第五章 常用机构（课件）《机械常识》（中国劳动保障出版社）

中国劳动社会保障出版社 机械常识 （第二版） 第五章 常用机构 无论在生活中，还是在生产中，各种各样的机构都在为人们的生活和工作服务。 本章主要内容如下： 1．铰链四杆机构的组成、类型、演化和应用。 2．凸轮机构的组成和工作原理，凸轮的类型，凸轮机构的工作过程，凸轮机构的特点和应用。 3．齿式棘轮机构的组成、工作原理、类型、特点和应用。 第五章 常用机构 本章主要内容如下： 4．槽轮机构的组成、工作原理、常见类型及运动特性，槽轮机构的特点。 5．常用有级变速机构和无级变速机构的工作原理和应用。 6．常用换向机构的工作原理。 第五章 常用机构 §5-1　平面连杆机构 §5-2　凸轮机构 §5-3　间歇运动机构 §5-4　变速机构 §5-5　换向机构 第五章 常用机构 平面连杆机构 §5-1 平面连杆机构是指由一些刚性构件用转动副或移动副相互连接而成，在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。 平面连杆机构构件的形状多种多样，不一定为杆状，但从运动原理来看，均可用等效的杆状构件替代。 一、铰链四杆机构的组成 最常用的平面连杆机构是具有四个构件（包括机架）的机构，称为平面四杆机构。构件间以四个转动副相连的平面四杆机构称为平面铰链四杆机构，简称铰链四杆机构。 二、铰链四杆机构的类型 铰链四杆机构按两连架杆的运动形式不同，分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本类型。 1．曲柄摇杆机构 铰链四杆机构的两个连架杆中，其中一个是曲柄，另一个是摇杆的机构称为曲柄摇杆机构。 汽车雨刮即采用曲柄摇杆机构。当电动机带动主动曲柄AB旋转时，从动摇杆CD做往复摆动，利用摇杆的延长部分实现刮水动作。 2．双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。 两曲柄长度不相等的双曲柄机构称为不等长双曲柄机构。 （1）不等长双曲柄机构 惯性筛通过双曲柄机构使筛子左右摆动，使粗、细物料分离。 （2）平行双曲柄机构 连杆与机架的长度相等且两曲柄长度相等、曲柄转向相同的双曲柄机构称为平行双曲柄机构。平行双曲柄机构的四个构件在任何位置均形成平行四边形，两曲柄的旋转方向与角速度恒相等。 图示托盘天平利用平行双曲柄机构中两曲柄的转向和旋转角度均相同的特性。 3．双摇杆机构 两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。 飞机起落架机构 三、铰链四杆机构的演化 在实际生产中，除了以上介绍的铰链四杆机构类型外，还广泛采用一些其他形式的四杆机构。它们一般是通过改变铰链四杆机构某些构件的形状、相对长度或选择不同构件作为机架等方式演化而来的。 1．曲柄滑块机构 具有一个曲柄和一个滑块的平面四杆机构称为曲柄滑块机构。曲柄滑块机构由曲柄、滑块、连杆和机架组成。曲柄做旋转运动，滑块做往复直线运动。 在做功行程中，活塞3承受燃气压力在气缸内做直线运动，通过连杆带动曲轴旋转，并由曲轴对外输出动力。 冲压机的曲轴（曲柄）1做旋转运动，再通过曲柄滑块机构转换成冲压头（滑块）3的上下往复直线运动。 2．导杆机构 导杆机构可以看作是在曲柄滑块机构中选取不同构件作为机架演化而成。 在导杆机构中，若BC>BA，则曲柄3和导杆1均能做整周旋转运动，这种机构称为转动导杆机构。 若BC<BA，当曲柄3做整周转动时，导杆1只能做往复摆动，这种机构称为摆动导杆机构。 刨刀的左右切削运动由摆动导杆机构实现，主动件2（曲柄）做等速旋转，从动件4（导杆）做往复摆动，通过滑块5带动滑枕6做往复直线运动。 牛头刨床主运动机构 3．曲柄摇块机构 若将曲柄滑块机构的连杆作为机架，滑块只能摆动，就得到了曲柄摇块机构。 吊车升降机构 液压缸的缸体相当于摇块，活塞杆相当于导杆，当液压油推动活塞向上移动时，使起重臂AB绕B点顺时针摆动，吊钩上升，吊起重物。 在曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构中，当曲柄较短时，可用一个旋转中心与几何中心不重合的偏心轮代替曲柄。 偏心轮机构 知识链接 凸轮机构 §5-2 在机器或机械装置中，许多场合需要构件做一些特殊的运动，凸轮机构可以使从动件准确地实现某种有规律的特殊运动。 一、凸轮机构的组成、工作原理及特点 凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮机构通过高副接触使从动件得到预期的运动规律。 1．凸轮机构的组成和工作原理 2、凸轮机构的特点 （1）优点 1）凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求。 2）凸轮机构结构简单紧凑，工作可靠。 （2）缺点 凸轮与从动件（杆或滚子）之间以点或线接触，不宜传递较大动力，不便于润滑，容易磨损。 二、凸轮机构的类型及从动件端部形状 1．凸轮机构的类型 盘形凸轮为径向尺寸变化的盘形构件，它绕固定轴做旋转运动。从动件在垂直于旋转轴的平面内做往复直线运动或往返摆动。 （1）盘形凸轮机构 移动凸轮为一个有曲面的直线运动构件，在凸轮往返移动作用下，从动件可做往复直线运动或往返摆动。 （2）移动凸轮机构 圆柱凸轮为一个有沟槽的圆柱体，它绕中心轴做旋转运动。从动件在平行于凸轮轴线的平面内做直线移动或摆动。 （3）圆柱凸轮机构 端面圆柱凸轮是一端带有曲面的圆柱体，它绕中心轴做旋转运动。从动件在平行于凸轮轴线的平面内移动或摆动。 （4）端面圆柱凸轮机构 2.从动件的端部形状 凸轮与尖端从动件之间为点接触或线接触，能准确地实现任意运动规律。 （1）尖端从动件 滚子从动件与凸轮接触的一端装有滚子，凸轮与从动件为滚子接触，有利于润滑。滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，磨损较小。 （2）滚子从动件 平底从动件与凸轮的曲线轮廓相切形成楔形缝隙，易于形成楔形油膜，润滑较好。 （3）平底从动件 曲面从动件可避免因安装位置偏斜或不对中而造成的表面应力过大和磨损增大，兼有尖端从动件和平底从动件的优点。 （4）曲面从动件 三、凸轮机构工作过程 凸轮机构中最常用的运动形式为凸轮做等速旋转运动，从动件做往复移动。 对心外轮廓盘形凸轮机构的工作过程 1．升 　　当凸轮逆时针转过δ0 时，从动件由最低位置被推到最高位置，从动件运动的这一过程称为推程。 　　δ0称为推程运动角，从动件上升或下降的最大位移h称为行程。 2．停 　　凸轮转过δs时，从动件处于最高位置静止不动，这一过程称为远停程，δs称为远停程角。 3．降 　　凸轮转过δs时，从动件处于最高位置静止不动，这一过程称为远停程， δs称为远停程角 4．停 　　凸轮继续转过时，从动件由最高位置回到最低位置，这一过程称为回程，称为回程运动角。 四、凸轮机构的应用 凸轮机构一般多用于要求运动规律复杂但传递动力不大的场合，如自动机械、仪表、控制机构和调节机构等。 自动车床进给机构 凸轮机构依靠凸轮轮廓直接与从动件接触，从而迫使从动件做有规律的往复直线运动或往复摆动。 凸轮轮廓与从动件之间必须始终保持良好的接触，如借助重力、弹簧力等方法来实现。如果发生脱离现象，凸轮机构将不能正常工作。 靠模车削机构 凸轮机构是一种高副机构，其主要失效形式是凸轮与从动件接触表面的疲劳点蚀和磨损，前者是由变化的接触应力引起的，后者是由摩擦引起的。因此，凸轮副材料应具有足够的接触强度和良好的耐磨性，特别是其接触表面应具有较高的硬度。 凸轮与滚子的常用材料及热处理 知识链接 凸轮与滚子的常用材料及热处理 构件 材料 热处理 使用场合 凸轮 40、45、50 调质 速度较低、载荷不大的场合 HT200、HT250、HT300 退火 T600-3、QT700-2 退火 45、40Cr 表面淬火 速度中等、载荷中等的场合 15、 渗碳后淬火 8CrMoAl 渗氮 速度较高、载荷较大的场合 滚子 45、40Cr 表面淬火 与铸铁凸轮相配 T8、T10、GCr15 淬火 与铸铁或钢制凸轮相配 20Cr、20CrMnTi 渗碳后淬火 与钢制凸轮相配 间歇运动机构 §5-3 在某些机器中，常常需要从动件做周期性的运动或停歇，这种输出构件往复运动且具有周期性停歇的机构称为间歇运动机构（又称为间歇机构）。 常用的间歇运动机构有棘轮机构和槽轮机构。 一、棘轮机构 棘轮机构是由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。 1．齿式棘轮机构的组成和工作原理 当主动件做连续往复摆动时，棘轮做单向间歇运动。 2．齿式棘轮机构的类型 齿式棘轮机构是通过装于定轴摆动摇杆上的棘爪推动棘轮做一定角度间歇转动的机构。齿式棘轮机构有外啮合式和内啮合式两种。 （1）外啮合齿式棘轮机构 有一个驱动棘爪，只有当摇杆朝着某一方向摆动时才能推动棘轮转动，而反向摆动则无法推动棘轮转动。 1）单动式棘轮机构 2）双动式棘轮机构 有两个驱动棘爪，当主动件做往复摆动时，两个棘爪交替带动棘轮朝着同一方向做间歇运动。 棘爪可绕销轴翻转，棘爪爪端外形两边对称，棘轮的齿形制成矩形。使用时，如果将棘爪翻转，则棘轮反向转动。 3）可变向棘轮机构 （2）内啮合齿式棘轮机构 棘轮的轮齿加工在轮子的内壁上，棘爪安装在内部的主动轮上。 当主动轮逆时针转动时，棘爪推动棘轮转动。 当主动轮顺时针转动时，棘爪在棘轮上滑过，不能推动棘轮转动。 3. 齿式棘轮机构的特点 （1）齿式棘轮机构结构简单、容易制造、运动可靠，常用作防止转动件反转的附加保险机构。 （2）棘轮的转角和动停时间比可调，常用于机构工况经常改变的场合。 （3）由于棘轮是在驱动棘爪的突然撞击下启动的，在接触瞬间，理论上是刚性冲击，平衡性较差。此外，棘爪在棘轮齿背上滑行时会产生噪声并使齿尖磨损。故棘轮机构只能用于主动件速度不大、从动件行程需要改变的步进运动场合，如机床的自动进给、送料、自动计数、制动、超越等。 4．齿式棘轮机构的应用实例 （1）牛头刨床工作台间歇移动机构 主动轮7做匀速转动，通过曲柄摇杆机构带动棘爪支架6往复摆动，然后通过棘轮机构带动螺杆5做间歇转动，再通过螺旋传动机构使工作台做间歇进给运动。 若要改变横向进给量，可旋转螺杆8调整曲柄长度；若要改变横向进给的方向，可将手柄1提起，旋转180°后再放下。 （2）自行车飞轮机构 当链条带动小链轮逆时针转动时，小链轮内侧的棘齿通过千斤（棘爪）带动芯子逆时针转动，驱动自行车前行。 当自行车下坡或脚不蹬踏板时，小链轮不动，但芯子由于惯性的作用仍按原方向转动，此时千斤（棘爪）在小链轮（棘轮）齿背上滑过，自行车继续前行。 1．槽轮机构的组成和工作原理 二、槽轮机构 由槽轮、拨盘、装有圆销的曲柄和机架组成的步进运动机构称为槽轮机构。 （1）当装有圆销的曲柄2上的圆销未进入从动槽轮3的径向槽时，从动槽轮3上的内凹锁止弧被主动拨盘1上的外凸锁止弧卡住，从动槽轮3不动。 （2）当圆销要进入从动槽轮3上的径向槽时，主动拨盘1上的外凸锁止弧正好与从动槽轮3上的内凹锁止弧脱离接合，从动槽轮3受圆销的驱使而转动。 （3）当圆销在另一边离开径向槽时，内凹锁止弧又被卡住，从动槽轮3又静止不动。直至圆销再次进入从动槽轮3的另一个径向槽时，又重复上述运动。 2．槽轮机构的常见类型及运动特性 （1）单圆销外接槽轮机构 主动拨盘1每旋转一周，圆销拨动从动槽轮3运动一次，且从动槽轮与主动拨盘的转向相反。 （2）双圆销外接槽轮机构 主动拨盘1每旋转一周，从动槽轮3运动两次，减少了静止不动的时间。从动槽轮与主动拨盘的转向相反。 （3）内接槽轮机构 主动拨盘1旋转一周，从动槽轮3间歇地转过一个槽口，从动槽轮与主动拨盘的转向相同。 3．槽轮机构的应用特点 槽轮机构结构简单，转位方便，工作可靠，能准确控制槽轮转角。 但其转角的大小受到槽数限制，不能调节。在槽轮转动的始末位置处，机构存在冲击现象，且随着转速的增加而加剧，故不适用于高速场合。 变速机构 §5-4 输入轴转速不变的条件下，使输出轴获得不同转速的传动装置称为变速机构。 汽车、机床、起重机等都需要变速机构。 变速机构分为有级变速机构和无级变速机构。 一、有级变速机构 有级变速机构是指在输入轴转速不变的条件下，使输出轴获得一定的转速级数的变速机构。 有级变速机构的特点 优点：可以实现在一定转速范围内的分级变速。变速可靠、传动比准确、结构紧凑。 缺点：高速旋转时不够平稳，变速时有噪声。 塔齿轮变速机构的特点是能用较少数目的齿轮获得较多的变速级数，结构简单紧凑。 1．塔齿轮变速机构 2．滑移齿轮变速机构 改变滑移齿轮的啮合位置就可改变轮系的传动比，具有变速可靠、传动比准确等优点；但其零件种类和数量较多，变速有噪声。 3．挂轮变速机构 挂轮变速机构通过更改不同齿数的挂轮来获得不同的传动比。 变速级数取决于备用齿轮中能相互啮合且满足中心距要求的齿轮副的对数。 在模数相同时，要求配换的各对挂轮齿数和相等。 CA6140 型卧式车床交换齿轮箱的挂轮变速机构 双联挂轮1固定在输入轴2上，双联挂轮6固定在输出轴5上，惰轮3空套在惰轮轴4上。 输入轴2的运动由双联挂轮1传给惰轮3，然后通过双联挂轮6经输出轴5输出。 CA6140 型卧式车床交换齿轮箱的挂轮变速机构 挂轮架8空套在输出轴5上。惰轮轴4固定在挂轮架8的直槽中。 通过调整惰轮轴在直槽中的位置可使惰轮3与双联挂轮6正确啮合。 通过调整挂轮架8摆动的位置可使惰轮3与双联齿轮1正确啮合。 挂轮变速机构的优点： 结构简单、紧凑。由于用作主动齿轮、从动齿轮的齿轮可以颠倒位置，所以用较少的齿轮可获得较多的变速级数。 挂轮变速机构的缺点： 变速麻烦，调整齿轮费时费力。该机构主要用于不需要经常变速的机械。 二、无级变速机构 有些机械为了适应工作条件的变化，需要连续地改变其工作速度，这就需要无级变速机构。 机械式无级变速具有结构简单、传动性能好、实用性强、维护方便和效率高等优点，所以应用广泛。 机械式无级变速机构的常用类型有滚子平盘式无级变速机构和宽V带式无级变速机构等。 1．滚子平盘式无级变速机构 主、从动轮靠接触处产生的摩擦力传动，传动比i＝R2/R1。 R2可在一定范围内任意改变，从动轴2可以获得无级变速。 该机构结构简单、制造方便，但存在较大的相对滑动，磨损严重。 2．宽V带式无级变速机构 通过轴向同步移动锥轮1a和2b，可改变工作半径R1和R2的大小，从而实现无级变速。 宽V带式无级变速机构的优点是结构简单，容易进行无级变速，工作平稳，能吸收振动，过载保护能力强。 缺点是传动带易磨损，外形尺寸较大，变速范围相对较小。 换向机构 §5-5 换向机构是在输入轴转向不变的条件下，可使输出轴转向改变的机构。 常见的类型有三星轮换向机构和采用离合器的换向机构等。 一、惰轮换向机构 惰轮2工作，惰轮6不工作时，从动齿轮3与主动齿轮1的旋转方向相同。 惰轮2、惰轮6同时工作，此时从动齿轮3与主动齿轮1的旋转方向相反，实现换向。 二、采用离合器的换向机构 　　2．接通左边的离合器，齿轮1与轴I一起转动，动力通过齿轮1和齿轮6传递给轴Ⅲ，并使轴Ⅲ与轴I转向相反。 　　1．当离合器分离时，轴I上的动力无法传递给轴Ⅲ。 　　3．当接通右边的离合器时，齿轮3与轴I一起转动，动力通过齿轮3、惰轮4和齿轮5传递给轴Ⅲ，并使轴Ⅲ与轴I转向相同。 著作权声明 本教学课件的著作权受国家著作权法保护，任何人不得复制盗用本教学课件所包含的全部或部分电子文件或图片。否则，著作权人有权向复制盗用者追究法律责任并依法索取赔偿。 感谢您的使用 $$