产品结构设计章.pptx

第三章、连续运动结构设计 3.1概述3.2旋转机构设计3.3直线运动机构3.4曲线运动机构3.1概述一、常用运动结构的功能与种类 运动机构种类繁多，产品的设计功能决定所选择和采用的机构。根据运动机构在产品中的作用，可分为执行机构执行机构执行机构执行机构和传动机构传动机构传动机构传动机构。如图3-1，以自行车为例。车轮的转动前轮的左右摆动、车闸的摆动抱合和变速拨叉的摆动是设计要求的基本运动，是实现自行车功能需要执行的运动。直接保证这些运动的相应机构是飞轮、前叉合件、车闸组件及拨链器，按功能称为执行机构执行机构。为实现这些运动，需要相应的机构和装置将源动力和运动传递到执行机构，按功能称为传动机构。车轮的旋转通过曲柄链轮链条将脚蹬动力传递给飞轮实现，车闸和拨链器的运动通过柔性钢丝（本质是连杆）将作用在闸把和控制器上的运动和动力传递给相应的执行机构完成。曲柄链轮和链条、闸把和钢丝、变速控制器和钢丝等即为所谓的传动机构传动机构。图3-2为一药片包装机数片机头结构示意图。由图3-2可知，在产品或机械系统中，执行机构的主要作用是实现所需功能动作（包括执行运动和执行力），而传动机构（传动链）则负责传递、变换、调节运动和动力，以适应不同产品的功能需要。无论是执行机构还是传动机构，实现产品设定运动功能可选择和采用的具体机构种类和形式都不是唯一的。一个具体产品中的运动机构通常可能由多个结构环节组成，为了研究、分析和设计方便，可将其分解为一个个相对独立的结构环节或简单机构，如图3-2中的齿轮、蜗轮和蜗杆。运动结构设计通常就是选择、配置、组合、设计这些简单机构。运动机构的种类可按照运动构件的运动规律或轨迹分为平面机平面机平面机平面机构构构构和空间机构空间机构空间机构空间机构两种。空间机构的运动构件可在三维空间中运动，其运动自由度至少在两个以上，如图3-3中的筛子。平面机构的运动构件在某一平面内运动。按照机构运动构件的运动规律特征，运动机构又可分为转动机转动机转动机转动机构构构构、直线运动机构直线运动机构直线运动机构直线运动机构、曲线运动机构曲线运动机构曲线运动机构曲线运动机构、往复运动机构往复运动机构往复运动机构往复运动机构、间歇运动间歇运动间歇运动间歇运动机构机构机构机构。最常用的是按照机构的结构特点分类的运动机构，即分为齿轮齿轮齿轮齿轮机构机构机构机构、链传动机构链传动机构链传动机构链传动机构、槽轮机构槽轮机构槽轮机构槽轮机构、曲柄滑块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构、连杆机构等连杆机构等连杆机构等连杆机构等。二、机构学基础 机构通常由相互间有规律相对运动的刚性体组成，这些刚性体称为机构的构件。机构中自身相对静止的构件称为机架机架机架机架，其他构件称为运动构件运动构件运动构件运动构件。构件可以是一个零件，也可是由若干零件组成的刚性系统。机构的构件间允许相对运动，构件间需采用活动连接。这种使构件间保持接触又允许相对运动的连接成为运动副运动副运动副运动副。面接触的运动副称为低副，点或线接触的运动副称为高副。运动副按运动范围可分为空间运动副和平面运动副两类，常用的是平面运动副。平面运动副按运动形式特征又可分为转动副、移动副、螺旋副、圆柱副等。在机构分析中，运动副常采用简图符号表示，如图3-4所示。运动副决定了所连接构件间的相互运动关系，运动副将构件连接起来，同时也限制了被连接构件的自由度自由度自由度自由度。机架固定，运动自由度为0.一个通过转动副与机架相连的构件，只有相对机架转动一个自由度，如图3-5（a），整个机构仅需一个独立参数即可确定机构各构件的位置，此机构有一个自由度；在此运动构件末端，再通过转动副连接一个运动构件，如图3-5（b），则第二个运动构件相对第一个运动构件有一个运动自由度，加上随同第一个运动构件的一个转动自由度，共有二个自由度，机构也需要二个独立参数确定各构件的相对位置，机构自由度为2；同理，图3-5（c）的机构有三个自由度。确定运动机构各构件位置所需独立参数的总个数称为机构的自由度。一个机构的自由度数应大于0，否则机构无法运动、不成立。机构中用于输入驱动力的构件称为驱动构件驱动构件驱动构件驱动构件（也称原动件或主动件），驱动构件数应与机构的自由度数相同；其他运动构件称为传动构件传动构件传动构件传动构件（也称从动件）；将运动和动力向外传递的构件又称为输出构件输出构件输出构件输出构件（也称执行构件）。在机构学中，一般利用构件和运动副符号及一些简单的线条、图形表示机构的结构组成、几何形状、相对位置关系等，称为机构机构机构机构运动图运动图运动图运动图，如图3-6所示。绘制机构运动简图时，一般是在分析清楚机构工作原理的基础上，分析运动副的种类和数目，确定出机架、驱动件和从动件，然后将构件简化为杆件，用线条图表示出各构件、运动副及相对位置关系。机构运动简图不仅表示机构的结构和尺寸，也可表示出构件的相对运动关系，最好按比例绘制。3.2旋转运动机构 齿轮机构齿轮机构是最常用的转动机构，通常由两个齿轮组成一组，依靠齿轮的啮合传递转动和扭矩。齿轮机构传动准确可靠、传递功率大、效率高结构紧凑且使用寿命长。齿轮形式种类很多，常见的齿轮形式如图3-7所示。齿轮按轮齿齿廓曲线形式可分为渐开线齿轮、摆线齿轮、圆弧齿轮、正玄曲线齿轮等，其中渐开线齿轮应用最广泛。齿轮可按齿轮外观几何形状、轮齿走向特征等分类，参见图3-7中各齿轮的名称。齿轮传动机构中啮合的轮齿保持紧密接触，配合使用的齿轮轮齿大小和齿廓形状必须一致。轮齿的大小决定齿轮传递扭矩的能力，轮齿越大，能力越大。轮齿的大小称为齿轮的模数，模数在国标中已经标准化、系列化。齿轮制造时，使用相应标准模式的刀具加工。齿轮配对使用构成齿轮机构齿轮机构齿轮机构齿轮机构。一对齿轮中靠近驱动源的称为主主主主动轮动轮动轮动轮，另外一个称为从动轮从动轮从动轮从动轮。两齿轮的齿数比（从动轮齿数除以主动轮齿数）称为传动比传动比传动比传动比，传动比是齿轮传动的一个基本参数。齿轮的转速与传动比成反比；齿轮承受的扭矩比与传动比成正比。蜗轮蜗杆机构蜗轮蜗杆机构蜗轮蜗杆机构蜗轮蜗杆机构属于特殊的齿轮机构。蜗轮蜗杆的传动方向是单向的，即蜗杆只能作为主动件，蜗轮只能作为从动件。蜗杆的头数为主动轮齿数，一般蜗杆头数较少（常用头数为1），因此蜗轮蜗杆机构的传动比较大。常见蜗轮蜗杆形式如图3-8所示。齿轮齿条机构齿轮齿条机构齿轮齿条机构齿轮齿条机构是齿轮机构的另外一个特例，相当于大齿轮直径无限大的齿轮传动，如图3-9所示。齿轮齿条机构可实现旋转与直线运动间的转换。制造齿轮的材料常见的有钢、黄铜、尼龙、塑料等。机械设备和一些重要的传动机构常用钢材作为齿轮的制造材料，配对使用的一对齿轮中，小齿轮转速高、齿轮磨损快，表面硬度需比大齿轮高。仪表、钟表等机构中，齿轮传递扭矩小，常用黄铜制造齿轮，表面摩擦小且容易加工。尼龙齿轮传动噪声小，常用于轻载、高速的轻工设备和机电一体化产品中，如照相机、复印机、打印机等。塑料齿轮柔性好、运转噪声小，且可铸塑生产、成本低，但传动载荷小、使用寿命短，常用于电动玩具等不重要场合。蜗轮蜗杆机构运动摩擦大，工作状况较差，因此蜗杆常采用钢材制造，蜗轮则选择铸铁材料。实际产品结构中，为满足传动要求，常采用多组齿轮机构组成的传动链，图3-10为机械照相机的卷片机构。轮系轮系轮系轮系是采用两个以上齿轮构成的一类齿轮传动机构，其中一个齿轮轴为输入轴，一个齿轮轴为输出轴，其他齿轮负责逐级传递运动。根据轮系传动时齿轮轴线相对机架是否变化，轮系分为定轴轮系定轴轮系定轴轮系定轴轮系和周转轮系周转轮系周转轮系周转轮系两类。图3-10中，各齿轮直线式排列构成的轮系最简单，属于直排定轴轮系，相当于一对齿轮机构的逐级传动，传动比和结构变化小。图3-11为一较简单的周转轮系示意图，两个中心轮分别为输入、输出周。周转轮系中，围绕固定中心轴转动的齿轮称为中心轮，轴线绕中心轮或其他轴转动的齿轮称为行星轮，其运动仿佛行星绕太阳转动，因此这类轮系也称为行星轮系。周转轮系有很多用途，其特殊用途主要有：实现大传动比（可达几千），满足特殊传动要求，且结构紧凑，节省空间；实现运动的合成与分解，典型的例子是汽车后桥变速器装置，将发动机的转动以不同的速度分配给左右两轮，用于汽车转弯变速。作为周转轮系的一个例子，图3-12为自行车后变速轴的结构，通过操纵链控制可实现三级变速。采用行星轮系变速，结构紧凑。二、带传动机构 带传动又称皮带传动，结构简单、成本低，在很多现代机械设备和工业及家用产品中得到使用，如机床、汽车、洗衣机、缝纫机、录音机等。如图3-13所示，带传动机构由主动带轮、从动带轮及传动带构成，传动带以一定张力套在两个带轮上。主动带转动时，依靠带轮与传动带的摩擦力使从动带轮转动，实现传动。摩擦力的大小取决于带轮与传动带间的接触压力、接触长度和摩擦系数。带传动机构的主要特点有：传动轴中心距较大；靠摩擦传动，过载打滑，可防止过载对系统重要零部件的破坏；运转平稳、吸振、噪声小；结构简单成本低、维护保养容易。由于在正常传动过程中也存在打滑现象且与负载的变化有关，因此带传动可靠性差，不能保证恒定传动比，传动效率较低，传动带使用寿命短；另外带传动机构结构尺寸较大，实现大传动比困难，也不适于高温、易燃、易爆的使用场合。带传动机构使用传送带的类型与传动的效果和能力关系很大，常见的传动带如图3-14所示。平皮带平皮带平皮带平皮带最早使用牛皮制作，故而得名。现代常采用平皮带有胶带、钢带和复合材料带等几种。胶带又称为橡胶带、帆布袋，有纤维织物与橡胶粘结而成，抗拉强度大、制作容易，但耐油性能较差，常用于简单传动系统。钢带用冷轧薄钢片制成，强度大、变形小，用于特殊场合。复合材料带常用高强度尼龙或聚酰胺等材料做强力层，以皮革作摩擦面，另一面使用耐磨橡胶。复合材料带承载能力强、传动性好、使用寿命长，是目前应用最多的平皮带。圆形带圆形带圆形带圆形带有皮制、麻质、钢丝制等几种。圆形带结构简单、传动力大，常用于工作状况恶劣的场合，如起重设备、建筑工地设备等。V V V V形带形带形带形带以棉线、化纤绳等为芯外裹橡胶制成。V形带一般制成环状无接头带，断面呈梯形，两斜面与带轮槽接触，摩擦力大，滑动小、工作可靠、运转平稳。V形带应用最广泛，属于标准化、系列化中的部件。多楔带多楔带多楔带多楔带综合了平皮带与V形带的优点，运转速度高、可达传动比大，主要用于传动要求高、功率大等主要工作场合。带传动突出的缺点是工作中打滑问题，不能保证稳定、可靠的传动比。同步齿形带同步齿形带同步齿形带同步齿形带有效解决了这一问题。如图3-15所示，齿形带使用时需采用相应的同步齿形带轮，其传动为啮合传动，传动带与带轮间无相对滑动，兼有齿轮传动和带传动的优点。齿形带传动比可达10，适于高速传动，主要用于传动要求准确的中、小功率传动系统中，如测量仪器、轻工机械、绘图仪、平板扫描仪等。图3-16为用于激光雕刻机激光头移动位置的实例照片。带传动机构中，两带轮轴线可以再同一平面内平行或交叉，也可不一个平面内，利用传动带与带轮的不同缠绕方法，可构成不同的带传动形式，如图3-17所示。带传动机构一般设有张紧装置张紧装置张紧装置张紧装置，如图3-18所示。张紧装置可增加带轮与传动带间的接触压力和接触长度（包角），也能避免因传动带松弛产生的影响。张紧的方式一般采用施力机构作用在传动带上，通过传动带的环状路径改变实现。三、链传动机构 链传动机构由主动链轮、从动链轮及环绕在链轮上的封闭链条组成，如图3-19所示。链传动属于啮合传动，传动扭矩大、速度高，传动稳定可靠，传动比准确。链条的种类较多，按用途可分为起重链、牵引链和传动链三种。前两种分别适合于起重机械和输送用机械使用。用于旋转传动机构中主要适用传动链。传动链按结构分为滚子链和齿形链两种，如图3-20所示。滚子链滚子链滚子链滚子链由滚子链节和销轴链节交替连接而成，结构简单、成本低重量轻，但在传动使用过程中链节伸展、节距变化产生振动和噪声。滚子链主要用于中、轻载荷及非高速运转的普通传动场合。齿形链齿形链齿形链齿形链链节两端有与链轮齿面相配合的齿廓翼板，保证啮合时齿轮与链条啮合面紧密贴合接触，运转时噪声小，传动平稳。齿形链的主要缺点是结构复杂、重量大、成本高。齿形链主要用于高速、高精度的传动系统。链轮齿数一般选择为奇数，以便磨损均匀。从动轮与主动轮齿数之比定义为链传动的转速比。由于链传动存在同时参与啮合齿数问题，链传动的转速比不宜太大，通常取56以下。链传动机构两链轮的回转平面必须在同一平面内，两轴线相互平行。与带传动相似，链传动也要考虑张紧张紧张紧张紧问题。链传动的张紧主要有调节中心距和在松边设置张紧装置两种方式。采用第一种方法需在传动结构上设计相应的调节装置，如自行车、摩托车链传动中后轮中心位置的调整机构等。对于链轮位置固定、中心距不可调节的链传动机构，一般多采用结构简单、有效的张紧轮结构。张紧轮应设在链传动松边，置于链条内侧或外侧均可，通过压迫链条松边、改变链条的行走路径实现张紧。如图3-21。张紧轮采用自由转动的链轮或圆柱滚轮，直径等于或略小于链轮直径。四、摩擦轮传动机构摩擦轮传动是采用以一定压力保持相互接触的旋转轮，依靠接触摩擦力实现由主动轮向从动轮传递转动和扭矩的传动机构。如图3-22所示，基本的摩擦轮传动机构由两个相互紧密接触的摩擦轮组成。两轮轴线交叉不知的圆柱摩擦轮，由于圆平面上不同半径处线速度不同，通常圆周面用于摩擦的轮子轮缘倒角或做成圆角形式；将同平面平行轴布置的摩擦轮轮面设计为V行槽式，可增大接触面积，从而增大摩擦力。摩擦轮传动的扭矩传递能力主要决定于接触面产生的摩擦力大小，而摩擦接触面积、接触正压力和材料摩擦系数是摩擦力的主要影响因素。因此，在摩擦轮机构设计上，首先考虑选择合适的材料，特别是摩擦轮接触面的材料和表面状况，可在制造、加工时进行特殊的处理，在机构运转中，注意避免接触油脂、粉尘等影响摩擦效果的物质吸附在摩擦面上；其次，在结构设计上，应保证摩擦面大小满足要求，在可能情况下，尽可能加大摩擦接触面积，可采用增加轮宽、改变结构面形状等方法；此为，在结构上，设计合理、可靠的施加压力机构和压力调节装置是保证摩擦轮传动机构有效工作的保障措施。摩擦轮传动机构最突出的特点是实现变速方便，通过改变摩擦接触位置即可实现变速。特别是，可实现无级变速，并可在系统运转时变速。摩擦轮机构在无级变速装置中应用较多，轮子的形状有多种变化，如图3-23。3.3、直线运动机构 一、螺旋传动机构 螺旋传动机构由螺旋轴和螺母组成，螺母为工作执行构件，传动中螺旋轴转动，螺母沿螺旋轴作直线运动，如图3-24所示。螺旋传动机构一般需设置防止螺母转动装置，如导向轨道、挡铁等，以确保螺母可靠地实现直线移动。主要用于传递运动的螺旋传动机构，螺旋轴又称为丝杠，螺母称为丝杠螺母。用于螺旋传动机构螺旋轴及配套螺母可采用的螺纹牙形有多种，各有不同的特点、适于不同的工作场合，如图3-25所示。三角牙形螺纹三角牙形螺纹三角牙形螺纹三角牙形螺纹加工容易、自锁性好，但摩擦力大、传动效率低，不适合于传递动力的机构。方牙螺纹方牙螺纹方牙螺纹方牙螺纹传动效率高、自锁性较好，但加工困难，磨损后间隙影响传动精度且无法补救，常用于功率大、精度要求不高的场合，如千斤顶、压力机等。梯形牙螺纹梯形牙螺纹梯形牙螺纹梯形牙螺纹的摩擦力和传动效率介于三角形和方形牙螺纹之间，其优点是加工容易，磨损后易于补救，牙根强度较高、对中性好，广泛用于传递较大功率件的螺旋传动机构。锯齿牙形锯齿牙形锯齿牙形锯齿牙形是方牙和梯形牙的结合体，具有方牙螺纹传动效率高和梯形螺纹牙根强度高的特点，主要用于单向承受载荷和传递力的传动机构或机械，如压力机、轧钢机等。螺旋机构用于高精度传动时，传动间隙的影响很大，需配合定位、导向装置。如图3-26、图3-27所示车床的传动系统，采用光杆和导轨与丝杆配合。螺旋千斤顶主要用螺旋传动动力，执行直线移动的构件可以是螺旋轴或螺母。图3-28所示的千斤顶，螺母为机架，螺旋轴移动顶起负载重物。普通螺旋传动机构，螺旋轴与螺母的接触面运动方式为滑动，因而摩擦大、效率低，且易磨损，磨损后，影响传动精度，使用寿命低。滚珠螺旋机构采用滚动方式代替滑动，摩擦、磨损大大减，运转平稳。目前，在很多高速、高精度的传动系统中已得到使用，如数控机床、测量仪器等。滚珠丝杠机构的主要缺点是加工制造工艺复杂、成本高，自身不能自锁。滚珠螺旋机构有多种结构形式，图3-29为其中一种。二、链输送、牵引机构 链输送、牵引机构是将链条作为工作执行构件，链轮作为传动构件，将主动链轮的旋转运动转换为链条的直线运动，再通过链条实现输送牵引等功能、目的。最简单的链输送机构是直接用链条托载、输送，如图3-30所示。链输送机的链条一般需用导轨支撑并在导轨上移动，轻载时可采用滑动方式，用滚动式链条可大大减小摩擦和动力消耗，如图3-31所示。输送用链条可选种类较多，应根据使用条件和要求选用。建筑、矿山等工程用输送机工作条件特殊，需使用特制的链条，图3-32为几种承载能力强、用于恶劣工况的链条。各种用途不同的输送机，通过在链条上安装相应的附件以满足不同的输送需要。例如，滚动式电梯采用带沟槽整体式平板安装于两侧的链条上，啤酒、饮料及日化产品等轻工自动生产线用输送机则常采用分段式不锈钢片形成一个移动输送平面，输送包装容器及生产成品等，电器组装、香烟包装等工序分段作业生产线采用链条上安装隔离定位推板（杆）输送半成品。图3-33为几种链条附件图。图3-34为两种用于粉料的链式刮板输送机。图3-35为用于矿山输送矿石或电厂输送煤、炉渣的鳞板输送机。三、带输送、牵引机构 带输送、牵引机构是将皮带作为工作执行构件，带轮作为传动构件，将主动轮的旋转运动转换为皮带的直线运动，利用皮带实现输送、牵引等功能、目的。图3-36为粮库、码头、货运站等广泛采用的皮带输送机，中间等距布置的托辊用于支撑皮带。普通输送机输送距离越长则皮带张力越大，对皮带的要求越高。在普通皮带输送机皮带下中间位置安装几个较小的胶带机，为输送机增加驱动力，可较好地解决上述问题，如图3-37所示。气垫带输送机的设计思想是在输送皮带下构造一个气床，减少输送带的运动摩擦阻力。图3-38为气垫带输送机的结构和工作原理。磁垫带输送机是利用磁悬浮原理使输送带处于悬空状态，减少输送带的运动摩擦阻力。磁垫带输送机使用的皮带为特制的具有磁性的胶带。图3-39为磁垫带输送机的工作原理。封闭管式带输送机采用特制的皮带，在输送机两端带轮滚筒处，皮带为展平状态，中间段封闭于吊带上，如图3-40所示。封闭管式输送机输送距离可达数千米，且可转弯、越障。最常见的带传动牵引机构是用于起重机械的滑轮组绳牵引装置。在现代很多机电产品中，使用皮带牵引定位工作装置。例如，收音机频率调谐指针的移动、绘图机的绘图笔的定位和移动。对于运动精度要求高的运动牵引，移动装置最好利用刚性导轨导向，图3-41的扫描仪就是例子。四、滚筒、滚轮输送机构 滚筒、滚轮自身的运动方式是转动，但将多个滚轮或滚筒较密集地同方向规则排列在一个平面内，置于其上的物品将随着滚筒、滚轮的旋转产生移动，从而实现物品的输送。图3-42为滚筒输送机工作示意图，通常用于传送的物品以底面长度占3个滚筒为宜。滚筒输送机分为有动力和无动力两种，后者一般需要与水平面呈一定角度倾斜安装，利用重力实现传输。图3-43、图3-44为常见的滚筒驱动方式。扇形排列滚筒，可实现输送过程物品的转弯。滚轮输送机采用无动力重力输送方式工作，图3-45为滚轮输送机的设计要求和结构组成。3.4、曲线运动机构 曲线运动机构主要用于一些有特殊需要的机构上，利用曲线运动机构可实现、完成一些特定和巧妙的执行动作。四连杆机构三个活动连杆构件中间的连杆构件上某些点的运动规律随各构件尺度的改变，可能形成各种各样的特殊运动轨迹，如图3-46，往往在机械中可得到应用。机械中需要的曲线运动主要是利用连杆机构获得。图3-47为电影胶片放映机的拉片机构。图3-48为一个多排辊冷轧机轧辊摆动机构。图3-49为另一轧钢机轧辊的曲线运动驱动机构。图中虚线表示轧辊的运动轨迹，轧辊行走图示的轨迹可更有效地一次完成轧制作业，工艺性好。这一机构的本质是五连杆机构。