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第九章其他常用机构第九章其他常用机构间歇运动机构间歇运动机构 特点特点将主动件的连续运动转换成从动件有规律的运动和停歇。将主动件的连续运动转换成从动件有规律的运动和停歇。几种常见的间歇运动机构几种常见的间歇运动机构棘轮棘轮机构机构(Ratchet mechanism)槽轮槽轮机构机构(Geneva drive)不完全齿轮机构不完全齿轮机构(Intermittent gearing)凸轮式间歇运动机构凸轮式间歇运动机构(Cam-type index mechanism)第一节 棘轮机构棘轮机构1.棘轮机构的组成及工作特点棘轮机构的组成及工作特点 棘轮机构的组成及工作特点棘轮机构的组成及工作特点 摇杆、棘爪、棘轮、止动爪和机架组成；棘轮机构结构简单、制造摇杆、棘爪、棘轮、止动爪和机架组成；棘轮机构结构简单、制造容易、运动可靠，棘轮德转角可在很大的范围内调节；较大的冲击和噪容易、运动可靠，棘轮德转角可在很大的范围内调节；较大的冲击和噪声，而摩擦式棘轮机构的运动准确性差，传动精度不高，常用于低速轻声，而摩擦式棘轮机构的运动准确性差，传动精度不高，常用于低速轻载的场合。载的场合。2.棘轮机构的应用棘轮机构的应用 在在工工程程中中广广泛泛应应用用于于转转位位分分度度(Indexing)、进进给给(Feed)、单单向向离离合合器器(One-way clutch)、超越离合器超越离合器(Overrun clutch)、制动器制动器(Brake)等。等。3.棘轮机构的类型棘轮机构的类型轮齿式棘轮轮齿式棘轮(Tooth ratchet)机构机构摩擦式棘轮摩擦式棘轮(Friction ratchet)机构机构 外啮合轮齿式棘轮机构外啮合轮齿式棘轮机构Externally meshed tooth ratchet mechanism内啮合轮齿式棘轮机构内啮合轮齿式棘轮机构Internally meshed tooth ratchet mechanism棘条机构棘条机构Ratchet rack mechanism钩头双动式棘轮机构钩头双动式棘轮机构Hooked double function ratchet mechanism可变向棘轮机构可变向棘轮机构Changeable direction ratchet mechanism直推双动式棘轮机构直推双动式棘轮机构Straight double function ratchet mechanism外啮合摩擦式棘轮机构外啮合摩擦式棘轮机构Externally meshed silent ratchet mechanism可变向棘轮机构可变向棘轮机构Changeable direction ratchet mechanism滚子内啮合摩擦式棘轮机构滚子内啮合摩擦式棘轮机构Internally meshed roller silent ratchet mechanism内啮合摩擦式棘轮机构内啮合摩擦式棘轮机构Externally meshed silent ratchet mechanism牛头刨床工作台进给机构牛头刨床工作台进给机构棘轮机构应用举例棘轮机构应用举例起重止动起重止动器器第二节第二节 槽轮机构槽轮机构1.槽轮机构的组成及工作特点槽轮机构的组成及工作特点槽轮机构的组成及工作特点槽轮机构的组成及工作特点主动拨盘，从动槽轮和机架组成；结构简单、紧凑，其机械效率主动拨盘，从动槽轮和机架组成；结构简单、紧凑，其机械效率高，能较平稳间歇地进行转位。但因圆销突然进入、脱离径向槽，高，能较平稳间歇地进行转位。但因圆销突然进入、脱离径向槽，固传动存在柔性冲击，不宜用于高速场合。固传动存在柔性冲击，不宜用于高速场合。2.槽轮机构的应用槽轮机构的应用一一般般用用于于转转速速不不很很高高的的自自动动机机械械、轻轻工工机机械械或或仪仪器器仪仪表表中中，例如例如电影放映机电影放映机的送片机构，长图记录仪的打印机构等。的送片机构，长图记录仪的打印机构等。3.槽轮机构的类型槽轮机构的类型外槽轮机构外槽轮机构内槽轮机构内槽轮机构槽条机构槽条机构球面槽轮机构等球面槽轮机构等外槽轮机构外槽轮机构External Geneva drive内槽轮机构内槽轮机构Internal Geneva drive槽条机构槽条机构Geneva rack mechanism球面槽轮机构球面槽轮机构Spherical Geneva drive不等臂长多销槽轮机构不等臂长多销槽轮机构Nonequivalent arm and multiple-pin Geneva drive偏置外槽轮机构偏置外槽轮机构Offset external Geneva drive槽轮机构应用举例槽轮机构应用举例蜂窝煤成型机模盘转位机构蜂窝煤成型机模盘转位机构六角车床刀架转位机构六角车床刀架转位机构第十一章第十一章 机械动力学机械动力学 一、概述一、概述 机机械械系系统统的的运运动动规规律律，是是由由各各构构件件的的质质量量(Mass)、转转动动惯惯量量(Moment of inertia)和和作作用用于于各各构构件件上上的的力力等等多多方方面面因因素素决定的。决定的。动力学分析的目的 机器在运转中，受各构件得质量、转动惯量和作用于其上的驱动力、阻抗力等因素得影响，原动件的速度和加速度随时间而变化，因此需要研究机器运转的真实运动规律、机器运速度的波动及其调节方法。调节机器速度波动的目的 1、周期性速度波动 危害：引起动压力，和可靠性。可能在机器中引起振动，影响寿命、强度。影响工艺，产品质量。2、非周期性速度波动 危害：机器因速度过高而毁坏，或被迫停车。11-1机械运转过程及作用力一、机器的运动和功能的关系 由能量守恒定律得，机器运动的某一时间间隔内，所有外力与内力作功之和等于机器动能的改变。Wd输入功 Wr输出功 Wf损失功 2.机器机器运转的三个阶段运转的三个阶段启启动动阶阶段段、稳稳定定运运转转阶阶段段、停停车阶段车阶段稳定运转稳定运转起动起动t 停车停车稳定运转阶段的不同状况稳定运转阶段的不同状况 m t 稳定运转稳定运转起动起动停车停车 匀速稳定运转匀速稳定运转 C 周期周期变速稳定运转变速稳定运转 (t)(t T)非周期变速稳定运转非周期变速稳定运转 起动起动 m t 稳定运转稳定运转停车停车 工作角速度工作角速度 n n额定角速度额定角速度 1.作用在机械上的驱动力作用在机械上的驱动力和生产阻力和生产阻力的的性质性质驱动力驱动力常数常数 如重力如重力 Fd C位移的函数位移的函数 如弹簧力如弹簧力 Fd Fd(s)、内燃机驱动力矩内燃机驱动力矩Md Md(s)速度的函数速度的函数 如电动机如电动机驱动力矩驱动力矩Md Md()Md BNAC 0 0 同步角速度同步角速度 生产阻力生产阻力常数常数 如起重机、车床的生产阻力如起重机、车床的生产阻力执行机构位置的函数执行机构位置的函数 如曲柄压力机、活塞式压缩机的如曲柄压力机、活塞式压缩机的生产阻力生产阻力执行构件速度的函数执行构件速度的函数 如鼓风机、离心泵的生产阻力如鼓风机、离心泵的生产阻力时间的函数时间的函数 如揉面机、球磨机的生产阻力如揉面机、球磨机的生产阻力11.2机械系统等效力学模型w将单自由度的机械系统简化成一个构件（称为等效构件），建立简单的等效动力学模型。w根据质点系动能定理，将作用于机械系统上的所有外力和外力矩、所有构件的质量和转动惯量，都向等效构件转化。w转化的原则：使该系统转化前后的动力学效果保持不变。即：w等效构件的质量或转动惯量所具有的动能，应等于整个系统的总动能；w等效构件上的等效力、等效力矩所做的功或所产生的功率，应等于整个系统的所有力、所有力矩所做功或所产生的功率之和。等效动力学模型的建立等效动力学模型的建立w通常将绕定轴转动或作直线移动的构件取为等效构件。等效力和等效力矩w在等效构件AB上，设F是在等效点B上的等效力w或者设M是等效力矩w则等效力或等效力矩的功率为等效力和等效力矩w设作用在机械上的外力为Fi(i=1,2,k)，作用点的速度为ui，Fi的方向和ui的方向间夹角为qi，w作用在机械中的外力矩为Mi(i=1,2,m)，受力矩Mi作用的构件i的角速度为wi，w则作用在机械中所有外力和外力矩所产生的功率之和为Mi和i同向取“+”，否则“-”等效力和等效力矩w讨论w等效力F和等效力矩M只与各速度比有关，是机构位置的函数。w不必知道各个速度的真实数值。wF、M也可能是时间或角速度的函数或 等效质量和等效转动惯量w在前述同一等效构件AB上，设me是在等效点B上的等效质量w或者设Je是等效转动惯量w则等效构件的动能为等效质量和等效转动惯量w设机械系统中各运动构件的质量为mi(i=1,2,k)，其质心Si的速度为uSi；w各运动构件对其质心轴线的转动惯量为JSi(i=1,2,k)，角速度为wi，w则整个机械系统所具有的动能为等效质量和等效转动惯量w讨论wm和J由速度比的平方而定，总为正值；m和J仅是机构位置的函数。w不必知道各速度的真实值。w如果等效构件是移动构件,vB=移动速度或 教学内容教学内容教学目的教学目的重点：重点：机械运动产生周期性速度波动的原因及其调节方法；机械运动产生周期性速度波动的原因及其调节方法；最大盈亏功的确定和飞轮转动惯量的简易计算法。最大盈亏功的确定和飞轮转动惯量的简易计算法。11.4 11.4 机械系统速度波动及调节方法机械系统速度波动及调节方法 稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其调节稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其调节 机械的非周期性速度波动及其调节机械的非周期性速度波动及其调节 了了解解机器运动速度波动的原因、特点、危害机器运动速度波动的原因、特点、危害 掌握掌握机器运动速度波动的调节方法机器运动速度波动的调节方法机械运转速度波动调节的目的和方法机械运转速度波动调节的目的和方法一、机械运转速度波动产生的原因及引起的危害一、机械运转速度波动产生的原因及引起的危害 机械是在外力机械是在外力(驱动力和阻力驱动力和阻力)作用下运转的。驱动力所作的作用下运转的。驱动力所作的功是机械的输入功。阻力所作的功是机械的输出功。输入功与功是机械的输入功。阻力所作的功是机械的输出功。输入功与输出功之差形成机械动能的增减。如果输入功在每段时间都等输出功之差形成机械动能的增减。如果输入功在每段时间都等于输出功于输出功(例如用电动机驱动离心式鼓风机例如用电动机驱动离心式鼓风机)，则机械的主轴保，则机械的主轴保持匀速转动。但是有许多机械在某段工作时间内，输入功不等持匀速转动。但是有许多机械在某段工作时间内，输入功不等于输出功。当输入功大于输出功时，出现盈功。盈功转化为动于输出功。当输入功大于输出功时，出现盈功。盈功转化为动能，促使机械动能增加。当输入功小于输出功时，出现亏功。能，促使机械动能增加。当输入功小于输出功时，出现亏功。亏功需动能补偿，导致机械动能减小。机械动能的增减形成机亏功需动能补偿，导致机械动能减小。机械动能的增减形成机械运转速度的波动。这种波动会使运动副中产生附加的作用力，械运转速度的波动。这种波动会使运动副中产生附加的作用力，降低机械效率和工作可靠性；会引起机械振动，影响零件的强降低机械效率和工作可靠性；会引起机械振动，影响零件的强度和寿命；还会降低机械的精度和工艺性能，使产品质量下降。度和寿命；还会降低机械的精度和工艺性能，使产品质量下降。因此，对机械运转速度的波动必须进行调节。使上述不良影响因此，对机械运转速度的波动必须进行调节。使上述不良影响限制在容许范围之内。限制在容许范围之内。输入功长时间大于输出功输入功长时间大于输出功损坏损坏输入功长时间小于输出功输入功长时间小于输出功机械运转速度不断降低机械运转速度不断降低停车停车机械运转速度不断升高机械运转速度不断升高超超转速极限转速极限二、速度波动的类型及调整方法二、速度波动的类型及调整方法1、周期性速度波动及调整、周期性速度波动及调整方法方法（1）、概念）、概念（2）、特征）、特征（3）、调整方法）、调整方法 在一个周期中，驱动力做的输入功与在一个周期中，驱动力做的输入功与阻力所做的功相等阻力所做的功相等 速度变化是有规律的、速度变化是有规律的、周期性的周期性的在在机械中加上一个转动惯量很大的回转件机械中加上一个转动惯量很大的回转件飞轮飞轮 A、当机械出现盈当机械出现盈功时，它以动能的形功时，它以动能的形式将多余的能量储存式将多余的能量储存起来，使主轴角速度起来，使主轴角速度上升幅度减小；上升幅度减小；B、当出现亏功时，它释放其储存的能量，以弥当出现亏功时，它释放其储存的能量，以弥补能量的不足，使主轴角速度下降的幅度减小。补能量的不足，使主轴角速度下降的幅度减小。图中虚线为没有用飞图中虚线为没有用飞轮时的速度波动状况、轮时的速度波动状况、而实线为加了飞轮后的而实线为加了飞轮后的速度波动状况。速度波动状况。2、非周期性速度波动及调整方法、非周期性速度波动及调整方法（1）、概念）、概念（2）、特征）、特征（3）、调整方法）、调整方法 速度波动是随机的不规则的，没有一定的周期速度波动是随机的不规则的，没有一定的周期输入功长时间大于输出功输入功长时间大于输出功机械运转速度不断升高机械运转速度不断升高超超转速极限转速极限损坏损坏输入功长时间小于输出功输入功长时间小于输出功机械运转速度不断降低机械运转速度不断降低停车停车 常用电子调速器和机械式调常用电子调速器和机械式调速器进行调速速器进行调速飞轮设计的近似方法飞轮设计的近似方法一、机械运转的平均速度和不均一、机械运转的平均速度和不均匀系数匀系数1.平均角速度平均角速度 m2.角速度的变化量角速度的变化量 max-min 例如：当例如：当 max-min=5rad/s时，对于时，对于 m=10 rad/s 和和 m=100rad/s的的机械，低速机械的速度波动要明显一些。机械，低速机械的速度波动要明显一些。可反映可反映机械速度波动的绝对量，但不能反映机械运转的不均匀程度。机械速度波动的绝对量，但不能反映机械运转的不均匀程度。3.速度不均匀系数速度不均匀系数：角速度变化量和其平均角速度的比值角速度变化量和其平均角速度的比值。工工程上用它来表示机械运转的速度波动程度。程上用它来表示机械运转的速度波动程度。m 一定时，一定时，越小越小，max 与与 min 的的差值越小，机器的差值越小，机器的运转越平稳。运转越平稳。v v设计机械时，应满足：设计机械时，应满足：常用机械运转不均匀系数的许用值常用机械运转不均匀系数的许用值v设在机械上安装的飞轮的等效转动惯量为设在机械上安装的飞轮的等效转动惯量为J 指一个周期内，驱动功和阻抗功之差的最大值。指一个周期内，驱动功和阻抗功之差的最大值。或或：一个周期内，机械速度由：一个周期内，机械速度由 min上升到上升到 max（或由或由 max下降到下降到 min）时，外力对系统所作的盈功（或亏功）的最大值。时，外力对系统所作的盈功（或亏功）的最大值。1.最大盈亏功最大盈亏功Wmax：二、飞轮设计的基本原理二、飞轮设计的基本原理 飞轮设计的基本问题是已知作用在主轴上的驱动力矩和阻力矩的飞轮设计的基本问题是已知作用在主轴上的驱动力矩和阻力矩的变化规律，要求在变化规律，要求在允许的范围内，确定安装在主轴上的飞轮的转允许的范围内，确定安装在主轴上的飞轮的转动惯量动惯量v 图图(b)所示为某机械系统的动能所示为某机械系统的动能E()在一个周期在一个周期 T 内内的变化曲线。的变化曲线。b 处：处：Emin，c 处：处：Emax，Wmax：在在 b 与与 c 之间之间v能量指示图：能量指示图：以以a 点为起点，点为起点，按一定比例用向量线段依次表按一定比例用向量线段依次表示相应位置示相应位置Med和和Mer之间所包之间所包围的面积围的面积Aab、Abc、Acd、Ade和和Aea的大小和正负的图形。的大小和正负的图形。Amax 代表最大盈亏功代表最大盈亏功 Wmax的大小的大小2.飞轮转动惯量飞轮转动惯量JF的计算的计算：v v v 最好将飞轮安装在高速轴上。最好将飞轮安装在高速轴上。机械的非周期性速度波动及其调节机械的非周期性速度波动及其调节v非周期性速度波动：机械运转过程中，等效力矩（非周期性速度波动：机械运转过程中，等效力矩（Me=Med-Mer）非周期性变化时，机械出现的速度波动。非周期性变化时，机械出现的速度波动。工作阻力或驱动力在机械运转过程中发生突变，从而使输入工作阻力或驱动力在机械运转过程中发生突变，从而使输入能量和输出能量在较长一段时间内失衡造成的。能量和输出能量在较长一段时间内失衡造成的。v若长时间内若长时间内MedMer,系统的转速将持续上升，严重时会出现系统的转速将持续上升，严重时会出现飞车现象；飞车现象；v如果长时间如果长时间MedMer，会造成系统转速持续下降直至最后停会造成系统转速持续下降直至最后停止运转止运转。一、非周期性速度波动产生的原因及危害一、非周期性速度波动产生的原因及危害1.当机械的原动机所发出的驱动力矩是速度的函数且具下当机械的原动机所发出的驱动力矩是速度的函数且具下降的趋势时，机械具有自动调节非周期性波动的能力。降的趋势时，机械具有自动调节非周期性波动的能力。v采用电动机作为原动机的机械属于此类。采用电动机作为原动机的机械属于此类。2.对于没有自调性的机械系统，需安装一种专门的调节装对于没有自调性的机械系统，需安装一种专门的调节装置置-调速器来调节机械出现的非周期性速度波动。调速器来调节机械出现的非周期性速度波动。v如采用蒸汽机、内燃机或汽轮机为原动机的机械系统如采用蒸汽机、内燃机或汽轮机为原动机的机械系统二、非周期性速度波动的调节方法二、非周期性速度波动的调节方法分为两种情况：分为两种情况：
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