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運動傳送機構—延續篇

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所 有機械均由不同的部分組合而成,各部分均稱為機械元件。一些由少量機械元件組成的機械已經能夠單獨運作,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「複合機械」,例如:連桿、腳踏車的鏈和鏈齒和汽車引擎等。當中有部分元件起著傳動的作用,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。今回繼續為大家介紹其他傳送機構。

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,但還是有區別的。皮帶常用皮革、橡膠或紗織纖維等材料製造。皮帶可將一組滑輪的轉矩(即轉動的力量)傳給另一組。滑輪常用鑄鐵、鋼材或尼龍等材料製 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方向相同;交錯式則是兩 軸的旋轉方向相反。

皮帶傳遞的力

皮 帶呈環形,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),稱為鬆邊拉力。兩邊拉力之差F=F1-F2即為帶的有效拉力,它等於沿 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。

 

 

滑輪轉速比關係

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。皮帶和滑輪系統的傳動比可以表示為由上式可知,滑輪的轉速與它的半徑成反比。所以,直徑相對較小的被動輪的轉速會較快,但驅動力會較小。相反,直徑相 對較大的被動輪轉速雖較慢,但驅動力會較大。

設主動輪的直徑為D1,從動輪的直徑為D2,其轉速分別為N1和N2,則帶輪的轉速與直徑成反比。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)。以下圖為例其轉速比計算與齒輪十分相似,計算如下。

皮帶特點兩面睇

由於皮帶很容易打滑,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,帶的運動處於不穩定狀態,使傳動失效。
你可能在很多應用中看到滑輪打滑現象,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,避免其它零件發生損壞。滑輪與齒輪相比, 還有一個優點。滑輪可以通過使用長皮帶將運動傳遞到遠處的軸上,而且在高速狀態下,滑輪傳動比齒輪傳動產生更低的噪音,有時候這個特性非常有用。

連桿

連 桿機構是兩端分別與主動和從動構件鉸接以傳遞運動和力的桿件。連桿機構常用於剛體導引、實現已知運動規律或已知軌跡。連桿是槓桿的組合應用,不同槓桿的搭 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 於輸入,且作用方向相反;4)將直線變成旋轉動作。連桿亦經常應用在機械人上,一些機械人和步行機器均使用連桿來作為驅動手和足。

平面連桿機構優缺點

連 桿機構構件運動形式多樣,可實現轉動、擺動、移動和平面或空間複雜運動,從而可用於實現已知運動規律和已知軌跡。低副面接觸的結構使連桿機構具有以下優 點,運動副單位面積所受壓力較小,且面接觸便於潤滑,故磨損減小,可承受較大載荷。兩構件之間的接觸是靠本身的幾何約束來保持的,不像凸輪機構有時需利用 彈簧等力封閉來保持接觸,所以構件工作可靠。
在製作平面連桿機構時,若根據從動件所需要的運動規律或軌跡來設計連桿機構比較複雜。另外,當運動要求較多或較複雜時,需要的構件數和運動副數往往較多, 這樣就使機構結構複雜,工作效率降低,不僅易發生自鎖的可能性,而且機構運動規律對製造、安裝誤差亦相對增加。
機構中作複雜運動和作往復運動的構件所產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,故連桿機構常用於速度較低的場合。

鏈輪和鏈條

以 皮帶傳達動力時,易發生打滑現象而無法獲得確定的轉速比,且不適合於潮濕及高溫的環境下使用。雖然齒輪傳動可以得到確定的轉速比,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的鏈輪組合,可以令腳踏車產生不同大小的驅動力。 設計鏈條和鏈輪時,必須注意鏈條孔和鏈輪齒的分佈,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,但它不會有空轉的現象,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,而鬆邊張力幾近於零,故傳動效率高。此外,鏈條不像皮帶輪會受濕氣及高溫影響。因而廣泛的被應用在各種機械傳動上。

行星齒輪傳動比解構

上 回介紹過行星齒輪,以下再為大家講解有關其傳動比的計算。行星排在運轉時,由於行星小齒輪存在著自轉和公轉兩種運動狀態,因此其傳動比的計算方法和普通的 定軸式齒輪傳動機構不同;為了計算各種行星齒輪機構的傳動比,下面先分析最簡單的單排行星齒輪機構傳動比的計算方法,其它各種型式的行星齒輪機構的傳動比 可以用同樣的方法導出,由於在單排行星齒輪機構中,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的傳動比取決於太陽輪齒輪Zs和內齒環齒輪 Zr,與行星小齒輪的齒輪無關。要計算出其傳動比可透過以下公式:

Ns +αNr = (1+α) Nc

式 中各函數意思:Ns為太陽齒輪轉速;Nr為內齒環轉速;Nc為行星架轉速;α為內齒環齒輪與太陽齒輪的齒輪比。根據單排行星齒輪機構的運動特性方程式,可 以看出太陽輪、內齒環和行星架這3個基本元件中,可以任選其中兩個基本元件分別作為主動輪和從動輪,餘下一個將其固定,即可計算出該機構的傳動比,下面分 別討論各種可能的情況。

減速傳動

1. 將內齒環固定,太陽輪為主動輪,行星架為從動輪。當內齒環固定時即Nr = 0,將其代入方程式得出以下關係:

由於內齒環的齒輪Zr大於太陽輪的齒輪Zs,因此傳動比數值會大於2,所以此時之傳動為減速增扭傳動。

 

 

 

 

2. 將太陽輪固定,內齒環為主動輪,行星架為從動輪。即Ns = 0,將此值代入方程式獲得以下關係:

 

 

 

由於太陽輪的齒輪Zs小於內齒環的齒輪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,內齒環為從動輪。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,不會繞著太陽輪公轉。即Nc =0 ,並代入性方程式獲得以下關係:

 

 

 

由於內齒環的齒輪Zr大於太陽輪的齒輪Zs,傳動比定會小於-1。傳動比為負數,這表示內齒環與太陽輪的轉向相反,相當於倒檔。由於傳動比取其絕對值後仍大於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,內齒環為從動輪。即Ns = 0,將此值代入方程式得以下關係:

由於太陽輪的齒輪Zs小於內齒環的齒輪Zr,所以這一傳動比i小於1,因此輸出軸轉速比輸入軸轉速還高是加速減扭傳動。

 

 

 

2. 將內齒環固定,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係:

由於太陽輪的齒輪Zs小於內齒環的齒輪Zr,所以這一傳動比i遠小於1,因此輸出軸轉速比輸入軸轉速還高是加速減扭傳動,相當於超速檔。

 

 

 

3. 固定行星架,以內齒環為主動輪,太陽輪為從動輪。行星架固定時,行星小齒輪只能自轉,不會繞著太陽輪公轉。即Nc =0並將其代入方程式得出:

由於內齒環的齒輪Zr大於太陽輪的齒輪Zs,傳動比會大於-1。同樣傳動比為負數,表示內齒環與太陽輪的轉向相反。-Zr/Zs 的絕對值小於1,所以該傳動為加速減扭倒檔傳動。

 

 

 

單排行星齒輪機構傳動比各種可能的情況

固定元件 主動元件 被動元件 傳動方式

內齒環 太陽齒輪 行星架 減速增扭傳動

太陽齒輪 內齒環 行星架 減速增扭傳動

行星架 太陽齒輪 內齒環 減速增扭倒檔傳動

內齒環 行星架 太陽齒輪 加速減扭傳動

太陽齒輪 行星架 內齒環 加速減扭傳動

行星架 內齒環 太陽齒輪 加速減扭倒檔傳動


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