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2020-10-20
双万向联轴器能连接轴交角较大的相交轴或径向偏距较大的平行轴,干式恒温器且在 运转时轴交角或偏距可以不断改变,径向尺寸小,故在机械中得到广泛的应用。 图 "#!$ 是双万向联轴器在汽车驱动系统中的应用,其中内燃机和变速箱 % 安装 在车架上,而后桥 & 用弹簧和车架连接。在汽车行使时,由于道路的不平,使弹 簧不断发生变形,致使后桥与变速箱之间的相对位置不断发生变化。在变速箱 和后桥传动装置的输入轴之间,常采用双万向联轴器 ! 连接,以实现等角速传 动。 图 "#!$ 双万向联轴器在汽车驱动系统中的应用 !"# 机构的组合方式与组合机构 随着科学技术的日益进步和工业生产的迅猛发展,对生产过程的机械化和 自动化程度的要求越来越高,许多过去用手工完成的复杂工作,迫切需要用机械 来实现。单一的基本机构往往由于其本身所固有的局限性而无法满足多方面的 要求。为满足生产发展所提出的许多新的更高的要求,人们尝试将各种基本机 构进行适当的组合,发挥各基本机构的特长,同时又避免各基本机构的局限性, 形成一种新的机构系统,以满足生产中所提出的多种要求和提高生产的自动化 程度。 机构组合而成的机构系统有两种不同的情况,一种是将两种或几种基本机 构通过封闭约束组合而成,形成与原基本机构不同结构特点和运动性能的复合 式机构,一般称其为组合机构;另一种则是在机构组合中所含的子机构仍能保持 原有结构和各自相对独立的机构系统,一般称其为机构的组合。两者的区别在 于:机构组合中所含的子机构,在组合中仍能保持原有的结构,各自相对独立;而 组合机构所含的子机构不能保持相对独立,而是“有机”地连接成一个独特的机 构。 !"# 机构的组合方式与组合机构 !’% !"#"$ 机构的组合方式 机构的组合方式有多种,比较典型的机构组合方式有如下几种。 !" 串联式组合 在机构组合系统中,若前一级子机构的输出构件即为后一级子机构的输入 构件时,则这种组合方式称为串联式组合。图 !"#$% 所示的机构就是这种组合 方式的一个例子。图中,构件 &、#、’、$ 组成曲柄骨块机构(子机构!),构件 ’、(、 $ 组成凸轮机构(子机构"),构件 ’ 是曲柄滑块机构的从动件,同时又是凸轮机 构的主动件。这种组合方式可用图 !"#$) 所示的运动传递框图来表示。 这种组合方式应用广泛,且设计也较为简单。 图 !"#$ 机构的串联式组合 #" 并联式组合 在机构组合系统中,若几个子机构共用同一个输入构件,而它们的输出又同 时输入给一个多自由度的子机构,从而形成一个自由度为 & 的机构系统,则这种 组合方式称为并联式组合方式。图 !"#*% 所示的火柴装盒机中钩盒机构就是这 种组合方式的一个实例。图中,凸轮 (、(+为同一组构件,当其转动时,同时使两 个摆动凸轮机构(子机构!、")的摆杆 &、# 摆动,而这两个摆杆的运动又同时输 入到两自由度五杆机构(子机构#)中,从而使输出构件 ’ 上的 ! 点按钩火柴盒 时所需的运动轨迹运动。图 !"#*) 所示为这种组合方式的运动传递框图。 $" 反馈式组合方式 在机构组合系统中,若其多自由度子机构的一个输入运动是通过单自由度 子机构从该多自由度子机构的输出构件回授的,则这种组合方式称为反馈式组 合。图 !"#,% 所示的滚齿机上所用校正机构就是这种组合方式的一个实例,在 此机构中,蜗杆 & 为原动件,蜗轮 # 为从动件(组成子机构!)。如果由于制造误 差等原因,使蜗轮 # 的运动输出精度达不到要求时,则可根据输出的误差,设计 出与蜗轮 # 固装在同一轴上的凸轮 #+的轮廓曲线。当此凸轮 #+与蜗轮 # 一起转 动时,将推动推杆 ’
移动(组成子机构"),而推杆上齿条 ’ 又推动齿轮 ( 转动, 齿轮 ( 的转动则又通过差动机构 - 使蜗杆 & 得到一附加转动,从而使蜗轮 # 的 输出运动得到校正,从而可以大幅度提高滚齿机的加工精度。图 !"#,) 是这种 #$# 第!章 其他常用机构和组合机构 图 !"#$ 机构的并联式组合 图 !"#% 机构的反馈式组合 机构组合方式的运动传递框图。 !" 复合式组合 在机构组合系统中,若由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个 或多个自由度的基本机构,则这种组合方式称为复合式组合。在这种组合方式 中,各基本机构有机连接,互相依存,它与串联组合方式和并联组合方式既有共 同之处,又有不同之处。图 !"#!& 所示就是这种组合方式的一个例子。图中,构 件 ’、#、(、) 组成自由度为 ’ 的曲柄摇杆机构(子机构!),转臂 *(即构件 ’)、#+、, 组成自由度为 # 的差动轮系(子机构")。当曲柄 ’ 为主动件时,子机构"中的 齿轮 ,的运动是齿轮 #(+ 即连杆 #)与转臂 * 的运动的合成;当摇杆 ( 为主动件 时,也同样可获得由齿轮 #+与转臂 * 的运动合成的齿轮 , 的运动。与串联式组 合相比,其相同之处在于子机构!和子机构"的组成关系也是串联关系,不同的 是,子机构"的输入运动并不完全是子机构!的输出运动;与并联式组合相比, 其相同之处在于齿轮 , 的输出运动也是两个输入运动的合成,不同的是,这两个 !"# 机构的组合方式与组合机构 #,( 运动一个来自子机构!,另一个来自主动件。这种组合方式的运动传递框图按 原动件的不同分别如图 !"#!$ 和图 !"#!% 所示。 图 !"#! 机构的复合式组合 !"#"$ 组合机构 在机构的组合方式中,串联式机构所形成的机构系统,其分析和综合的方法 均较为简单:按运动传递框图由左向右进行,即先分析运动已知的基本机构,再 依次分析与其串联的下一个基本机构。而设计的次序刚好相反,按框图由右向 左进行,即先根据工作对输出构件的运动要求设计最后一个基本机构,然后再依 次设计前一个基本机构。各种具体的基本机构的设计与分析方法可详见前面的 各个章节,本章不再介绍。 而组合机构则形成了与原基本机构不同结构特点和运动性能的复合式机 构,因此,本章将对此作一简略的介绍。 具体地说,组合机构指的是用一种机构去约束和影响另一个多自由度机构 所形成的封闭式机构系统,或者是由几种基本机构有机联系、互相协调和配合所 组成的机构系统。在组合机构中,自由度大于 & 的差动机构称为组合机构的基 础机构,而自由度等于 & 的基本机构称为组合机构的附加机构。 组合机构可以是同一类型的基本机构的组合,比如图 !"#’( 所示的联动凸 轮机构;也可以是不同类型的基本机构的组合,如图 !"#!( 所示的齿轮连杆机 构。通常,由不同类型的基本机构所组成的组合机构用得最多,因为它更有利于 充分发挥各基本机构的特长和克服各基本机构固有的局限性。 !"! 常用组合机构的类型及功能 组合机构的类型多种多样,本节介绍几种常用组合的特点及其功能。 #*) 第!章 其他常用机构和组合机构 !"!"# 联动凸轮组合机构 在许多自动机和自动机床中,为了实现预定的运动轨迹,常采用由两个凸轮 组成的所谓联动凸轮组合机构。 图 !"#$ 所示
即为联动凸轮组合机构实现预定运动轨迹的两个实例。图 !"#$% 所示为刻字、成形机构的运动简图,该组合机构中自由度为 # 的四杆四移 动副机构(由构件 #、&、’ 和机架组成)作为基础机构,两个自由度为 ( 的凸轮机 构(槽凸轮 ( 和推杆 #、槽凸轮 ()和推杆 &)作为附加构件。利用槽凸轮轮廓曲线 的变化,协调推杆 # 和 & 分别在 ! 和 " 方向运动,从而使十字滑块 ’ 上的 # 点实 现预定的轨迹。而图 !"#$* 所示为圆珠笔装配线上的笔芯自动送进机构。该机 构中,两个自由度为 ( 的凸轮机构(分别由盘形凸轮 ( 和托架 &、端面凸轮 # 和推 杆 + 与机架组成)作为基本机构有机联系、互相协调,其工作关系为:主动轴上的 盘形凸轮 ( 控制托架 & 上下运动,将圆珠笔芯 , 抬起或放下;而端面凸轮 # 及推 杆 + 则控制托架 & 左右往复运动。这两种运动互相配合,使托架 & 沿轨迹 $ 运 动,从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。 图 !"#$ 联动式凸轮机构 !"!"$ 凸轮 % 连杆组合机构 应用凸轮 - 连杆组合机构可以实现多种预定的运动规律和运动轨迹。图 !"#+% 所示即为这种组合机构。在此机构中,利用两个附加机构!、"中的凸轮 ’ 及 ’)的轮廓曲线的变化,协调具有两个自由度的基础机构#的输入构件的运 动关系,从而控制 # 点在 ! 及 " 方向的运动,使其准确地实现预定的轨迹 " . "( !)。 图 !"&/ 则为凸轮 - 连杆组合机构实现预定运动规律的又一个应用实例。 图 !"&/ 所示为平板印刷机上的吸纸机构。该组合机构中自由度为 # 的五杆机 !"! 常用组合机构的类型及功能 #,, 构(构件 !、"、#、$ 及机架组成)作为基础机构,而两个自由度为 % 的摆动凸轮机 构则形成两个附加机构。两个盘形凸轮固结在同一个转轴上,当凸轮 % 转动时, 推动从动件 !、" 分别按!! ( !)和!" ( !)的运动规律运动,并将这两个运动输入到 基础机构———五杆机构的两个连架杆,从而使固结在连杆 $ 上的吸纸盘 & 走出 一个工作要求所需的矩形轨迹,以完成吸纸和送进的动作。 图 ’(") 实现预定运动规律的 凸轮 * 连杆组合机构 图 ’("% 所示的机构则是能够实现复杂运 动轨律的凸轮 * 连杆组合机构。图 ’("%+、, 中,均由构件 %、!、"、# 和机架组成自由度为 ! 的基础机构,其附加机构均为槽凸轮机构。只 要适当地设计凸轮的轮廓曲线,就能使从动滑 块 "(图 +)或 #(图 ,)按预定的复杂运动规律 运动。图 ’("% 所示的机构实际上相当于构件 长度可变的四杆机构;图 + 相当于曲柄长度可 变的曲柄滑块机构,而图 , 则相当于连杆长度 可变的曲柄滑块机构。 由此可知,将凸轮机构和连杆机构适当地 进行组合而形成的凸轮 * 连杆机构,克服了单 一机构各自的局限性,既克服了单一的连杆机 构难以实现精确的运动规律和单一的凸轮机 构不能使从动件作整周回转的缺点,并进而充分地发挥出两种基本机构的特长, 既实现了从动件的整周回转运动,又准确地实现了复杂的运动规律。正因为如 此,凸轮 * 连杆机构在工程实际中得到了日益广泛的应用。
图 ’("% 实现复杂运动规律的凸轮 * 连杆组合机构 !"!"# 凸轮 $ 齿轮组合机构 凸轮 * 齿轮组合机构多是由自由度为 ! 的差动轮系和自由度为 % 的凸轮机 构组合而成。其中,差动轮系为基础机构,凸轮机构为附加机构,即用凸轮机构 !$- 第!章 其他常用机构和组合机构 将差动轮系的两个自由度约束掉一个,从而形成自由度为 ! 的机构系统。凸 轮 " 齿轮机构可使从动件实现多种预定的运动规律,例如使从动件具有任意停 歇时间或使其产生多种复杂运动规律的间歇运动,以及机构传动校正装置中所 要求的一些特殊规律的补偿运动等等。 图 #$%&’ 所示的滚齿机上所用校正机构就是凸轮 " 齿轮组合机构进行运动 补偿的实例。只不过其基础机构不是差动轮系,而是具有两个自由度的蜗杆蜗 轮传动。 而图 #$(% 所示的凸轮 " 齿轮机构则能够实现具有任意停歇时间的间歇运 动。图中,齿轮 !、扇形齿轮 % 和转臂 ) 组成的差动轮系形成一个自由度为 % 的 基础轮系,而由固定凸轮 * 和从动摆杆(与扇形齿轮 % 做成一体)组成的凸轮机 构则成为该组合机构的附加机构。当以转臂 ) 为主动件等速回转时,其将带动 行星轮(即扇形齿轮 %)的轴线作周转运动;又由于行星轮 % 同时还是凸轮机构的 从动摆杆,因此,通过槽凸轮 * 的沟槽对滚子 ( 的约束作用,将迫使行星轮 % 相 对于转臂 ) 产生转动。这样,中心轮 ! 输出的运动将是转臂 ) 的运动和行星轮 相对于转臂的转动的合成运动。 由于 !) !% + !! "!) !% "!) + " "% "! 故 !! + " "% "! (!% "!) ),!) 图 #$(% 实现具有任意停歇时间的 间歇运动的凸轮 " 齿轮组合机构 图 #$(( 实现复杂运动规律的 凸轮 " 齿轮组合机构 图 #$(( 则为能实现复杂运动规律的凸轮 " 齿轮组合机构。该机构中,输入 轴 ! 匀速转动,经两对斜齿轮 % " (、- " & 驱动输出轴 #。中间轴上的齿轮 ( 及 - 与凸轮 * 连接,可作轴向运动。凸轮沟槽中的滚子 . 固定于机架上。工作时,各 齿轮除传递匀速转动外,中间轴齿轮 ( 和 - 还有来自凸轮的轴向运动,而斜齿轮 !"! 常用组合机构的类型及功能 %.& 副中两齿轮的相对轴向运动将产生派生的相对转动,并最终汇总到 ! 轴的输出 运动中。
因此,该凸轮 " 齿轮机构能够将输入轴的匀速运动变换为输出轴的非 匀速运动,获得复杂的运动规律。 !"!"# 齿轮 $ 连杆组合机构 齿轮 " 连杆组合机构是由定传动比的齿轮机构和变传动比的连杆机构组合 而成。由于齿轮和连杆机构便于加工、精度易保证、运动可靠且运动特性具有多 样性,因此,近年来,齿轮 " 连杆组合机构在工程实际中的应用日益广泛。齿 轮 " 连杆组合机构可用来实现多种复杂的运动规律和多种复杂的运动轨迹。 图 !#$!% 就是一种能实现复杂运动规律的齿轮 " 连杆组合机构。这类组合 机构通常都是以自由度为 $ 的差动轮系作为基础机构,而以自由度为 & 的连杆 机构作为附加机构组合而成。在图 !#$!% 中,由轮系的传动比计算公式可以得 到 !’ (!& ) !* ’$+ ( !$ "!& ) 因此,输出构件齿轮 ’ 的运动是输入构件 *(即构件 &)的运动和行星轮 $+的 运动的合成运动,改变四杆机构各杆的尺寸或改变两轮的齿数即可获得不同的 运动规律。 图 !#,- 所示则是齿轮 " 连杆组合机构实现复杂运动规律的另外两个实例。 图 !#,-% 中,齿轮 $ 与 $+固接为一个构件,因而形成铰链四杆机构 "#$% 的连杆 #$,摇杆 ’ 和 - 则分别绕 " 轴和% 轴摆动,其中齿轮 $ 的轮心与摇杆 ’ 铰接于 $ 点,齿轮 $+ 的轮心与摇杆 - 铰接于 # 点。另外,齿轮 $、$+ 还分别与活套在轴 " 和 轴 % 上的齿轮 & 和 , 啮合。该组合机构中,自由度为 $ 差动轮系(由齿轮 ,、$ 与 杆 ’ 组成)形成基础机构,其附加机构为四杆机构 "#$%。当各轮的齿数均相等, 且 "# ( $% ( $#$ ( $&( & 为各齿轮的节圆半径)时,构件 &、,、-、’ 和构件 $(即 $+ )的角速度之间的关系为 !, ( $!’ "!$ 或!, ( $(!’ "!- ))!& 因此,从动轮的 , 的运动是由行星轮 $ 和转臂 ’ 的运动合成(或是由摇杆 -、 ’ 及主动轮 & 的运动合成)。而通过改变连杆机构上各构件的长度,可获得从动 轮 , 的多种运动规律。 图 !#,-. 的机构系统则是由相互啮合的三个齿轮 &、$、’ 以及连接齿轮 &、$ 中心的杆件