汽車機械基礎機械工業(yè)出版社第四章凸輪機構和螺旋機構一、凸輪機構二、螺旋機構凸輪機構和螺旋機構廣泛地應用于各種機械,如印刷機、紡織機、自動化和半自動化機械、汽車發(fā)動機等,是不可缺少的機構。凸輪機構和螺旋機構可將旋轉運動變換為直線運動。本章討論凸輪機構和螺旋機構的類型及應用。第一節(jié)凸輪機構凸輪機構的運動狀態(tài)為:凸輪的連續(xù)轉動或往復運動轉變?yōu)閺膭蛹耐鶑瓦\動或擺動。當從動件必須準確地實現(xiàn)各種預期運動規(guī)律時,常采用凸輪機構。一、凸輪機構的組成及應用1.凸輪機構的組成凸輪機構由凸輪、從動件和機架組成。凸輪是具有曲線輪廓或曲線凹槽的構件,并與從動件直接接觸組成高副的機構。2.凸輪機構的應用圖4-1所示為內燃機配氣機構,當活塞作上下往復運動時,驅動曲軸上的小齒輪帶動大齒輪轉動,凸輪與大齒輪同步轉動,凸輪曲線輪廓通過與氣門挺桿2的接觸,使閥口有規(guī)律地開啟和閉合進氣口或排氣口。圖4-1發(fā)動機及配氣機構1—盤形凸輪2—氣門挺桿圖4-2所示為自動車床靠模機構。床鞍帶動從動件2沿靠模凸輪1輪廓運動,切削刃加工出如圖4-2所示手柄。圖4-2自動車床靠模機構1—靠模凸輪2—從動件3—床鞍4—工件圖4-3所示為繞線機中用于繞線的凸輪機構。當繞線軸3轉動時,經(jīng)過齒輪帶動盤形凸輪1轉動(凸輪與齒輪固定在一起),驅使從動件2往復擺動,從而使線均勻地纏繞在繞線軸上。圖4-3繞線機構1—盤形凸輪2—從動件3—繞線軸圖4-4所示為自動送料機構。帶有凹槽的圓柱凸輪1驅使凹槽中的從動件2往復直線運動,凸輪每轉一周,從動件就送出一個坯料到加工位置。

圖4-4自動送料機構1—圓柱凸輪2—從動件二、凸輪機構的類型凸輪機構形式多種多樣,常用的分類方法有以下幾種。1.按凸輪的形狀分(1)盤形凸輪凸輪呈盤形,并且具有變化的向徑,如圖4-1、圖4-3所示。當其繞固定軸轉動時,可推動從動件在垂直于凸輪轉軸的平面內運動,是凸輪最基本的形式。盤形凸輪結構簡單,應用廣泛。(2)移動凸輪移動凸輪呈板狀,相對于機架作直線移動,如圖4-2所示。(3)圓柱凸輪圓柱凸輪是一個具有曲線凹槽或凸緣的圓柱形構件,如圖4-4所示。圓柱凸輪適用于從動件行程較大的機構中。2.按從動件形狀分(1)尖頂從動件如圖4-5a所示,尖頂從動件端部制成尖頂與凸輪輪廓接觸。這種從動件結構簡單,但尖端處易磨損,故只適用于速度較低和傳力不大的場合。(2)滾子從動件如圖4-5b所示,滾子從動件端部裝有可以自由轉動的滾子,借以減少摩擦和磨損,能傳遞較大的動力。但端部結構復雜,質量較大,不易潤滑,故不適于高速場合。(3)平底從動件如圖4-5c所示,平底從動件端部制成較大的平底與凸輪輪廓接觸。平底從動件傳力性能好,凸輪與從動件之間為線接觸,承載能力較大;接觸處易形成油膜,潤滑狀況好,故多用于高速和載荷較大的凸輪機構中,但不能用于輪廓曲線內凹的凸輪機構中。3.按從動件的運動形式分無論凸輪與從動件形狀如何,從動件運動形式只有兩種:一種是作往復直線運動的直動從動件,如圖4-1、圖4-4所示;另外一種是作往復擺動的從動件,如圖4-3所示。4.按照凸輪與從動件維持高副接觸的方法分

為保證凸輪機構正常工作,必須保證凸輪輪廓與從動件始終保持接觸。根據(jù)維持高副接觸的方法不同,凸輪機構又可以分為以下兩類:(1)力封閉型凸輪機構力封閉型凸輪機構利用重力、彈簧的彈力或其他外力使從動件與凸輪輪廓始終保持接觸。(2)形封閉型凸輪機構形封閉型凸輪機構利用高副元素本身的幾何形狀使從動件與凸輪輪廓始終保持接觸。圖4-6所示為等寬凸輪機構,將凸輪嵌入從動件的框架中,以保持相互接觸,凸輪在運動中的寬度保持不變。圖4-6等寬凸輪機構1—凸輪2—從動件3—機架圖4-7所示為等徑凸輪機構,凸輪與從動件的兩個滾子始終保持接觸,并通過回轉中心的凸輪輪廓的徑向尺寸保持不變。圖4-7等徑凸輪機構1—凸輪2—從動件3—機架三、凸輪機構工作過程圖4-8a所示為尖端移動從動件盤形凸輪機構。以凸輪輪廓最小向徑rb為半徑所作的圓稱為基圓。從動件與基圓接觸時處于“最低”位置。圖4-8b所示為從動件運動規(guī)律線圖,橫坐標為凸輪轉角,縱坐標為從動件位移,清楚地表達了位移與轉角之間的對應關系。圖4-8凸輪機構工作原理(1)推程運動當從動件尖端與基圓A點接觸時,為從動件上升的起始位置;當凸輪以等角速度ω逆時針轉過δt角時,從動件尖端與凸輪輪廓AB段接觸,并按運動規(guī)律上升h至最高位置B',h稱為從動件的升程,這個過程稱為推程,δt稱為推程運動角。(2)遠休程凸輪轉過δs角時,從動件與凸輪輪廓BC段接觸,并在最高處靜止不動,這個過程為遠程休止過程,δs稱為遠程休止角。(3)回程運動當凸輪轉過δh角時,從動件尖端與凸輪輪廓上CA'接觸,從動件按某一運動規(guī)律下降h,這個過程為回程,δh稱為回程運動角。(4)近休程當凸輪轉過δ's時,從動件尖端與凸輪輪廓上A'A段接觸,從動件在最低處靜止不動,為近程休止過程,δ's稱為近程休止角。凸輪連續(xù)回轉時,從動桿重復上述升—?！怠５倪\動循環(huán)。由以上分析可知,從動件運動情況與凸輪輪廓曲線的形狀相對應。凸輪輪廓曲線不同,從動件運動情況也不同。因此,從動件的運動取決于凸輪外輪廓曲線的形狀。圖4-9所示為凸輪機構在發(fā)動機中的工作過程。圖4-9凸輪機構在發(fā)動機中的工作過程a)氣門關閉b)氣門正在開啟1—凸輪軸2—挺柱3—挺桿4—搖臂軸5—搖臂6—彈簧7—柱塞8—圓環(huán)9—氣門當凸輪在圖4-9a所示位置時,氣門處于關閉狀態(tài);當凸輪轉過一定角度時,凸輪外輪廓驅動挺柱2、挺桿3,使搖臂5繞搖臂軸4順時針轉動,推動氣門9,氣門正在開啟,如圖4-9b所示;凸輪的最外凸部分與挺柱接觸時,氣門全部開啟,如圖4-9c所示;凸輪繼續(xù)轉動,氣門逐漸關閉,如圖4-9d所示。凸輪在連續(xù)轉動中,氣門時開時閉,達到進氣、排氣所要求的程序。圖4-9凸輪機構在發(fā)動機中的工作過程(續(xù))c)氣門開啟d)氣門正在關閉四、凸輪的結構與安裝1.凸輪結構(1)凸輪軸凸輪尺寸較小時,凸輪與軸可制成一體,如圖4-10所示。圖4-10凸輪軸(2)整體式凸輪整體式凸輪用于尺寸無特殊要求的場合,如圖4-11所(3)組合式凸輪組合式凸輪用螺栓將凸輪和輪轂連成一體,可以方便地調整凸輪與從動件的起始位置,如圖4-12所示。圖4-12組合式凸輪圖4-11整體式凸輪(4)鑲塊式凸輪當從動件運動規(guī)律需經(jīng)常變換時,可采用不同輪廓的鑲塊,以適應工作情況的變換,如圖4-13所示。2.凸輪的安裝凸輪在軸上的安裝和固定,可采用鍵、銷聯(lián)接的方式,如圖4-14a、b所示;圖4-14c所示采用錐形套固定,這種固定方式,調整靈活,但傳遞轉矩不能過大。圖4-14凸輪的安裝a)鍵聯(lián)接b)銷聯(lián)接c)螺紋聯(lián)接第二節(jié)螺旋機構螺旋機構能將旋轉運動轉換為直線運動。螺旋傳動按螺旋副的摩擦性質不同,分為滑動螺旋(滑動摩擦)、滾動螺旋(滾動摩擦)和靜壓螺旋(靜壓摩擦)。一、滑動螺旋傳動類型及應用1.螺旋傳動類型螺旋機構由螺桿、螺母和機架組成。螺旋機構具有結構簡單、制造方便、工作平穩(wěn)、載荷較大、易于自鎖等優(yōu)點;缺點為磨損較快,傳動效率低?；瑒勇菪譃閱温菪碗p螺旋。

圖4-15單螺旋機構1—螺桿2—螺母3—機架

圖4-16雙螺旋機構1—螺桿2—螺母3—螺母(機架)

復式螺旋傳動中,當兩螺旋副旋向相同時,若LA與LB相差很小,則螺母2的位移L也必然很小;當兩螺旋副旋向相反時,則螺母2可實現(xiàn)快速移動。例4-1圖4-16所示為雙螺旋傳動簡圖。螺旋副A、B的螺紋都為右旋,導程分別為PhA=6mm、PhB=5mm。當手柄按圖示方向轉動φ=π時,求螺母2相對機架3的移動距離及方向。

2.螺旋傳動應用(1)傳力螺旋具有增力特性的螺旋機構稱為傳力螺旋。圖4-17所示為壓緊工件的手動螺旋壓力機,在螺桿上安裝了手輪,增加了螺旋副旋轉作用力臂的長度,即增加了螺旋副的傳力能力,從而使工件更可靠地被壓緊。螺旋千斤頂?shù)慕Y構與其相類似,螺桿的運動方向與之相反。(2)傳導螺旋用于轉換運動形式、傳遞運動的螺旋機構稱為傳導螺旋。傳導螺旋通常用于銑床、鉆床、刨床等工作臺升降機構中。圖4-18所示為車床絲杠(螺桿)傳動。絲杠2轉動,驅使刀架(螺母)1作縱向進給運動。圖4-18車床絲杠傳動1—刀架(螺母)

2—絲杠二、滾動螺旋機構滾動螺旋機構如圖4-19所示,當螺桿與螺母相對轉動時,滾動體(滾珠)在滾道內滾動,使螺桿與螺母間的滑動摩擦轉換成滾動摩擦,克服了滑動螺旋的缺點,但結構復雜,無自鎖性能,成本高。滾動螺旋機構廣泛用于數(shù)控機床的螺旋傳動、汽車的轉向等要求高效、高精度的機械中。滾動螺旋機構也稱為循環(huán)球式機構。圖4-19滾動螺旋機構a)外循環(huán)b)內循環(huán)圖4-20所示為汽車循環(huán)球式轉向器整體機構圖。在轉向器中,為了減少轉向螺桿4與轉向螺母之間的摩擦與磨損,螺桿和螺母不直接接觸,而是制成內、外凹形滾道,滾道內裝有許多滾珠,以實現(xiàn)滾動摩擦。圖4-20汽車循環(huán)球式轉向器整體機構圖1—下蓋2、6—墊片3—外殼4—轉向螺桿5—螺塞7—上蓋8—導管9—滾珠10—轉向搖臂如圖4-21所示,當轉動轉向盤時,轉向軸帶動轉向螺桿旋轉,通過滾珠將力傳給螺母,使轉向螺母沿軸向移動的同時,螺母上的齒條帶動了扇形齒輪轉動,驅使搖臂轉動,實現(xiàn)前車輪的轉向。圖4-21循環(huán)球式轉向器運動分析圖1—軸承2—轉向螺桿3—轉向螺母4