《汽車機(jī)械基礎(chǔ)》第18章

第18章間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)的應(yīng)用1實(shí)際應(yīng)用中，配氣機(jī)構(gòu)是依靠凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)氣門啟閉的，如圖18-1（a）所示。汽車的手剎可以防止車輛停在斜坡路面時由于溜車而造成事故，手剎的工作要求穩(wěn)定可靠，在實(shí)際中是依靠棘輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，如圖18-1（b）所示。凸輪機(jī)構(gòu)和棘輪機(jī)構(gòu)都屬于間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。（a）配氣機(jī)構(gòu)

（b）手剎機(jī)構(gòu)圖18-1間歇式機(jī)構(gòu)在汽車中的應(yīng)用能夠?qū)⒅鲃蛹倪B續(xù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為從動件周期性的運(yùn)動和停歇的機(jī)構(gòu)稱為間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。第18章間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)的應(yīng)用18.1凸輪傳動18.2棘輪傳動18.3槽輪傳動218.4不完全齒輪傳動簡介18.1凸輪傳動318.1.1凸輪傳動概述凸輪機(jī)構(gòu)主要由凸輪、從動桿和機(jī)架組成。其中，凸輪是具有特定曲線或曲面輪廓形狀的構(gòu)件，通常作為主動件，與從動桿組成高副。凸輪機(jī)構(gòu)主要利用連續(xù)等速轉(zhuǎn)動的凸輪帶動從動桿完成各種復(fù)雜規(guī)律的移動或擺動。與平面連桿機(jī)構(gòu)相比，凸輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，設(shè)計方便，工作可靠等特點(diǎn)；同時，只要設(shè)計出合適的凸輪輪廓形狀，從動桿即可進(jìn)行任意預(yù)期的間歇式運(yùn)動。1．凸輪機(jī)構(gòu)的組成圖18-2凸輪機(jī)構(gòu)的組成2．凸輪機(jī)構(gòu)的類型4按照幾何形狀不同，凸輪可分為盤形凸輪、移動凸輪和圓柱凸輪，如圖18-3所示。（1）按凸輪形狀分類（2）按從動件形狀分類按照幾何形狀的不同，從動件可分為尖頂從動件、滾子從動件和平底從動件，如圖18-4所示。（a）盤形凸輪（b）移動凸輪（c）圓柱凸輪圖18-3不同形狀的凸輪（a）（b）（c）圖18-4不同形狀的從動件3．凸輪傳動的應(yīng)用凸輪傳動在自動化、半自動化機(jī)械中具有廣泛的應(yīng)用。圖18-5所示為發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)。凸輪由曲軸帶動做勻速轉(zhuǎn)動時，推動從動件（氣門桿）按預(yù)期的規(guī)律運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)氣門的正確開啟和關(guān)閉。5圖18-5發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)18.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程圖18-6（a）所示為凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程。從動件處于圖中位置A時，離凸輪圓心O的距離最近，凸輪的轉(zhuǎn)角為0°，該位置稱為起始位置。以凸輪輪廓最小向徑，即OA為半徑的圓稱為凸輪的基圓，其半徑用rb表示。從動件從離凸輪圓心O最近位置A到最遠(yuǎn)位置之間的距離稱為升程，用符號h表示。61．推程圖18-6（a）所示的凸輪以等角速度按逆時針方向轉(zhuǎn)動角度時，從動件按一定規(guī)律由位置A移動到位置B，這一過程稱為推程。凸輪轉(zhuǎn)過的角度稱為推程運(yùn)動角。圖18-6凸輪的工作過程（a）18.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程72．遠(yuǎn)停程凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過角度時，從動件與凸輪的BC圓弧段接觸并停在離凸輪圓心O最遠(yuǎn)的位置，該過程稱為遠(yuǎn)停程。凸輪轉(zhuǎn)過的角度稱為遠(yuǎn)休止角。3．回程凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過角度時，由于凸輪CD段的輪廓向徑逐漸變小，從動件在重力或彈簧力的作用下，以一定的規(guī)律從位置返回位置A，該過程稱為回程。凸輪轉(zhuǎn)過的角度稱為回程運(yùn)動角。18.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程84．近停程凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過角度，在DA段從動件一直停在離凸輪軸圓心O最近的位置A，該過程稱為近停程。凸輪轉(zhuǎn)過的角度稱為近休止角。為形象直觀地表示從動件的運(yùn)動過程，以從動件的位移s、速度v、加速度a等參數(shù)作為縱坐標(biāo)，以凸輪轉(zhuǎn)過的角度作為橫坐標(biāo)，即可繪制凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動線圖。圖18-6（b）所示為從動件的位移線圖。圖18-6凸輪的工作過程（b）18.1.3從動件的運(yùn)動規(guī)律91．等速運(yùn)動規(guī)律等速運(yùn)動是指當(dāng)凸輪勻速轉(zhuǎn)動時，從動件在推程或回程的運(yùn)動速度保持不變，運(yùn)動曲線如圖18-7所示。其中，位移線圖（）為斜直線，速度線圖（）為水平直線，加速度線圖（）為零。根據(jù)符合等速運(yùn)動規(guī)律從動件的運(yùn)動線圖可知，在推程的開始點(diǎn)和回程的結(jié)束點(diǎn)，從動件的速度發(fā)生突變，加速度為無窮大，由此產(chǎn)生的沖擊力也趨于無窮大，導(dǎo)致凸輪機(jī)構(gòu)受到強(qiáng)烈的沖擊，稱為剛性沖擊。（a）（b）（c）圖18-7等速運(yùn)動規(guī)律2．等加速運(yùn)動和等減速運(yùn)動規(guī)律等加速運(yùn)動和等減速運(yùn)動規(guī)律是指從動件在推程過程中，前半程做等加速運(yùn)動，后半程做等減速運(yùn)動，且兩段的加速度絕對值相等。從動件做等加速運(yùn)動和等減速運(yùn)動時的運(yùn)動線圖如圖18-8所示。10（a）

（b）

（c）圖18-8等加速和等減速運(yùn)動規(guī)律由運(yùn)動線圖可知，從動件在等加速運(yùn)動和等減速運(yùn)動過程中，O，A，B三處的速度發(fā)生有限突變，由此產(chǎn)生的加速度突變也是有限值，凸輪機(jī)構(gòu)因此受到的沖擊稱為柔性沖擊。18.1.4壓力角對傳動機(jī)構(gòu)的影響凸輪機(jī)構(gòu)工作時，凸輪作用于從動件上的法向力方向與從動件的運(yùn)動方向之間所夾銳角稱為凸輪機(jī)構(gòu)在該點(diǎn)的壓力角，用符號表示，如圖18-9所示。壓力角越大，垂直于從動桿的有害分力就越大，凸輪機(jī)構(gòu)的傳動效率就越低。當(dāng)壓力角達(dá)到一定值時，凸輪機(jī)構(gòu)將出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象。因此，壓力角是衡量凸輪機(jī)構(gòu)傳動性能的重要參數(shù)。11圖18-9凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角18.1.5凸輪及滾子的材料選擇低速、中小載荷等一般場合，凸輪常采用45鋼或40Cr，并進(jìn)行表面淬火，表面硬度為40～50HRC。需要承受較大沖擊載荷的場合，凸輪可采用15鋼、20Cr或20CrMnTi，并進(jìn)行滲碳淬火，表面硬度為56～62HRC。對于尺寸較大的凸輪，可采用耐磨鑄鐵。12滾子材料一般采用20Cr，并進(jìn)行滲碳淬火，表面硬度為56～62HRC。要求不高的場合，可采用滾動軸承作為滾子。18.2棘輪傳動1318.2.1棘輪機(jī)構(gòu)的組成和工作原理棘輪機(jī)構(gòu)主要由棘輪、主動棘爪、搖桿、制動棘爪、彈簧及機(jī)架等組成，如圖18-10所示。搖桿通常空套在棘輪軸上，可繞棘輪軸線相對棘輪轉(zhuǎn)動。主動棘爪與搖桿之間、制動棘爪與機(jī)架之間均用轉(zhuǎn)動副連接，彈簧用來保證棘爪與棘輪嚙合。棘輪機(jī)構(gòu)主要將連續(xù)轉(zhuǎn)動或往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成單向間歇運(yùn)動。1．棘輪機(jī)構(gòu)的組成1—棘輪；2—主動棘爪；3—搖桿；4—制動棘爪；5—彈簧圖18-10棘輪機(jī)構(gòu)的組成2．棘輪機(jī)構(gòu)的工作原理圖18-10所示的棘輪機(jī)構(gòu)中，當(dāng)搖桿逆時針擺動時，主動棘爪插入棘輪的齒槽中，并推動棘輪轉(zhuǎn)過一定角度，而制動棘爪則在棘輪齒上滑過；當(dāng)搖桿順時針運(yùn)動時，主動棘爪可在棘輪的齒上滑過，但制動棘爪由于插入棘輪齒槽中，將阻止棘輪順時針轉(zhuǎn)動，從而使棘輪保持靜止。因此，搖桿做連續(xù)往復(fù)擺動時，棘輪將做單向間歇轉(zhuǎn)動。1418.2.2棘輪機(jī)構(gòu)的類型和特點(diǎn)151．棘輪機(jī)構(gòu)的類型棘輪機(jī)構(gòu)的類型很多，根據(jù)制動原理不同，棘輪機(jī)構(gòu)可分為齒嚙合式棘輪機(jī)構(gòu)和摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)。其中，齒嚙合式棘輪機(jī)構(gòu)根據(jù)棘爪位置的不同，又可分為外接棘輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)接棘輪機(jī)構(gòu)和棘條機(jī)構(gòu)，如圖18-11所示；摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)可分為外摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)和滾子內(nèi)接摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)，如圖18-12所示。（a）外接棘輪機(jī)構(gòu)（b）內(nèi)接棘輪機(jī)構(gòu)（c）棘條機(jī)構(gòu)圖18-11齒嚙合式棘輪機(jī)構(gòu)（a）外摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)（b）內(nèi)摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)（c）滾子內(nèi)接摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)圖18-12摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)18.2.2棘輪機(jī)構(gòu)的類型和特點(diǎn)161．棘輪機(jī)構(gòu)的類型根據(jù)棘輪運(yùn)動形式的不同，棘輪機(jī)構(gòu)又可分為以下三種：①單動式棘輪機(jī)構(gòu)：如圖18-10所示，該棘輪機(jī)構(gòu)中只有一個主動棘爪，當(dāng)搖桿往復(fù)擺動一次時，棘輪只能間歇地轉(zhuǎn)過一個角度。②雙動式棘輪機(jī)構(gòu)：如圖18-13所示，該棘輪機(jī)構(gòu)中裝有兩個主動棘爪，當(dāng)搖桿往復(fù)擺動一次時，兩個主動棘爪分別撥動一次棘輪，使棘輪沿同一個方向間歇地轉(zhuǎn)動兩次。③可變向式棘輪機(jī)構(gòu)：棘輪輪齒為方形。（a）勾頭形棘爪（b）直頭形棘爪圖18-13雙動式棘輪機(jī)構(gòu)（a）（b）圖18-14可變向式棘輪機(jī)構(gòu)2．棘輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)齒嚙合式棘輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，棘輪和棘爪制造方便，運(yùn)動可靠等優(yōu)點(diǎn)，但棘爪在棘輪輪齒表面滑過時會引起較大的噪聲，且容易造成機(jī)構(gòu)的磨損，故齒形棘輪機(jī)構(gòu)多用于低速輕載的間歇運(yùn)動場合。摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)具有噪聲小、運(yùn)動平穩(wěn)、從動件轉(zhuǎn)角無級調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，但工作時容易打滑，故摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)不適用于精確傳動的間歇運(yùn)動場合。1718.2.3棘輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用圖18-1（b）所示為應(yīng)用有棘輪機(jī)構(gòu)的汽車手剎手柄。拉動手柄時，手柄帶動拉線使得后輪的卡鉗或指定蹄片鎖緊制動盤，實(shí)現(xiàn)剎車，而棘爪卡住棘輪使得手柄固定在相應(yīng)的位置不動；需要解除制動時，先按下按鈕使棘爪張開，并與棘輪脫離，即可輕易地放下手柄。18圖18-15所示為汽車修理中常用的起重機(jī)防逆轉(zhuǎn)棘輪機(jī)構(gòu)，棘爪與棘輪的嚙合能使被提升的重物停留在任意所需位置，并防止由于卷筒突然失去動力而造成的重物下落。圖18-15起重機(jī)防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)18.3槽輪傳動1918.3.1槽輪機(jī)構(gòu)的組成和工作原理槽輪機(jī)構(gòu)主要由帶有圓銷A的主動撥盤、具有若干徑向槽的槽輪和機(jī)架組成，如圖18-16所示。主動撥盤在勻速轉(zhuǎn)動時將帶動槽輪做時轉(zhuǎn)時停的間歇式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。1．槽輪機(jī)構(gòu)的組成圖18-16槽輪機(jī)構(gòu)2．槽輪的工作原理當(dāng)撥盤上的圓銷A未進(jìn)入徑向槽時，撥盤的鎖止弧與槽輪的鎖止弧重合，槽輪被鎖住不動；當(dāng)撥盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動使圓銷A進(jìn)入徑向槽時，槽輪在圓銷A的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動；撥盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動，圓銷A轉(zhuǎn)出徑向槽，鎖止弧再次與槽輪的鎖止弧重合，槽輪又被鎖住不動。故撥盤勻速轉(zhuǎn)動時，槽輪重復(fù)上述過程，做間歇轉(zhuǎn)動。圖18-16所示的槽輪機(jī)構(gòu)中，撥盤轉(zhuǎn)動一圈，槽輪轉(zhuǎn)動1/4圈。2018.3.2槽輪機(jī)構(gòu)的類型及應(yīng)用211．槽輪機(jī)構(gòu)的分類根據(jù)圓銷與槽輪嚙合位置的不同，槽輪機(jī)構(gòu)可分為外槽輪機(jī)構(gòu)和內(nèi)槽輪機(jī)構(gòu)兩種。圖18-17（a），（b）所示為外槽輪機(jī)構(gòu)，撥盤與槽輪的轉(zhuǎn)向相反；圖18-17（c）所示為內(nèi)槽輪機(jī)構(gòu)，撥盤與槽輪的轉(zhuǎn)向相同，內(nèi)槽輪停歇的時間比較短，機(jī)構(gòu)所占空間較少。撥盤上圓銷的個數(shù)取決于工作要求，圖18-7（b）所示的外槽輪機(jī)構(gòu)中，撥盤有2個圓銷，槽輪有6個徑向槽，則撥盤轉(zhuǎn)動一圈時，槽輪將轉(zhuǎn)動1/3圈。

（a）（b）（c）圖18-17槽輪機(jī)構(gòu)2．槽輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用槽輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動可靠、機(jī)械效率高等特點(diǎn)，但圓銷與槽輪徑向槽之間的配合要求較高的精度，且圓銷在進(jìn)入徑向槽時有較大的沖擊力，因此槽輪機(jī)構(gòu)常用于低速、定轉(zhuǎn)角的間歇運(yùn)動場合。22現(xiàn)代化的汽車零部件生產(chǎn)線中，數(shù)控加工中心是必不可少的生產(chǎn)設(shè)備，圖18-18所示為數(shù)控加工中心換刀機(jī)構(gòu)的示意圖，槽輪與刀架同軸，刀架上安裝有4把不同的刀具。撥盤每轉(zhuǎn)動一圈，槽輪轉(zhuǎn)動1/4圈并帶動刀具轉(zhuǎn)動90°，即可實(shí)現(xiàn)一次換刀動作。圖18-18數(shù)控加工中心換刀機(jī)構(gòu)18.4不完全齒輪傳動簡介不完全齒輪機(jī)構(gòu)是由普通漸開線齒輪傳動機(jī)構(gòu)演變而來的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。不完全齒輪與普通漸開線齒輪的區(qū)別在于齒輪圓周只有一部分齒，剩下部分為外凸鎖止弧，如圖18-19所示。其中，圖18-19（a）所示為外嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)，圖18-19（b）為內(nèi)嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)。23（a）

（b）1—主動輪；2—從動輪圖18-19不完全齒輪機(jī)構(gòu)18.4不完全齒輪傳動簡介24圖18-19（a）所示的不完全齒輪機(jī)構(gòu)中，主動輪1