《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 》課件-第11章

項(xiàng)目十一機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)一機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)速與平衡任務(wù)二機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例

知識(shí)目標(biāo)

(1)掌握機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)。

(2)掌握機(jī)械的平衡。

(3)掌握機(jī)構(gòu)的選型、變異與組合。

(4)掌握組合機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用。

(5)掌握機(jī)器的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。

(6)掌握機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)。

能力目標(biāo)

(1)能對(duì)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2)能對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

任務(wù)一機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)速與平衡

任務(wù)導(dǎo)入如圖11-1所示,說明電測式動(dòng)平衡機(jī)的工作原理。圖11-1電測式動(dòng)平衡機(jī)的工作原理圖

任務(wù)實(shí)施

機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度的波動(dòng)將在運(yùn)動(dòng)副中造成附加壓力,降低機(jī)械的效率、使用壽命和工作質(zhì)量。應(yīng)采取一定的措施,把速度波動(dòng)限制在一定范圍內(nèi)。

一、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)

1.周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)

1)周期性速度波動(dòng)的原因在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)任一區(qū)段,由于驅(qū)動(dòng)力矩Md和阻抗力矩Mr是變化的,因此它們所作的功不總是相等,系統(tǒng)動(dòng)能變化ΔE≠0,即機(jī)械速度有波動(dòng)。

在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),驅(qū)動(dòng)力矩所作的功等于阻抗力矩所作的功,即

所以經(jīng)過了一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期后,系統(tǒng)的動(dòng)能增量為零,機(jī)械速度也恢復(fù)到周期初始時(shí)的大小。由此可知,在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,機(jī)械速度將呈周期性波動(dòng)。

2)平均角速度和速度不均勻系數(shù)平均角速度計(jì)算公式

平均角速度計(jì)算公式

速度不均勻系數(shù)計(jì)算公式

3)周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)

周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)方法是在機(jī)械中安裝一個(gè)具有很大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的回轉(zhuǎn)構(gòu)件(如飛輪)。飛輪在機(jī)械中的作用,實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)能量儲(chǔ)存器。當(dāng)外力對(duì)系統(tǒng)作盈功時(shí),飛輪以動(dòng)能形式把多余的能量儲(chǔ)存起來,使機(jī)械速度上升的幅度減小;當(dāng)外力對(duì)系統(tǒng)作虧功時(shí),飛輪又釋放儲(chǔ)存的能量,使機(jī)械速度下降的幅度減小。為減小飛輪尺寸,通常將飛輪安裝在轉(zhuǎn)速較高的軸上。

2.非周期性速度波動(dòng)及其調(diào)節(jié)方法

機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中,若驅(qū)動(dòng)力矩和阻抗力矩呈非周期性的變化,則機(jī)械的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)將遭到破壞,此時(shí)出現(xiàn)的速度波動(dòng)稱為非周期性速度波動(dòng)。非周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)方法是安裝調(diào)速器。

二、機(jī)械的平衡

1.機(jī)械平衡的目的和分類

1)機(jī)械平衡的目的

構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生慣性力和慣性力矩,這必將在運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生附加的動(dòng)壓力,從而增大構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦,加劇運(yùn)動(dòng)副的磨損,降低機(jī)械效率和使用壽命。機(jī)械平衡的目的就是消除慣性力和慣性力矩的影響,改善機(jī)械工作性能。

2)機(jī)械平衡的類型

(1)回轉(zhuǎn)件的平衡。繞固定軸線回轉(zhuǎn)的構(gòu)件稱為回轉(zhuǎn)件(又稱為轉(zhuǎn)子),其慣性力和慣性力矩的平衡問題稱為轉(zhuǎn)子的平衡。轉(zhuǎn)子的平衡分為剛性轉(zhuǎn)子的平衡和撓性轉(zhuǎn)子的平衡兩類。

①剛性轉(zhuǎn)子的平衡。對(duì)于剛性較好、工作轉(zhuǎn)速較低的轉(zhuǎn)子,由于其工作時(shí)旋轉(zhuǎn)軸線撓曲變形可以忽略不計(jì),故稱為剛性轉(zhuǎn)子。

②撓性轉(zhuǎn)子的平衡。對(duì)于剛性較差、工作轉(zhuǎn)速很高的轉(zhuǎn)子,由于其工作時(shí)旋轉(zhuǎn)軸線撓曲變形較大,不可忽略,故稱為撓性轉(zhuǎn)子。

(2)機(jī)構(gòu)的平衡。所有構(gòu)件的慣性力和慣性力矩,最后以合力和合力矩的形式作用在機(jī)構(gòu)的機(jī)架上,這類平衡問題稱為機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的平衡。

2.剛性轉(zhuǎn)子的平衡

1)靜平衡設(shè)計(jì)對(duì)于徑寬比D/b≥5的轉(zhuǎn)子(如齒輪、盤形凸輪、帶輪、鏈輪及葉輪等),它們的質(zhì)量可以視為分布在同一平面內(nèi)。如果存在偏心質(zhì)量,轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中必然產(chǎn)生慣性力,從而在轉(zhuǎn)動(dòng)副中引起附加動(dòng)壓力。剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡就是利用在剛性轉(zhuǎn)子上加減平衡質(zhì)量的方法,使其質(zhì)心回到回轉(zhuǎn)軸線上,從而使轉(zhuǎn)子的慣性力得以平衡的一種平衡措施。

2)動(dòng)平衡設(shè)計(jì)

對(duì)于徑寬比D/b<5的轉(zhuǎn)子,質(zhì)量分布于多個(gè)平面內(nèi),除受離心慣性力的影響外,尚受離心慣性力偶矩的影響,這種只有在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才能顯示出來的不平衡稱為動(dòng)不平衡。

動(dòng)平衡不僅平衡各偏心質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力,而且還要平衡這些慣性力所產(chǎn)生的慣性力矩。

(1)動(dòng)平衡的條件:當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子上分布在不同平面內(nèi)的各個(gè)質(zhì)量所產(chǎn)生的空間離心慣性力系的合力及合力矩均為零。

(2)對(duì)于動(dòng)不平衡的轉(zhuǎn)子,無論它有多少個(gè)偏心質(zhì)量,都只需要在任選的兩個(gè)平衡平面內(nèi)各增加或減少一個(gè)合適的平衡質(zhì)量即可使轉(zhuǎn)子獲得動(dòng)平衡,即對(duì)于動(dòng)不平衡的轉(zhuǎn)子,需加平衡質(zhì)量的最少數(shù)目為2。因此,動(dòng)平衡又稱為雙面平衡。

(3)由于動(dòng)平衡同時(shí)滿足靜平衡條件,所以經(jīng)過動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)子一定靜平衡;反之,經(jīng)過靜平衡的轉(zhuǎn)子則不一定是動(dòng)平衡的。

3.剛性轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)

經(jīng)平衡設(shè)計(jì)的剛性轉(zhuǎn)子理論上是完全平衡的,但由于制造誤差、安裝誤差以及材質(zhì)不均勻等原因,實(shí)際生產(chǎn)出來的轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中還可能出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。這種不平衡在設(shè)計(jì)階段是無法確定和消除的,需要利用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其作進(jìn)一步的平衡。

1)剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡實(shí)驗(yàn)靜不平衡剛性轉(zhuǎn)子只需進(jìn)行靜平衡實(shí)驗(yàn),靜平衡實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備稱為靜平衡架。

2)剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)對(duì)于徑寬比D/b<5的剛性轉(zhuǎn)子,其動(dòng)平衡工作需要通過動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)來完成,以確定需加于兩個(gè)平衡平面中的平衡質(zhì)量的大小及方位。

動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)一般需要在專用的動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行,生產(chǎn)中的動(dòng)平衡機(jī)種類很多,雖然其構(gòu)造及工作原理不盡相同,但其作用都是用來確定需加于兩個(gè)平衡平面中的平衡質(zhì)量的大小及方位。

電測式動(dòng)平衡機(jī)的工作原理如圖11-1所示。平衡機(jī)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、試件的支承系統(tǒng)和不平衡量的測量系統(tǒng)三個(gè)主要部分所組成。利用動(dòng)平衡機(jī),通過測量轉(zhuǎn)子本身或支架的振幅和相位來測定轉(zhuǎn)子平衡基面上不平衡量的大小和方位。

任務(wù)二機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例

任務(wù)導(dǎo)入說明圖11-2所示手動(dòng)插秧機(jī)的分秧、插秧機(jī)構(gòu)工作原理。圖11-2手動(dòng)插秧機(jī)簡圖

任務(wù)實(shí)施

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),是指原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到執(zhí)行構(gòu)件的中間環(huán)節(jié),它是機(jī)械的重要組成部分。其作用不僅是轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)形式,改變運(yùn)動(dòng)大小和保證各執(zhí)行構(gòu)件的協(xié)調(diào)配合工作等,而且還要將原動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩傳遞給執(zhí)行構(gòu)件,以克服生產(chǎn)阻力。

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中及其重要的一環(huán),設(shè)計(jì)的正確及合理與否,對(duì)提高機(jī)械的性能和質(zhì)量,降低制造成本與維護(hù)費(fèi)用等影響很大,故應(yīng)認(rèn)真對(duì)待。

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)一般按以下步驟進(jìn)行:

(1)擬定機(jī)械的工作原理。

(2)執(zhí)行構(gòu)件和原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。

(3)機(jī)構(gòu)的選型、變異與組合。

(4)根據(jù)工藝要求和對(duì)各執(zhí)行構(gòu)件動(dòng)作的要求,編制機(jī)器的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖,確定各執(zhí)行構(gòu)件間動(dòng)作的協(xié)調(diào)配合關(guān)系。

(5)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的擬定。

(6)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)尺寸綜合。

(7)方案分析。

一、機(jī)構(gòu)的選型

1.傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用的有三類。

(1)摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。包括帶傳動(dòng)、摩擦輪傳動(dòng)等。

(2)嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。包括齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等。

(3)連桿傳動(dòng)。如雙曲柄機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)等,多用于有特殊需要的地方。

2.實(shí)現(xiàn)單向間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)單向間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)常用的有棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪間歇機(jī)構(gòu)等。

槽輪機(jī)構(gòu)的槽輪每次轉(zhuǎn)過的角度與槽輪的槽數(shù)有關(guān),要改變其轉(zhuǎn)角的大小必須更換槽輪,所以槽輪機(jī)構(gòu)多用于轉(zhuǎn)動(dòng)角為固定值的轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)。

凸輪間歇機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),分度、定位準(zhǔn)確,且自身具有定位鎖定作用,但制造較困難,故多用于速度較高或定位精度要求較高的轉(zhuǎn)位裝置中。

3.實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)

執(zhí)行構(gòu)件作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)是一種很常見的運(yùn)動(dòng)形式。因原動(dòng)件多作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),故運(yùn)動(dòng)鏈中常需要有變回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為往復(fù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。常用的有連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。

連桿機(jī)構(gòu)中用來實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)的主要是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、正弦機(jī)構(gòu)等。連桿機(jī)構(gòu)是低副機(jī)構(gòu),制造容易,但連桿機(jī)構(gòu)難以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)任意指定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,所以多用在無嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求的場合。

螺旋機(jī)構(gòu)可獲得大的減速比和較高的運(yùn)動(dòng)精度,常用作低速進(jìn)給和精密微調(diào)機(jī)構(gòu)。

齒輪齒條機(jī)構(gòu)適用于移動(dòng)速度較高的場合。但是,由于精密齒條制造困難,傳動(dòng)精度及平穩(wěn)性不及螺旋機(jī)構(gòu),所以不宜用于精確傳動(dòng)及平穩(wěn)性要求高的場合。

4.再現(xiàn)軌跡的機(jī)構(gòu)

再現(xiàn)軌跡的機(jī)構(gòu)有連桿機(jī)構(gòu)、齒輪-連桿組合機(jī)構(gòu)、凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)等。用四桿機(jī)構(gòu)來再現(xiàn)所預(yù)期的軌跡時(shí),機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)最簡單、制造最方便,但其待定的尺寸參數(shù)較少,故一般都只能近似地實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的軌跡。用多桿機(jī)構(gòu)或齒輪-連桿組合機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的軌跡,因增加了待定的尺寸參數(shù)數(shù)目,因而增大了設(shè)計(jì)的靈活性及精確度,當(dāng)然隨之也就增大了制造的難度和成本。

用凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)則幾乎可以完全準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)任意預(yù)期的軌跡,缺點(diǎn)是凸輪制造較困難,成本較高。在選擇機(jī)構(gòu)的類型時(shí),首先要看機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性能否滿足工作需要。其次要看機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的范圍、傳遞功率的大小、傳動(dòng)精度的高低等能否滿足工作需要。第三要看對(duì)機(jī)構(gòu)是否有特殊要求,如自鎖性、緩沖減振性和安全性等。最后還要看機(jī)構(gòu)工作壽命的長短、輪廓尺寸的大小、價(jià)格的高低、制造維護(hù)的難易程度等?？傊?選擇機(jī)構(gòu)的類型時(shí)要從符合使用要求、工作性能良好、使用維護(hù)方便、制造成本低廉等各方面進(jìn)行綜合考慮,以求達(dá)到合理、優(yōu)良和先進(jìn)的目的。

二、機(jī)構(gòu)的變異

1.改變構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀

在擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中,若在原直線導(dǎo)槽上設(shè)置一段圓弧槽,如圖11-3所示,其圓弧半徑與曲柄長度相等,則導(dǎo)桿在左極位時(shí)將作長時(shí)間的停歇,即變?yōu)閱蝹?cè)停歇的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。這時(shí)導(dǎo)桿正、反行程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律均將有所改變。

2.改變構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸

在槽輪機(jī)構(gòu)中,槽輪作間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),若是槽輪的直徑變?yōu)闊o窮大,槽數(shù)增加到無限多,于是槽輪機(jī)構(gòu)就演變?yōu)橐粋€(gè)如圖11-4所示作間歇直線移動(dòng)的槽條機(jī)構(gòu)。圖11-4間歇直線移動(dòng)的槽條機(jī)構(gòu)

3.選不同的構(gòu)件作為機(jī)架

選運(yùn)動(dòng)鏈中不同構(gòu)件作為機(jī)架可以獲得不同的機(jī)構(gòu),這種機(jī)構(gòu)的變異方式在連桿機(jī)構(gòu)一章中已作過介紹。此外,圖11-5(a)所示為一普通的擺動(dòng)推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu),今若將凸輪固定起來作為機(jī)架,而將原來的機(jī)架2成為作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲柄,然后再將各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸作適當(dāng)改變,就將變異為用于異型罐頭封口的機(jī)構(gòu)了,如圖11-5(b)所示。圖11-5擺動(dòng)推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)變異

4.選不同的構(gòu)件作為原動(dòng)件

一般的機(jī)構(gòu)常取連架桿之一為原動(dòng)件,而在圖11-6所示的搖頭風(fēng)扇的雙搖桿機(jī)構(gòu)中,卻以連桿為原動(dòng)件。這樣既巧妙地利用了風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的動(dòng)力源,又巧妙地利用連桿相對(duì)于兩連架桿都在作整周相對(duì)回轉(zhuǎn)這一特點(diǎn),從而使傳動(dòng)大為簡化。圖11-6搖頭風(fēng)扇機(jī)構(gòu)

5.增加輔助構(gòu)件

圖11-7所示為手動(dòng)插秧機(jī)機(jī)構(gòu)。當(dāng)用手來回?fù)u動(dòng)搖桿1時(shí),連桿5上的滾子B將沿著機(jī)架上的凸輪槽2運(yùn)動(dòng),迫使連桿5上M點(diǎn)沿著圖示點(diǎn)畫線軌跡運(yùn)動(dòng)。裝于M點(diǎn)處的插秧爪,先在秧箱4中取出一小撮秧苗,并帶著秧苗沿著鉛垂路線向下運(yùn)動(dòng),將秧苗插于泥土中,然后沿另一條路線返回。為保證秧爪運(yùn)行的正反路線不同,在凸輪機(jī)構(gòu)中附加了一個(gè)輔助構(gòu)件———活動(dòng)舌3。

當(dāng)滾子B沿左側(cè)凸輪廓線向下運(yùn)動(dòng)時(shí),滾子壓開活動(dòng)舌左端而向下運(yùn)動(dòng),當(dāng)滾子離開活動(dòng)舌后,活動(dòng)舌在彈簧6的作用下恢復(fù)原位。使?jié)L子向上運(yùn)動(dòng)時(shí)只能沿右側(cè)凸輪廓線返回。在通過活動(dòng)舌的右端時(shí),又將其頂開而向上運(yùn)動(dòng),待其通過以后,活動(dòng)舌在彈簧6的作用下又恢復(fù)原位,使?jié)L子只能繼續(xù)向左下方運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。

圖11-7手動(dòng)插秧機(jī)機(jī)構(gòu)

三、機(jī)構(gòu)的組合

1.機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合

前后幾種機(jī)構(gòu)依次連接的組合方式稱為機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合。根據(jù)被串聯(lián)構(gòu)件的不同,其又可分為如下兩種。

(1)一般串聯(lián)組合。后一級(jí)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件串聯(lián)在前一級(jí)機(jī)構(gòu)的一個(gè)連架桿上的組合方式稱為一般串聯(lián)組合。

(2)特殊串聯(lián)組合。后一級(jí)機(jī)構(gòu)串接在前一級(jí)機(jī)構(gòu)不與機(jī)架相連的浮動(dòng)件上的組合方式稱為特殊串聯(lián)組合。

2.機(jī)構(gòu)的并聯(lián)組合

一個(gè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生若干個(gè)分支后續(xù)機(jī)構(gòu),或若干個(gè)分支機(jī)構(gòu)匯合于一個(gè)后續(xù)機(jī)構(gòu)的組合方式稱為機(jī)構(gòu)的并聯(lián)組合。前者又可進(jìn)一步區(qū)分為一般并聯(lián)組合和特殊并聯(lián)組合。

(1)一般并聯(lián)組合。各分支機(jī)構(gòu)間無任何嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合關(guān)系的并聯(lián)組合方式稱為一般并聯(lián)組合。在這種組合方式中,各分支機(jī)構(gòu)可根據(jù)各自的工作需要,獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)特殊并聯(lián)組合。各分支機(jī)構(gòu)間在運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)上有所要求的并聯(lián)組合方式稱為特殊并聯(lián)組合,它又可細(xì)分為如下四種:

①有速比要求。

②有軌跡配合要求。

③有時(shí)序要求。

④有運(yùn)動(dòng)形式配合要求。

(3)匯集式并聯(lián)組合。若干分支機(jī)構(gòu)匯集一道共同驅(qū)動(dòng)一后續(xù)機(jī)構(gòu)的組合方式稱為匯集式并聯(lián)組合。例如在重型機(jī)械中,為了克服其傳動(dòng)裝置龐大笨重的缺點(diǎn),近年來發(fā)展了一種多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)。

3.機(jī)構(gòu)的封閉式組合

機(jī)構(gòu)的封閉式組合是將一個(gè)多自由度的機(jī)構(gòu)中的某兩個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)用另一個(gè)機(jī)構(gòu)將其聯(lián)系起來,使整個(gè)機(jī)構(gòu)成為一個(gè)單自由度機(jī)構(gòu)的組合方式稱為封閉組合。

根據(jù)被封閉構(gòu)件的不同,機(jī)構(gòu)的封閉式組合又可分為如下兩種。

(1)一般封閉式組合。將基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的兩個(gè)主動(dòng)件或兩個(gè)從動(dòng)件用約束機(jī)構(gòu)封閉起來的組合方式稱為機(jī)構(gòu)的一般封閉式組合。

(2)反饋封閉式組合。通過約束機(jī)構(gòu)使從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)反饋回基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的組合方式,稱為反饋封閉式組合。

4.機(jī)構(gòu)的裝載式組合

將一機(jī)構(gòu)裝載在另一機(jī)構(gòu)的某一活動(dòng)構(gòu)件上的組合方式稱為機(jī)構(gòu)的裝載式組合。它又可根據(jù)自由度的多少分為如下兩種。

(1)單自由度的裝載式組合。圖11-6所示的搖頭風(fēng)扇的搖擺機(jī)構(gòu),風(fēng)扇裝載在雙搖桿機(jī)構(gòu)的一個(gè)搖桿上。風(fēng)扇回轉(zhuǎn)時(shí)通過蝸桿傳動(dòng)使搖桿來回?cái)[動(dòng)。該機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度,主動(dòng)件為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子,裝載機(jī)構(gòu)由被裝載機(jī)構(gòu)帶動(dòng)。圖11-8為其組合的示意框圖。圖11-8單自由度的裝載式組合示意框圖

(2)雙自由度的裝載式組合。圖11-9(a)所示的電動(dòng)木馬機(jī)構(gòu)即為雙自由度的裝載式組合。裝載機(jī)構(gòu)本身作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),被裝載機(jī)構(gòu)的曲柄也作主動(dòng)運(yùn)動(dòng),兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的組合使木馬產(chǎn)生分躍向前的雄姿。圖11-9(b)為其組合示意框圖。圖11-9電動(dòng)木馬機(jī)構(gòu)

四、組合機(jī)構(gòu)的類型及應(yīng)用

1.聯(lián)動(dòng)凸輪組合機(jī)構(gòu)

在許多自動(dòng)機(jī)器中,為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡,常采用由兩個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)動(dòng)凸輪組合機(jī)構(gòu)。

2.凸輪-齒輪組合機(jī)構(gòu)

應(yīng)用凸輪-齒輪組合機(jī)構(gòu)可使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)多種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,例如具有任意停歇時(shí)間或復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的間歇運(yùn)動(dòng),以及機(jī)械傳動(dòng)校正裝置中所要求的一些特殊規(guī)律的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)等。

3.凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)

應(yīng)用凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡。

4.齒輪-連桿組合機(jī)構(gòu)

應(yīng)用齒輪-連桿組合機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和不同運(yùn)動(dòng)軌跡的要求。

五、機(jī)器的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

1.機(jī)器的運(yùn)動(dòng)循環(huán)根據(jù)生產(chǎn)工藝的差別,機(jī)器的運(yùn)動(dòng)循環(huán)分為兩大類。

1)可變運(yùn)動(dòng)循環(huán)

機(jī)器各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是非周期性的,它因工作條件的改變而改變,如起重機(jī)等。

2)固定運(yùn)動(dòng)循環(huán)

機(jī)器中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是周期性變化的,即每經(jīng)過一定的時(shí)間間隔,機(jī)器完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán),各執(zhí)行構(gòu)件的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)周期性重復(fù)一次。大部分機(jī)器的運(yùn)動(dòng)循環(huán)屬此類型。

2.機(jī)器的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖

所謂機(jī)器的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖,是指反映機(jī)器各執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)其中某一主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)起始位置的運(yùn)動(dòng)循環(huán)的圖形。運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖應(yīng)能反映各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的先后次序,為此其時(shí)間坐標(biāo)應(yīng)采用同一比例尺。常用的機(jī)器運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖有下列三種。

1)直線式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖它是將運(yùn)動(dòng)循環(huán)各運(yùn)動(dòng)區(qū)段的時(shí)間和順序按比例繪制在直線坐標(biāo)上。其優(yōu)點(diǎn)是圖形簡單,能清楚地表示各執(zhí)行機(jī)構(gòu)各行程的起訖時(shí)間。

2)圓環(huán)式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖它

是將運(yùn)動(dòng)循環(huán)各運(yùn)動(dòng)區(qū)段的時(shí)間和順序按比例繪制在圓形坐標(biāo)上。其優(yōu)點(diǎn)是在具有分配軸的機(jī)器中,能比較直觀地反映各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件在分配軸上的相位,便于各原動(dòng)凸輪的安裝和調(diào)整。

3)直角坐標(biāo)式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖它是將運(yùn)動(dòng)循環(huán)各運(yùn)動(dòng)區(qū)段的時(shí)間和順序按比例繪制在橫坐標(biāo)軸上,并用縱坐標(biāo)表示各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征。其特點(diǎn)是能清楚地表示各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),對(duì)指導(dǎo)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)非常便利。

機(jī)器運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的作用可概括為以下五點(diǎn):

①保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作能緊密配合,互相協(xié)調(diào);

②為計(jì)算生產(chǎn)率提供依據(jù);

③為下一步具體設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供依據(jù);

④為機(jī)器的裝配、調(diào)試提供依據(jù);

⑤可作為分析研究提高機(jī)器生產(chǎn)率的一個(gè)基本文件。

3.機(jī)器運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖,可使機(jī)器具有較高的生產(chǎn)率和較低的能耗。具體設(shè)計(jì)時(shí),先根據(jù)給定的生產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算或通過實(shí)驗(yàn)、類比等方法,確定各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中各運(yùn)動(dòng)區(qū)段的時(shí)間及相應(yīng)轉(zhuǎn)角,然后根據(jù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)互不干涉、且機(jī)器完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)所需時(shí)間最短的原則,合理得設(shè)計(jì)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)循環(huán)并繪制機(jī)器的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。

六、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

1.合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)路線,簡化傳動(dòng)環(huán)節(jié)在保證機(jī)械實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的條件下,應(yīng)盡量簡化和縮短傳動(dòng)路線,即簡化傳動(dòng)環(huán)節(jié)(運(yùn)動(dòng)鏈)。這不僅是結(jié)構(gòu)選型時(shí)應(yīng)考慮的問題,而且更是設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)方案時(shí)必須考慮的問題。因?yàn)閭鲃?dòng)環(huán)節(jié)越簡短,組成機(jī)器的結(jié)構(gòu)和零件的數(shù)目越少,制造和裝配費(fèi)用就越低,降低了機(jī)械成本;減少傳動(dòng)環(huán)節(jié),將降低能量耗損,減少運(yùn)動(dòng)鏈累積誤差,從而有利于提高機(jī)器的機(jī)械效率和傳動(dòng)精度。

2.合理安排傳動(dòng)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)的排列順序

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中機(jī)構(gòu)排列的順序應(yīng)遵循一定規(guī)律,以便簡化傳動(dòng)環(huán)節(jié),減小傳動(dòng)系統(tǒng)外輪廓尺寸和質(zhì)量,提高機(jī)械傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度。

首先,從總體上講,執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置在傳動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的末端,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則應(yīng)布置與原動(dòng)機(jī)軸相連的運(yùn)動(dòng)鏈前端。通常一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈中只有一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu),但其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卻可能有幾個(gè)機(jī)構(gòu)組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中各機(jī)構(gòu)的排列順序同樣應(yīng)遵循一定的規(guī)律,一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):

(1)帶傳動(dòng)及其他摩擦傳動(dòng)應(yīng)布置在運(yùn)動(dòng)鏈的最前端(高速級(jí)),以求減小外輪廓尺寸和質(zhì)量。鏈傳動(dòng)、開式齒輪傳動(dòng)則宜布置在運(yùn)動(dòng)鏈中緊靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)一端(低速級(jí)),以求運(yùn)動(dòng)盡可能平穩(wěn)和延長使用壽命。

(2)斜齒輪傳動(dòng)與直齒輪傳動(dòng)相比,斜齒輪傳動(dòng)應(yīng)布置在直齒輪傳動(dòng)前端。

(3)圓錐齒輪傳動(dòng)應(yīng)布置在運(yùn)動(dòng)鏈前端并限制其傳動(dòng)比,以減小圓錐齒輪的模數(shù)和直徑。

(4)對(duì)采用鋁青銅或鑄鐵做蝸輪材料的蝸桿傳動(dòng),應(yīng)布置在運(yùn)動(dòng)鏈靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)一端(低速級(jí)),以減少齒面相對(duì)滑面速度,防止膠合與磨損等;對(duì)采用錫青銅為蝸輪材料的蝸桿傳動(dòng),最好布置在傳動(dòng)鏈高速級(jí),以利于形成潤滑油膜,提高效率和延長壽命,并可減小蝸輪尺寸,節(jié)省有色金屬。

(5)整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布局應(yīng)外形協(xié)調(diào)、機(jī)構(gòu)合理,并便于制造、安裝、調(diào)試和維護(hù)等。

3.注意區(qū)分主、輔運(yùn)動(dòng)鏈和合理安排功率傳動(dòng)順序

當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中同時(shí)有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈時(shí),應(yīng)分清主、輔運(yùn)動(dòng)鏈并優(yōu)先設(shè)計(jì)主運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)方案,然后再設(shè)計(jì)各輔助運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)方案,以有利于理清設(shè)計(jì)思路、提高設(shè)計(jì)效率。

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中功率傳遞順序,一般根據(jù)“前大后小”的原則,即原動(dòng)機(jī)先傳動(dòng)消耗功率較大的執(zhí)行結(jié)構(gòu),后傳動(dòng)消耗功率較小的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。以便于有利于減少傳遞功率的損失和減小傳動(dòng)件的尺寸。例如機(jī)床總是先傳動(dòng)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),再傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)。

4.合理分配各級(jí)傳動(dòng)比

依據(jù)原動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)速(該轉(zhuǎn)速根據(jù)執(zhí)行構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)速度確定),可求出傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的總傳動(dòng)比。而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)通常包括若干個(gè)機(jī)構(gòu)(或稱若干級(jí)傳動(dòng)),這就存在一個(gè)合理分配各級(jí)傳動(dòng)比的問題。

具體分配傳動(dòng)比時(shí)應(yīng)考慮以下原則:

(1)各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比應(yīng)在相應(yīng)機(jī)構(gòu)常用的傳動(dòng)比取值范圍內(nèi)選取;

(2)各級(jí)傳動(dòng)件應(yīng)尺寸協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)均勻合理,傳動(dòng)件之間不應(yīng)發(fā)生干涉碰撞;

(3)整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊、外輪廓尺寸小、質(zhì)量輕,并應(yīng)利于采取合理的潤滑、密封措施;

(4)對(duì)多級(jí)同類傳動(dòng),如多級(jí)齒輪傳動(dòng)、多級(jí)蝸桿傳動(dòng)等,一般應(yīng)遵循“前大后小”的傳動(dòng)比分配原則。

5.注意提高機(jī)械傳動(dòng)效率．

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率顯然與組成該系統(tǒng)的各機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率有關(guān)。而且,對(duì)大多數(shù)機(jī)器來說,其總效率通常等于機(jī)器中各級(jí)傳動(dòng)的分效率的連乘積。因此縮短運(yùn)動(dòng)傳遞路線及盡力提高各級(jí)傳動(dòng)的效率,都是不可忽略的工作。尤其是傳動(dòng)功率較大時(shí),機(jī)構(gòu)效率應(yīng)作為選擇機(jī)構(gòu)類型和設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案的主要依據(jù)。

七、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)例

本節(jié)以牛頭刨床為例,介紹其機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和主要結(jié)果。

牛頭刨床是用于加工長度較大的平面或成型表面的機(jī)床,其工作原理是:刨頭作往復(fù)切削運(yùn)動(dòng)、工作臺(tái)帶動(dòng)工件作間歇直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件平面的切削加工。給定刨頭行程H(mm),刨刀每分鐘切削次數(shù)n'(次/min)及行程速度變化系數(shù)K,刨刀在切削前后的空刀距離各約0.05H,工作臺(tái)進(jìn)給量f2(mm/次)。要求進(jìn)給量f2、刨刀切削深度、刨刀行程長度及每分鐘切削次數(shù)均可調(diào)整,工作臺(tái)上下位置和刨頭前后位置可手動(dòng)調(diào)整,

1.擬定牛頭刨床的工作原理

根據(jù)牛頭刨床的工作原理及工藝要求,從中可知其執(zhí)行構(gòu)件為作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的刨頭和作間歇直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)。

2.擬定原動(dòng)機(jī)方案

選用Y系列三相交流異步電動(dòng)機(jī),同步轉(zhuǎn)速1500r/min。

3.牛頭刨床執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型

(1)實(shí)現(xiàn)刨頭往復(fù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)的選型?？蛇x為實(shí)現(xiàn)刨頭往復(fù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)有:螺旋機(jī)構(gòu)、直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)或蝸桿齒條機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成的組合機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和擺桿滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)