運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)—延續(xù)篇

所 有機(jī)械均由不同的部分組合而成，各部分均稱(chēng)為機(jī)械組件。一些由少量機(jī)械組件組成的機(jī)械已經(jīng)能夠單獨(dú)運(yùn)作，稱(chēng)為「簡(jiǎn)單機(jī)械」，例如：開(kāi)瓶器、剪刀、滑輪組和 螺旋起重器等。由兩種或以上簡(jiǎn)單機(jī)械所組成的機(jī)械則稱(chēng)為「復(fù)合機(jī)械」，例如：連桿、腳踏車(chē)的鏈和鏈齒和汽車(chē)引擎等。當(dāng)中有部分組件起著傳動(dòng)的作用，除上回 為大家介紹過(guò)的齒輪，其實(shí)還有多種，包括滑輪組、鏈輪、鏈條和連桿等。今回繼續(xù)為大家介紹其他傳送機(jī)構(gòu)。

皮帶及滑輪

皮 帶輪是由一條彈性皮帶，將二組滑輪組合而成。其功用是將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力由主動(dòng)輪傳送到隨動(dòng)輪。利用皮帶傳動(dòng)裝置既簡(jiǎn)單，又較寧?kù)o。它們的工作原理與齒輪功能相 似，但還是有區(qū)別的。皮帶常用皮革、橡膠或紗織纖維等材料制造。皮帶可將一組滑輪的轉(zhuǎn)矩(即轉(zhuǎn)動(dòng)的力量)傳給另一組。滑輪常用鑄鐵、鋼材或尼龍等材料制 造。它是個(gè)邊緣有凹槽的輪子，凹槽是防止皮帶從滑輪上掉下來(lái)的。皮帶的安裝形式有平衡式和交錯(cuò)式兩種傳動(dòng)。平衡式傳動(dòng)是兩軸的旋轉(zhuǎn)方向相同；交錯(cuò)式則是兩 軸的旋轉(zhuǎn)方向相反。

皮帶傳遞的力

皮 帶呈環(huán)形，以一定的張緊力套在帶輪上，使帶和帶輪相互壓緊。靜止時(shí)，帶兩邊的拉力相等；傳動(dòng)時(shí)，帶與輪面間摩擦力的作用，使帶兩邊的拉力不相等。繞進(jìn)主動(dòng) 輪的一邊，拉力會(huì)增加(F1)，稱(chēng)為緊邊拉力；而另一邊帶的拉力由則減少(F2)，稱(chēng)為松邊拉力。兩邊拉力之差F＝F1－F2即為帶的有效拉力，它等于沿 帶輪的接觸弧上摩擦力的總和。皮帶和滑輪間的摩擦力是有極限值，如果工作阻力超過(guò)極限值，帶就會(huì)在輪面上打滑，使滑輪不能正常輪動(dòng)。

滑輪轉(zhuǎn)速比關(guān)系

皮 帶將運(yùn)動(dòng)從一個(gè)滑輪傳遞到另一個(gè)滑輪上，非常類(lèi)似一對(duì)齒輪。那如何計(jì)算它們的傳動(dòng)比呢？雖然滑輪沒(méi)有齒，但可通過(guò)計(jì)算滑輪的半徑(或直徑)來(lái)確定其傳動(dòng) 比。皮帶和滑輪系統(tǒng)的傳動(dòng)比可以表示為由上式可知，滑輪的轉(zhuǎn)速與它的半徑成反比。所以，直徑相對(duì)較小的被動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速會(huì)較快，但驅(qū)動(dòng)力會(huì)較小。相反，直徑相 對(duì)較大的被動(dòng)輪轉(zhuǎn)速雖較慢，但驅(qū)動(dòng)力會(huì)較大。

設(shè)主動(dòng)輪的直徑為D1，從動(dòng)輪的直徑為D2，其轉(zhuǎn)速分別為N1和N2，則帶輪的轉(zhuǎn)速與直徑成反比。當(dāng)直徑小的輪為主動(dòng)輪，直徑大的為從動(dòng)輪時(shí)，可實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)；反之，直徑大的輪為主動(dòng)輪，直徑小的為從動(dòng)輪時(shí)，可實(shí)現(xiàn)加速傳動(dòng)。
要得到較大的減速比，可使用多級(jí)滑輪減速。當(dāng)主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪時(shí)，附在從動(dòng)輪上的另一滑輪同時(shí)被帶動(dòng)(成了另一組滑輪的主動(dòng)輪)。以下圖為例其轉(zhuǎn)速比計(jì)算與齒輪十分相似，計(jì)算如下。

皮帶特點(diǎn)兩面睇

由于皮帶很容易打滑，因此不適合傳遞大扭矩。影響打滑有多種因素，包括扭矩和速度、皮帶的張力、皮帶和滑輪之間的摩擦力、皮帶的彈性等。但主要是過(guò)載所引起，打滑會(huì)造成皮帶的磨損，帶的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，使傳動(dòng)失效。
你可能在很多應(yīng)用中看到滑輪打滑現(xiàn)象，它所起的作用就是限制扭矩。當(dāng)遇到突然超載時(shí)，打滑可以起到過(guò)載保護(hù)作用，避免其它零件發(fā)生損壞。滑輪與齒輪相比， 還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。滑輪可以通過(guò)使用長(zhǎng)皮帶將運(yùn)動(dòng)傳遞到遠(yuǎn)處的軸上，而且在高速狀態(tài)下，滑輪傳動(dòng)比齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生更低的噪音，有時(shí)候這個(gè)特性非常有用。

連桿

連 桿機(jī)構(gòu)是兩端分別與主動(dòng)和從動(dòng)構(gòu)件鉸接以傳遞運(yùn)動(dòng)和力的桿件。連桿機(jī)構(gòu)常用于剛體導(dǎo)引、實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律或已知軌跡。連桿是杠桿的組合應(yīng)用，不同杠桿的搭 配使用，可用來(lái)傳送運(yùn)動(dòng)和改變運(yùn)動(dòng)方向。不同的連桿設(shè)計(jì)可得到以下特性：1)將輸入動(dòng)力以相反方向等倍輸出；2)以相等同方向的動(dòng)力輸出；3)輸出動(dòng)力大 于輸入，且作用方向相反；4)將直線(xiàn)變成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。連桿亦經(jīng)常應(yīng)用在機(jī)械人上，一些機(jī)械人和步行機(jī)器均使用連桿來(lái)作為驅(qū)動(dòng)手和足。

平面連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

連 桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)形式多樣，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、移動(dòng)和平面或空間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，從而可用于實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律和已知軌跡。低副面接觸的結(jié)構(gòu)使連桿機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu) 點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減小，可承受較大載荷。兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何約束來(lái)保持的，不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用 彈簧等力封閉來(lái)保持接觸，所以構(gòu)件工作可靠。
在制作平面連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，若根據(jù)從動(dòng)件所需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或軌跡來(lái)設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。另外，當(dāng)運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往較多， 這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅易發(fā)生自鎖的可能性，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差亦相對(duì)增加。
機(jī)構(gòu)中作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合。

鏈輪和鏈條

以 皮帶傳達(dá)動(dòng)力時(shí)，易發(fā)生打滑現(xiàn)象而無(wú)法獲得確定的轉(zhuǎn)速比，且不適合于潮濕及高溫的環(huán)境下使用。雖然齒輪傳動(dòng)可以得到確定的轉(zhuǎn)速比，但兩輪軸間的距離受到限 制。當(dāng)齒輪之間距離太遠(yuǎn)時(shí)，無(wú)法直接帶動(dòng)。以鏈條傳動(dòng)是個(gè)好選擇，鏈條是由一組互相扣接的鏈環(huán)所組成的，鏈輪則是一個(gè)附有齒牙的輪子。
鏈條和鏈輪常用來(lái)傳送相同方向的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，例如：腳踏車(chē)常使用鏈條和鏈輪來(lái)傳送動(dòng)力。利用鏈條和不同齒數(shù)的鏈輪組合，可以令腳踏車(chē)產(chǎn)生不同大小的驅(qū)動(dòng)力。 設(shè)計(jì)鏈條和鏈輪時(shí)，必須注意鏈條孔和鏈輪齒的分布，以令它們準(zhǔn)確地互相扣合。

與皮帶輪相比，雖然扣鏈齒輪與鏈條傳動(dòng)的摩擦力和噪音都較大，但它不會(huì)有空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，可確保機(jī)械在運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)位置不變。因?yàn)橛行埩Ρ绕л喆螅蛇厪埩捉诹悖蕚鲃?dòng)效率高。此外，鏈條不像皮帶輪會(huì)受濕氣及高溫影響。因而廣泛的被應(yīng)用在各種機(jī)械傳動(dòng)上。

行星齒輪傳動(dòng)比解構(gòu)

上 回介紹過(guò)行星齒輪，以下再為大家講解有關(guān)其傳動(dòng)比的計(jì)算。行星排在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于行星小齒輪存在著自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此其傳動(dòng)比的計(jì)算方法和普通的 定軸式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不同；為了計(jì)算各種行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，下面先分析最簡(jiǎn)單的單排行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比的計(jì)算方法，其它各種型式的行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比 可以用同樣的方法導(dǎo)出，由于在單排行星齒輪機(jī)構(gòu)中，行星小齒輪只有中間輪（惰輪）的作用，因此單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比取決于太陽(yáng)輪齒輪Zs和內(nèi)齒環(huán)齒輪 Zr，與行星小齒輪的齒輪無(wú)關(guān)。要計(jì)算出其傳動(dòng)比可透過(guò)以下公式：

Ns +αNr = (1+α) Nc

式 中各函數(shù)意思：Ns為太陽(yáng)齒輪轉(zhuǎn)速；Nr為內(nèi)齒環(huán)轉(zhuǎn)速；Nc為行星架轉(zhuǎn)速；α為內(nèi)齒環(huán)齒輪與太陽(yáng)齒輪的齒輪比。根據(jù)單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性方程式，可 以看出太陽(yáng)輪、內(nèi)齒環(huán)和行星架這3個(gè)基本組件中，可以任選其中兩個(gè)基本組件分別作為主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，余下一個(gè)將其固定，即可計(jì)算出該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，下面分 別討論各種可能的情況。

減速傳動(dòng)

1. 將內(nèi)齒環(huán)固定，太陽(yáng)輪為主動(dòng)輪，行星架為從動(dòng)輪。當(dāng)內(nèi)齒環(huán)固定時(shí)即Nr = 0，將其代入方程式得出以下關(guān)系：

由于內(nèi)齒環(huán)的齒輪Zr大于太陽(yáng)輪的齒輪Zs，因此傳動(dòng)比數(shù)值會(huì)大于2，所以此時(shí)之傳動(dòng)為減速增扭傳動(dòng)。

2. 將太陽(yáng)輪固定，內(nèi)齒環(huán)為主動(dòng)輪，行星架為從動(dòng)輪。即Ns = 0，將此值代入方程式獲得以下關(guān)系：

由于太陽(yáng)輪的齒輪Zs小于內(nèi)齒環(huán)的齒輪Zr，因此傳動(dòng)比會(huì)在1和2之間(即 1＜i＜2)，同樣是減速增扭傳動(dòng)。

3. 將行星架固定，太陽(yáng)輪為主動(dòng)輪，內(nèi)齒環(huán)為從動(dòng)輪。若將行星架固定，則行星小齒輪的軸線(xiàn)亦被固定，行星小齒輪只能自轉(zhuǎn)，不會(huì)繞著太陽(yáng)輪公轉(zhuǎn)。即Nc =0 ，并代入性方程式獲得以下關(guān)系：

由于內(nèi)齒環(huán)的齒輪Zr大于太陽(yáng)輪的齒輪Zs，傳動(dòng)比定會(huì)小于-1。傳動(dòng)比為負(fù)數(shù)，這表示內(nèi)齒環(huán)與太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)向相反，相當(dāng)于倒檔。由于傳動(dòng)比取其絕對(duì)值后仍大于1，所以此傳動(dòng)為減速增扭倒檔傳動(dòng)。

加速傳動(dòng)

1. 將太陽(yáng)架固定，以行星架為主動(dòng)輪，內(nèi)齒環(huán)為從動(dòng)輪。即Ns = 0，將此值代入方程式得以下關(guān)系：

由于太陽(yáng)輪的齒輪Zs小于內(nèi)齒環(huán)的齒輪Zr，所以這一傳動(dòng)比i小于1，因此輸出軸轉(zhuǎn)速比輸入軸轉(zhuǎn)速還高是加速減扭傳動(dòng)。

2. 將內(nèi)齒環(huán)固定，以行星架為主動(dòng)輪，太陽(yáng)輪為從動(dòng)輪。即Nr = 0代入方程式得出以下關(guān)系：

由于太陽(yáng)輪的齒輪Zs小于內(nèi)齒環(huán)的齒輪Zr，所以這一傳動(dòng)比i遠(yuǎn)小于1，因此輸出軸轉(zhuǎn)速比輸入軸轉(zhuǎn)速還高是加速減扭傳動(dòng)，相當(dāng)于超速檔。

3. 固定行星架，以?xún)?nèi)齒環(huán)為主動(dòng)輪，太陽(yáng)輪為從動(dòng)輪。行星架固定時(shí)，行星小齒輪只能自轉(zhuǎn)，不會(huì)繞著太陽(yáng)輪公轉(zhuǎn)。即Nc =0并將其代入方程式得出：

由于內(nèi)齒環(huán)的齒輪Zr大于太陽(yáng)輪的齒輪Zs，傳動(dòng)比會(huì)大于-1。同樣傳動(dòng)比為負(fù)數(shù)，表示內(nèi)齒環(huán)與太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)向相反。－Zr/Zs 的絕對(duì)值小于1，所以該傳動(dòng)為加速減扭倒檔傳動(dòng)。

單排行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比各種可能的情況

固定組件 主動(dòng)組件 被動(dòng)組件 傳動(dòng)方式

內(nèi)齒環(huán) 太陽(yáng)齒輪 行星架 減速增扭傳動(dòng)

太陽(yáng)齒輪 內(nèi)齒環(huán) 行星架 減速增扭傳動(dòng)

行星架 太陽(yáng)齒輪 內(nèi)齒環(huán) 減速增扭倒檔傳動(dòng)

內(nèi)齒環(huán) 行星架 太陽(yáng)齒輪 加速減扭傳動(dòng)

太陽(yáng)齒輪 行星架 內(nèi)齒環(huán) 加速減扭傳動(dòng)

行星架 內(nèi)齒環(huán) 太陽(yáng)齒輪 加速減扭倒檔傳動(dòng)