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1、机械原理教案第八章其他常用机构内容提要本章主要介绍棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构、螺旋机构和万向联轴节机构等常用机构，重点描述了这些机构的工作原理、类型、特点、应用实例及设计要点。在许多机器中，除了采用前面介绍的平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构外，还经常采用其他类型的机构，如间歇运动机构、螺旋机构、万向联轴节机构等。其中间歇运动机构的功能是当主动件作连续运动时，从动件产生周期性的运动和停歇。常见的间歇运动机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构等。8.1棘轮机构8.1.1棘轮机构的工作原理、应用和特点如图8-1所示为-棘轮机构（ratchetmechanism）,主动件
2、1是一个可以连续往复摆动的摇杆。当摇杆1逆时针摆动时，驱动棘爪2卡在棘轮的齿槽中（图中A处），拔动棘轮逆时针转过一个角度，此时止动棘爪4在棘轮的齿背上滑过：当摇杆1顺时针摆动时，驱动棘爪2在棘轮的齿背上滑过，而止动棘爪则卡在棘轮的齿槽中（图中8处），阻止棘轮顺时针转动，故此时棘轮静止不动。弹簧5的作用是保证止动棘爪4和棘轮3始终接触。由此可见，当摇杆1作连续摆动时，棘轮3则作单向间歇运动。图8-1棘轮机构工作原理棘轮机构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、牛头刨床的进给机构等。如图8-2所示为牛头刨床的进给机构，当齿轮I转动后，经连杆2带动摇杆3作往复
3、摆动，摇杆3上的棘爪推动棘轮4作间歇转动，与之固连的丝杠5也作同样的间歇转动，从而实现牛头刨床工作台的间歇进给运动.棘轮机构也广泛应用于卷扬机、提升机及牵引设备中，用它作为防止机械逆转的止动器。如图8-3所示的起重止动器，机构工作时，驱动力使轴2逆时针转动，通过键3带动棘轮1及卷筒逆时针转动，而提起重物，此时棘爪4在棘轮的齿背上滑动。当撤掉驱动力后，卷筒与棘轮在重物的作用F有顺时针转动的趋势，此时棘爪4卡在棘轮的齿槽中，防止机构逆转。棘轮机构结构简单，制造方便，运动可靠，且棘轮轴每次转过的角度的大小可以在较大的范围内调节。但棘轮机构不能传递大的动力，而且传动平稳性较差，工作时有较大的冲击和噪声
4、，不适于高速传动。8.1.2棘轮机构的类型在基本的棘轮机构的基础上作些改变，即可得到不同的棘轮机构。按其工作原理可分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。1.齿式棘轮机构齿式棘轮机构的特点是棘轮上分布着若干刚性的棘齿，由棘爪推动棘齿使棘轮作间歇运动,其类型有以下几种分类方式。1）按轮齿分布方式不同分类棘轮机构可分为外棘轮机构（如图8-4a所示）、内棘轮机构（如图8-4b所示）和棘爪棘条机构（如图8-4c所示）。棘爪棘条机构可将棘爪的连续摆动变为棘条的间歇移动。2）按工作方式分类按照工作方式棘轮机构可分为单动式棘轮机构（如图8-4所示）和双动式棘轮机构（如图8-5所示）。单动式棘轮机构的特点是当
5、主动摆杆向一个方向摆动时，棘轮沿同一方向转过某一角度，而当主动摆杆反向摆动时，棘轮静止不动，即主动摆杆往复摆动一次，只能使棘轮沿一个方向间歇转动一次。图8-4单动式棘轮机构双动式棘轮机构的棘爪即可以制成钩头的，又可以制成平头的。图8-5a所示为钩头棘爪棘轮机构。工作时，摆杆I往复摆动，棘爪2和3交替钩动棘轮4的棘齿，带动棘轮4顺时针间歇转动两次。当1个棘爪驱动棘轮转动时（如图的棘爪2）,另-个棘爪在棘轮的齿背上滑过（如图中的棘爪3）。图8-5b所示为平头棘爪棘轮机构，与钩头棘爪棘轮机构不同的是摆杆I往复摆动时靠棘爪2和3推动棘轮4逆时针间歇转动两次。图8-5双动式棘轮机构3）按棘轮转向是否可调
6、分类按照棘轮转向是否可调棘轮机构可分为单向运动棘轮机构（如图8-4、8-5所示）和可变向运动棘轮机构（如图8-6所示）。单向运动棘轮机构只能实现棘轮沿一个方向的单向转动，而可变向运动棘轮机构可通过改变驱动棘爪的位置，实现棘轮分别沿两个方向单向转动，其棘轮必须采用对称齿形，常用的有梯形齿和矩形齿。图8-5a所示的可变向运动棘轮机构中，棘爪具有对称的爪端，可绕其转动中心4翻转至虚线位置，从而实现棘轮不同转向的间歇运动。图8-5b所示为另一种可变向运动棘轮机构，其棘爪具有单侧的工作面。在图示位置时，棘爪推动棘轮齿槽的左侧，使棘轮作逆时针方向的间歇转动；若将棘爪提起绕其自身轴线转180。后放下，棘爪则
7、推动棘轮齿槽的右侧，使棘轮作顺时针方向的间歇转动；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匕使棘轮与棘爪脱开，当棘爪往复摆动时，棘轮静止不动。图8-6可变向运动棘轮机构2.摩擦式棘轮机构齿式棘轮机构中棘轮转角可在较大范围内调节，但是只能进行有级调整，其大小为一个棘齿所对中心角的整数倍。如果需要无级调整棘轮的转角，则可采用摩擦式棘轮机构（如图8-7所示）,其传动过程与齿式棘轮机构相似，用楔块代替齿式棘轮机构的棘爪，用没有棘齿的摩擦轮代替棘轮。图X-7摩擦式棘轮机构8.1.3棘轮机构的设计要点棘轮机构的设计主要应考虑：棘轮齿形的选择、模数齿数的确定、齿面倾斜角的确定、行程和动停比的
8、调节方法。现以齿式棘轮机构为例，说明其设计方法。1.棘轮齿形的选择如图8-8所示为棘轮常用齿形。图8-8a所示的不对称梯形棘轮齿形主要用于承受载荷较大的单向式棘轮：当棘轮机构承受的载荷较小时，可采用图8-8b所示的不对称三角形齿形或图8-8c所示的圆弧形齿形：图8-8d所示的对称梯形齿形和图8-8e所示的对称矩形齿形用于双向式棘轮机构。2.棘轮模数川、齿数Z的确定与齿轮相同，棘轮轮齿的有关尺寸也用模数，作为计算的基本参数，但棘轮的标准模数要按棘轮的顶圆直径d,来计算，即Ja-mz(8-1)为了方便设计和制造，应使齿顶圆直径弘为整数，模数m应标准化。常用的模数加(单位为mm)值有1、1.25,1
9、.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10等。棘轮齿数z般由棘轮机构的使用条件和运动要求选定。对于一般进给和分度所用的棘轮机构，可根据所要求的棘轮最小转角l来确定棘轮的齿数，即z2万/”11,，一般取z=830,图8-8棘轮齿形3.棘轮齿面偏斜角的确定如图8-9所示为棘爪与棘轮齿尖A点接触时棘爪受力分析图。为了使在传递相同转矩时棘爪受力最小，棘爪转动中心02与棘轮齿尖A的连线02A（设长度为L）应垂直于过棘轮齿尖A的向径QA。棘轮的轮齿工作面与齿尖向径间的夹角为齿面偏斜角，其作用是使棘爪受力时能自动滑向棘轮齿根面，保证棘轮机构可靠工作。棘爪进入棘轮齿槽时，棘轮对棘爪的作用力有正压力P和摩擦力尸
10、。为了使棘爪能顺利进入棘轮齿槽, 尸对其产生的力矩，即图8-9棘爪受力分析JPLsin FLcosa tan /应使正压力P对棘爪转动中心5产生的力矩大于摩擦力I由于F=（/为摩擦系数），则若取摩擦角9=arctan/,即(8-2)a从以上分析可知，棘爪能顺利滑入棘轮的齿根面并自动啮紧的条件为：棘轮齿面偏斜角应大于棘爪与棘轮齿面间的摩擦角0。8.2槽轮机构8.2.1槽轮机构的工作原理、特点和应用1.槽轮机构的工作原理如图8-10所示为一典型的槽轮机构（genevamechanism）,主要由带有圆柱销的主动拨盘1、带有径向槽的从动槽轮2及机架组成。工作时，主动拨盘1匀速转动，其上的圆柱销嵌入从
11、动槽轮2的径向槽内，随后槽轮2与拨盘1的锁止弧逐渐脱离，圆柱销带动槽轮沿相反的方向转动。当拨盘上的圆柱销离开槽轮的径向槽时，两锁止弧相互配合，确保槽轮不再转动，保持静止状态。如此循环，拨盘作匀速转动时，槽轮作时转时停的单向间歇运动。内凹t止弧主动盘从动槽轮图8-10槽轮机构槽轮机构的类型很多，按其结构形式可分为外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机构、槽条机构和球面槽轮机构等。图8-lla所示为双圆柱销外啮合槽轮机构，拨盘转一周，槽轮作两次间歇运动；图8-1Ib所示为内啮合槽轮机构；图8-1Ic所示为齿条槽轮机构，齿条槽轮类似齿条，拨盘转动1周，下边的槽条间歇移动一次:图8-1Id所示为球面槽轮机构，拨
12、盘转动一周，球面槽轮间歇转过，个角度。图X-Il常见槽轮机构2.槽轮机构的工作特点及应用槽轮机构的优点是结构简单、制造容易、外形尺寸小，工作可靠，机械效率高，在进入和脱离接触时运动比较平稳，能准确控制转动的角度。不足之处是槽轮的转角不可调节，所以只适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。如图8/2所示为某一六角车床的刀架转位机构。刀架3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。如图8-13所示为某一电影放映机构中的槽轮机
13、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8-12六角车床刀架的转位机构图8-13放映机的卷片机构如图8-14所示为某一蜂窝煤制作机，该机器的模盘转位机构采用了单销四槽槽轮机构，可 满足模盘完成制煤四道工序的停歇和转位的运动要求。图- 14蜂窝煤制作机8.2.2槽轮机构的运动特性1.槽轮机构的基本参数I）槽轮的槽数如图8-15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2仍时，拨盘1的转角2例为2）运动系数和圆柱销数(8-3)槽轮每次运动
14、的时间%对主动件回转一周的时间之比称为运动系数，以7表示。当构件1等速回转时，T可用构件1的转角之比来表示，即3土2;T因此(8-4)2-22_z22;T2z因为运动系数r必须大于零，所以由式（8-4）可知，槽轮的槽数应等于或大于3.对于图8-15所示的单圆销外槽轮机构，槽轮的运动系数r总小于1/2,即槽轮的运动时间总小于静止时间。如需得到rl2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MZ-2）T=12z=1表示槽轮作连续转动，故T应小于1,即有由（8-5）式可知：当z=3时，%可取15：当z=4或5时，&可取13:
15、当z26,则人可取12。由于2=3时，工作过程中槽轮的角速度变化大，而zg时，槽轮的尺寸将变得较大，转动时的惯性力矩也较大，但对T的变化却不大，因此槽数Z常取为48。2.槽轮机构的运动特性如图8-16所示为外槽轮机构在转动过程中的某一瞬时位置，其拨盘1和槽轮2的转角分别为伊和仍。由图可得SineIzotan仍=!（8-6）Acos0|令4=6,并代入式（8-6）得aAsinl仍=arctan（8-7）1Ncosx将式（8-7）对时间f求导，便得槽轮的角速度牝为(8-8)d1N(COSS之)d/I24cos0+尤一当拨盘角速度例为常数时，槽轮的角加速度为a2,有(8-9)d2(2-1)sinidt(1-2丸8S|+万尸陶图8-15单圆销外槽轮机构图8-16外槽轮机构的任一工作位置由式（8-8）和式（8-9）可知，当拨盘的角速度码一定时，槽轮的角速度和角加速度的变化取决于槽轮的槽数z。图8-19所示为不同槽数的外槽轮角速度和角加速度的变化曲线。由图可看出，槽轮角速度和角加速度的最大值随槽数Z的增大而减小。此外，当圆销开始进入和
