机构移植:传动原理的应用与常见差动螺旋机构

机构的移植是指传动原理的移植，主要有啮合原理的移植、差动原理的移植、谐波传动原理的移植等。

齿轮机构的啮合传动具有传动可靠、平稳、效率高的特点，但不便于远距离传动。带传动可以实现远距离传动，但摩擦传动不可靠，效率低。如果移植了齿轮传动的啮合原理，把刚性带轮与挠性带设计成相互啮合的齿状，就产生了齿形带，即同步带传动。

1.差动原理的移植

差动原理经常用于齿轮传动，被称作差动轮系，用于运动的合成与分解。例如汽车后轮的差速机构，其工作原理是将发动机输出的运动分解给两个车轮，使两个车轮的运动能适应各种转弯与直行功能。

差动原理还可以用于螺旋机构、凸轮机构、含挠性件的传动机构、间歇运动机构等，其差动原理与差动齿轮机构相同。

图3-71所示是差动螺旋机构常用的三种形式。图3-71a是同轴单螺旋传动，机构由螺杆、螺母、机架组成。螺杆与机架组成转动副，螺杆与螺母组成螺旋副。工作时，同时输入螺杆与螺母的转动，结果实现螺母的差动移动。即螺杆转动一周，螺母转动Δn周，则螺母移动的距离为S±ΔS（S为螺旋的导程，负号表示螺杆和螺母转动方向相同，正号则表示相反）。该机构结构简单，可以实现微动和快速移动，常用于高精度机床的螺距误差校正机构，以及组合机床端面的机械动力头。

图3-71 常用差动螺旋机构

图3-71b是同轴双螺旋传动，也是由螺杆、螺母、机架三构件组成，其中螺杆与机架一端组成转动副，另一端组成螺旋副；螺母与机架组成移动副；螺杆与螺母组成螺旋副。当螺杆转动一周时，螺母移动距离为：S₁±S₂（S₁与S₂分别为两个螺旋的导程，正号表示两螺旋向相反，负号则表示相同）。该机构常用于仪器中的微调机构。

图3-71c所示也是同轴双螺旋传动，两个螺母都与机架组成移动副，但两个螺母旋向相反，工作时，螺杆转动，两螺母实现快速分离或合拢。该机构常用于机车车厢之间的连接，可以使车钩较快地连接或脱开，也常用作台钳夹紧机构。

图3-72为差动螺旋机构的应用实例，其中图3-72a是镗床中镗刀的微调机构。图3-72b为车辆连接器；图3-72c为台钳夹紧机构。

图3-72 差动螺旋机构的应用

a）镗刀的微调机构 b）车辆连接器 c）台钳夹紧机构

图3-73所示是一种凸轮差动机构，该机构由三个不同轴转动的构件组成，它们分别是外凸轮1、推杆2和凸轮3。内外凸轮的凸凹轮缘上均布数量不等的齿槽，一般为奇数；推杆沿内外凸轮之间的圆周布置，一般布置偶数个带有滚子的推杆，推杆的个数为两凸轮的齿槽数量之和的约数。例如，内凸轮3有13个齿槽，外凸轮有11个齿槽，则推杆个数为：（13+11）／3=8。机构工作时，沿圆周连在一起的推杆和两个凸轮之一输入转动，另一个凸轮则输出转动。

图3-73 凸轮差动机构

1—外凸轮 2—推杆 3—凸轮

图3-74是挠性件差动机构。圆柱形滚轮2绕固定轴A转动，盘1绕固定B轴转动，盘1上装有6个尺寸相同的滚轮3，另外盘上还安装了两个导向轮5，滚轮2、3、5的轮缘上安装有挠性构件4，滚轮2和盘1输入运动，滚轮3输出2、1两个运动的合成。

2.谐波传动的移植(www.xing528.com)

谐波传动靠中间挠性构件（柔轮）的弹性变形来实现运动与动力的传递。这种传动原理常用于齿轮传动，也可以移植到螺旋与摩擦传动中。

图3-75是一种谐波齿轮传动，基本构件有柔轮1、刚轮2和波发生器H。其中波发生器为主动件，柔轮为从动件，刚轮固定。柔轮形状为圆环形，齿数z₁，刚轮齿数z₂，比z₁略大，波发生器的形状根据工作要求确定，有双波的和三波的，有凸轮式和滚轮式机构。由于波发生器的引入，迫使柔轮产生弹性变形，使其长轴两端的齿完全与刚轮啮合，短轴两端的齿完全脱离，位于长短轴之间的齿处于啮入或啮出的过度状态。当波发生器转动时，随着柔轮变形部位的变更，使得柔轮与刚轮之间在啮入、啮合、啮出、脱离四种状况中不断变化，从而使柔轮相对于刚轮按波发生器相反方向运动。该机构输出的传动比为i_H1=-z₁／（z₂-z₁），传动比范围为50～500。

图3-74 挠性件差动机构

1—盘 2、3、5—滚轮 4—挠性构件

图3-76是三波谐波齿轮传动，并且柔轮为内齿轮，刚轮为外齿轮，波发生器设在外圆周上。

图3-75 谐波齿轮传动（1）

1—柔轮 2—刚轮

图3-76 谐波齿轮传动（2）

将谐波传动原理用于螺旋传动，则为谐波螺旋传动。它可以实现变转动为缓慢的移动，或相反；也可实现转动的减速。图3-77是将转动变为缓慢移动的谐波螺旋传动，其中H为波发生器，其截面形状为椭圆形；1为薄壁螺杆（柔性螺杆），原始形状为环状圆柱形。2为刚性螺母，为固定件。1与2的螺纹形状、螺距及旋向均相同。当波发生器转动时，由于柔性螺杆的变形，使其与刚性螺母之间产生螺纹周长之差，致使柔性螺杆1沿螺纹平均半径产生无滑动的滚动，并将转过不大的角度。波发生器的转角和柔轮1的转角之比为机构的传动比，其值取决于波发生器的椭圆轴的尺寸差和螺纹的平均半径。若螺杆只做移动，不转动，则其轴向位移量约为0.0025～0.1mm。

图3-77 谐波螺旋传动（1）

1—薄壁螺杆 2—刚性螺母

图3-78 谐波螺旋传动（2）

1—套管 2—滚珠发生器 3—柔性螺母 4—刚性螺杆 5—齿轮

图3-78是一种用于运动转换的谐波螺旋传动机构。2为双排配置的滚珠发生器，其外表面为与齿轮5啮合的齿轮轮缘。3为柔性螺母并与套管1固接为一体；4为刚性螺杆；1与4的端部有铰链副元素。当齿轮5输入转动时，可使螺杆和套管获得转动或摆动。