模塊5凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)

1、模塊模塊5 5 凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)v學(xué)習(xí)情境1 凸輪機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用 v學(xué)習(xí)情境2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律v學(xué)習(xí)情境3 凸輪輪廓設(shè)計(jì)分析 v學(xué)習(xí)情境4 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 v學(xué)習(xí)情境5 其他常用齒輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介v【知識(shí)目標(biāo)】【知識(shí)目標(biāo)】v認(rèn)知凸輪機(jī)構(gòu)的類型與應(yīng)用；認(rèn)知凸輪機(jī)構(gòu)的類型與應(yīng)用；v理解凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，了解這些規(guī)律在理解凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，了解這些規(guī)律在工程實(shí)際中的應(yīng)用；工程實(shí)際中的應(yīng)用；v掌握凸輪輪廓設(shè)計(jì)的基本原理與方法；掌握凸輪輪廓設(shè)計(jì)的基本原理與方法；v了解齒輪機(jī)構(gòu)的類型與應(yīng)用，掌握漸開(kāi)線齒了解齒輪機(jī)構(gòu)的類型與應(yīng)用，掌握漸開(kāi)線齒廓分析方法和齒輪尺寸的計(jì)算。廓分析方法和齒

2、輪尺寸的計(jì)算。模塊模塊5 5 凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)v【技能目標(biāo)】【技能目標(biāo)】v根據(jù)機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，選擇凸輪機(jī)構(gòu)的類型；v設(shè)計(jì)凸輪的輪廓機(jī)構(gòu)，分析其能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)特性；v根據(jù)使用要求選用齒輪機(jī)構(gòu)的類型，并能設(shè)計(jì)選擇標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的主要參數(shù)。模塊模塊5 5 凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)v凸輪機(jī)構(gòu)是由具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通過(guò)高副接觸帶動(dòng)從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種高副機(jī)構(gòu)。如圖5-1（a）、圖5-1(b )所示。 模塊模塊5 5 凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)情境1 凸輪機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用5.1.1凸輪機(jī)構(gòu)的組成與應(yīng)用v凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動(dòng)件、機(jī)架三個(gè)基本構(gòu)件

3、及鎖合裝置組成。由于凸輪機(jī)構(gòu)具有多用性和靈活性，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)械、儀器、操縱控制裝置和自動(dòng)生產(chǎn)線中，是自動(dòng)化生產(chǎn)中主要的驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)。如圖5-2所示為內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)。v5.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的類型v1.按凸輪形狀分類按凸輪形狀分類 1) 盤形凸輪。如圖5-2所示的構(gòu)件1。 2) 移動(dòng)凸輪。如圖5-3所示。 3) 圓柱凸輪。如圖5-1（a）中的構(gòu)件1。v5.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的類型v2.按從動(dòng)件末端形狀分類按從動(dòng)件末端形狀分類 1）尖頂從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。如圖5-4(a)所示 2）滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。如圖5-4（b）所示 3）平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。如圖5-4（c）所示 4）球面底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。如

4、圖5-4（d）所示 v5.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的類型v2.按從動(dòng)件末端形狀分類按從動(dòng)件末端形狀分類 作往復(fù)擺動(dòng)的從動(dòng)件稱為擺動(dòng)從動(dòng)件, 如圖5-5所示。偏置直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)如圖5-6所示。 5.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的類型v3.按鎖合形式分類按鎖合形式分類 1) 力鎖合凸輪機(jī)構(gòu)。是指靠重力、 彈簧力或其他外力使從動(dòng)件與凸輪始終保持接觸的凸輪機(jī)構(gòu)。 如圖5-2所示, 它是依靠彈簧力來(lái)維持高副接觸的例子。 2) 形鎖合凸輪機(jī)構(gòu)。是指利用高副元素本身的幾何形狀使從動(dòng)件與凸輪始終保持接觸的凸輪機(jī)構(gòu), 如圖5-1（a）所示凸輪機(jī)構(gòu)。 學(xué)習(xí)情境2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律5.2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程v 如圖5-7(b

5、)是對(duì)心尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖5-7(a)所示。5.2.2 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律v 從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)速度v為常數(shù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖5-8所示。 5.2.2 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律v等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于低速、輕載的凸輪機(jī)構(gòu)， 如圖5-9所示的自動(dòng)機(jī)床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)等。 5.2.3等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律v是指從動(dòng)件在一個(gè)行程中，前半行程作等加速運(yùn)動(dòng)，后半行程作等減速運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。運(yùn)動(dòng)線圖如圖5-10所示。 5.2.4余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律v是指從動(dòng)件加速度按余弦規(guī)律變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)線圖如圖5-11所示。 5.2.5 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇v常用從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性比較見(jiàn)表5-

6、1， 供選擇時(shí)參考。學(xué)習(xí)情境3 凸輪輪廓設(shè)計(jì)分析5.3.1 盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)的基本原理v如圖5-12所示為對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)， 設(shè)凸輪的輪廓曲線已按給定的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出來(lái)。 5.3.2從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)v1.尖頂對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)尖頂對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)5.3.2從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)v2.對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu) 5.3.2從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)v3.平底從動(dòng)件平底從動(dòng)件 平底從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)方法與上述方法相似。如圖5-15所示 5.3.3凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 v1.凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角凸輪機(jī)構(gòu)的壓

7、力角 用量角器檢查其夾角是否超過(guò)許用值，如圖5-17所示。 5.3.3凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 v2.凸輪基圓半徑的確定凸輪基圓半徑的確定v設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí), 基圓半徑選得越小, 機(jī)構(gòu)越緊湊。 但基圓半徑的減小會(huì)使壓力角增大。基圓半徑的確定應(yīng)滿足最大壓力角max的要求。 v3.滾子半徑的選擇滾子半徑的選擇v為保證滾子及轉(zhuǎn)動(dòng)軸有足夠的強(qiáng)度和壽命, 應(yīng)選用較大的滾子半徑rT, 然而滾子半徑rT的增大受到理論輪廓曲線上最小曲率半徑min的制約, 如圖5-19所示。 5.3.3凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 v4.凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料v1）結(jié)構(gòu)v對(duì)于較小尺寸的凸輪，常制成凸輪軸

8、結(jié)構(gòu)，如圖5-20所示。 基圓較大的凸輪如圖5-21所示。5.3.3凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 v4.凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料v1）結(jié)構(gòu)v滾子從動(dòng)件的滾子可以是專門制造的圓柱體，如圖522(a)、(b)所示；也可采用滾動(dòng)軸承，如圖5-22(c)所示。 5.3.3凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 v4.凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料 1）2.材料學(xué)習(xí)情境4 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析5.4.1 齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與類型v1.齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)v主要優(yōu)點(diǎn)有：能保證瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，i=1/2（主動(dòng)輪角速度1與從動(dòng)輪角速2之比）； 傳遞的功率和圓周速度范圍廣（功率可達(dá)105

9、kW， 速度可達(dá)300 m/s）；能實(shí)現(xiàn)兩軸平行、相交和交錯(cuò)的傳動(dòng)；效率較高（一般可達(dá)0.950.99）；工作可靠，壽命長(zhǎng)。v主要缺點(diǎn)是：制造和安裝精度要求高，故制造成本較高；不適用于遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)，低精度的齒輪會(huì)產(chǎn)生有害的沖擊、噪聲和振動(dòng)。 5.4.1 齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與類型v2.齒輪機(jī)構(gòu)的類型齒輪機(jī)構(gòu)的類型v齒輪機(jī)構(gòu)的類型很多，可按不同的條件加以分類。v1）根據(jù)兩齒輪軸線的相互位置分類v兩軸線平行：直齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)（圖5-23(a)），斜齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)（圖5-23(b)）, 人字齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)（圖5-23(c)）；兩軸線相交：直齒圓錐齒輪機(jī)構(gòu)（圖5-23（f），斜齒圓錐齒輪機(jī)構(gòu)；兩軸線相錯(cuò)：螺

10、旋齒輪機(jī)構(gòu)（圖5-23（g），蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)（圖5-23（h）。 5.4.1 齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與類型v2.齒輪機(jī)構(gòu)的類型齒輪機(jī)構(gòu)的類型v齒輪機(jī)構(gòu)的類型很多，可按不同的條件加以分類。v2） 根據(jù)兩齒輪嚙合方式分類v外嚙合齒輪機(jī)構(gòu)（圖5-23（a）、內(nèi)嚙合齒輪機(jī)構(gòu)（圖5-23（d）、齒輪齒條機(jī)構(gòu)（圖5-23（e）。 v 3） 根據(jù)齒輪齒廓曲線的形狀分為：漸開(kāi)線齒輪機(jī)構(gòu)、擺線齒輪機(jī)構(gòu)、圓弧齒輪機(jī)構(gòu)。 v 4） 根據(jù)工作條件分為：閉式傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)、開(kāi)式傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)。 5.4.2 漸開(kāi)線齒廓分析v1.齒廓嚙合的基本定律齒廓嚙合的基本定律v齒輪機(jī)構(gòu)是高副機(jī)構(gòu)，一對(duì)齒輪的傳動(dòng)是通過(guò)主動(dòng)輪齒廓與從動(dòng)輪齒廓依次嚙合

11、實(shí)現(xiàn)的。為保證齒輪傳動(dòng)準(zhǔn)確平穩(wěn)，其瞬時(shí)傳動(dòng)比應(yīng)保持恒定不變。 v如圖5-24所示，傳動(dòng)比計(jì)算公式為12122112/rrCOCOi5.4.2 漸開(kāi)線齒廓分析v2.漸開(kāi)線齒輪齒廓的形成漸開(kāi)線齒輪齒廓的形成v設(shè)在半徑為rb的圓上有一直線L與其相切，如圖5-25所示，當(dāng)直線L沿圓周作純滾動(dòng)時(shí)，直線上一點(diǎn)K的軌跡為該圓的漸開(kāi)線。 5.4.2 漸開(kāi)線齒廓分析v3.漸開(kāi)線齒輪各部分漸開(kāi)線齒輪各部分的名稱的名稱v圖5-26所示為標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的一部分，其各部分名稱和符號(hào) 5.4.2 漸開(kāi)線齒廓分析v4.漸開(kāi)線圓柱直齒齒輪的基本參數(shù)v1) 齒數(shù)齒輪整個(gè)圓周上輪齒的總數(shù), 用z表示。 v2) 模數(shù)規(guī)定分度圓上

12、的齒距p對(duì)的比值為標(biāo)準(zhǔn)值(整數(shù)或有理數(shù))稱為模數(shù), 用m表示, 即v齒輪的模數(shù)在我國(guó)已標(biāo)準(zhǔn)化， 表5-3為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列。 pm 5.4.2 漸開(kāi)線齒廓分析v4.漸開(kāi)線圓柱直齒齒輪的基本參數(shù)v3) 壓力角v 如圖5-27所示，在漸開(kāi)線上不同點(diǎn)K1、K2、K的壓力角各不相同，接近基圓的漸開(kāi)線上壓力角小，遠(yuǎn)離基圓的漸開(kāi)線上壓力角大。v 為了便于設(shè)計(jì)、制造和維修，規(guī)定分度圓上的壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值，我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)壓力角=20。分度圓的壓力角的計(jì)算公式為rrbcos5.4.2 漸開(kāi)線齒廓分析v4.漸開(kāi)線圓柱直齒齒輪的基本參數(shù)v4) 齒頂高系數(shù)h*a和頂隙系數(shù)c*v 標(biāo)準(zhǔn)齒輪的尺寸與模數(shù)成正比， 即v h

13、a=h*amv hf=ha+c*m=(h*a+c*)mv h=ha+hf=(2h*a+c*)mv 式中，h*a齒頂高系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：正常齒制h*a=1, 短齒h*a=0.8； c*頂隙系數(shù)， 正常齒制c*=0.25， 短齒c*=0.3。5.4.2 漸開(kāi)線齒廓分析v5.標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的幾何尺寸的計(jì)算公式標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的幾何尺寸的計(jì)算公式5.4.2 漸開(kāi)線齒廓分析v6.漸開(kāi)線齒廓的嚙合特性漸開(kāi)線齒廓的嚙合特性v1) 傳動(dòng)比恒定不變 v2) 中心距可分性v3）嚙合角不變v4）一對(duì)漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)齒輪要正確嚙合，必須滿足一定的條件。v5） 重合度(一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒輪連續(xù)傳動(dòng)的條件)。重合度表示了同時(shí)接觸

14、的輪齒對(duì)數(shù)，愈大，傳動(dòng)愈平穩(wěn)。 2121mmm5.4.2 漸開(kāi)線齒廓分析v6.漸開(kāi)線齒廓的嚙合特性漸開(kāi)線齒廓的嚙合特性v6）標(biāo)準(zhǔn)安裝條件：一對(duì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，一齒輪節(jié)圓上的齒厚之差稱為齒側(cè)間隙。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，正確安裝的齒輪應(yīng)無(wú)齒側(cè)間隙。一對(duì)相互嚙合的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其模數(shù)相等，故兩輪分度圓上的齒厚和齒槽寬相等，因此，當(dāng)分度圓與節(jié)圓重合時(shí)，可滿足無(wú)齒側(cè)間隙的條件。這種安裝稱為標(biāo)準(zhǔn)安裝。標(biāo)準(zhǔn)安裝時(shí)的中心距稱為標(biāo)準(zhǔn)中心距為a = m (z1+z2 ) / 2。5.4.3漸開(kāi)線齒形的切齒原理與根切v1 漸開(kāi)線齒形的切齒原理漸開(kāi)線齒形的切齒原理v1）仿形法v仿形法是利用成形刀具的軸面齒形與漸開(kāi)線齒槽形狀一致的特點(diǎn), 直接在輪坯上加工出齒形。 常用的成形刀具有盤狀銑刀(見(jiàn)圖5-28(a)和指狀銑刀(見(jiàn)圖5-28(b)兩種。 5.4.3漸開(kāi)線齒形的切齒原理與根切v1 漸開(kāi)線齒形的切齒原理漸開(kāi)線齒形的切齒原理v2）范成法v常用的范成法成形加工有插齒和滾齒等。 如圖5-29和圖5-30所示。 5.4.3漸開(kāi)線齒形的切齒原理與根切v2.漸開(kāi)線齒形的根切漸開(kāi)線齒形的根切v齒輪加工時(shí)根部被切除的現(xiàn)象稱為根切，如圖5-31所示。范成法切制的標(biāo)準(zhǔn)齒輪受根切限制，直齒圓柱齒輪不發(fā)生根切的最少齒數(shù)z=17。所以制造齒輪時(shí)最少齒數(shù)是17。學(xué)習(xí)情境5 其他常用齒輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介5.5.1斜齒圓柱齒