1、 第第2章章 机械工程基础机械工程基础2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成2.2机器的结构机器的结构2.3工程材料工程材料 2.4零件的种类及表面组成零件的种类及表面组成 2.5零件的互换性与公差零件的互换性与公差2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成 所谓系统,是指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体,即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。任何机械产品都是由若干个零、部件及装置组成的一个特定系统。机械系统可能是一台机器,如机床、纺织机、收割机等,系统中包含有能量的转换、运动形式的转换等;也可能是一台设备,如化工容器
2、、反应塔、变压器等,系统中主要包含有能量、物料形态与性质的转变;还可能是一台仪器,如应变仪、流量仪、振动试验台等,主要包含了信息与信号的变换。2.1.1机械系统机械系统2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成机械系统不论在工业、农业、国防以及人们的日常生活中都无所不在。图2-1所示为国产红旗HQ3轿车,它既是一种典型的机械产品,也是一种典型的机械系统。由此我们可以知道机械系统应用的广泛性。图2-1国产红旗HQ3轿车2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成1.机器的功能 任何一种产品的出现总是以社会需要为前提。无需要就无市场,产品也就丧失了存在的价值。所谓需要,即是功能的需要
3、。所谓功能,是某种产品使用中表现出来的具体功用,它首先是以“功能”这个概念体现出来。1947年美国工程师L.D.麦尔斯(Miles)在他的价值工程一书中首先明确地指出:“顾客购买的不是产品本身,而是产品所具有的功能”,这说明了功能是产品的核心和本质。2.1.2机器的功能与性能机器的功能与性能2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成这句话在美国技术界经过了足足30多年才被人们完全理解和接受。尽管如此,在20世纪60年代,欧、美各国先后开展的设计学研究中,仍把功能这一概念明确地作为设计学的一个基本概念,人们开始意识到,设计的最主要工作并不只是选用某种机械或设计某种结构,更重要的是要进行功
4、能原理的构思。功能是系统必须实现的任务,每个系统都有自己的功能,如运输工具的功能是运货或运客,电动机的功能是能量转换等。机器功能的分类如图2-2所示。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成 在图2-2所示的各功能中,基本功能必须保证,且在设计中不能改变,附加功能可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变,而非必要功能可能是设计者主观加上去的,因此可有可无。由于机器的功能总是以成本为代价的,所以设计时应对机器需要哪些必要功能,去掉哪些非必要功能作出明确的决定。下面举例来说明。图2-2机器功能的分类2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成 图2-3所示为一种全自动洗衣机的基本结
5、构图。该设备起动之后,就能自动完成从洗涤到甩干的全部工作,因此其功能可以归纳为以下4条:洗涤功能、漂洗功能、脱水功能和自动程序控制功能。另外,还有所谓附加功能。例如,设计全自动洗衣机时考虑增加对洗涤用水加热的功能,以提高洗涤效果,这样的功能应该称为“附加功能”。一般来讲,附加功能不会影响产品的正常使用,但可以改善该产品的性能。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成图2-3全自动洗衣机的基本结构2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成2.机器的规格与性能产品的规格反映了该产品适合的工作能力与范围。例如,同样是载货的汽车,重型车、中型车、轻型车、微型车之间差别很大。重型车可一
6、次运载10t、20t或更重的货物,而微型车最大载重一般不超过1t。因此,不同规格的汽车从汽车的体积、质量、结构和价格上都不会相同。用户购买机器设备时,必须首先明确该设备的规格和工作能力范围,如果选择的规格超过了使用需要,出现“大马拉小车”的问题,必然会增加购置成本和使用成本;而选择的规格小于使用范围,则有些工作不能在这台设备上完成,这也会给用户带来损失。因此,要了解机器,就不要忽视它们在规格上的差异。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成产品的性能,粗略地说反映了产品的工作能力与工作质量方面的差异,经常用一系列技术指标将其表现出来。因此设备的规格其实也是工作能力的一种,机器工作时可
7、以提供的功率、力、速度、尺寸范围都反映了机器设备的工作能力。力、速度越大,一般机器设备的工作效率也越高。以汽车为例,除载重外,汽车的动力性(最高车速、最大爬坡度等)也是汽车工作能力的表现。工作质量的内容应视不同机械设备的要求而有不同。例如,反映汽车工作质量的有平顺性(乘坐舒适)、操纵稳定性(便于操纵而不感到紧张疲劳)、制动性(制动有效、不易跑偏以保证安全)、经济性(油耗少)等。而对于机床来说,加工零件的尺寸精确度及加工表面粗糙度则是反映机床工作质量的重要指标。任何产品的生产按规定都有一定的质量标准(国际标准、国家标准、企业标准),并有配套的统一检验方法。产品出厂时,必须通过该产品的质量标准。2
8、.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成 机器除了具有上述的功能以外,还应具有可靠性、安全性、经济性、造型、环境保护性等各种功能。各种机器实现其功能的性能要求大体可归纳为:运动要求,如速度、加速度、转速、调速范围、行程、运动轨迹以及运动的精确性等。动力要求,包括传递的功率、转矩、力、压力等。可靠性和寿命要求,包括机械和零部件执行功能的可靠性、零部件的耐磨性和使用寿命等。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成安全性要求,包括强度、刚度、热力学性能、摩擦学特性、振动稳定性、系统工作的安全性及操作人员的安全性等。体积和质量要求,如尺寸、质量、功率质量比等。经济性要求,包括设计和制
9、造的经济性、使用和维修的经济性等。环境保护要求,如噪声、振动、防尘、防毒、“三废”(废气、废水和废渣)的排放。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成产品造型要求,如外观、色彩、装饰、形体及比例、人机环境的协调性和宜人性等。其他要求,不同机械还可有一些特殊要求,如精密机械要求能长期保持其精度并有良好的防振性;经常搬运的机械要求安装、拆卸、运输方便;户外型机械要求良好的防护性、耐蚀性和密封性;食品和药品加工机械要求不污染被加工产品等。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成有人也许认为一台机器设备的功能越多,给人们的使用带来的好处也越多。但由于产品的功能又与技术、经济等因素密
10、切相关,功能越多则产品越复杂、设计越困难,价格费用就越大,产品成本也就越高。而产品功能的减少又可能造成没有市场,因此在确定产品功能时,应保证基本功能,满足使用功能,剔除多余功能,增加新颖及外观功能,而各种功能的最终取舍应按价值工程原理进行技术可行性分析来定夺。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成机器的种类是多种多样的,其结构也不尽相同。但任何一种机器,从功能的角度来看都可以分为以下几个部分,如图2-4所示。2.1.3机器的组成机器的组成图2-4机器的组成2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成1.动力系统动力系统包括动力机及其配套装置,是整个机器工作的动力源。按能量转换
11、性质的不同,动力机可分为一次动力机和二次动力机。一次动力机是把自然界的能源(一次能源)直接转变为机械能的机械,如内燃机、汽轮机、燃气轮机等,其中内燃机广泛用于各种车辆、船舶、农业机械、工程机械等移动作业机械,汽轮机、燃气轮机多用于大功率高速驱动的机械。以一次动力机为动力源的机器比较多,比如汽车、飞机、轮船、潜艇等。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成二次动力机是把二次能源(电能)或由电能产生的液压能、气压能转变为机械能的机械,如电动机、液压马达、气动马达等。它们在各类机械中都有广泛应用,其中尤以电动机应用更为普遍。比如,各种类型的机床、洗衣机、电风扇、水泵、油泵等,都是以二次动力
12、机作为机器的动力源的。由于经济上的原因,动力机输出的运动通常为转动,而且转速较高。选择动力机时,应全面考虑现场的能源条件,按照执行机构的动作要求、工作载荷等实际情况,来选择动力机的类型和型号。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成2.传动系统传动系统是把动力机的动力和运动传递给功能执行系统的中间装置,是连接动力系统和功能执行系统的“桥梁”。每个功能执行系统中执行构件与动力机之间有一个传动联系,有时执行机构与执行构件之间也有传动联系。组成传动联系的一系列传动件称为传动链。所有传动链以及它们之间的相互联系组成传动系统。机械的种类繁多,用途也各种各样,因此各种机械的传动系统千变万化,但它
13、们通常由下列几个部分组成:变速装置、起停和换向装置、制动装置及安全保护装置等。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成传动系统有下列主要功能:1)减速或增速。把动力机的速度降低或增高,以适应执行系统工作的需要。2)变速。当用动力机进行变速不经济、不可能或不能满足要求时,通过传动系统实行变速(有级或无级),以满足执行系统多种速度的要求。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成 3)改变运动规律或形式。把动力机输出的均匀连续旋转运动转变为按某种规律变化的旋转或非旋转、连续或间歇的运动,或改变运动方向,以满足执行系统的运动要求。4)传递动力。把动力机输出的动力传递给执行系统,供给
14、执行系统完成预定任务所需的功率、转矩或力。传动系统在满足执行系统上述要求的同时,应能适应动力机的机械特性。如果动力机的工作性能完全符合执行系统工作的要求,传动系统也可省略,可将动力机与执行系统直接连接。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成执行机构的作用是传递和变换运动与动力,即把传动系统传递过来的运动与动力进行必要的转换,以满足执行部件的要求。执行机构的变换运动,就其变换形式来说,常见的有将转动变换为移动或摆动,或反之。就变换的节拍来看,则可分为将连续运动变换为不同形式的连续运动或间歇运动。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成3.功能执行系统 功能执行系统由执行构件
15、和与其相连的执行机构组成,是直接完成机器本身所具有功能的部分,常出现在机械系统的末端,直接与作业对象接触,如搅拌机的叶轮、洗衣机的波轮、割草机夹固刀片的夹持器、车床的刀架等。通过它们完成机器预定的功能,因此是直接影响机器工作质量的重要部分。例如,为了提高洗衣机洗净衣服的效果,对作为执行构件的波轮,不同的厂家开发了“棒式波轮”“碟形波轮”“凸形波轮”“偏心波轮”等多种形式。机器人的执行机构是抓取机构,为了能可靠抓起不同形状的物体,抓取机构有各种结构形式。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成 功能执行系统是在执行构件和执行机构协调工作下完成任务的。虽然工作任务多种多样,但功能执行系统
16、的功能归纳起来有以下几种:夹持、搬运、输送、分度与转位、检测、施力。根据机械系统工作要求,往往一个功能执行系统需要具备多种功能要求。功能执行系统通常处在机械系统的末端,直接与作业对象接触,其输出也是机械系统的主要输出。因此,功能执行系统工作性能的好坏,直接影响整个系统的性能,除能满足强度、刚度、寿命等要求外,还应充分注意其运动精度和动力学特性等要求。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成4.操作与控制系统 操作与控制系统是使动力系统、传动系统、功能执行系统彼此协调运行,并准确可靠地完成整机功能的装置。它的功能是控制或操作上述各子系统的起动、离合、制动、变速、换向或各部件间运动的先后
17、次序、运动轨迹及行程。此外,还有控制换刀、测量、冷却与润滑的供应与停止工作等一系列动作。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成 传统的控制系统通常由接触器、继电器、按钮开关、行程开关、电磁铁等电器组成。而随着计算机技术、微电子技术的发展,现代机械正朝着自动化、精密化、智能化的方向发展,计算机控制的机电产品从生产机械(如数控机床)到家用电器越来越普遍。因此控制系统在整台机器设备中的作用显得日益重要,在整机成本中的份额也越来越大。例如,图2-3所示为全自动洗衣机中的程序控制器,早期的方案多用“机械定时器”作为该控制器的基本结构,而现在的洗衣机更多采用计算机(微处理器)作为控制的核心。另
18、外,一些机器还具有其他一些系统,如支承系统,润滑、冷却与密封系统等。2.1机械系统及其功能与组成机械系统及其功能与组成根据上述方法,可以对自己家里的或熟悉的小机械、小电器产品进行分析,了解它们的性能和组成。同时我们也应知道机械产品的设计是根据产品功能要求来决定对各子系统的取舍,因此并不是机械系统中的所有子系统都必须存在于任何产品中。例如工程中,有些机械没有传动机构,而是由原动机直接驱动执行机构,水力发电机组、电风扇、鼓风机以及一些用直流电动机驱动的机械,都没有传动机构。随着电动机调速技术的发展,无传动机构的机械有增加的趋势。2.2机器的结构机器的结构1.机器的表达在分析机器的组成时,常常需要用
19、特定的符号、线条等图形语言来表明机器内部的构成及机构运动的传递情况,这样的图形称为机器的表达,简称机器简图或机构简图。在绘制机器简图时,不必严格地按比例确定机器中各组成部分或传动机构的相对位置尺寸,只需将机器各部分的构成情况及运动的传递关系表示清楚即可。2.2.1机器的功能与结构的关系机器的功能与结构的关系2.2机器的结构机器的结构(2)含有一个移动副四杆机构的基本型含有一个移动副四杆机构的基本型为曲柄滑块机构,可演化为转动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构。图2-5b为曲柄滑块机构的机构简图。(3)含有两个移动副四杆机构的基本型含有两个移动副四杆机构的基本型为正弦机构,可演化
20、为正切机构、双转块机构、双滑块机构。图2-5c为正弦机构的机构简图。2.2机器的结构机器的结构图2-5四杆机构的基本型图2-6齿轮机构的基本型2.2机器的结构机器的结构(5)锥齿轮传动机构的基本型锥齿轮传动机构的基本型为外啮合直齿锥齿轮传动机构,可演化为斜齿锥齿轮传动机构和曲齿锥齿轮传动机构。其基本型如图2-6b所示。(6)蜗杆传动机构的基本型蜗杆传动机构的基本型为阿基米德圆柱蜗杆传动机构,可演化为延伸渐开线圆柱蜗杆传动机构、渐开线圆柱蜗杆传动机构。其基本型如图2-6c所示。(7)内啮合行星齿轮传动机构的基本型内啮合行星齿轮传动机构的基本型是指渐开线圆柱齿轮少齿差行星传动机构,可演化为摆线针轮
21、传动机构、谐波传动机构、内平动齿轮传动机构、活齿传动机构。其基本型如图2-6d所示。2.2机器的结构机器的结构(10)直动从动件圆柱凸轮机构的基本型直动从动件圆柱凸轮机构的基本型主要指直动滚子从动件圆柱凸轮机构。其基本型如图2-8a所示。(11)摆动从动件圆柱凸轮机构的基本型摆动从动件圆柱凸轮机构的基本型主要指摆动滚子从动件圆柱凸轮机构。其基本型如图2-8b所示。2.2机器的结构机器的结构图2-7平面凸轮机构的基本型a)直动从动件平面凸轮机构b)摆动从动件平面凸轮机构 图2-8圆柱凸轮机构的基本型a)直动从动件圆柱凸轮机构b)摆动从动件圆柱凸轮机构2.2机器的结构机器的结构(12)带传动机构的
22、基本型带传动机构的基本型是指平带传动机构,可演化为V带传动机构、圆带传动机构、活络V带传动机构、同步齿形带传动机构。其基本型如图2-9a所示。(13)链传动机构的基本型链传动机构的基本型是指套筒滚子链条传动机构,可演化为多排套筒滚子链条传动机构、齿形链条传动机构。其基本型如图2-9b所示。2.2机器的结构机器的结构(14)液压、气压传动机构的基本型液压、气压传动机构的基本型是指缸体不动的液压缸和气动缸,它们可转化为摆动缸。液压传动机构的基本型如图2-10所示。图2-9带、链传动机构的基本型a)带传动b)链传动图2-10液压传动机构的基本型2.2机器的结构机器的结构(15)螺旋传动机构的基本型
23、螺旋传动机构的基本型是指三角形螺旋传动机构,可演化为梯形螺旋传动机构、矩形螺旋传动机构、滚珠丝杠传动机构。其基本型如图2-11所示。(16)电磁传动机构的基本型电磁传动机构的基本型如图2-12所示。电磁传动机构的基本型广泛应用在开关电路中。2.2机器的结构机器的结构图2-11螺旋传动机构的基本型图2-12电磁传动机构的基本型2.2机器的结构机器的结构(17)间歇运动机构的基本型 间歇运动机构的基本型有外棘轮机构、外槽轮机构。图2-13a所示为外棘轮机构的基本型,图2-13b所示为外槽轮机构的基本型。图2-13间歇运动机构的基本型a)外棘轮机构b)外槽轮机构2.2机器的结构机器的结构3.机构的组
24、合单一的机构经常不能满足不同的工作需要。把一些基本机构通过适当的方式连接起来,从而组成一个机构系统,称之为机构的组合。在机构的组合系统中,各基本机构都保持原来的结构和运动特性,都有自己的独立性。在机械运动系统中,机构的组合系统应用很多。图2-14所示为机构组合的应用实例。2.2机器的结构机器的结构如图2-14所示,铰链四杆机构ABCD与曲柄滑块机构DEF串联在一起,前者的输出构件CD杆与后者的输入构件DE杆连接在一起,二者均保持自己的特性。不同机构串联的机械运动系统应用非常广泛。由于机构组合系统中的各机构均保持其原来的特性,机构的分析和设计方法仍然适合机构组合系统中的各个机构。图2-14机构的
25、组合系统2.2机器的结构机器的结构机械的主要特征就是要有运动的变换和传递,没有运动的装置不是机械。可见机械的本质离不开机械运动。尽管机械中的传动机构、工作执行机构的种类很多,但其运动形式却是有限的。因此,了解基本的运动形式及其实现方法将为机械创新设计提供良好的基础,有助于增强以知识为核心的潜创造力。2.2.2机械运动形态与变换机械运动形态与变换2.2机器的结构机器的结构 机械是通过机械运动来实现某种动作从而达到预定目的的。而组成机械运动的运动形态只有定轴转动(含摆动和间歇转动)、往复移动及平面运动三种。实现这三种基本运动形态的机构种类有很多,它们起到变换运动形式、变换运动速度、传递运动、合成及
26、分解运动的作用。这里的机构指广义机构,它们能实现各种不同的运动形态。因机械中的原动机大多是电动机或内燃机,它们的输出均是定轴转动,故以定轴转动为基本运动形式的变换最为常用。2.2机器的结构机器的结构 1.连续转动到连续转动的运动变换与实现机构 转动到转动的运动变换是机械中最常见的运动形式,用于运动、动力的传递和速度的变换。能实现这种运动形式变换的机构有齿轮机构、摩擦轮传动机构、瞬心线机构、连杆机构、带传动机构、链传动机构、绳索传动机构、液力传动机构、钢丝软轴传动机构等。(1)齿轮传动机构由于机械中作为原动机的电动机或内燃机转速较高,而工作机构的速度一般较低,为协调原动机和执行机构之间的运动关系
27、,齿轮传动机构成为机械中应用最广泛的传动机构,用于运动、速度的变换并传递动力。它常用于各种减速器、汽车变速箱和各种机床中。2.2机器的结构机器的结构齿轮传动是两齿轮轮齿之间直接接触的啮合传动。它可以传递平行轴和交叉轴之间的运动和动力。齿轮传动与其他传动形式(如带传动、链传动)相比,具有如下优点:能保证瞬时传动比恒定不变,传动效率高,允许的载荷大,结构紧凑,工作可靠且使用寿命长。齿轮传动的主要缺点是:对齿轮的制造和安装精度要求较高,因此成本高;当两轴之间距离较大时,不宜采用齿轮传动。齿轮传动机构的类型很多,如圆柱齿轮传动机构、锥齿轮传动机构等,其形式如图2-15和图2-16a、b、c所示。2.2
28、机器的结构机器的结构图2-15典型的齿轮传动机构示意图2.2机器的结构机器的结构图2-16齿轮传动机构和蜗杆传动机构a)外啮合圆柱齿轮机构b)内啮合圆柱齿轮机构c)锥齿轮机构d)蜗杆传动机构2.2机器的结构机器的结构(2)蜗杆传动机构蜗杆传动机构主要由蜗杆和蜗轮组成。蜗杆传动机构是用来传递两空间相错90轴之间的运动和动力的,在传动过程中,通常蜗杆是主动的,蜗轮是被动的。就工作原理来讲,蜗杆传动是通过蜗杆和蜗轮轮齿的直接接触进行的啮合传动。其优点是可以获得较大的降速比,且结构紧凑、传动平稳、噪声小,但是它的传动效率低,在工作时需要良好的滑润。其基本型如图2-16d所示。2.2机器的结构机器的结构
29、(3)带传动机构带传动机构如图2-17所示。带传动分为平带传动、圆带传动、V带传动、同步带传动等多种形式。其中平带传动和圆带传动可交叉安装,实现反向传动,如图2-17c所示。图2-17b中传动带下方的小轮为张紧轮。带传动的优点:结构简单,成本低廉;由于传动带具有良好的弹性,所以能缓和冲击,减轻振动;由于是摩擦传动,过载时传动带在带轮上打滑,因而又可以防止机器损坏。带传动适用于主动轴和从动轴间中心距较大的传动。但带传动不能保证准确的传动比,并且摩擦损失大,传动效率较低,外廓尺寸也较大。2.2机器的结构机器的结构(4)链传动机构如图2-18所示,链传动机构由主动链轮、从动链轮和链条组成,在传动过程
30、中通过链条的链节与链轮上的轮齿相啮合来传递两平行轴间的运动和动力,因此链传动是一种依靠中间挠性件(链条)的啮合运动。由于链传动是啮合传动,所以它可以保证传动过程中的平均传动比不变。但链传动的瞬时传动比是变化的,因此在链传动中存在冲击、振动和噪声。2.2机器的结构机器的结构图2-17带传动机构简图a)普通带传动机构b)含有张紧轮的带传动c)交叉安装的带传动1主动轮2从动轮3传动带图2-18链传动2.2机器的结构机器的结构(5)绳索传动机构除具有带传动的功能外,绳索传动机构还具有独特的作用:由于一轮缠绕,另一轮退绕,所以两轮中间可有多个中间轮。但不能传递较大的载荷。图2-19所示为绳索传动示意图。
31、(6)液力传动液力传动利用液体的动能把主动轮的转动传递到从动轮。在以内燃机为原动机的车辆中常使用液力传动装置。在图2-20a所示的液力耦合器中,壳体3内充满油液,主动轮1的转动带动油液随之转动,从而驱动从动轮2转动。2.2机器的结构机器的结构图2-19绳索传动示意图图2-20液力耦合器与钢丝软轴传动机构示意图a)液力耦合器b)钢丝软轴传动机构1主动轮2从动轮3壳体4动力源5、6接头7被驱动装置8软轴2.2机器的结构机器的结构(7)钢丝软轴传动机构钢丝软轴的内部由钢丝分多层缠绕而成。由于用软轴相连接,主、从动件的位置具有随意性。图2-20b所示为钢丝软轴传动机构。(8)瞬心线机构瞬心线机构种类很
32、多,这里仅列举两种瞬心线机构。图2-21a所示为椭圆形瞬心线机构。图2-21b所示为四叶卵形瞬心线机构。瞬心线机构可以实现连续的、周期性的变速转动输出。2.2机器的结构机器的结构(9)连杆机构能实现转动到转动运动变换的连杆机构有双曲柄机构、平行四边形机构、转动导杆机构及双转块机构等。图2-22a所示为双曲柄机构,其传动比为变量。图2-22b所示为平行四边形机构,可实现等速输出。图2-22c所示为转动导杆机构,图2-22d所示为双转块机构。双曲柄机构、转动导杆机构都有运动急回特征,在要求有周期性快、慢动作的机械中有广泛应用。2.2机器的结构机器的结构图2-21瞬心线机构a)椭圆形瞬心线机构b)四
33、叶卵形瞬心线机构图2-22实现连续转动的连杆机构a)双曲柄机构b)平行四边形机构c)转动导杆机构d)双转块机构2.2机器的结构机器的结构(10)万向联轴器万向联轴器实际上是一种空间连杆机构,可分为单万向联轴器和双万向联轴器。单万向联轴器提供变速转动,双万向联轴器提供等速转动。万向联轴器广泛应用在不同轴线的传动机构中。图2-23a所示为单万向联轴器,图2-23b所示为双万向联轴器。2.2机器的结构机器的结构图2-23万向联轴器示意图a)单万向联轴器b)双万向联轴器2.2机器的结构机器的结构 2.连续转动到间歇运动的变换与实现机构在生产中,某些机构常需要时动时停的间歇运动。如刨床中的进给运动,自动
34、机床中的进给送料、刀架转位、成品输送等运动都是间歇性的。因此,就需将电动机输出的连续转动转换成间歇运动。完成这种运动的机构很多,常见的转换机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构等。下面介绍两种主要的间歇运动机构。2.2机器的结构机器的结构(1)槽轮机构如图2-24所示的槽轮机构,又称马氏机构,在自动机械中应用广泛。槽轮机构由装有圆柱拨销的拨盘1和具有径向槽的槽轮2以及机架组成。拨盘是主动件,做匀速转动。槽轮是从动件,时而转动时而静止,做间歇运动。当拨盘上的圆柱拨销进入槽轮2的开口槽中时,拨盘1上的定位圆盘外凸圆弧面与槽轮的内凹圆弧面开始脱离接触,拨盘通过圆柱销驱使槽轮转动。当拨
35、盘和槽轮各自转过一定的角度后,圆柱销与槽轮的开口槽分开,而拨盘继续转动。这时槽轮的内凹圆弧面被拨盘上的定位外凸圆弧面卡住,故槽轮静止不动。当拨盘再继续回转一定的角度,圆柱销即进入槽轮的另一个开口槽中,再次驱使槽轮转动。这样周而复始,槽轮便获得单向的间歇传动。2.2机器的结构机器的结构(2)棘轮机构棘轮机构主要由棘轮、棘爪和机架所组成,如图2-25所示。棘轮2固连在传动轴4上,其轮齿分布在轮的外缘(也可分布在内缘或端面),原动件摇杆1空套在传动轴4上。当摇杆1逆时针方向摆动时,与它相连的驱动棘爪3便借助弹簧或自重的作用插入棘轮的齿槽内,使棘轮随着转过一定的角度。当摇杆1顺时针方向摆动时,驱动棘爪
36、3便在棘轮齿背上滑过。这时,簧片6迫使制动棘爪5插入棘轮的齿槽,阻止棘轮顺时针方向转动,故棘轮静止不动。当原动件连续地往复摆动时,棘轮做单向的间歇运动。棘轮机构的优点是:结构简单、制造方便、运动可靠、转角可调;缺点是:工作时有较大的冲击和噪声,运动精度较差,适用于速度较低和载荷不大的场合。2.2机器的结构机器的结构图2-24槽轮机构1拨盘2槽轮图2-25棘轮机构1摇杆2棘轮3驱动棘爪4传动轴5制动棘爪6簧片图2-26起重设备中的棘轮制动器1棘轮2棘爪3机架4卷筒2.2机器的结构机器的结构棘轮机构应用广泛。例如图2-26所示起重设备中的棘轮制动器,在提升重物时,与棘轮连接在一起的卷筒逆时针转动,
37、绕在卷筒上的钢丝绳把重物W向上提起。此时固定在机架3上的棘爪2在棘轮1的齿背上滑过。当需要该重物停在某一位置时,在重力W作用下,棘轮顺时针方向转动,此时棘爪将及时插入棘轮的相应齿槽中,实现了制动并防止重物下落。2.2机器的结构机器的结构 3.连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构机器的工作机构部分是往复摆动的例子也是比较多的。实现连续转动到往复摆动的运动变换机构主要有曲柄摇杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构等。图2-27为其简图,对其进行结构设计后,可得到多种执行机构。图2-28所示的颚式破碎机是一个曲柄摇杆机构,运动由电动机(图中未画出)传给带轮5,带动与带轮固联在一起的
38、偏心轴2绕回转中心A旋转,偏心轴2带动动颚3运动。2.2机器的结构机器的结构图2-27转动到摆动变换的机构示意图a)曲柄摇杆机构b)曲柄摇块机构c)摆动导杆机构d)摆动从动件凸轮机构e)摆动从动件圆柱凸轮机构2.2机器的结构机器的结构颚式破碎机是一个由机架1、主动件偏心轴2、从动件动颚3和肘板4组成的曲柄摇杆机构,当曲柄2为主动件时,曲柄2转一周,可使摇杆3往复摇动1次,即将原动机输出的连续转动变成了工作机的往复摆动。颚式破碎机简图如图2-29所示。2.2机器的结构机器的结构图2-28颚式破碎机1机架2偏心轴3动颚4肘板 5带轮图2-29颚式破碎机简图1机架2曲柄3摇杆4摆杆2.2机器的结构机
39、器的结构 4.连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构有很多机器都是以电动机作动力源的,而电动机输出的运动形式是连续的转动,当执行机构要求作直线运动时,这就需要将转动变成直线运动。如图2-30所示,实现连续转动到往复直线移动的运动变换机构有曲柄滑块机构、凸轮机构、带或链传动机构、正弦机构、齿轮齿条传动机构、螺旋传动机构以及一些机构的组合等。2.2机器的结构机器的结构图2-30连续转动到往复移动的运动变换机构a)、b)曲柄滑块机构c)凸轮机构d)带或链传动机构e)正弦机构f)齿轮齿条传动机构g)螺旋传动机构h)组合机构2.2机器的结构机器的结构(1)螺旋传动机构如图2-30g所示螺旋传动机构由
40、螺杆(也称丝杆或螺旋)和螺母组成,螺杆置于螺母中。当转动螺杆时,螺杆上的螺旋沿着螺母的螺旋槽运动,从而将旋转运动变换为直线移动,同时传递运动及动力。螺旋传动按其用途可分为三类:1)传力螺旋。传力螺旋以传递动力为主,通常的紧固螺钉、螺母属于这一种。它要求用较小的转矩转动螺旋(或螺母),从而使螺母(或螺旋)产生轴向运动和较大的轴向力,这个轴向力可以把两个物体牢固地连接在一起,也可以用来做各种施力的工作,如图2-31所示的千斤顶和压力机都是传力螺旋。2.2机器的结构机器的结构2)传导螺旋。传导螺旋以传递运动为主,要求具有较高的运动精度,如机床刀架或工作台的进给机构。3)调整螺旋。调整螺旋用以调整移动
41、构件和固定零部件间的相对位置,如车床尾座螺旋、螺旋测微器(图2-32)等。2.2机器的结构机器的结构图2-31传力螺旋a)千斤顶b)压力机1转矩2抗力3位移方向图2-32螺旋测微器2.2机器的结构机器的结构(2)齿轮齿条传动机构齿轮齿条传动机构由齿轮与齿条组成,当齿轮为主动件时,它可以将旋转运动变为直线运动,如台式钻床钻头的轴向进给机构。(3)凸轮机构凸轮机构由凸轮、从动件和支持整个机构的机架三个主要部分组成。一般凸轮作匀速回转运动,通过它特定的形状轮廓与从动件相接触,使从动件实现某种预定规律的运动。图2-33所示为自动上料凸轮机构。当具有凹槽的凸轮1转动时,通过槽中滚子3使从动件2往复运动,
42、凸轮转一圈,从动件推送一个工件4到工作位置。2.2机器的结构机器的结构(4)曲柄滑块机构曲柄滑块机构由曲柄、连杆、滑块以及机架组成。当曲柄为主动件作匀速转动时,可通过连杆,使滑块做往复的直线运动。由于曲柄滑块机构结构简单、制造方便、滑块行程准确,因此,它在生产中得到广泛的应用。如图2-34所示的搓丝机曲柄滑块机构就是这种机构应用的实例之一。2.2机器的结构机器的结构图2-33自动上料凸轮机构1凸轮2从动件3滚子4工件图2-34搓丝机曲柄滑块机构1曲柄2连杆3滑块(活动搓丝板)4固定搓丝板2.2机器的结构机器的结构5.直线移动转换为直线移动的运动变换与实现机构直线移动转换为直线移动的机构大多采用
43、液压机构,用在送料、夹紧等装置中。各类液压阀芯、电磁阀芯机构也采用了直线移动到直线移动的运动变换,斜面机构、具有两个移动副的连杆机构、移动凸轮机构、直线电动机等有时也可以应用于此。最常用的直线运动变换机构如图2-35所示。2.2机器的结构机器的结构图2-35直线移动转换为直线移动的变换机构a)液压缸b)连杆机构c)斜面机构d)移动凸轮机构2.2机器的结构机器的结构6.直线移动转换为定轴转动或往复摆动的运动变换与实现机构直线移动转换为定轴转动的最典型机构就是内燃机中的曲柄滑块机构。以齿条为主动件的齿轮齿条机构也能实现这种运动变换。直线移动转换为往复摆动的机构主要用在开关机构或微调机构中,如图2-
44、36所示。能实现各种运动变换的机构种类很多,本节只介绍了一些常见的机构,一些新机构往往是在一些基本机构的基础上进行了演化与变异,进而完成机械创新的目标。2.2机器的结构机器的结构图2-36直线到摆线的运动变换机构a)摆臂移动凸轮机构b)直线螺旋到摆动的转换机构2.2机器的结构机器的结构2.2.3机、电、液机构组合的运动与控制机、电、液机构组合的运动与控制 随着科学技术的飞速发展,机械的构成也发生了很大的变化。现代机械已不再是纯机械系统,集机、电、液一体化的产品越来越多,机、光、电、液、传感器与微机控制的智能化机械显示出强大的生命力。因此,简要了解有关机、电、液机构组合的运动形态对设计更加先进的
45、产品有很大的帮助。1.机、液机构组合的运动形态机、液机构组合主要是液压缸系统与连杆机构系统的组合,可满足执行机构的位置、行程、摆角、速度及复杂运动规律等多方面的工作要求,在机械、冶金、矿山、建筑、轻工、交通运输、国防等领域得到广泛的应用。(1)机、液机构组合的基本型机、液机构组合中,液压缸2.2机器的结构机器的结构一般是主动件,并驱动各种连杆机构完成预定的动作。其基本型有图2-37a所示的单出杆固定缸、图2-37b所示的双出杆固定缸以及图2-37c所示的摆动缸三种。单出杆固定缸提供绝对移动,常用在夹紧、定位与送料装置中,双出杆固定缸常用在机床工作台的往复移动装置中,摆动缸在工程机械、交通运输机
46、械等许多领域中都有广泛的应用。图2-37机、液机构组合的基本型a)单出杆固定缸b)双出杆固定缸c)摆动缸2.2机器的结构机器的结构(2)机、液机构组合的常见运动形式由于液压传动可以容易地实现顺序动作、换向动作、速度调节、压力调节与压力保持等多种复杂的工作,而且容易实现自动控制,所以机、液一体化的机械正在迅速发展。1)固定液压缸式机构。单出杆固定缸可直接应用于夹紧、送料、进给等工作,实现移动到移动的运动变换,也可和连杆机构组合,实现移动到摆动的运动变换。单出杆固定缸和连杆机构组合的应用实例很多。一般情况下,单出杆固定缸驱动连杆机构中的移动构件。图2-38a所示为驱动机器人升降工作示意图,图2-3
47、8b所示为驱动机械手夹持机构示意图。图2-39所示的液压挖掘机有三个液压缸共同完成铲斗的挖掘动作,控制三个液压缸的不同位置,可完成不同的挖掘任务。2.2机器的结构机器的结构2)摆动液压缸式机构。摆动液压缸式机构与连杆机构的组合中,活塞相对于缸体的移动转换为从动构件的摆动和缸体本身的摆动。控制活塞的相对移动速度和液压缸中的压力,可达到控制机械运动和动力的目的。在图2-40a中,机器人的摆动缸驱动手臂绕A点做旋转运动,控制手臂的俯仰。图2-40b所示飞机起落架中,摆动缸驱动连杆机构ABCD图2-38固定液压缸式机构应用实例a)驱动机器人升降工作示意图b)驱动机械手夹持机构示意图2.2机器的结构机器
48、的结构中的AB杆,从而实现起落架的收起和放下。有些机械中,可设置多个摆动缸驱动多个摆臂,完成复杂的运动。(3)机、液机构的控制系统机、液机构中,通常是液压元件为动力元件和控制元件,其控制方法有手动、机动和微机控制。图2-39三缸液压挖掘机示意图2.2机器的结构机器的结构1)手动控制。手动控制主要指利用换向阀和流量阀的手工操作,实现机械位置与速度的控制。2)机动控制。机械的往复运动使用机动控制换向阀更为方便,而用手工控制流量阀来达到调速的目的,可提高工作效率。3)微机控制。液压阀芯的动作可由电磁力通电与断电的方式来控制,这给实施微机控制提供了很大的方便。不同阀的顺序动作可用延时软件或硬件来实现。
49、图2-40摆动液压缸式机构示意图a)机器人手臂b)飞机起落架2.2机器的结构机器的结构2.电磁机构 电磁机构可用于开关机构、电磁振动机构等电动机械中,如电动按摩器、电动理发器、电动剃须刀中,都广泛应用了电磁机构。其工作原理是利用电磁效应产生的磁力来完成机械运动。在图2-41a所示的电动锤机构中,利用两个线圈1、2的交变磁化,使锤头3产生往复直线运动。图2-41b所示机构为电磁开关,电磁铁4通电后,吸合杆5接通电路开关6;断电后,吸合杆5在返位弹簧7作用下,脱离电磁铁,电路断开。反电磁机构利用机械运动的切割磁力线作用产生电信号,对电信号进行处理后可判断机械振动位移大小和频率。反电磁机构多用于磁电
50、式位移或速度传感器中。电磁机构的运动形态变换为电磁机械运动。2.2机器的结构机器的结构2.2.4机械运动与控制机械运动与控制 机械的运动形态由机械的组成形式和机械的控制方式所决定。如鼓风机之类的机械仅需单向转动,并有调速要求。车床主轴的转动不但有调速要求,还有正、反转的要求,其转向的改变是靠改变电动机的转向来实现的。而牛头刨床、压力机等的换向不是靠电动机,而是靠机械组成的特性来实现的。还有的机械运动位置是通过限位开关和图2-41电磁机构a)电动锤机构b)电磁开关1、2线圈3锤头4电磁铁5吸合杆6电路开关7返位弹簧2.2机器的结构机器的结构各类传感器来控制电动机转向而实现的。液压传动则通过换向阀
