常見的回轉(zhuǎn)、直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)

錢浩

摘 要：實(shí)際的機(jī)器當(dāng)中，往往需要用到回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)之間的相互轉(zhuǎn)換，本文介紹了能實(shí)現(xiàn)此功能的幾種常見機(jī)構(gòu)，分別是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，并說明了各自的特點(diǎn)及在實(shí)際中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；直線運(yùn)動(dòng)；機(jī)構(gòu)

1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

1.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)定義

在普通四桿機(jī)構(gòu)中，四個(gè)構(gòu)件之間都是通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，這樣可以實(shí)現(xiàn)曲線與曲線運(yùn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換。而曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是保留曲柄桿、中間桿和固定桿（機(jī)架），將另一根桿退化為滑塊，使滑塊與中間連桿用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，滑塊與固定桿用移動(dòng)副連接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)曲柄端的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與滑塊端的直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化。

1.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

①低副連接，運(yùn)動(dòng)副單位面積受力小，便于潤滑，磨損小；

②對(duì)于長距離的控制也可以實(shí)現(xiàn)；

③構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)靠幾何封閉來維系，比力封閉的可靠。

1.2.2 缺點(diǎn)

①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，且對(duì)制造安裝的敏感性大；

②高速時(shí)將引起很大的振動(dòng)和動(dòng)載荷。

1.2.3 應(yīng)用

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在機(jī)械中的應(yīng)用很廣泛，例如，內(nèi)燃機(jī)通過活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將內(nèi)能轉(zhuǎn)換為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能；壓力機(jī)結(jié)構(gòu)中通過曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)連桿帶動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)加壓作用；牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)桿繞一點(diǎn)擺動(dòng)，帶動(dòng)滑枕做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刨削；抽水機(jī)結(jié)構(gòu)中，搖動(dòng)手柄時(shí)，在連桿的支承下，活塞桿在筒（固定滑塊）內(nèi)做上下運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到抽水目的。另外，工程中的搓絲機(jī)、自動(dòng)送料裝置及自卸翻斗裝置等機(jī)械中都用到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

2 凸輪機(jī)構(gòu)

2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的組成和特點(diǎn)

凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)部分組成，其中凸輪是主動(dòng)件，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由凸輪的輪廓決定。凸輪是具有曲線輪廓或溝槽的構(gòu)件，若從動(dòng)件是移動(dòng)構(gòu)件，那么這樣的凸輪機(jī)構(gòu)便能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。

凸輪機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是：

①可以用于對(duì)從動(dòng)件任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求的場合；

②可以高速啟動(dòng)，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，結(jié)構(gòu)簡單緊湊；

③凸輪和從動(dòng)件以點(diǎn)或線接觸，單位面積上壓力高，難以保持良好的潤滑，易磨損；

④凸輪形狀復(fù)雜，加工維修較困難。

2.2 凸輪機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用

凸輪機(jī)構(gòu)根據(jù)各構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置，可分為平面凸輪機(jī)構(gòu)和空間凸輪機(jī)構(gòu)兩大類，根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式，凸輪機(jī)構(gòu)可分為移動(dòng)從動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)從動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)兩大類，根據(jù)凸輪形狀，凸輪機(jī)構(gòu)可分為盤形凸輪機(jī)構(gòu)、柱體凸輪機(jī)構(gòu)、椎體凸輪機(jī)構(gòu)和球體凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)主從動(dòng)件接觸形式有尖頂、滾子、平底三種，如果要改善主從動(dòng)件受力形式可以采用偏置結(jié)構(gòu)。

內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)就是凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用的典型實(shí)例，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，依靠凸輪的輪廓，可以迫使從動(dòng)件氣閥桿向下移動(dòng)打開氣門（借助彈簧作用力關(guān)閉），這樣就可以按預(yù)定時(shí)間打開或關(guān)閉氣門，以完成內(nèi)燃機(jī)的配氣動(dòng)作。另外，車輛走行部的制動(dòng)控制元件、紡織機(jī)械中大量使用凸輪機(jī)構(gòu)，總之，在一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，凸輪是最好的應(yīng)用（在很多要求較高往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，替代曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中需要的速度變化）。

3 齒輪齒條機(jī)構(gòu)與滾珠絲杠機(jī)構(gòu)

目前，機(jī)床制造中，齒輪齒條傳動(dòng)是使用較為廣泛的一種傳動(dòng)形式，它能實(shí)現(xiàn)齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與齒條的直線運(yùn)動(dòng)間的轉(zhuǎn)化，這種形式的傳動(dòng)有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在很多大型機(jī)床上，利用這種形式的傳動(dòng)，很方便的就得到高速直線運(yùn)動(dòng)，而且根據(jù)車床各方面的不同我們可以制作出各種材質(zhì)的齒條，使得剛度和機(jī)械效率大大提高。但是在很多時(shí)候也存在著各種各樣的缺點(diǎn)，因?yàn)檫@種傳動(dòng)形式的平穩(wěn)性是依賴齒條和齒輪精度，如果精度不夠高，機(jī)床在加工其他零件時(shí)，就會(huì)有一定的誤差。所以如果想要消除這類零件的誤差，或使其在機(jī)床中運(yùn)轉(zhuǎn)噪音減少，就要不斷提高對(duì)齒條和齒輪的精度要求，并在材質(zhì)上增加耐磨性和耐熱性。所以，在一些精度要求比較高的場合，我們常常選用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)。

滾珠絲杠采用滾珠螺旋傳動(dòng)，是一種直線與曲線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的理想機(jī)構(gòu)，主要由滾珠、螺桿、螺母及滾珠循環(huán)裝置組成，其工作原理是：在螺桿和螺母的螺紋滾道中裝一定數(shù)量的滾珠，當(dāng)螺桿與螺母作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠在螺紋滾到內(nèi)滾動(dòng)，并通過滾珠循環(huán)裝置的通道構(gòu)成封閉循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)螺桿與螺母間的滾動(dòng)摩擦。滾珠絲杠傳動(dòng)摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、動(dòng)作靈敏，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形尺寸較大，對(duì)制造技術(shù)要求高，因此成本也高。目前主要應(yīng)用于精密傳動(dòng)的數(shù)控機(jī)床以及自動(dòng)控制裝置、升降機(jī)構(gòu)、精密測量儀器等。

絲杠傳動(dòng)具有速比大、行走慢、傳動(dòng)質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，而齒輪齒條傳動(dòng)速比小、行走快、傳動(dòng)質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)簡單。在長距離重負(fù)載直線運(yùn)動(dòng)上，絲杠有可能強(qiáng)度不夠，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)子出現(xiàn)震動(dòng)、抖動(dòng)等情況，嚴(yán)重的，會(huì)導(dǎo)致絲杠彎曲、變形、甚至斷裂等；而齒條就不會(huì)有這樣的情況，齒條可以長距離無限接長并且高速運(yùn)轉(zhuǎn)而不影響齒條精度（當(dāng)然這個(gè)跟裝配、床身本身的精度都有關(guān)系），但在短距離直線運(yùn)動(dòng)中，絲杠的精度明顯要比齒條高得多。

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