凸轮机构和齿轮机构
运动副及其分类
运动副及其分类一、什么是运动副？运动副是指将输入的运动和力矩转换为输出运动和力矩的机械构件，一般由构件、轴承、密封元件、驱动元件等部分组成。
运动副广泛应用于机械设备、自动化生产线、机器人运动系统等领域，是现代工业自动化和智能制造的基础。
二、运动副的分类按结构形式可分为：平面机构、立体连接机构、滑块机构、曲柄摇杆机构、齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、链条机构、离合器及制动器、气动液压机构。
1. 平面机构平面机构一般由连杆、链条、凸轮等构件组成，是最基本的运动副之一。
平面机构广泛应用于加工机床、织布机床、高速操作设备等领域。
常见的平面机构有连杆机构、曲柄摇杆机构、滑块机构等，其中连杆机构最常见，一般由活塞齿轮、连杆和转动轴组成。
2. 立体连接机构立体连接机构是由三个或三个以上的构件组成，可以将输入运动和力矩转换为任意的输出运动和力矩。
常见的立体连接机构有球面机构、球面与曲柄连接等，是机器人运动系统和航天器设计中不可或缺的部分。
3. 滑块机构滑块机构一般由滑块、导轨和驱动部分组成，可将输入的运动转化为线性运动，是机床、自动化生产线、锻造机械等领域中非常重要的运动副。
常见的滑块机构有翼板机构、滑块摇杆机构、曲柄滑块机构等。
4. 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构一般由曲柄、连杆和摇杆组成，为机器人运动系统、汽车发动机等领域中广泛应用的运动副之一。
5. 齿轮机构齿轮机构是将输入的运动通过齿轮的啮合和转动进行传动和转换的运动副，广泛应用于机床、印刷设备、起重设备等领域中。
常见的齿轮机构有平齿轮和斜齿轮、齿轮副、行星齿轮副等，其中行星齿轮副常用于航空、航天和机器人的运动控制系统中。
6. 连杆机构连杆机构一般由连杆、转动轴和轴承等构件组成，可将一种转动运动转化为另一种转动运动或线性运动，是机床、铣床、锻造机械等领域中广泛应用的运动副之一。
7. 凸轮机构凸轮机构一般由凸轮、摇杆、轴承等构件组成，可以将输入的运动转化为线性或旋转运动，常用于窄幅生产线、高速运动设备等领域。
简述齿轮机构相对于连杆机构、 凸轮机构的优缺点。
简述齿轮机构相对于连杆机构、凸轮机构的优缺点。
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4种常见的间歇运动机构
在各类机械中，常需要某些构件实现周期性的运动和停歇。
能够将主动件的连续运动转换成从动件有规律的运动和停歇的机构称为间歇运动机构。
而实现间歇运动的四种常用机构分别为：棘轮机构、槽轮机构、凸轮式间歇运动机构和不完全齿轮机构。
一、棘轮机构棘轮机构的类型很多，从工作原理上可分为轮齿啮合式和摩擦式棘轮机构；从结构上可分为外啮合式和内啮合式棘轮机构；从传动方向上分为单向（单动和双动）式和双向式棘轮机构。
棘轮机构是把摇杆的摆动转变为棘轮的间歇回转运动。
其优点轮齿式棘轮机构运动可靠，棘轮转角容易实现有级调节，但在工作过程中棘爪在齿面上滑行，齿尖易磨损并伴有噪音，同时为使棘爪能顺利落入棘轮槽，摇杆摆角应略大于棘轮转角，这样就不可避免地存在空程和冲击，在高速时尤其严重，所以常用在低速、轻载下实现间歇运动。
摩擦式棘轮机构传递运动平稳、无噪声，棘轮转角可作无级调节。
图1 单向轮齿啮合式棘轮但由于运动准确性差，不宜用于运动精度要求高的场合。
在工程实践中，棘轮机构常用于实现间歇送进（如牛头刨床）、止动（如起重和牵引设备中）和超越（如钻床中以滚子楔块式棘轮机构作为传动中的超越离合器，实现自动进给和快速进给功能）等场合。
图2 摩擦式棘轮二、槽轮机构槽轮机构又称马尔他机构或日内瓦机构，也是常用的间歇运动机构之一。
普通平面槽轮机构有外接式槽轮机构（图3）和内接式槽轮机构（图4）两种类型。
它主要是由带有均布的径向开口槽的槽轮２、带有圆柱销Ａ的拔盘１以及机架组成。
图3 外接式槽轮机构图4 内接式槽轮机构槽轮机构的工作过程是：主动拨盘１上的圆柱销Ａ进入槽轮２上的径向槽以前，拔盘上的凸锁止弧α将槽轮上的凹锁止弧β锁住，则槽轮静止不动。
当拔盘圆柱销Ａ进入槽轮径向槽时，凸、凹锁止弧刚好分离，圆柱销可以驱动槽轮转动。
当圆柱销脱离径向槽时，凸锁止弧又将凹锁止弧锁住，从而使槽轮静止不动。
因此，当主动拨盘作连续转动时，槽轮被驱动作单向的间歇转动。
外接式槽轮机构的主动拨盘１与槽轮２转向相反；内接式槽轮机构的主动拨盘１与槽轮２转向相同，且传动平稳、占空间小，槽轮停歇时间较短。
行星齿轮及凸轮机构简介
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凸輪輪廓曲線設計
3.平底從動件凸輪輪廓曲線設計
（1）取平底與導路的交點B0為 參考點 （2）把B0看作尖底，運用上述 方法找到B1、B2… （3）過B1、B2…點作出一系列 平底，得到一直線族。 作出直線族的包絡線，便得到 凸輪實際輪廓曲線。
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凸輪輪廓曲線設計
4.擺動推杆盤形凸輪機構輪廓曲線設計
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凸輪機構的分類凸輪機構的分類-3
3. 按推杆的運動形式分
直動推杆：從動件作往復移動，其運動軌跡為一段直線； 擺動推杆：從動件作往復擺動，其運動軌跡為一段圓弧。
4.按推杆軸線與凸輪回轉軸心的相對位置分
對心:在直動推杆中，若推杆軸線通過凸輪的回轉軸線稱為 對心直動推杆; 偏置:在直動推杆中，若推杆軸線不通過凸輪的回轉軸線稱 為偏置直動推杆。
• 適當選擇行星齒輪傳動的類型及配齒方案，便可以用少 數幾個齒輪而獲得很大的傳動比
• 採用了數個結構相同的行星輪，均勻地分佈於中心輪的 周圍，從而可使行星輪與轉臂的性力相互平衡。 同時， 也使參與嚙合的齒數增多，故行星齒輪傳動的運動平穩， 抵抗衝擊和振動的能力較強，工作較可靠。
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凸輪機構的基本工作原理
滾子半徑rs必須小於理論輪廓 曲線外凸部分的最小曲率半徑 ρmin，否則將導致推杆運動失 真。 設計時，取rs < 0.8ρmin， ρmin一般不小於1~5mm
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凸輪機構基本尺寸的確定
4.平底推杆平底尺寸的確定
l = 2lmax + (5 ~ 7)mm
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凸輪機構的特點 凸輪機構的特點
優點 缺點
推杆运动规律：推杆在推程或回程时， 推杆运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S、速度V和加速度a 随 时间t 的变化规律。S=S(t) V=V(t) a=a(t) 的变化规律。 几种常用运动规律的无量纲化指标和适用场合如表示： 几种常用运动规律的无量纲化指标和适用场合如表示：
不完全齿轮机构和凸轮式间歇机构
外啮合不完全齿轮机构
内啮合不完全齿轮机构
常用外啮合的形式
二、凸轮式间歇机构ห้องสมุดไป่ตู้
图4-14所示是一种圆柱凸轮式间歇运动机构。这种机构的主动 轮l为具有曲线沟槽的圆柱凸轮，从动件2则为均布有柱销3的圆 盘。当主动轮1转动时，拨动柱销3，使从动圆盘2作间歇运动。 这种机构常用在轻载情况下的间歇运动(如火柴包装机)，间歇 运动的频率每分钟可高达1500次左右。
凸轮机构与齿轮机构
传动比大 传动平稳无噪声 具有自锁性
传动效率低
成本较高
目录
目录
da 71.95 m 2.998m m * (z 2ha ) 22 2
由表5—3查得标准模数，该齿轮的模数应为m=3 mm。 d = mz = 3×22 =66 mm
* da (z 2ha )m 24 3 72mm
目录
二、渐开线齿廓分析
6.渐开线齿廓的啮合特性
1）传动比恒定不变
目录
技能目标
1．能够根据机构要实现的运动，选择凸轮机构的类型； 2．能够设计凸轮的轮廓机构，分析其能实现的运动特性； 3．能够根据使用要求选用齿轮机构的类型，并能设计选择标准 直齿圆柱齿轮的主要参数。
目录
一、凸轮机构的组成与应用
凸轮机构由凸轮、从动件、机架三个 基本构件及锁合装置组成，是一种高副机 构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓或 凹槽的构件，通常作连续等速转动， 从动件则在凸轮轮廓的控制下按预定的 运动规律作往复移动或摆动。
目录
一、齿轮机构的特点与类型
缺点
制造和安装精度要求高，故制造成 本较高；不适用于远距离的传动，低精 度的齿轮会产生有害的冲击、噪声和振 动。
目录
一、齿轮机构的特点与类型
2.齿轮机构的类型
两轴线相错 的齿轮机构
两轴线平行 的齿轮机构
1） 根据两齿轮轴 线的相互位置 分类
两轴线相交 的齿轮机构
目录
一、齿轮机构的特点与类型
目录
一、凸轮机构的组成与应用
1—凸轮； 2—从动件
内燃机的配气机构
目录
二、凸轮机构的类型
1.按凸轮形状分类
1）盘形凸轮
2）移动凸轮
3）圆柱凸轮
曲线转直线的机构
曲线转直线的机构
将曲线运动转化为直线运动的机构在机械设计中具有广泛的应用，以下是其中一些常见的机构及其工作原理：
1. 曲柄滑块机构
曲柄滑块机构是一种常见的将旋转运动转化为直线运动的机构。
在曲柄滑块机构中，曲柄和滑块之间通过转动副连接，而滑块和固定杆（机架）之间通过移动副连接。
当曲柄绕固定点旋转时，滑块在移动副的作用下沿着直线方向移动。
这种机构广泛应用于各种冲压机械、压缩机、往复式发动机等领域。
2. 凸轮机构
凸轮机构由凸轮和从动件组成。
凸轮具有曲线轮廓或沟槽，从动件是移动构件。
当凸轮旋转时，其曲线轮廓或沟槽推动从动件沿着预定轨迹移动，从而实现将旋转运动转化为直线运动。
凸轮机构广泛应用于各种自动化装置、机床、纺织机械等领域。
3. 齿轮齿条机构
齿轮齿条机构由齿轮和齿条组成。
当齿轮旋转时，其齿与齿条的齿槽相啮合，从而推动齿条沿着直线方向移动。
齿轮齿条机构广泛应用于各种传动装置、机床、
机器人等领域。
4. 滚子丝杠机构
滚子丝杠机构由丝杠和滚珠或滚子组成。
当丝杠旋转时，滚珠或滚子在丝杠的螺旋槽内滚动，从而实现将旋转运动转化为直线运动。
滚子丝杠机构广泛应用于各种机床、工业机器人、精密传动装置等领域。
除了以上常见的机构外，还有一些其他形式的机构可以实现曲线转直线的运动转换，如连杆机构、链条传动机构等。
这些机构各有特点和适用范围，可以根据具体需求选择合适的机构来实现所需的运动转换。
同时，对于不同的曲线转直线运动转换需求，可能还需要进行特殊的设计和制造，以满足特定的运动轨迹、速度、加速度等要求。
间歇机构的常见类型
间歇机构的常见类型
间歇机构是指在机器或设备中，用于实现一定运动规律的机构。
它利用了时间间隔的特性，使机器或设备在工作时能够实现一定的运动规律和运动方式。
下面我们来了解一下间歇机构的常见类型。
1. 凸轮机构
凸轮机构是一种通过凸轮的形状和运动来实现运动规律的机构。
它由凸轮、从动件和固定件组成，通过凸轮的运动，带动从动件以一定的规律运动。
2. 齿轮机构
齿轮机构是一种常见的间歇机构，它利用齿轮的运动来实现一定的运动规律。
齿轮机构包括齿轮、从动件、固定件等组成，通过齿轮的运动带动从动件以一定的规律运动。
3. 连杆机构
连杆机构是一种通过连杆的长度和角度变化来实现一定的运动
规律的机构。
它由连杆、从动件和固定件组成，通过连杆的长度和角度变化，带动从动件以一定的规律运动。
4. 摆杆机构
摆杆机构是一种通过摆杆的运动来实现一定的运动规律的机构。
它由摆杆、从动件和固定件组成，通过摆杆的运动，带动从动件以一定的规律运动。
5. 曲柄机构
曲柄机构是一种通过曲柄的旋转来实现一定的运动规律的机构。
它由曲柄、连杆、从动件和固定件组成，通过曲柄的旋转，带动连杆以一定的规律运动，从而带动从动件以一定的规律运动。
以上就是间歇机构的常见类型，它们广泛应用于各种机器和设备中，是机械设计工程师必须了解和掌握的知识。
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第7章 凸轮机构和齿轮机构
图7-1所示为内燃机配气阀门控制凸轮， 凸轮连续 转动时， 从动件（气门）作断续往复运动， 从而控制 气门的开闭； 图7-2所示为自动车床送料机构， 当圆 柱形凸轮连续转动时， 从动杆——摆动杆作间歇式往 复摆动， 带动滑板往复摆动而完成送料动作。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
4. 按锁合方式分 锁合指保持从动件与凸轮的接触。 (1) 力锁合。 又称外力锁合。 利用弹簧力（见图 7-1）或从动件的重量（见图7-4）达到锁合目的。 (2) 形锁合。 又称几何锁合。 利用凸轮的沟槽形 状与从动件及保持接触（见图7-2）。 凸轮机构的形式与分类见表7-1。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
表7-1
凸轮机构的形式与分类
表7-1 凸轮机构的形式与分类
盘形凸轮机构
圆柱凸轮机构
移动凸轮机构
锁合方式
尖顶对心移动从动件 尖顶偏置移动从动件 尖顶摆动从动件
移动从动件
尖顶移动从动件
形锁合
滚子对心移动从动件 滚子偏置移动从动件 滚子摆动从动件
摆动从动件
滚子移动从动件
＋
平底对心移动从动件 平底偏置移动从动件 平底摆动从动件
s v
第7章 凸轮机构和齿轮机构
上式中， 由于v、 ω均为常数， 则s与δ成正比关系。 由此函数式可画出从动件的s-δ曲线（从动件位移线）， 见图7-5(b)。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
经过轮廓的CD段， 从动件由最高位置回到最低位置， 这个行程称为回程， 凸轮的转角δ2也称为回程角。 从 动件经过圆弧DA段又静止不动， DA称为近停程， 对 应的凸轮转角δ′2称为近停程角。
第7章 凸轮机构和齿轮机构来自h hA′2
rb
D
1 2 1′
s B
O
1
1′
2
2′
图7-3 移动凸轮机构
第7章 凸轮机构和齿轮机构
(2) 移动凸轮。 由盘形凸轮演变而来， 凸轮作往 复移动(如图7-3所示)， 从而使从动件上下运动。
(3) 圆柱凸轮。 由移动凸轮演变而来， 如图7-2所 示， 凸轮作空间回转运动。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
3. 按从动件端部结构分 (1) 尖顶从动件。 这种从动件结构简单， 能与复杂的凸轮轮廓曲线 保持紧密接触， 故可实现复杂的运动规律。 但尖顶易 磨损， 只能用于轻载低速场合， 如图7-4(a)所示。 (2） 滚子从动件。 这种凸轮机构不易磨损， 应用较广， 如图7-4(b) 所示。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
图7-1 内燃机配气机构
第7章 凸轮机构和齿轮机构
图7-2 自动车床送料机构
第7章 凸轮机构和齿轮机构
凸轮机构为高副机构。 其主要优点是： 只要设计出 合适的凸轮轮廓， 就能使从动件得到任意给定的运动规 律； 结构简单紧凑； 设计方便， 广泛用于各种自动机 械及自动控制中。 其缺点是从动件与凸轮接触处易磨损， 故承受载荷不能太大， 多作为控制及调节机构。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
7.1.2 凸轮机构的分类 凸轮机构的种类很多， 通常按以下分类。 1. 按凸轮形状分 （1） 盘形凸轮。 凸轮为变化半径的盘状零件，
如图7-1所示。 工作时， 从动件随凸轮半径的变化而 在垂直于凸轮轴线的平面内运动； 或随凸轮作往复摆 动或移动。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
第7章 凸轮机构和齿轮机构
(3) 平底从动件。 这种凸轮机构在传动中利于润滑， 且在从动件高 速运动中可形成油膜， 从而减小摩擦和磨损， 但凸轮 轮廓不能有凹形， 如图7-4(c)所示。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
(a)
(b)
(c)
图7-4 从动件与凸轮锁合形式 (a) 尖顶； (b) 滚子； (c) 平底
移动从动件
滚子摆动从动件
力锁合
第7章 凸轮机构和齿轮机构
7.2 从动件的常用运动规律
从动件的运动规律由凸轮的轮廓曲线所决定， 它 是指在凸轮作用下从动件所产生的位移s、 速度v、 加 速度a随凸轮转角δ或时间t而变化的关系， 并把这种关 系用函数或直角坐标系的线图表示。 当用线图表示时， 横坐标为δ或t， 纵坐标分别为s、 v、 a， 这些线图通 称为运动线图。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
图7-5（a）所示为尖顶对心移动从动件盘形凸轮 机构。 该凸轮的轮廓是根据图7-5(b)中从动件的位移线 图（s-δ图）绘制的。 在图7-5中， 以凸轮最小半径rb所 作的圆称为基圆， rb为基圆半径。 当凸轮按逆时针方 向转过δ1角时， 从动件被推到最高位置， 这个行程称 为推程， 角δ1为推程角， 从动件上升的最大位移通常 以h表示。 轮廓的BC段为圆弧， 凸轮转过这段弧时从 动件停止不动， 这个行程称为远停程， 对应的凸轮转 角δ′1称为远停程角。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
第7章 凸轮机构和齿轮机构
7.1 概述 7.2 从动件的常用运动规律 7.3 凸轮轮廓曲线的设计 7.4 CAD方法在凸轮轮廓曲线设计中的应用 7.5 齿轮机构简介 7.6 其他常用齿轮机构 7.7 蜗杆机构 习题7
第7章 凸轮机构和齿轮机构
7.1 概 述
7.1.1 凸轮机构的组成 凸轮机构是自动控制系统与自动机械的重要机构。
第7章 凸轮机构和齿轮机构
在一般的机械中， 从动件工作行程（又称推程） 的运动规律由机器工作过程的要求来决定； 而在空行 程（又称回程）时， 从动件的运动规律可根据机械的 动力性能或缩短空回时间的要求来确定。
当从动件的运动规律确定之后， 再按比例绘制出 从动件的运动线图， 在此基础上进行凸轮轮廓的设计。 可见， 从动件的运动线图是凸轮轮廓曲线设计的依据。 因此， 在设计凸轮机构之前， 必须首先了解从动件的 运动规律。
C
(a)
(b)
图7-5 凸轮机构与位移线图
第7章 凸轮机构和齿轮机构
7.2.1 等速运动规律 在图7-5（a）所示凸轮机构中， 凸轮以角速度ω
（为一常数）按逆时针方向转动， 当凸轮的转角从零 开始增加到δ1时， 从动件以速度v（为一常数）从起始 位置上升， 行程为h。 由运动学得知， 等速运动中， 从动件的位移s与时间t的关系为 s=vt ， 凸轮的转角δ 与时间t的关系为δ=ωt ， 由两式可得