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压力角的动力学含义及相关性
质、参数的理解
江苏王桂明
摘要:压力角是传动机构中常见的参数。它的大小影响着机构的传动效率。本文通过对
不同机构中压力角概念描述的归纳分析,得出压力角是从动件所受的作用力方向与其速度方
向所夹的锐角这一动力学概念。并在此基础上直观分析了压力角大小对传动的影响以及齿轮
机构中啮合角和压力角的大小关系,从压力角的角度解释了平面连杆机构中“死点”位置的成
因。
关键词:压力角传动“死点”位置啮合角
压力角是机械传动中常见的概念参数。在机械教材中对凸轮机构、平面连杆机构以及齿
轮机构等常用传动机构的压力角概念描述不尽相同,但其动力学含义却是完全一样的。本文
通过对多种传动机构压力角概念的分析,从动力学角度归纳压力角的含义,并在此基础上更直
观地分析了压力角大小对传动效率的影响、平面连杆机构中“死点位置”的成因以及齿轮机构
中啮合角与压力角的大小关系。试图通过研究分析把握压力角的概念实质有助于更好地理解
常见传动机构的相关传动性质。
1压力角的动力学含义
1.1常用机构压力角的描述
图1凸轮机构压力角图2平面连杆机构压力角
凸轮机构在黄锡恺、郑文纬主编的《机械原理》中这样描述凸轮机构压力角如图1
所示的对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构在推程的一个位置。当不考虑摩擦时,凸轮作用于
从动件的驱动力F沿法线方向传递。此力可分解为沿从动件运动方向的有用分力F1和使从
动件紧压导路的有害分力F2。驱动力F与有用分力F1之间的夹角(或接触点法线与从动件上
力作用点的速度方向所夹的锐角)α称为压力角。
其实仔细分析教材的这个对压力角概念的描述,不难发现可以这样定义凸轮机构某点压
力角:在凸轮机构中从动件在该点所受的作用力F方向与从动件速度V方向所夹的锐角称
为凸轮机构在该点的压力角。在凸轮机构中压力角α大小随着凸轮与从动件接触点的变化而
变化。
平面连杆机构在黄锡恺、郑文纬主编的《机械原理》中以曲柄摇杆机构为例介绍了
压力角的定义:如图2所示曲柄摇杆机构,若不考虑构件的惯性力和运动副中的摩擦力等的
影响,则当原动构件为曲柄时,通过连杆作用于从动件摇杆上的力FC沿BC方向,此FC力
的作用线与力作用点C的绝对速度VC之间所夹的锐角αC称为压力角。通过曲柄摇杆机构
中这一压力角概念的描述,更容易这样定义平面连杆机构在某一位置的压力角:在平面连杆
机构中,从动件在某一位置所受的作用力FC方向与从动件作用点线速度VC方向所夹的锐
角称为平面连杆机构的压力角αC。在平面连杆机构中压力角大小随着机构运动位置的变化
而变化。
齿轮机构对于齿轮机构的压力角,在不同版本机械教材中的表述是不一样的。在黄
锡恺、郑文纬主编的《机械原理》中仍以“压力角”表述,但在陈海魁主编的《机械基础》中
却以“齿形角”表述,但它们的动力学意义却是一样的,可以这样描述它们对齿轮任意点K的
压力角(齿形角)定义(如图3):传动中的一对轮齿在K点接触,若不考虑齿廓间的摩擦
力,则从动轮齿所受压力FK沿渐开线上K点的法线方向,而齿廓上K点的线速度方向VK
垂直于OK线,这两个方向线之间所夹的锐角称为齿轮机构在该点的压力角(齿形角)。因
此,可以这样简化齿轮机构压力角定义:在齿轮机构中,轮齿在接触点所受的作用力FK方
向与其线速度VK方向所夹的锐角,称为渐开线齿廓在该点的压力角αk。在齿轮机构中渐开
线齿廓上各点压力角不等,离基园越近压力角越小。
图3齿轮机构压力角图4动力学上的压力角
1.2压力角的动力学含义
从上面对常用机构中压力角概念的描述,不难发现凸轮机构、平面连杆机构以及齿轮机
构等压力角意义完全相同。如戴生寅主编的《机械基础》中描述,都可以归纳为“压力角是
从动件所受的作用力F方向与其速度V方向所夹的锐角”,如图4所示,这就是压力角的动
力学含义。
2相关性质、参数
2.1压力角大小对传动的影响
在常见的几种传动机构中都描述了压力角对传动的影响。在凸轮机构中,压力角α愈
大,推动从动件上升的有用分力愈小,有害分
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