结构设计中常用的典型机构

第二章结构设计中常用的典型机构本章主要介绍机械系统中常用的典型机构。★重点内容：离合器、换向装置、变速装置、操纵机构、制动装置▲难点内容：操纵机构、制动装置各种机械设备，尽管其结构、特点、功用各不相同，但有一共同点，就是都要输出必需的运动和动力。因此，各种设备都是由：如开停装置、换向装置、变速装置、操纵机构等组成。如果把这些装置及机构视为“积木块”，则任何机械设备都可以看成是这些积木块的不同组合及搭配。本章将介绍一些常用典型机构及装置。第一节★离合器一、概述离合器的作用是使同轴线的两轴、或轴与该轴上的空套传动件，如齿轮、皮带轮等，根据工作需要随时接通或分离，以实现设备的启停、变速、换向及过载保护。离合器种类：按其结构、功能的不同啮合式离合器摩擦式离合器超越式离合器安全离合器按其操作方式的不同：操纵式（机械、气动、液压、电磁操纵式）和自动离合器大多数离合器已标准化、系列化，使用时可按需要选择合适的类型、型号和尺寸离合器工作原理二、啮合式离合器工作原理：由两个半离合器组成，利用两个半离合器的齿爪相互啮合传递运动和转矩。按其结构的不同，又可分为牙嵌式和齿轮式图a为牙嵌式离合器结构与齿轮成为一体的半离合器1空套于轴4，其右端面有齿爪，可与半离合器2左端面的齿爪相啮合半离合器2用花键或滑键与轴4相连，利用拨叉可使之向左移动，进入结合状态，从而带动齿轮1与轴4同步旋转；右移脱开齿爪，则齿轮空转。图c、图d为内齿式离合器——一对齿数和模数相等的内啮合齿轮外齿轮1用花键与轴连接，并可向右滑移与内齿轮2的内齿啮合，将空套齿轮与轴连接、传递运动。齿轮1向左滑动时则脱开啮合，断开其运动联系。啮合式离合器优点：结构简单、紧凑，接合后不会产生滑动，可传递较大扭矩且传动比准确缺点：但齿爪不易在运动中啮合，一般只能在停转或相对转速较低时接合，故操作不便。应用：用于要求保持严格运动关系，或速度较低的传动链中。三、摩擦式离合器工作原理：利用相互压紧的两个摩擦元件接触面之间的摩擦力传递运动和扭矩。摩擦元件的结构形式很多，有片式、锥式。其中片式又分为单片式与多片式两种。结构组成：由两组形式不同的摩擦片和一个压紧机构组成齿轮套筒2空套在轴1上，外摩擦片4[见图c]的外径上有三或四个均布凸齿，插在齿轮套筒2上相应的轴向槽中，用其内孔空套在花键轴1上。内摩擦片5的形状如图d所示，为外圆、内花键孔，与花键轴配合，并可沿花键轴轴向滑动，其外径略小于套筒2的内径外摩擦片总是与齿轮2一起转动，而内摩擦片总与轴1一起转动工作原理：当压紧机构带动压紧套向左移动，将内外摩擦片相互压紧时，则轴1的运动靠摩擦片之间的摩擦力，通过外摩擦片传给齿轮2，将运动接通。因靠摩擦片之间的摩擦力传递扭矩，所以离合器传递扭矩的大小取决于压紧块的压紧力、摩擦片间的摩擦系数、摩擦片的作用半径以及摩擦面对数。压紧装置由滑套9、钢球8、压紧套7及螺母套6组成接通运动：操纵滑套9左移时，其左端内锥面将通过钢球使压紧套7左移，并带动螺母套6左移将内外摩擦片压紧。一般多片式摩擦离合器是人力通过操纵机构，移动压紧装置，改变离合器的工作状态的有时为了实现远程操纵或顺序控制而采用液压、气动或电磁力驱动、压紧摩擦片液压摩擦离合器工作原理：内外摩擦片的压紧力由液压缸的活塞2左移提供。当液压油缸右腔接通低压油路时，活塞在弹簧力作用下右移，松开内外摩擦片摩擦式离合器优点：1、靠摩擦力传递运动和扭矩，过载时离合器接合面产生打滑，能避免损坏零件，起到安全保护作用2、且摩擦片的接合及分离动作是逐步完成的，连续且平稳，无冲击，可以在运转中进行缺点：因摩擦片的打滑不能保证准确的传动比，且传递的扭矩不可过大传递大扭矩：要增大摩擦片的工作半径，增加摩擦片数，因而具有较大的结构尺寸摩擦式离合器应用：广泛用于需要频繁启动、制动或速度大小及方向频繁变换的传动中。摩擦式离合器四、超越离合器定义：属于非外力操纵的离合器，应用：在有快慢两个动力源交替传动的轴上，可以实现输出轴快慢运动的自动转换。解释：即当有快慢两种动力源同时输入时，离合器可以不断开慢速运动而自动接通快速运动，使其超越慢速运动；而当快速运动停止后，又自动恢复慢速运动种类：常用的有滚柱式单向超越离合器，带拨爪的单向超越离合器和双向超越离合器等。结构组成：星形体4，带外套m的齿轮2，滚柱3及弹簧销7滚柱式单向超越离合器外套齿轮2空套在轴Ⅱ上，通过齿轮1输入慢速运动；星形体4用键固定在轴Ⅱ上，由快速电机D通过齿轮6输入快速运动。三个滚柱3分别在由星形体4和齿轮套m所形成的三个楔形空间内，靠弹簧力与星形体4和齿轮套m接触。当仅有慢速运动由轴Ⅰ通过齿轮1传至齿轮2（逆时针转动）时，套m与滚柱3之间的摩擦力使滚柱滚向楔缝窄处，将m与星形体楔成一体，带动星形体逆时针转动，并通过轴Ⅱ上的键将运动传给轴Ⅱ。工作原理：工作原理：当慢速运动没有停止，又启动了快速电机时，齿轮6通过齿轮5将逆时针方向快速运动传给Ⅱ轴，使星形体逆时针方向快转，滚柱3则反向滚动，压缩弹簧，齿轮套m与星形体脱开，分别以各自不同转速，互不干涉地同向旋转工作原理：当快速电机停止转动时，弹簧销将滚柱推向楔缝窄处，又将m与星形体4楔紧，慢速运动重新接通。这种离合器只能自动转换逆时针方向的快慢速运动，故称单向超越离合器。带拨爪的单向超越离合器可以自动转换单一方向的慢速运动和双向的快速运动与单向超越离合器的区别：齿轮5空套在轴上，其快速运动不直接传给星形体4，而是经齿轮5左侧的三个伸入星形体楔缝中的拨爪传动带拨爪的单向超越离合器工作原理：齿轮5逆时针转动时，由拨爪直接带动星形体实现逆时针快转，齿轮5顺时针转动时，拨爪n则通过滚柱3推星形体，实现顺时针快转。在这两种情况下都可使滚柱与齿轮套m脱开。双向超越离合器：能实现正反两个方向的快慢速运动的自动转换。其原理同带拨爪的单向超载离合器一样超越离合器——正常工作超越离合器——快速超越五、安全离合器作用：提供过载保护，即当机床过载或出现故障时能自动断开运动而保护零件不受损坏，也是一种非外力操纵式离合器工作原理：半离合器5和6的相对端面为相吻合的螺旋齿面5空套在轴上，6与轴用花键连接正常工作时，在弹簧7的弹力作用下，5、6的齿面紧密啮合，成为一体，同步旋转，传递运动机床过载或出现故障时，半离合器6停转，但整个传动链带动半离合器5仍在转动两螺旋齿面相对滑动，产生轴向分力当轴向分力超过弹簧的压力时，右半离合器压缩弹簧而向右移动，与左半离合器5脱开，运动联系中断，因而不会损坏其他零件当过载消失或故障排除后，两半离合器齿面间的轴向分力减小，右半离器被弹簧重新压紧在左半离合器齿面上，二者一起传动，运动联系恢复牙嵌式安全离合器优缺点：结构简单，过载时齿面打滑发出响声，可作为过载报警信号，但噪声较大，且齿面易磨损。钢球式安全离合器两个半离合器的齿面用弹簧将钢球顶在锥孔里相连接优缺点：动作反应灵敏，作为安全离合器比牙嵌式可靠，过载时噪声也小。但端面锥孔口磨损快，不宜用于传递重载荷。第二节★变速传动机构有级变速机构：采用不同的方式改变主、从动两轴间的传动比进行变速，从而使主动轴的一种转速变为从动轴的几种不同转速无级变速机构：在输入转速不变的情况下，能实现输出轴的转速在一定范围内连续变化，以满足机器或生产系统在运转过程中各种不同工况的要求一、几种常见的有级变速传动机构1、塔轮变速传动机构结构特点：两个塔形皮带轮1、3各包括三个不同直径的皮带轮，皮带轮1、3分别固定在主、从动轴Ⅰ和Ⅱ上。平皮带2绕其上工作原理：皮带2可以在塔轮上移换三个不同位置，从而得到三种不同传动比332211///dddddd、、故当Ⅰ轴以一种转速转动时，Ⅱ轴可以得到三种不同转速塔轮变速传动机构的变速级数取决于不同直径的带轮的数目，一般为2级或3级。优点是结构简单，传动平衡，过载时能打滑，有过载保护作用。缺点是尺寸大，变速时换移皮带不够方便2、滑移齿轮变速传动机构结构特点：主动轴Ⅰ上固定了两个或三个齿轮，相互保持一定间距。双联或三联滑移齿轮块以花键与从动轴Ⅱ相连工作原理：移动滑移齿轮块到不同的啮合位置，可以实现不同齿轮副的啮合而使Ⅱ轴得到2级或3级转速滑移齿轮块结构：整体式结构拼装式结构整体式结构环形槽bk是插齿或剃齿时的退刀槽b是拨叉槽，装拨叉拨齿轮块滑移拼装式结构：一般用键将几个单个齿轮拼装在一起，用弹簧挡圈轴向定位滑移齿轮块上的齿轮数，最好不超过3，否则在滑移时会引起滑移齿轮与固定齿轮的齿顶相碰。滑移齿轮变速传动机构优点：结构紧凑，传动比准确，变速传动方便，传动效率高，应用广泛。缺点是不能在运动中变速。3、离合器变速传动机构结构特点：由离合器和齿轮组成，固定在轴Ⅰ上的齿轮分别与空套在轴Ⅱ上的齿轮始终保持啮合，但不能将轴Ⅰ的运动直接传给Ⅱ21ZZ和21ZZ和工作原理：只有当与轴Ⅱ花键连接的双向离合器M（牙嵌式或摩擦式）左移或右移，与齿轮接合时，才能将运动接通21ZZ和离合器有左、右两个啮合位置，得到两种不同传动比，变速级数为22211//ZZZZ、图b是由两个双向离合器及六个空套齿轮组成离合器M1和M2的啮合位置有四种不同组合，有四种不同的传动比33121ZZuMM11321ZZuMM221133221ZZZZZZuMM22421ZZuMM图c为一种单回曲机构结构特点：从动轴Ⅱ和主动轴Ⅰ同轴线布置工作原理：合上离合器M，将轴Ⅰ的运动直接传给Ⅱ轴11u脱开离合器M，经啮合将运动传给轴Ⅱ2211//ZZZZ、22112ZZZZu这种单回曲机构也称背轮机构。背轮机构有两级传动比离合器变速传动机构优点:变速方便，利用摩擦离合器可以在运动中变速，易于实现自动化。变速时，齿轮不移动，故可采用斜齿轮使传动平衡。在齿轮尺寸较大时，操纵离合器移动比操纵齿轮移动省力。缺点:各对齿轮始终处于啮合状态，易磨损，传动效率低，结构复杂，尺寸大。4、挂轮变速传动机构图a为一对挂轮变速传动机构工作原理：轴Ⅰ、轴Ⅱ上装有一对可以拆卸更换的齿轮A（称挂轮或交换齿轮、配换齿轮）和B，从设备备有的齿轮中挑选不同的齿数的两个挂轮换装在轴Ⅰ和轴Ⅱ上，就得到不同的传动比变速级数取决于备有齿轮中能相互啮合且满足中心距要求的齿轮副的对数。在齿数模数相同时，要求配换的各对挂轮的齿数和应相等图c采用的是两对挂轮结构特点：挂轮a和d分别装在位置固定的轴Ⅰ和轴Ⅱ上，齿轮c和b用平键连在一起，空套在挂轮架上可以调整位置的中间轴5上图c采用的是两对挂轮工作原理：轴Ⅰ的运动由齿轮a和b啮合传入，c和b同步旋转，并通过c和d啮合传给Ⅱ轴。怎样实现变速？挂轮架7可以绕轴Ⅱ摆动，调整一定角度以保证c与d的啮合。调整好后，由穿在弧形槽中的螺钉6固定在机体上a、b中心距改变时：中间轴5用螺钉和垫片固定在挂轮架7的直槽中，可在直槽中上下移动，以保证a和b的啮合挂轮变速传动机构优点：结构简单、紧凑。由于用作主、从动轮的齿轮可以颠倒其位置，所以用较少的齿轮可获得较多的变速级数。缺点：变速麻烦，调整齿轮费时费力应用：主要用于不需要经常变速的场合。如加工齿轮的插齿机。5、摆移齿轮变速传动机构结构特点：轴Ⅰ上固定地安装着若干个模数相同、齿数不等的齿轮，称为塔齿轮。为了将轴Ⅰ的运动传给轴Ⅱ，设置了一个中间齿轮4齿轮4空套在销轴3上，销轴3固定在摆动架1上。摆动架可随齿轮2、4轴向移动且绕轴Ⅱ摆动一定角度，以保证齿轮2能与塔齿轮5上每一个齿轮啮合而得到若干不同传动比。销子6起固定和锁紧作用变速工作原理：变速时先拔出定位销6，转动摆动架1使齿轮4与塔齿轮脱开啮合，然后轴向移动摆动架至所需齿轮的啮合位置，再将定位销插入相应的定位孔中即可。6、拉键变速传动机构结构特点：一组塔齿轮固定在轴Ⅰ上，数目相等的另一级塔齿轮空套在轴Ⅱ上，两组齿轮如终保持啮合。轴Ⅱ内孔装有一拉键机构。工作原理：操纵手柄可驱动齿轮5带动拉杆4左右移动，在弹簧1的作用下，将键压入某一齿轮的键槽中，将该齿轮的运动传给轴Ⅱ在各空套齿轮之间有垫圈3彼此隔开，防止拉键2同时进入相邻两个空套齿轮的键槽中，也