運動傳送機構(gòu)—延續(xù)篇

所 有機械均由不同的部分組合而成，各部分均稱為機械組件。一些由少量機械組件組成的機械已經(jīng)能夠單獨運作，稱為「簡單機械」，例如：開瓶器、剪刀、滑輪組和 螺旋起重器等。由兩種或以上簡單機械所組成的機械則稱為「復合機械」，例如：連桿、腳踏車的鏈和鏈齒和汽車引擎等。當中有部分組件起著傳動的作用，除上回 為大家介紹過的齒輪，其實還有多種，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)動力由主動輪傳送到隨動輪。利用皮帶傳動裝置既簡單，又較寧靜。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。它是個邊緣有凹槽的輪子，凹槽是防止皮帶從滑輪上掉下來的。皮帶的安裝形式有平衡式和交錯式兩種傳動。平衡式傳動是兩軸的旋轉(zhuǎn)方向相同；交錯式則是兩 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，帶兩邊的拉力相等；傳動時，帶與輪面間摩擦力的作用，使帶兩邊的拉力不相等。繞進主動 輪的一邊，拉力會增加(F1)，稱為緊邊拉力；而另一邊帶的拉力由則減少(F2)，稱為松邊拉力。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，如果工作阻力超過極限值，帶就會在輪面上打滑，使滑輪不能正常輪動。

滑輪轉(zhuǎn)速比關(guān)系

皮 帶將運動從一個滑輪傳遞到另一個滑輪上，非常類似一對齒輪。那如何計算它們的傳動比呢？雖然滑輪沒有齒，但可通過計算滑輪的半徑(或直徑)來確定其傳動 比。皮帶和滑輪系統(tǒng)的傳動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，直徑相對較小的被動輪的轉(zhuǎn)速會較快，但驅(qū)動力會較小。相反，直徑相 對較大的被動輪轉(zhuǎn)速雖較慢，但驅(qū)動力會較大。

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

皮帶特點兩面睇

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。但主要是過載所引起，打滑會造成皮帶的磨損，帶的運動處于不穩(wěn)定狀態(tài)，使傳動失效。
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。當遇到突然超載時，打滑可以起到過載保護作用，避免其它零件發(fā)生損壞?；喤c齒輪相比， 還有一個優(yōu)點?；喛梢酝ㄟ^使用長皮帶將運動傳遞到遠處的軸上，而且在高速狀態(tài)下，滑輪傳動比齒輪傳動產(chǎn)生更低的噪音，有時候這個特性非常有用。

連桿

連 桿機構(gòu)是兩端分別與主動和從動構(gòu)件鉸接以傳遞運動和力的桿件。連桿機構(gòu)常用于剛體導引、實現(xiàn)已知運動規(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，可用來傳送運動和改變運動方向。不同的連桿設(shè)計可得到以下特性：1)將輸入動力以相反方向等倍輸出；2)以相等同方向的動力輸出；3)輸出動力大 于輸入，且作用方向相反；4)將直線變成旋轉(zhuǎn)動作。連桿亦經(jīng)常應(yīng)用在機械人上，一些機械人和步行機器均使用連桿來作為驅(qū)動手和足。

平面連桿機構(gòu)優(yōu)缺點

連 桿機構(gòu)構(gòu)件運動形式多樣，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動、擺動、移動和平面或空間復雜運動，從而可用于實現(xiàn)已知運動規(guī)律和已知軌跡。低副面接觸的結(jié)構(gòu)使連桿機構(gòu)具有以下優(yōu) 點，運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，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保持的，不像凸輪機構(gòu)有時需利用 彈簧等力封閉來保持接觸，所以構(gòu)件工作可靠。
在制作平面連桿機構(gòu)時，若根據(jù)從動件所需要的運動規(guī)律或軌跡來設(shè)計連桿機構(gòu)比較復雜。另外，當運動要求較多或較復雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往較多， 這樣就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，工作效率降低，不僅易發(fā)生自鎖的可能性，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差亦相對增加。
機構(gòu)中作復雜運動和作往復運動的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合。

鏈輪和鏈條

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

與皮帶輪相比，雖然扣鏈齒輪與鏈條傳動的摩擦力和噪音都較大，但它不會有空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，可確保機械在運動時的相對位置不變。因為有效張力比皮帶輪大，而松邊張力幾近于零，故傳動效率高。此外，鏈條不像皮帶輪會受濕氣及高溫影響。因而廣泛的被應(yīng)用在各種機械傳動上。

行星齒輪傳動比解構(gòu)

上 回介紹過行星齒輪，以下再為大家講解有關(guān)其傳動比的計算。行星排在運轉(zhuǎn)時，由于行星小齒輪存在著自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)兩種運動狀態(tài)，因此其傳動比的計算方法和普通的 定軸式齒輪傳動機構(gòu)不同；為了計算各種行星齒輪機構(gòu)的傳動比，下面先分析最簡單的單排行星齒輪機構(gòu)傳動比的計算方法，其它各種型式的行星齒輪機構(gòu)的傳動比 可以用同樣的方法導出，由于在單排行星齒輪機構(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構(gòu)的傳動比取決于太陽輪齒輪Zs和內(nèi)齒環(huán)齒輪 Zr，與行星小齒輪的齒輪無關(guān)。要計算出其傳動比可透過以下公式：

Ns +αNr = (1+α) Nc

式 中各函數(shù)意思：Ns為太陽齒輪轉(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)齒輪與太陽齒輪的齒輪比。根據(jù)單排行星齒輪機構(gòu)的運動特性方程式，可 以看出太陽輪、內(nèi)齒環(huán)和行星架這3個基本組件中，可以任選其中兩個基本組件分別作為主動輪和從動輪，余下一個將其固定，即可計算出該機構(gòu)的傳動比，下面分 別討論各種可能的情況。

減速傳動

1. 將內(nèi)齒環(huán)固定，太陽輪為主動輪，行星架為從動輪。當內(nèi)齒環(huán)固定時即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大于太陽輪的齒輪Zs，因此傳動比數(shù)值會大于2，所以此時之傳動為減速增扭傳動。

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

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

3. 將行星架固定，太陽輪為主動輪，內(nèi)齒環(huán)為從動輪。若將行星架固定，則行星小齒輪的軸線亦被固定，行星小齒輪只能自轉(zhuǎn)，不會繞著太陽輪公轉(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大于太陽輪的齒輪Zs，傳動比定會小于-1。傳動比為負數(shù)，這表示內(nèi)齒環(huán)與太陽輪的轉(zhuǎn)向相反，相當于倒檔。由于傳動比取其絕對值后仍大于1，所以此傳動為減速增扭倒檔傳動。

加速傳動

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

由于太陽輪的齒輪Zs小于內(nèi)齒環(huán)的齒輪Zr，所以這一傳動比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。

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

由于太陽輪的齒輪Zs小于內(nèi)齒環(huán)的齒輪Zr，所以這一傳動比i遠小于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，相當于超速檔。

3. 固定行星架，以內(nèi)齒環(huán)為主動輪，太陽輪為從動輪。行星架固定時，行星小齒輪只能自轉(zhuǎn)，不會繞著太陽輪公轉(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大于太陽輪的齒輪Zs，傳動比會大于-1。同樣傳動比為負數(shù)，表示內(nèi)齒環(huán)與太陽輪的轉(zhuǎn)向相反。－Zr/Zs 的絕對值小于1，所以該傳動為加速減扭倒檔傳動。

單排行星齒輪機構(gòu)傳動比各種可能的情況

固定組件 主動組件 被動組件 傳動方式

內(nèi)齒環(huán) 太陽齒輪 行星架 減速增扭傳動

太陽齒輪 內(nèi)齒環(huán) 行星架 減速增扭傳動

行星架 太陽齒輪 內(nèi)齒環(huán) 減速增扭倒檔傳動

內(nèi)齒環(huán) 行星架 太陽齒輪 加速減扭傳動

太陽齒輪 行星架 內(nèi)齒環(huán) 加速減扭傳動

行星架 內(nèi)齒環(huán) 太陽齒輪 加速減扭倒檔傳動