动构件（也称从动件）；将运动和动力向外传递的构件又称为输出构件（也称执行构件）。在机构学中，一般利用构件和运动副符号及一些简单的线条、图形表示机构的结构组成、几何形状、相对位置关系等，称为机构运动图，如图3-6所示。绘制机构运动简图时，一般是在分析清楚机构工作原理的基础上，分析运动副的种类和数目，确定出机架、驱动件和从动件，然后将构件简化为杆件，用线条图表示出各构件、运动副及相对位置关系。机构运动简图不仅表示机构的结构和尺寸，也可表示出构件的相对运动关系，最好按比例绘制。3.2旋转运动机构齿轮机构齿轮机构是最常用的转动机构，通常由两个齿轮组成一组，依靠齿轮的啮合传递转动和扭矩。齿轮机构传动准确可靠、传递功率大、效率高结构紧凑且使用寿命长。齿轮形式种类很多，常见的齿轮形式如图3-7所示。齿轮按轮齿齿廓曲线形式可分为渐开线齿轮、摆线齿轮、圆弧齿轮、正玄曲线齿轮等，其中渐开线齿轮应用最广泛。齿轮可按齿轮外观几何形状、轮齿走向特征等分类，参见图3-7中各齿轮的名称。齿轮传动机构中啮合的轮齿保持紧密接触，配合使用的齿轮轮齿大小和齿廓形状必须一致。轮齿的大小决定齿轮传递扭矩的能力，轮齿越大，能力越大。轮齿的大小称为齿轮的模数，模数在国标中已经标准化、系列化。齿轮制造时，使用相应标准模式的刀具加工。齿轮配对使用构成齿轮机构。一对齿轮中靠近驱动源的称为主动轮，另外一个称为从动轮。两齿轮的齿数比（从动轮齿数除以主动轮齿数）称为传动比，传动比是齿轮传动的一个基本参数。齿轮的转速与传动比成反比；齿轮承受的扭矩比与传动比成正比。蜗轮蜗杆机构属于特殊的齿轮机构。蜗轮蜗杆的传动方向是单向的，即蜗杆只能作为主动件，蜗轮只能作为从动件。蜗杆的头数为主动轮齿数，一般蜗杆头数较少（常用头数为1），因此蜗轮蜗杆机构的传动比较大。常见蜗轮蜗杆形式如图3-8所示。齿轮齿条机构是齿轮机构的另外一个特例，相当于大齿轮直径无限大的齿轮传动，如图3-9所示。齿轮齿条机构可实现旋转与直线运动间的转换。制造齿轮的材料常见的有钢、黄铜、尼龙、塑料等。机械设备和一些重要的传动机构常用钢材作为齿轮的制造材料，配对使用的一对齿轮中，小齿轮转速高、齿轮磨损快，表面硬度需比大齿轮高。仪表、钟表等机构中，齿轮传递扭矩小，常用黄铜制造齿轮，表面摩擦小且容易加工。尼龙齿轮传动噪声小，常用于轻载、高速的轻工设备和机电一体化产品中，如照相机、复印机、打印机等。塑料齿轮柔性好、运转噪声小，且可铸塑生产、成本低，但传动载荷小、使用寿命短，常用于电动玩具等不重要场合。蜗轮蜗杆机构运动摩擦大，工作状况较差，因此蜗杆常采用钢材制造，蜗轮则选择铸铁材料。实际产品结构中，为满足传动要求，常采用多组齿轮机构组成的传动链，图3-10为机械照相机的卷片机构。轮系是采用两个以上齿轮构成的一类齿轮传动机构，其中一个齿轮轴为输入轴，一个齿轮轴为输出轴，其他齿轮负责逐级传递运动。根据轮系传动时齿轮轴线相对机架是否变化，轮系分为定轴轮系和周转轮系两类。图3-10中，各齿轮直线式排列构成的轮系最简单，属于直排定轴轮系，相当于一对齿轮机构的逐级传动，传动比和结构变化小。图3-11为一较简单的周转轮系示意图，两个中心轮分别为输入、输出周。周转轮系中，围绕固定中心轴转动的齿轮称为中心轮，轴线绕中心轮或其他轴转动的齿轮称为行星轮，其运动仿佛行星绕太阳转动，因此这类轮系也称为行星轮系。周转轮系有很多用途，其特殊用途主要有：实现大传动比（可达几千），满足特殊传动要求，且结构紧凑，节省空间；实现运动的合成与分解，典型的例子是汽车后桥变速器装置，将发动机的转动以不同的速度分配给左右两轮，用于汽车转弯变速。作为周转轮系的一个例子，图3-12为自行车后变速轴的结构，通过操纵链控制可实现三级变速。采用行星轮系变速，结构紧凑。二、带传动机构带传动又称皮带传动，结构简单、成本低，在很多现代机械设备和工业及家用产品中得到使用，如机床、汽车、洗衣机、缝纫机、录音机等。如图3-13所示，带传动机构由主动带轮、从动带轮及传动带构成，传动带以一定张力套在两个带轮上。主动带转动时，依靠带轮与传动带的摩擦力使从动带轮转动，实现传动。摩擦力的大小取决于带轮与传动带间的接触压力、接触长度和摩擦系数。带传动机构的主要特点有：传动轴中心距较大；靠摩擦传动，过载打滑，可防止过载对系统重要零部件的破坏；运转平稳、吸振、噪声小；结构简单成本低、维护保养容易。由于在正常传动过程中也存在打滑现象且与负载的变化有关，因此带传动可靠性差，不能保证恒定传动比，传动效率较低，传动带使用寿命短；另外带传动机构结构尺寸较大，实现大传动比困难，也不适于高温、易燃、易爆的使用场合。带传动机构使用传送带的类型与传动的效果和能力关系很大，常见的传动带如图3-14所示。平皮带最早使用牛皮制作，故而得名。现代常采用平皮带有胶带、钢带和复合材料带等几种。胶带又称为橡胶带、帆布袋，有纤维织物与橡胶粘结而成，，抗拉强度大、制作容易，但耐油性能较差，常用于简单传动系统。钢带用冷轧薄钢片制成，强度大、变形小，用于特殊场合。复合材料带常用高强度尼龙或聚酰胺等材料做强力层，以皮革作摩擦面，另一面使用耐磨橡胶。复合材料带承载能力强、传动性好、使用寿命长，是目前应用最多的平皮带。圆形带有皮制、麻质、钢丝制等几种。圆形带结构简单、传动力大，常用于工作状况恶劣的场合，如起重设备、建筑工地设备等。V形带以棉线、化纤绳等为芯外裹橡胶制成。V形带一般制成环状无接头带，断面呈梯形，两斜面与带轮槽接触，摩擦力大，滑动小、工作可靠、运转平稳。V形带应用最广泛，属于标准化、系列化中的部件。多楔带综合了平皮带与V形带的优点，运转速度高、可达传动比大，主要用于传动要求高、功率大等主要工作场合。带传动突出的缺点是工作中打滑问题，不能保证稳定、可靠的传动比。同步齿形带有效解决了这一问题。如图3-15所示，齿形带使用时需采用相应的同步齿形带轮，其传动为啮合传动，传动带与带轮间无相对滑动，兼有齿轮传动和带传动的优点。齿形带传动比可达10，适于高速传动，主要用于传动要求准确的中、小功率传动系统中，如测量仪器、轻工机械、绘图仪、平板扫描仪等。图3-16为用于激光雕刻机激光头移动位置的实例照片。带传动机构中，两带轮轴线可以再同一平面内平行或交叉，也可不一个平面内，利用传动带与带轮的不同缠绕方法，可构成不同的带传动形式，如图3-17所示。带传动机构一般设有张紧装置，如图3-18所示。张紧装置可增加带轮与传动带间的接触压力和接触长度（包角），也能避免因传动带松弛产生的影响。张紧的方式一般采用施力机构作用在传动带上，通过传动带的环状路径改变实现。三、链传动机构链传动机构由主动链轮、从动链轮及环绕在链轮上的封闭链条组成，如图3-19所示。链传动属于啮合传动，传动扭矩大、速度高，传动稳定可靠，传动比准确。链条的种类较多，按用途可分为起重链、牵引链和传动链三种。前两种分别适合于起重机械和输送用机械使用。用于旋转传动机构中主要适用传动链。传动链按结构分为滚子链和齿形链两种，如图3-20所示。滚子链由滚子链节和销轴链节交替连接而成，结构简单、成本低重量轻，但在传动使用过程中链节伸展、节距变化产生振动和噪声。滚子链主要用于中、轻载荷及非高速运转的普通传动场合。齿形链链节两端有与链轮齿面相配合的齿廓翼板，保证啮合时齿轮与链条啮合面紧密贴合接触，运转时噪声小，传动平稳。齿形链的主要缺点是结构复杂、重量大、成本高。齿形链主要用于高速、高精度的传动系统。链轮齿数一般选择为奇数，以便磨损均匀。从动轮与主动轮齿数之比定义为链传动的转速比。由于链传动存在同时参与啮合齿数问题，链传动的转速比不宜太大，通常取5~6以下。链传动机构两链轮的回转平面必须在同一平面内，两轴线相互平行。与带传动相似，链传动也要考虑张紧问题。链传动的张紧主要有调节中心距和在松边设置张紧装置两种方式。采用第一种方法需在传动结构上设计相应的调节装置，如自行车、摩托车链传动中后轮中心位置的调整机构等。对于链轮位置固定、中心距不可调节的链传动机构，一般多采用结构简单、有效的张紧轮结构。张紧轮应设在链传动松边，置于链条内侧或外侧均可，通过压迫链条松边、改变链条的行走路径实现张紧。如图3-21。张紧轮采用自由转动的链轮或圆柱滚轮，直径等于或略小于链轮直径。四、摩擦轮传动机构摩擦轮传动是采用以一定压力保持相互接触的旋转轮，依靠接触摩擦力实现由主动轮向从动轮传递转动和扭矩