《汽車(chē)機(jī)械基礎(chǔ)》第18章

第18章間歇運(yùn)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)氣門(mén)啟閉的，如圖18-1（a）所示。汽車(chē)的手剎可以防止車(chē)輛停在斜坡路面時(shí)由于溜車(chē)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(lái)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(dòng)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(chē)中的應(yīng)用能夠?qū)⒅鲃?dòng)件的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)件周期性的運(yùn)動(dòng)和停歇的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。第18章間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用18.1凸輪傳動(dòng)18.2棘輪傳動(dòng)18.3槽輪傳動(dòng)218.4不完全齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)介18.1凸輪傳動(dòng)318.1.1凸輪傳動(dòng)概述凸輪機(jī)構(gòu)主要由凸輪、從動(dòng)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(dòng)件，與從動(dòng)桿組成高副。凸輪機(jī)構(gòu)主要利用連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)的凸輪帶動(dòng)從動(dòng)桿完成各種復(fù)雜規(guī)律的移動(dòng)或擺動(dòng)。與平面連桿機(jī)構(gòu)相比，凸輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，設(shè)計(jì)方便，工作可靠等特點(diǎn)；同時(shí)，只要設(shè)計(jì)出合適的凸輪輪廓形狀，從動(dòng)桿即可進(jìn)行任意預(yù)期的間歇式運(yùn)動(dòng)。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(lèi)型4按照幾何形狀不同，凸輪可分為盤(pán)形凸輪、移動(dòng)凸輪和圓柱凸輪，如圖18-3所示。（1）按凸輪形狀分類(lèi)（2）按從動(dòng)件形狀分類(lèi)按照幾何形狀的不同，從動(dòng)件可分為尖頂從動(dòng)件、滾子從動(dòng)件和平底從動(dòng)件，如圖18-4所示。（a）盤(pán)形凸輪（b）移動(dòng)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(dòng)件3．凸輪傳動(dòng)的應(yīng)用凸輪傳動(dòng)在自動(dòng)化、半自動(dòng)化機(jī)械中具有廣泛的應(yīng)用。圖18-5所示為發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)。凸輪由曲軸帶動(dòng)做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)從動(dòng)件（氣門(mén)桿）按預(yù)期的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣門(mén)的正確開(kāi)啟和關(guān)閉。5圖18-5發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)18.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程圖18-6（a）所示為凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程。從動(dòng)件處于圖中位置A時(shí)，離凸輪圓心O的距離最近，凸輪的轉(zhuǎn)角為0°，該位置稱(chēng)為起始位置。以凸輪輪廓最小向徑，即OA為半徑的圓稱(chēng)為凸輪的基圓，其半徑用rb表示。從動(dòng)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(chēng)為升程，用符號(hào)h表示。61．推程圖18-6（a）所示的凸輪以等角速度按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，從動(dòng)件按一定規(guī)律由位置A移動(dòng)到位置B，這一過(guò)程稱(chēng)為推程。凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為推程運(yùn)動(dòng)角。圖18-6凸輪的工作過(guò)程（a）18.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程72．遠(yuǎn)停程凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)，從動(dòng)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(guò)程稱(chēng)為遠(yuǎn)停程。凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為遠(yuǎn)休止角。3．回程凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)，由于凸輪CD段的輪廓向徑逐漸變小，從動(dòng)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(guò)程稱(chēng)為回程。凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為回程運(yùn)動(dòng)角。18.1.2凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程84．近停程凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)角度，在DA段從動(dòng)件一直停在離凸輪軸圓心O最近的位置A，該過(guò)程稱(chēng)為近停程。凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為近休止角。為形象直觀地表示從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以從動(dòng)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(guò)的角度作為橫坐標(biāo)，即可繪制凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)線圖。圖18-6（b）所示為從動(dòng)件的位移線圖。圖18-6凸輪的工作過(guò)程（b）18.1.3從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律91．等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律等速運(yùn)動(dòng)是指當(dāng)凸輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件在推程或回程的運(yùn)動(dòng)速度保持不變，運(yùn)動(dòng)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(dòng)規(guī)律從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)線圖可知，在推程的開(kāi)始點(diǎn)和回程的結(jié)束點(diǎn)，從動(dòng)件的速度發(fā)生突變，加速度為無(wú)窮大，由此產(chǎn)生的沖擊力也趨于無(wú)窮大，導(dǎo)致凸輪機(jī)構(gòu)受到強(qiáng)烈的沖擊，稱(chēng)為剛性沖擊。（a）（b）（c）圖18-7等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律2．等加速運(yùn)動(dòng)和等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律等加速運(yùn)動(dòng)和等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指從動(dòng)件在推程過(guò)程中，前半程做等加速運(yùn)動(dòng)，后半程做等減速運(yùn)動(dòng)，且兩段的加速度絕對(duì)值相等。從動(dòng)件做等加速運(yùn)動(dòng)和等減速運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)規(guī)律由運(yùn)動(dòng)線圖可知，從動(dòng)件在等加速運(yùn)動(dòng)和等減速運(yùn)動(dòng)過(guò)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(chēng)為柔性沖擊。18.1.4壓力角對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，凸輪作用于從動(dòng)件上的法向力方向與從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向之間所夾銳角稱(chēng)為凸輪機(jī)構(gòu)在該點(diǎn)的壓力角，用符號(hào)表示，如圖18-9所示。壓力角越大，垂直于從動(dòng)桿的有害分力就越大，凸輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率就越低。當(dāng)壓力角達(dá)到一定值時(shí)，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(dòng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)合，可采用滾動(dòng)軸承作為滾子。18.2棘輪傳動(dòng)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(dòng)棘爪、搖桿、制動(dòng)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(duì)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)棘爪與搖桿之間、制動(dòng)棘爪與機(jī)架之間均用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，彈簧用來(lái)保證棘爪與棘輪嚙合。棘輪機(jī)構(gòu)主要將連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成單向間歇運(yùn)動(dòng)。1．棘輪機(jī)構(gòu)的組成1—棘輪；2—主動(dòng)棘爪；3—搖桿；4—制動(dòng)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(shí)針擺動(dòng)時(shí)，主動(dòng)棘爪插入棘輪的齒槽中，并推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，而制動(dòng)棘爪則在棘輪齒上滑過(guò)；當(dāng)搖桿順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)棘爪可在棘輪的齒上滑過(guò)，但制動(dòng)棘爪由于插入棘輪齒槽中，將阻止棘輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使棘輪保持靜止。因此，搖桿做連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，棘輪將做單向間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。1418.2.2棘輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型和特點(diǎn)151．棘輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型棘輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型很多，根據(jù)制動(dòng)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(lèi)型和特點(diǎn)161．棘輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型根據(jù)棘輪運(yùn)動(dòng)形式的不同，棘輪機(jī)構(gòu)又可分為以下三種：①單動(dòng)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(gè)主動(dòng)棘爪，當(dāng)搖桿往復(fù)擺動(dòng)一次時(shí)，棘輪只能間歇地轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度。②雙動(dòng)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(gè)主動(dòng)棘爪，當(dāng)搖桿往復(fù)擺動(dòng)一次時(shí)，兩個(gè)主動(dòng)棘爪分別撥動(dòng)一次棘輪，使棘輪沿同一個(gè)方向間歇地轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單，棘輪和棘爪制造方便，運(yùn)動(dòng)可靠等優(yōu)點(diǎn)，但棘爪在棘輪輪齒表面滑過(guò)時(shí)會(huì)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(dòng)場(chǎng)合。摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)具有噪聲小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、從動(dòng)件轉(zhuǎn)角無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，但工作時(shí)容易打滑，故摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)不適用于精確傳動(dòng)的間歇運(yùn)動(dòng)場(chǎng)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(chē)手剎手柄。拉動(dòng)手柄時(shí)，手柄帶動(dòng)拉線使得后輪的卡鉗或指定蹄片鎖緊制動(dòng)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)剎車(chē)，而棘爪卡住棘輪使得手柄固定在相應(yīng)的位置不動(dòng)；需要解除制動(dòng)時(shí)，先按下按鈕使棘爪張開(kāi)，并與棘輪脫離，即可輕易地放下手柄。18圖18-15所示為汽車(chē)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(dòng)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(dòng)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(xiāo)A的主動(dòng)撥盤(pán)、具有若干徑向槽的槽輪和機(jī)架組成，如圖18-16所示。主動(dòng)撥盤(pán)在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)槽輪做時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停的間歇式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(pán)上的圓銷(xiāo)A未進(jìn)入徑向槽時(shí)，撥盤(pán)的鎖止弧與槽輪的鎖止弧重合，槽輪被鎖住不動(dòng)；當(dāng)撥盤(pán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使圓銷(xiāo)A進(jìn)入徑向槽時(shí)，槽輪在圓銷(xiāo)A的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)；撥盤(pán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，圓銷(xiāo)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(dòng)。故撥盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，槽輪重復(fù)上述過(guò)程，做間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。圖18-16所示的槽輪機(jī)構(gòu)中，撥盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)1/4圈。2018.3.2槽輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型及應(yīng)用211．槽輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)根據(jù)圓銷(xiāo)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(pán)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(pán)與槽輪的轉(zhuǎn)向相同，內(nèi)槽輪停歇的時(shí)間比較短，機(jī)構(gòu)所占空間較少。撥盤(pán)上圓銷(xiāo)的個(gè)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(pán)有2個(gè)圓銷(xiāo)，槽輪有6個(gè)徑向槽，則撥盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，槽輪將轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiǎn)單、傳動(dòng)可靠、機(jī)械效率高等特點(diǎn)，但圓銷(xiāo)與槽輪徑向槽之間的配合要求較高的精度，且圓銷(xiāo)在進(jìn)入徑向槽時(shí)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(dòng)場(chǎng)合。22現(xiàn)代化的汽車(chē)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(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)1/4圈并帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)90°，即可實(shí)現(xiàn)一次換刀動(dòng)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(dòng)簡(jiǎn)介不完全齒輪機(jī)構(gòu)是由普通漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)演變而來(lái)的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。不完全齒輪與普通漸開(kāi)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(dòng)輪；2—從動(dòng)輪圖18-19不完全齒輪機(jī)構(gòu)18.4不完全齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)介24圖18-19（a）所示的不完全齒輪機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)輪1