常见的回转、直线运动转换的机构

钱浩

摘 要：实际的机器当中，往往需要用到回转运动与直线运动之间的相互转换，本文介绍了能实现此功能的几种常见机构，分别是曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮齿条机构和滚珠丝杠机构，并说明了各自的特点及在实际中的应用。

关键词：回转运动；直线运动；机构

1 曲柄连杆机构

1.1 曲柄滑块机构定义

在普通四杆机构中，四个构件之间都是通过转动副连接，这样可以实现曲线与曲线运动之间的转换。而曲柄滑块机构是保留曲柄杆、中间杆和固定杆（机架），将另一根杆退化为滑块，使滑块与中间连杆用转动副连接，滑块与固定杆用移动副连接，这样就可以实现曲柄端的回转运动与滑块端的直线运动相互转化。

1.2 曲柄滑块机构的特点及应用

1.2.1 优点

①低副连接，运动副单位面积受力小，便于润滑，磨损小；

②对于长距离的控制也可以实现；

③构件之间的运动靠几何封闭来维系，比力封闭的可靠。

1.2.2 缺点

①结构设计较复杂，且对制造安装的敏感性大；

②高速时将引起很大的振动和动载荷。

1.2.3 应用

曲柄滑块机构在机械中的应用很广泛，例如，内燃机通过活塞往复运动将内能转换为曲柄转动的机械能；压力机结构中通过曲柄的连续转动，经连杆带动滑块实现加压作用；牛头刨床主运动机构中，导杆绕一点摆动，带动滑枕做往复运动，实现刨削；抽水机结构中，摇动手柄时，在连杆的支承下，活塞杆在筒（固定滑块）内做上下运动，以达到抽水目的。另外，工程中的搓丝机、自动送料装置及自卸翻斗装置等机械中都用到曲柄滑块机构。

2 凸轮机构

2.1 凸轮机构的组成和特点

凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个部分组成，其中凸轮是主动件，从动件的运动规律由凸轮的轮廓决定。凸轮是具有曲线轮廓或沟槽的构件，若从动件是移动构件，那么这样的凸轮机构便能实现回转运动、直线运动的转换。

凸轮机构特点是：

①可以用于对从动件任意运动规律要求的场合；

②可以高速启动，动作准确可靠，结构简单紧凑；

③凸轮和从动件以点或线接触，单位面积上压力高，难以保持良好的润滑，易磨损；

④凸轮形状复杂，加工维修较困难。

2.2 凸轮机构的分类及应用

凸轮机构根据各构件相对运动的位置，可分为平面凸轮机构和空间凸轮机构两大类，根据从动件的运动形式，凸轮机构可分为移动从动凸轮机构和摆动从动凸轮机构两大类，根据凸轮形状，凸轮机构可分为盘形凸轮机构、柱体凸轮机构、椎体凸轮机构和球体凸轮机构。凸轮机构主从动件接触形式有尖顶、滚子、平底三种，如果要改善主从动件受力形式可以采用偏置结构。

内燃机的配气机构就是凸轮机构应用的典型实例，当凸轮转动时，依靠凸轮的轮廓，可以迫使从动件气阀杆向下移动打开气门（借助弹簧作用力关闭），这样就可以按预定时间打开或关闭气门，以完成内燃机的配气动作。另外，车辆走行部的制动控制元件、纺织机械中大量使用凸轮机构，总之，在一个往复运动系统中，凸轮是最好的应用（在很多要求较高往复运动中，替代曲柄滑块机构，因为可以实现设计中需要的速度变化）。

3 齿轮齿条机构与滚珠丝杠机构

目前，機床制造中，齿轮齿条传动是使用较为广泛的一种传动形式，它能实现齿轮的回转运动与齿条的直线运动间的转化，这种形式的传动有很多优点，特别是在很多大型机床上，利用这种形式的传动，很方便的就得到高速直线运动，而且根据车床各方面的不同我们可以制作出各种材质的齿条，使得刚度和机械效率大大提高。但是在很多时候也存在着各种各样的缺点，因为这种传动形式的平稳性是依赖齿条和齿轮精度，如果精度不够高，机床在加工其他零件时，就会有一定的误差。所以如果想要消除这类零件的误差，或使其在机床中运转噪音减少，就要不断提高对齿条和齿轮的精度要求，并在材质上增加耐磨性和耐热性。所以，在一些精度要求比较高的场合，我们常常选用滚珠丝杠机构。

滚珠丝杠采用滚珠螺旋传动，是一种直线与曲线运动相互转换的理想机构，主要由滚珠、螺杆、螺母及滚珠循环装置组成，其工作原理是：在螺杆和螺母的螺纹滚道中装一定数量的滚珠，当螺杆与螺母作回转运动时，滚珠在螺纹滚到内滚动，并通过滚珠循环装置的通道构成封闭循环，从而实现螺杆与螺母间的滚动摩擦。滚珠丝杠传动摩擦阻力小、传动效率高、运动平稳、动作灵敏，但结构复杂，外形尺寸较大，对制造技术要求高，因此成本也高。目前主要应用于精密传动的数控机床以及自动控制装置、升降机构、精密测量仪器等。

丝杠传动具有速比大、行走慢、传动质量高、结构复杂等特点，而齿轮齿条传动速比小、行走快、传动质量差、结构简单。在长距离重负载直线运动上，丝杠有可能强度不够，就会导致机子出现震动、抖动等情况，严重的，会导致丝杠弯曲、变形、甚至断裂等；而齿条就不会有这样的情况，齿条可以长距离无限接长并且高速运转而不影响齿条精度（当然这个跟装配、床身本身的精度都有关系），但在短距离直线运动中，丝杠的精度明显要比齿条高得多。

参考文献：

[1]于贺宪.平面四杆机构的工作特性及设计[J].黑龙江科技信息，2009（8）.

[2]贺炜.我国凸轮机构研究的回顾与展望[J].机械工程学报，2005（6）.

[3]肖正义.滚珠丝杠副的发展趋势[J].制造技术与机床，2000（4）.

[4]梅荣娣.机械常识[M].北京：机械工业出版社，2011.