机电系统的结构设计中常用的典型机构

3、离合器变速传动机构
结构特点：由离合器和齿轮组成，固定在轴Ⅰ上的齿轮 Z1和Z2 分别与空套在轴Ⅱ上的齿轮Z1和Z2 始终保持啮合， 但不能将轴Ⅰ的运动直接传给Ⅱ
工作原理：只有当与轴Ⅱ花键连接的双向离合器M
（牙嵌式或摩擦式）左移或右移，与齿Z1和轮Z 2
接合
时，才能将运动接通
离合器有左、右两个啮合位置，得 到两种不同传动比 ，变速级数为2
有级变速机构：采用不同的方式改变主、从动 两轴间的传动比进行变速，从而使主动轴的一 种转速变为从动轴的几种不同转速
无级变速机构：在输入转速不变的情况下， 能实现输出轴的转速在一定范围内连续变化， 以满足机器或生产系统在运转过程中各种不 同工况的要求
一、几种常见的有级变速传动机构
1、塔轮变速传动机构
本章主要介绍机械系统中常用的典型机 构。
★重点内容：离合器、换向装置、变速 装置、操纵机构、制动装置
▲难点内容：操纵机构、制动装置
各种机械设备，尽管其结构、特点、功用各不相同， 但有一共同点，就是都要输出必需的运动和动力。
因此，各种设备都是由：如开停装置、换向装置、 变速装置、操纵机构等组成。
如果把这些装置及机构视为“积木块”，则任何机械 设备都可以看成是这些积木块的不同组合及搭配。
缺点：因摩擦片的打滑不能 保证准确的传动比，且传递 的扭矩不可过大
传递大扭矩：要增大摩擦片的工 作半径，增加摩擦片数，因而具 有较大的结构尺寸
摩擦式离合器应用：广泛 用于需要频繁启动、制动 或速度大小及方向频繁变 换的传动中。
摩擦式离合器
四、超越离合器
定义：属于非外力操纵的离合器，应用：在有快慢两 个动力源交替传动的轴上，可以实现输出轴快慢运动 的自动转换 。
图c为一种单回曲机构 结构特点：从动轴Ⅱ和主动轴Ⅰ同轴线布置
工作原理：合上离合器M，将轴Ⅰ的运动直接传给Ⅱ轴
u1 1
脱开离合器M，经 Z1 / Z1、Z2 / Z2 啮合将运动传给轴Ⅱ
u2

Z1 Z1

Z 2 Z2
这种单回曲机构也称背轮机构。 背轮机构有两级传动比
离合器变速传动机构
优点:变速方便，利用摩擦离合器可以在运动中变速， 易于实现自动化。变速时，齿轮不移动，故可采用斜 齿轮使传动平衡。在齿轮尺寸较大时，操纵离合器移 动比操纵齿轮移动省力。
解释：即当有快慢两种动力源同时输入时，离合器可以 不断开慢速运动而自动接通快速运动，使其超越慢速运 动；而当快速运动停止后，又自动恢复慢速运动
种类：常用的有滚柱式单向超越离合器，带拨爪的单 向超越离合器和双向超越离合器等。
滚柱式单向超越离合器
结构组成：星形体4，带外套m的齿轮2，滚柱3及弹簧销7
外套齿轮2空套在轴Ⅱ上，通过齿轮1输入慢速运动；星 形体4用键固定在轴Ⅱ上，由快速电机D通过齿轮6输入 快速运动。三个滚柱3分别在由星形体4和齿轮套m所形 成的三个楔形空间内，靠弹簧力与星形体4和齿轮套m 接触。
本章将介绍一些常用典型机构及装置。
第一节 ★离合器
一、概述
离合器的作用是使同轴线的两轴、或轴与该轴上的空套 传动件，如齿轮、皮带轮等，根据工作需要随时接通或 分离，以实现设备的启停、变速、换向及过载保护。 离合器种类 ：
按其结构、功能的不同
啮合式离合器 摩擦式离合器 超越式离合器 安全离合器
按其操作方式的不同 ：操纵式（机械、气动、液压、 电磁操纵式）和自动离合器
压紧装置由滑套9、钢球8、压紧套7及螺母套6组成
接通运动：操纵滑套9左 移时，其左端内锥面将 通过钢球使压紧套7左移， 并带动螺母套6左移将内 外摩擦片压紧 。
一般多片式摩擦离合器是人 力通过操纵机构，移动压紧 装置，改变离合器的工作状 态的
有时为了实现远程操纵或顺序控 制而采用液压、气动或电磁力驱 动、压紧摩擦片
挂轮架7可以绕轴Ⅱ 摆动，调整一定角 度以保证c与d的啮 合。调整好后，由 穿在弧形槽中的螺 钉6固定在机体上
挂轮变速传动机构 优点：结构简单、紧凑。由于用作主、从动轮的齿轮可 以颠倒其位置，所以用较少的齿轮可获得较多的变速级 数。 缺点：变速麻烦，调整齿轮费时费力
滑移齿轮块结构： 整体式结构
拼装式结构
整体式结构 环形槽bk是插齿或剃齿时的退刀槽 b是拨叉槽，装拨叉拨齿轮块滑移
拼装式结构：一般用键将几个单个 齿轮拼装在一起，用弹簧挡圈轴向 定位
滑移齿轮块上的齿轮数，最好不超过3，否则在滑移时 会引起滑移齿轮与固定齿轮的齿顶相碰。
滑移齿轮变速传动机构优点：结构紧凑，传动比准确， 变速传动方便，传动效率高，应用广泛。 缺点是不能在运动中变速。
工作原理：
当快速电机停止转动时，弹簧销将滚柱推向楔缝窄处， 又将m与星形体4楔紧，慢速运动重新接通。
这种离合器只能自动转换逆时针方向的快慢速运动， 故称单向超越离合器。
带拨爪的单向超越离合器 可以自动转换单一方向的慢速运动和双向的快速运动
与单向超越离合器的区别： 齿轮5空套在轴上，其快速运动不直接传给星形体4，而 是经齿轮5左侧的三个伸入星形体楔缝中的拨爪传动
工作原理：
当仅有慢速运动由轴Ⅰ通过齿轮1传至齿轮2（逆时针转 动）时，套m与滚柱3之间的摩擦力使滚柱滚向楔缝窄 处，将m与星形体楔成一体，带动星形体逆时针转动， 并通过轴Ⅱ上的键将运动传给轴Ⅱ。
工作原理：
当慢速运动没有停止，又启动了快速电机时，齿轮6通 过齿轮5将逆时针方向快速运动传给Ⅱ轴，使星形体逆 时针方向快转，滚柱3则反向滚动，压缩弹簧，齿轮套 m与星形体脱开，分别以各自不同转速，互不干涉地同 向旋转
摩擦元件的结构形式很多，有片式、锥式。其中片式 又分为单片式与多片式两种。
结构组成：由两组形式不同的摩擦 片和一个压紧机构组成
齿轮套筒2空套在轴 1上，外摩擦片4[见 图c]的外径上有三或 四个均布凸齿，插在 齿轮套筒2上相应的 轴向槽中，用其内孔 空套在花键轴1上。
内摩擦片5的形状如 图d所示，为外圆、 内花键孔，与花键轴 配合，并可沿花键轴 轴向滑动，其外径略 小于套筒2的内径
机械结构设计
机械工程学院机械设计及自动化系 宋梅利
第一章 机械结构设计导论 第二章 结构设计中常用的典型机构 补充：提高强度、刚度和延长寿命的结构设
计准则 第三章 典型工程结构实例 第四章 CA6140型卧式车床的结构分析 第五章 机床主运动部件设计 第六章 主轴组件设计
第二章 结构设计中常用的典型机构
超越离合器——快速超越
五、安全离合器
作用：提供过载保 护，即当机床过载 或出现故障时能自 动断开运动而保护 零件不受损坏，也 是一种非外力操纵 式离合器
工作原理： 半离合器5和6的相对端面为相吻合的螺旋齿面 5空套在轴上，6与 轴用花键连接
正常工作时，在 弹簧7的弹力作 用下，5、6的齿 面紧密啮合，成 为一体，同步旋 转，传递运动
结构特点： 两个塔形皮带轮1、3各包括三个不同直 径的皮带轮，皮带轮1、3分别固定在主、 从动轴Ⅰ和Ⅱ上。平皮带2绕其上
工作原理：皮带2可以在塔轮上移 换三个不同位置，从而得到三种不 同传动比
d1 / d1、d2 / d2、d3 / d3
故当Ⅰ轴以一种转速转动时，Ⅱ轴可 以得到三种不同转速
塔轮变速传动机构的变速级数取决 于不同直径的带轮的数目，一般为 2级或3级。
机床过载或出现故 障时，半离合器6 停转，但整个传动 链带动半离合器5 仍在转动
两螺旋齿面相对 滑动，产生轴向 分力
当轴向分力超过弹 簧的压力时，右半 离合器压缩弹簧而 向右移动，与左半 离合器5脱开，运 动联系中断，因而 不会损坏其他零件
当过载消失或故 障排除后，两半 离合器齿面间的 轴向分力减小， 右半离器被弹簧 重新压紧在左半 离合器齿面上， 二者一起传动， 运动联系恢复
啮合式离合器
优点：结构简单、紧凑，接合后不会产生滑动，可传 递较大扭矩且传动比准确
缺点：但齿爪不易在 运动中啮合，一般只 能在停转或相对转速 较低时接合，故操作 不便 。
应用：用于要求保持 严格运动关系，或速 度较低的传动链中。
三、摩擦式离合器
工作原理：利用相互压紧的两个摩擦元件接触面之 间的摩擦力传递运动和扭矩。
优点是结构简单，传动平衡，过载 时能打滑，有过载保护作用。
缺点是尺寸大，变速时换移皮带不 够方便
2、滑移齿轮变速传动机构
结构特点：主动轴Ⅰ上固定了两个或三个齿轮，相互保 持一定间距。双联或三联滑移齿轮块以花键与从动轴Ⅱ 相连
工作原理：移动滑移齿轮块到不同的啮合位置，可以实 现不同齿轮副的啮合而使Ⅱ轴得到2级或3级转速
牙嵌式安全离合器优缺点：
结构简单，过载时齿面打滑发出响声，可作为过 载报警信号，但噪声较大，且齿面易磨损。
钢球式安全离合器
两个半离合器的齿面用弹簧将钢球顶在锥孔里相连接
优缺点：动作反应灵敏，作为安全离合器比牙嵌式可靠， 过载时噪声也小。但端面锥孔口磨损快，不宜用于传递 重载荷。
第二节 ★变速传动机构
图c采用的是两对挂轮
结构特点：挂轮a和d分别装在位置固定的轴Ⅰ和 轴Ⅱ上，齿轮c和b用平键连在一起，空套在挂轮 架上可以调整位置的中间轴5上
图c采用的是两对挂轮
工作原理：轴Ⅰ的运动由齿轮a和b啮合传入，c和b同 步旋转，并通过c和d啮合传给Ⅱ轴。
怎样实现变速？
a、b中心距改变时： 中间轴5用螺钉和垫片固定在挂轮架7的直槽中，可在直 槽中上下移动，以保证a和b的啮合
半离合器2用花键或滑键与轴4相连，利用拨叉可使之向 左移动，进入结合状态，从而带动齿轮1与轴4同步旋转； 右移脱开齿爪，则齿轮空转。
图c、图d为内齿式离合器—— 一对齿数和模数相等的内啮合齿轮
外齿轮1用花键与轴连接，并可向右滑移与内齿轮2的内 齿啮合，将空套齿轮与轴连接、传递运动。齿轮1向左滑 动时则脱开啮合，断开其运动联系。
缺点:各对齿轮始终处于啮合状态，易磨损，传动效率 低，结构复杂，尺寸大。
4、挂轮变速传动机构
图a为一对挂轮变速传动机构
工作原理：轴Ⅰ、轴Ⅱ上装有一对可以拆卸更换的齿轮 A（称挂轮或交换齿轮、配换齿轮）和B，从设备备有 的齿轮中挑选不同的齿数的两个挂轮换装在轴Ⅰ和轴Ⅱ 上，就得到不同的传动比
变速级数取决于备有齿轮中能相互啮合且满足 中心距要求的齿轮副的对数。在齿数模数相同 时，要求配换的各对挂轮的齿数和应相等
带拨爪的单向超越离合器工作原理：
齿轮5逆时针转动时，由拨爪直接带动星形体实现逆时 针快转，齿轮5顺时针转动时，拨爪n则通过滚柱3推星 形体，实现顺时针快转。在这两种情况下都可使滚柱 与齿轮套m脱开。
双向超越离合器：能实现正反两个方向的快慢速运动 的自动转换。其原理同带拨爪的单向超载离合器一样
超越离合器——正常工作
Z1 / Z1、Z2 / Z2
图b是由两个双向离合器及六个空套齿轮组成
离合器M1和M2的啮合位置有四种不同组合，有四种不 同的传动比
M1M 2
M1M 2
u1

Z3 Z 3
u2

Z3 Z3

Z1 Z1

Z2 Z2
M1M 2
M1M 2
u3

Z1 Z1
u4

Z2 Z 2
大多数离合器已标准化、系列化，使用时可按需要选 择合适的类型、型号和尺寸
离合器工作原理
二、啮合式离合器
工作原理：由两个半离合器组成，利用两个半离合器的 齿爪相互啮合传递运动和转矩。按其结构的不同，又可 分为牙嵌式和齿轮式
图a为牙嵌式离合器结构
与齿轮成为一体的半离合器1空套于轴4，其右端面有 齿爪，可与半离合器2左端面的齿爪相啮合
外摩擦片总是与 齿轮2一起转动， ห้องสมุดไป่ตู้内摩擦片总与 轴1一起转动
工作原理：当压紧机构带动压紧套向左移动，将内外 摩擦片相互压紧时，则轴1的运动靠摩擦片之间的摩 擦力，通过外摩擦片传给齿轮2，将运动接通。
因靠摩擦片之间的摩擦 力传递扭矩，所以离合 器传递扭矩的大小取决 于压紧块的压紧力、摩 擦片间的摩擦系数、摩 擦片的作用半径以及摩 擦面对数。
液压摩擦离合器工作原理：
内外摩擦片的压紧力由液压 缸的活塞2左移提供。当液压 油缸右腔接通低压油路时， 活塞在弹簧力作用下右移， 松开内外摩擦片
摩擦式离合器 优点：
1、靠摩擦力传递运动和扭 矩，过载时离合器接合面产 生打滑，能避免损坏零件， 起到安全保护作用
2、且摩擦片的接合及分离 动作是逐步完成的，连续且 平稳，无冲击，可以在运转 中进行