常见的回转、直线运动转换的机构

时间:2017-12-27 编辑:lqy 手机版

  摘要:实际的机器当中,往往需要用到回转运动与直线运动之间的相互转换,本文介绍了能实现此功能的几种常见机构,分别是曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮齿条机构和滚珠丝杠机构,并说明了各自的特点及在实际中的应用。

  关键词:回转运动;机构;直线运动

  一、曲柄连杆机构

  1.1 曲柄滑块机构定义

  在普通四杆机构中,四个构件之间都是通过转动副连接,这样可以实现曲线与曲线运动之间的转换。而曲柄滑块机构是保留曲柄杆、中间杆和固定杆(机架),将另一根杆退化为滑块,使滑块与中间连杆用转动副连接,滑块与固定杆用移动副连接,这样就可以实现曲柄端的回转运动与滑块端的直线运动相互转化。

  1.2 曲柄滑块机构的特点及应用

  1.2.1 优点

  ①低副连接,运动副单位面积受力小,便于润滑,磨损小;

  ②对于长距离的控制也可以实现;

  ③构件之间的运动靠几何封闭来维系,比力封闭的可靠。

  1.2.2 缺点

  ①结构设计较复杂,且对制造安装的敏感性大;

  ②高速时将引起很大的振动和动载荷。

  1.2.3 应用

  曲柄滑块机构在机械中的应用很广泛,例如,内燃机通过活塞往复运动将内能转换为曲柄转动的机械能;压力机结构中通过曲柄的连续转动,经连杆带动滑块实现加压作用;牛头刨床主运动机构中,导杆绕一点摆动,带动滑枕做往复运动,实现刨削;抽水机结构中,摇动手柄时,在连杆的支承下,活塞杆在筒(固定滑块)内做上下运动,以达到抽水目的。另外,工程中的搓丝机、自动送料装置及自卸翻斗装置等机械中都用到曲柄滑块机构。

  二、凸轮机构

  2.1 凸轮机构的组成和特点

  凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个部分组成,其中凸轮是主动件,从动件的运动规律由凸轮的轮廓决定。凸轮是具有曲线轮廓或沟槽的构件,若从动件是移动构件,那么这样的凸轮机构便能实现回转运动、直线运动的转换。

  凸轮机构特点是:

  ①可以用于对从动件任意运动规律要求的场合;

  ②可以高速启动,动作准确可靠,结构简单紧凑;

  ③凸轮和从动件以点或线接触,单位面积上压力高,难以保持良好的润滑,易磨损;

  ④凸轮形状复杂,加工维修较困难。

  2.2 凸轮机构的分类及应用

  凸轮机构根据各构件相对运动的位置,可分为平面凸轮机构和空间凸轮机构两大类,根据从动件的运动形式,凸轮机构可分为移动从动凸轮机构和摆动从动凸轮机构两大类,根据凸轮形状,凸轮机构可分为盘形凸轮机构、柱体凸轮机构、椎体凸轮机构和球体凸轮机构。凸轮机构主从动件接触形式有尖顶、滚子、平底三种,如果要改善主从动件受力形式可以采用偏置结构。

  内燃机的配气机构就是凸轮机构应用的典型实例,当凸轮转动时,依靠凸轮的轮廓,可以迫使从动件气阀杆向下移动打开气门(借助弹簧作用力关闭),这样就可以按预定时间打开或关闭气门,以完成内燃机的配气动作。另外,车辆走行部的制动控制元件、纺织机械中大量使用凸轮机构,总之,在一个往复运动系统中,凸轮是最好的应用(在很多要求较高往复运动中,替代曲柄滑块机构,因为可以实现设计中需要的速度变化)。

  三、齿轮齿条机构与滚珠丝杠机构

  目前,机床制造中,齿轮齿条传动是使用较为广泛的一种传动形式,它能实现齿轮的回转运动与齿条的直线运动间的转化,这种形式的传动有很多优点,特别是在很多大型机床上,利用这种形式的传动,很方便的就得到高速直线运动,而且根据车床各方面的不同我们可以制作出各种材质的齿条,使得刚度和机械效率大大提高。但是在很多时候也存在着各种各样的缺点,因为这种传动形式的平稳性是依赖齿条和齿轮精度,如果精度不够高,机床在加工其他零件时,就会有一定的误差。所以如果想要消除这类零件的误差,或使其在机床中运转噪音减少,就要不断提高对齿条和齿轮的精度要求,并在材质上增加耐磨性和耐热性。所以,在一些精度要求比较高的场合,我们常常选用滚珠丝杠机构。

  滚珠丝杠采用滚珠螺旋传动,是一种直线与曲线运动相互转换的理想机构,主要由滚珠、螺杆、螺母及滚珠循环装置组成,其工作原理是:在螺杆和螺母的螺纹滚道中装一定数量的滚珠,当螺杆与螺母作回转运动时,滚珠在螺纹滚到内滚动,并通过滚珠循环装置的通道构成封闭循环,从而实现螺杆与螺母间的滚动摩擦。滚珠丝杠传动摩擦阻力小、传动效率高、运动平稳、动作灵敏,但结构复杂,外形尺寸较大,对制造技术要求高,因此成本也高。目前主要应用于精密传动的数控机床以及自动控制装置、升降机构、精密测量仪器等。

  丝杠传动具有速比大、行走慢、传动质量高、结构复杂等特点,而齿轮齿条传动速比小、行走快、传动质量差、结构简单。在长距离重负载直线运动上,丝杠有可能强度不够,就会导致机子出现震动、抖动等情况,严重的,会导致丝杠弯曲、变形、甚至断裂等;而齿条就不会有这样的情况,齿条可以长距离无限接长并且高速运转而不影响齿条精度(当然这个跟装配、床身本身的精度都有关系),但在短距离直线运动中,丝杠的精度明显要比齿条高得多。

  参考文献

  [1]于贺宪.平面四杆机构的工作特性及设计[J].黑龙江科技信息,2009(8).

  [2]贺炜.我国凸轮机构研究的回顾与展望[J].机械工程学报,2005(6).

  [3]肖正义.滚珠丝杠副的发展趋势[J].制造技术与机床,2000(4).

  [4]梅荣娣.机械常识[M].北京:机械工业出版社,2011.

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