关于三种间歇运动机构的研究 三种常用的间歇运动机构
时间：2019-01-21 03:23:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要:在自动设备和半自动化设备中,往往是需要某些机构来实现周期性的转位、间歇动作以及做带有分度动作的。棘轮机构、槽轮机构、擒纵机构是间歇传动机构中设计思想巧妙,作用特殊的机构。对这三种间歇传动机构的结构特点、工作特性与其安全性的研究很有必要性。
关键词:间歇运动;棘轮机构;槽轮机构;擒纵机构
中图分类号:TB 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2009)020(c)-0105-02
在许多机械设备中,特别是在自动设备和半自动化设备中,由于生产工艺的要求,往往是需要某些机构来实现周期性的转位、间歇动作以及做带有分度动作的。这种输出构件呈现周期性停歇状态的机构称为间歇运动机构。间歇运动机构的种类很多,常用的有棘轮机构、凸轮机构、槽轮机构、擒纵机构、不完全齿轮机构和齿轮连杆机构等。它们各有其不同的机构特征和工作原理及其应用场合。下面就棘轮、槽轮、擒纵间歇运动机构来进行研究。
一、棘轮机构
棘轮机构,在一般的冲压速度和寿命的要求下,因结构比较可靠,其设计、加工方便而被选用。棘轮的典型结构型式如下图1。
当摇杆1逆时针摆动时,棘爪5推动棘轮2转动某一角度。当摇杆1顺时针转动时,止动爪4阻止棘轮2顺时针转动,棘爪5在棘轮2的齿背上划过,棘轮静止不动。故当摇杆连续往复摆动时,棘轮便得到单向的间歇运动。棘轮的齿大多做在棘轮的外缘,若做在内缘,则构成内接棘轮机构。另外棘轮的优点是它既可以做单向的间歇运动,也可以做成双向的间歇运动机构。
棘轮是在非对称应力循环加载下特有的一种非弹性循环受力,其结构安全性和寿命评估是设计人员在设计时必须考虑的一个重要因素。材料在非对称应力循环下将产生一种非弹性变形的循环累积现象,这种现象称为棘轮行为或棘轮效应。要想延长棘轮的使用寿命,就必须在棘轮的材料选择、结构设计上进行研究与优化。与2002年以前主要针对不锈钢、普通碳钢以及铝合金等相比,近年来对其它一些材料(包含钎焊焊料、复合材料和树脂等)的棘轮行为也进行了系统的实验研究,揭示了一些新的演化特征。康国政、高庆学者的课题组对40Cr3MoV贝氏体钢、调质42CrMo钢等循环软化材料的棘轮行为进行了实验研究,结果表明:该类材料的棘轮行为具有明显的三阶段特征,即初始的棘轮应变率衰减阶段、中段的常棘轮应变率阶段和后期的加速棘轮应变率阶段,并且材料会很快因为过大的棘轮应变而过早失效。由于棘轮行为的复杂性,很多因素的影响都还没有得到合理的考虑,还需要进行大量的单轴和非比例多轴实验以及相应的理论研究。目前能够合理描述材料棘轮行为的本构模型还处于大力发展阶段。故此,棘轮机构虽然结构简单、设计制造方便,而且棘轮轴每次转过角度的大小可以在较大的范围内调节,但是由于其形状的不规则性和工作时较大的冲击,容易产生应力集中与噪声,且运动精度较差。所以棘轮机构通常用于速度较低和载荷不大的场合。
二、槽轮机构
槽轮机构,是继棘轮机构后应用较为广泛的一种纯机械式间歇运动机构。其典型的机构如上图2所示。它由主动拨盘1、从动槽轮2和机架组成。拨盘1以等角速度做连续回转,当拨盘上的圆销未进入槽轮的径向槽内时,由于槽轮的内凹锁止弧被拨盘的外凸锁止弧卡住,故槽轮不动。图示为圆销刚进入槽轮径向槽时的位置,此时锁止弧也刚被松开。此后,槽轮受圆销的驱动而转动。当圆销在另一边离开径向槽时,锁止弧又被卡住,槽轮又静止不动。直至圆销再次进入槽轮的另一个径向槽时,又重复上述运动。以此来实现槽轮机构的间歇式传动。
槽轮机构具有结构简单,便于制造、安装方便等优点,但传统普通槽轮机构在每次驱动曲柄进人或脱离轮槽时,槽轮的瞬时角加速度不为零且方向相反。以致发生方向相反的柔性冲击,引起动载荷,使传动系统产生不必要的振动,严重时甚至能造成槽轮在定位时出现越位现象,尽管增多槽数等方法可以减缓加速度的峰值,但无法从根本上完全消除。因此传统普通槽轮机构在要求精确定位和不能产生振动冲击的场合应用就受到限制。现在有些学者对传统普通槽轮机构进行机构变异,使新型槽轮机构能够在很大程度上克服以上缺点。例如行星齿轮-槽轮间歇运动机构,由于它的运动特性较普通槽轮间歇运动机构优越,已被用在一些先进的自动机械上。
槽轮机构本身的结构形状,在主要受力点形状过渡较为平滑,可以避免对槽轮机构零件寿命影响较大的应力集中问题,使槽轮机构的使用寿命较相等载荷情况下的棘轮机构要长。故,各种槽轮机构应用更为普遍,如冷霜灌装自动机,陶瓷液压成型机、糖果包装机、灯泡自动机、饼干包封机以及各种多工位组合机床等均利用槽轮机构实现转位。
三、擒纵机构
在众多的间歇运动机构中,有一种很常用但并不为多数人熟悉的纯机械机构。它就是擒纵机构。擒纵机构主要用于计时器、定时器等中。下图3所示为机械手表中的擒纵机构,它由擒纵轮5、擒纵叉2及游丝摆轮6组成。擒纵轮5受到发条力矩的驱动,具有顺时针转动的趋势,但因受到擒纵叉的左卡瓦1的阻挡而停止。游丝摆轮6以一定的频率绕轴往复摆动,图示为摆轮6逆时针摆动时。当摆轮上的圆销4撞到叉头钉7时,使擒纵叉顺时针摆动,直至碰到右限位钉3才停止;这时,左卡瓦1抬起,释放擒纵叉5使之顺时针转动。而右卡瓦1′落下,并与擒纵轮另一轮齿接触时,擒纵轮又被挡住而停止。当游丝摆轮沿顺时针方向摆回时,圆销4又从右边推动叉头钉7,使擒纵叉逆时针摆动,右卡瓦1′抬起,擒纵轮5被释放并转过一个角度,直至再次被左卡瓦挡住为止。这样就完成了一个工作周期。
擒纵机构的设计思想非常巧妙,其功能在适当的机构中显得非常突出。现在,有的机械设计人员将擒纵机构放大,应用到将较高速度减速的设备当中。虽然,这种类似于减速器作用的擒纵机构,不如减速器的寿命和可靠性,但其体积小,重量轻的优点非常适合用在特定环境下的机械设备中。擒纵机构也有其先天性的缺陷。由于擒纵轮的形状不规则与过渡不够平滑以及工作中的冲击,会产生对机械零件伤害极大的应力集中和噪声。如果载荷较大或是使用频繁,擒纵机构的寿命会相对较短。这就需要设计人员在设计过程中要充分考虑到设备的安全性设计。除此之外,擒纵机构还存在润滑的难题。传统方法是采用液体油润滑,但这种润滑方式并不可靠。因为在擒纵叉与擒纵轮的接触点的压强较大,油膜的形成会很困难,常常会造成润滑不良,导致机构磨损加速,从而减少使用寿命。但随着现代材料技术的发展,现侧重于用化学方法使油不易流散,通过改变材料、电镀方式使油能在润滑表面上长期保持良好的工作状态,增加机构的可靠性及寿命。
结束语:
以上三种间歇运动机构,是机械设备中常用到的纯机械机构。它们的设计思想巧妙,应用在特定工况下的功能较为强大。虽然它们的应用没有常规机械传动机构那样普遍,如齿轮、涡轮蜗杆、带传动。但它们一旦在机械设备中出现,那它肯定是整个设备的核心零部件之一。故此,对这三种间歇传动机构的结构特点、工作特性与其安全性的研究是非常有必要的。
作者单位:广东出入境检验检疫局技术中心电气室
参考文献:
[1]孙桓,陈作模,葛文杰.《机械原理》第七版.高等教育出版社
[2]王婷,刘云,李家春,牛鸣岐.行星齿轮-槽轮间歇运动机构的运动设计
[3]卢立军.擒纵机构的润滑及其改进
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