常見的回轉、直線運動轉換的機構

錢浩

摘 要：實際的機器當中，往往需要用到回轉運動與直線運動之間的相互轉換，本文介紹了能實現此功能的幾種常見機構，分別是曲柄滑塊機構、凸輪機構、齒輪齒條機構和滾珠絲杠機構，并說明了各自的特點及在實際中的應用。

關鍵詞：回轉運動；直線運動；機構

1 曲柄連桿機構

1.1 曲柄滑塊機構定義

在普通四桿機構中，四個構件之間都是通過轉動副連接，這樣可以實現曲線與曲線運動之間的轉換。而曲柄滑塊機構是保留曲柄桿、中間桿和固定桿（機架），將另一根桿退化為滑塊，使滑塊與中間連桿用轉動副連接，滑塊與固定桿用移動副連接，這樣就可以實現曲柄端的回轉運動與滑塊端的直線運動相互轉化。

1.2 曲柄滑塊機構的特點及應用

1.2.1 優點

①低副連接，運動副單位面積受力小，便于潤滑，磨損小；

②對于長距離的控制也可以實現；

③構件之間的運動靠幾何封閉來維系，比力封閉的可靠。

1.2.2 缺點

①結構設計較復雜，且對制造安裝的敏感性大；

②高速時將引起很大的振動和動載荷。

1.2.3 應用

曲柄滑塊機構在機械中的應用很廣泛，例如，內燃機通過活塞往復運動將內能轉換為曲柄轉動的機械能；壓力機結構中通過曲柄的連續轉動，經連桿帶動滑塊實現加壓作用；牛頭刨床主運動機構中，導桿繞一點擺動，帶動滑枕做往復運動，實現刨削；抽水機結構中，搖動手柄時，在連桿的支承下，活塞桿在筒（固定滑塊）內做上下運動，以達到抽水目的。另外，工程中的搓絲機、自動送料裝置及自卸翻斗裝置等機械中都用到曲柄滑塊機構。

2 凸輪機構

2.1 凸輪機構的組成和特點

凸輪機構是由凸輪、從動件和機架三個部分組成，其中凸輪是主動件，從動件的運動規律由凸輪的輪廓決定。凸輪是具有曲線輪廓或溝槽的構件，若從動件是移動構件，那么這樣的凸輪機構便能實現回轉運動、直線運動的轉換。

凸輪機構特點是：

①可以用于對從動件任意運動規律要求的場合；

②可以高速啟動，動作準確可靠，結構簡單緊湊；

③凸輪和從動件以點或線接觸，單位面積上壓力高，難以保持良好的潤滑，易磨損；

④凸輪形狀復雜，加工維修較困難。

2.2 凸輪機構的分類及應用

凸輪機構根據各構件相對運動的位置，可分為平面凸輪機構和空間凸輪機構兩大類，根據從動件的運動形式，凸輪機構可分為移動從動凸輪機構和擺動從動凸輪機構兩大類，根據凸輪形狀，凸輪機構可分為盤形凸輪機構、柱體凸輪機構、椎體凸輪機構和球體凸輪機構。凸輪機構主從動件接觸形式有尖頂、滾子、平底三種，如果要改善主從動件受力形式可以采用偏置結構。

內燃機的配氣機構就是凸輪機構應用的典型實例，當凸輪轉動時，依靠凸輪的輪廓，可以迫使從動件氣閥桿向下移動打開氣門（借助彈簧作用力關閉），這樣就可以按預定時間打開或關閉氣門，以完成內燃機的配氣動作。另外，車輛走行部的制動控制元件、紡織機械中大量使用凸輪機構，總之，在一個往復運動系統中，凸輪是最好的應用（在很多要求較高往復運動中，替代曲柄滑塊機構，因為可以實現設計中需要的速度變化）。

3 齒輪齒條機構與滾珠絲杠機構

目前，機床制造中，齒輪齒條傳動是使用較為廣泛的一種傳動形式，它能實現齒輪的回轉運動與齒條的直線運動間的轉化，這種形式的傳動有很多優點，特別是在很多大型機床上，利用這種形式的傳動，很方便的就得到高速直線運動，而且根據車床各方面的不同我們可以制作出各種材質的齒條，使得剛度和機械效率大大提高。但是在很多時候也存在著各種各樣的缺點，因為這種傳動形式的平穩性是依賴齒條和齒輪精度，如果精度不夠高，機床在加工其他零件時，就會有一定的誤差。所以如果想要消除這類零件的誤差，或使其在機床中運轉噪音減少，就要不斷提高對齒條和齒輪的精度要求，并在材質上增加耐磨性和耐熱性。所以，在一些精度要求比較高的場合，我們常常選用滾珠絲杠機構。

滾珠絲杠采用滾珠螺旋傳動，是一種直線與曲線運動相互轉換的理想機構，主要由滾珠、螺桿、螺母及滾珠循環裝置組成，其工作原理是：在螺桿和螺母的螺紋滾道中裝一定數量的滾珠，當螺桿與螺母作回轉運動時，滾珠在螺紋滾到內滾動，并通過滾珠循環裝置的通道構成封閉循環，從而實現螺桿與螺母間的滾動摩擦。滾珠絲杠傳動摩擦阻力小、傳動效率高、運動平穩、動作靈敏，但結構復雜，外形尺寸較大，對制造技術要求高，因此成本也高。目前主要應用于精密傳動的數控機床以及自動控制裝置、升降機構、精密測量儀器等。

絲杠傳動具有速比大、行走慢、傳動質量高、結構復雜等特點，而齒輪齒條傳動速比小、行走快、傳動質量差、結構簡單。在長距離重負載直線運動上，絲杠有可能強度不夠，就會導致機子出現震動、抖動等情況，嚴重的，會導致絲杠彎曲、變形、甚至斷裂等；而齒條就不會有這樣的情況，齒條可以長距離無限接長并且高速運轉而不影響齒條精度（當然這個跟裝配、床身本身的精度都有關系），但在短距離直線運動中，絲杠的精度明顯要比齒條高得多。

參考文獻：

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