机械创新设计——机构创新设计

两个或多个基本机构并列布置 运动并行传递 机构的并连组合 4 2 2 1并联组合的基本思路 1 型并联组合 并列式并联组合 2 型并联组合 合成式并联组合 3 型并联组合 时序式并联组合 Page1 4 2 2并联式组合 Page2 4 2 2 2实例分析 1 改善机构的工作性能 图4 65所示为某飞机上采用的襟翼操纵机构 它是由两个齿轮齿条机构并列组合而成 用两个移动电机输入运动 可以使襟翼摆动速度加快 如果一个移动电机发生故障 另一个移动电机可以 单独驱动 这时襟翼摆动速度减半 这样就增大了操纵系统的安全程度 即增强了输出运动的可靠性 Page3 图4 66所示为一压力机的螺旋杠杆机构 其中两个尺寸相同的双滑块机构CBP和ABP并联组合 并且两个滑块同时与输入构件1组成导程相同 旋向相反的螺旋副 机构的工作原理时 构件1输入转动 使滑块A和C向内或向外移动 从而使构件2沿导轨P上下移动 完成加 压功能 由于并联组合 使滑块2沿导路移动时 滑块与导路之间几乎没有摩擦阻力 Page4 图4 67所示是活塞机的齿轮杠杆机构 其中两个尺寸相同的曲柄滑块机构ABE和CDE并联组合 同时与齿轮机构串联 AB和CD与气缸的轴线夹角相等 并且对称布置 齿轮转动时 活塞沿汽缸内壁往复移动 若机构中两齿轮与两个连杆的质量相同 则气缸壁上将不会受到因构件的惯性力而引起的动压力 Page5 图4 68所示是一个能使工件周期性转过90 无空程的棘轮机构 其中两个尺寸相同的曲柄滑块机构并联组合 通过两个棘爪驱动一个四齿棘轮实现间歇转动 其工作原理是 主动构件8输入移动 使摇杆1和3每次转位45 当构件8往返一个行程时 两个棘爪轮换推动棘轮转过45 结果棘轮获得双倍的 即90 的角位移 Page6 2 实现特定的运动轨迹或运动规律 图4 69是一个自动输送机械装置 它是由两个凸轮机构并联组合而成 端面凸轮1使输出构件左右移动 盘形凸轮2使输出构件上下移动 它们有共同的输入构件 最终使被输送的物料5沿矩形轨迹运动 Page7 图4 70是一个压力机机构 它是由两个五杆机构A0ACD和B0BCD并联组合而成 它们同时又串联了尺寸相同的齿轮机构 工作时 主动齿轮同时与分别和两个曲柄1和2固联的齿轮相啮合 因而使两个曲柄能同步转动 致使滑块6沿导路7上下移动 该机构的工作原理时 铰接点C的轨迹k的形状而使冲头6的运动速度能够满足工艺要求 即冲头由其上折反位置以中等速度接近工件 然后以较低且近似于恒定的速度对工件进行加工 最后由下折返位置快速返回 设计时 根据这样一个工艺要求综合机构的尺寸 使C点的轨迹符合要求 3 完成复杂动作的配合 图4 71是一个双滑块驱动机构 摇杆滑块机构与反凸轮机构并联组合 共同的主动构件是作往复摆动的摇杆1 一个从动构件是大滑块轮2 摆杆1的滚子在滑块的沟槽内运动 致使滑块左右移动 相当于一个移动凸轮 另一个从动件则是小滑块1 由摇杆1经连杆传递运动 致使小滑块也实现左右移动 因有不同的机构传递运动 所以大小滑块具有不同的运动规律 该机构一般用于工件的输送装置 工作时 大滑块在右端位置先接受工件 然后左移 再由小滑块将工件推出 设计时须注意两个滑块动作的协调与配合 Page8 图4 72冲压机构 图4 72是一个冲压机构 它是由摆动从动件盘形凸轮机构与摇杆滑块机构先进行串联组合 然后串联的凸轮连杆机构再与推杆盘形凸轮机构进行并联组合 组合以后 由两个固联在一起的凸轮输入运动 推杆2与滑块5分别输出运动 工作时 推杆2负责输送工件 滑块5完成冲压 因此设计时要特别注意时序关系 一般应按照机构运动循环图进行机构的尺寸综合 Page9 以二个自由度的机构为基础机构 单自由度的机构为附加机构 再将两个机构中某些构件并接 组成一个单自由度的组合机构 4 2 3封闭式组合 Page10 4 2 3 1封闭式组合的基本思路 1 以差动齿轮机构为基础机构 二自由度的差动齿轮机构常见的结构组成如图4 74所示 其中图 a 的中心齿轮5与行星齿轮3是外啮合的结构 图 b 的中心齿轮5与行星齿轮2是内啮合的结构 该图是中心轮5是外齿轮 行星轮2是内齿轮 也可以相反 即中心轮为内齿轮 行星轮为外齿轮 图 c 是增加了惰轮7 6和7为串接的两个行星轮 图 d 是两个中心轮 1和8 一个行星轮7 系杆为O1C 单自由度的附加机构可以是连杆机构 则构成齿轮连杆机构 可以是凸轮机构 则构成了齿轮凸轮机构 若为齿轮机构则构成了复合轮系 Page11 Page12 2 以差动凸轮机构为基础机构 Page13 二自由度的差动凸轮机构常见的结构组成如图4 75所示 其中图 a 构件2为浮动杆 构件2与连架杆3可以组成转动副 也可以组成移动副 连架杆3与机架可以组成转动副 也可以组成移动副 图 b 是凸轮为浮动构件 若将图 b 中的机架长度缩短至零 就演变成图 c 的结构 单自由度的附加机构若是连杆机构 则构成了凸轮连杆机构 若是齿轮机构 则构成了凸轮齿轮机构 3 以差动连杆机构为基础机构 Page14 二自由度的差动连杆机构常见的结构组成如图4 76所示 其中5个转动副中可有一个或二个可为移动副 若将图 a 中的机架长短缩短至零 就演变成图 b 的结构 单自由度的附加机构可以是齿轮机构 则构成连杆齿轮机构 若是凸轮机构 则构成连杆凸轮机构 3 以差动连杆机构为基础机构 Page15 下面以齿轮连杆机构为例 分析封闭式的组合过程 结构特点以及运动特点 组合过程如图4 77所示 2个自由度的差动轮系为基础机构 单自由度的铰链四杆机构为附加机构 组合后 附加机构的连架杆2与基础机构的系杆2合并 并且作为组合机构的输入构件 另外附加机构的浮动连杆与基础机构的浮动构件行星齿轮固结 从组合过程可以分析其结构特点是 两个基本机构的组合必须具有两个同类构件的合并 这里的同类是指运动形式的同类 如同为连架杆 或同为浮动构件等 Page16 1 实现特定的运动规律 Page17 4 2 3 2实例分析 特定的运动规律包括任意角度的转位 停歇 逆转 连架杆的函数运动要求 浮动杆的轨迹要求 以及急回特性等运动规律 图4 78 a 所示为一封闭式组合的齿轮连杆机构 中心轮1 行星轮2和系杆3组成了差动齿轮机构 附加机构为曲柄滑块机构ABC 主动构件为系杆3 连杆BC与行星轮2并接 输出构件为中心轮1 当BC 2AB z2 z1 4 5时 中心轮1输出的运动线图4 78 b 所示 从图中可以看出 当主动构件3转动一周时 从动轮1步进转角为72 并且在转位的开始和终结位置出现逆转 设计这种机构时 步进转位角的大小 逆转角度的大小 停歇时间的长短 可以通过选择不同的齿数比 以及连杆机构中不同杆长比来实现 Page18 Page19 可以实现长时间停歇的齿轮导杆机构如图4 79所示 中心轮1和8 行星轮7 系杆6和机架构成了差动齿轮机构 构件1 2 3 4和构件3 5 6 4构成了两个导杆机构串连的附加机构 其中导杆O1A与中心轮1固联 系杆6同时又作为导杆存在 机构中主动构件是1 输出构件为8 该机构可实现长时间的停歇 并且具有较高的停歇精度 与槽轮机构相比 避免了刚性冲击 且可无级的满足运动系数的要求 但该机构结构较为复杂 Page20 图4 80是齿轮凸轮机构 3 4 5构件与机架组成了差动齿轮机构 固定凸轮机构1 2 4为附加机构 其中行星轮3与固定凸轮机构中的浮动杆2固联 构件4既为固定凸轮机构中的连架杆 又是差动齿轮机构中的系杆 机构中 4构件为主动构件 中心轮5为输出构件 当构件4以等角速度转动时 中心轮5则因凸轮轮廓曲线的形状变化可获得多样化的运动规律 图4 80齿轮凸轮机构 Page21 图4 81 a 所示为一变连杆长度凸轮连杆机构 构件1 3 4 5组成了差动凸轮机构 附加机构为导杆机构2 3 4 5 其中 3构件既为导杆机构中的导杆 又是差动凸轮机构中浮动杆 构件4则为两个机构中共同的连架杆 机构工作时 凸轮为主动件 输入转动 连架杆4是从动件 输出摆动 由于凸轮轮廓曲线的变化 导致机构在运动过程中可以使导杆长度有规律的变化 使得输出构件连架杆4的摆动运动规律可调 同时还可以实现浮动导杆3上某点的轨迹要求 设计时 为改善机构的传力特性 可适当调整摆块2的摆动中心与凸轮转动中心的距离 如图4 81 b 所示 Page22 图4 82是变曲柄长度的连杆凸轮机构 组合机构中 五连杆机构为具有两个自由度基础机构 固定凸轮机构为附加机构 差动连杆机构中的浮动杆2与连架杆3也是固定凸轮机构中浮动杆与连架杆 其中 图4 82 a 的基础机构是具有一个移动副的差动连杆机构 图4 82 b 的基础机构是具有二个移动副的差动连杆机构 工作时 主动构件是曲柄1 输出构件是连架杆3 改变凸轮轮廓曲线的形状 可以有规律的调节曲柄1的长度 同时连杆2与曲柄1的铰接点的运动规律及运动轨迹也受凸轮廓线的影响 最终使输出构件3实现工作要求的运动规律与行程 Page23 图4 83是一个增程的连杆凸轮机构 差动连杆机构ABCD作为基础机构 附加机构是固定凸轮机构 固定凸轮机构中的浮动杆BC与连架杆AB也是差动连杆机构中的浮动杆与连架杆 机构的主动构件为曲柄AB 输出构件是滑块D 该机构的特点是 输出构件滑块D的行程比简单凸轮机构推杆的行程增大几倍 而凸轮机构的压力角仍可控制在许用值范围内 图4 83增程的连杆凸轮机构 2 实现增程与增力功能 Page24 图4 84是增程的齿轮连杆机构 差动齿轮机构为2 3 4 5 附加机构位曲柄摇杆机构 对于普通的曲柄摇杆机构 摇杆的摆角受到限制 若采用图示的封闭式组合形式 输出的齿轮5的摆角将比摇杆3的摆角成倍增加 图4 84增程的齿轮连杆机构 机械创新设计 Page25 分析图4 82与图4 83的连杆凸轮机构可以发现 固定凸轮机构与差动连杆机构共用浮动杆与连架杆 按照这样一个规律可以设计一个冲压机构 如图4 85 a 所示 机构中 1 2 3 4构件与机架组成了一个差动连杆机构 附加机构为固定凸轮机构 其中浮动杆是3 连架杆是4 主动构件1转动时 输出构件4完成上下的冲压 可以通过设计凸轮廓线的形状来控制3构件与4构件铰接点的轨迹与速度规律 实现增力效果 如果在构件4与2之间再串联一个 级杆组6与7 则就生成了一个双向冲压机构 见图4 85 b 当构件1输入转动时 在滑块7向下压的同时 拉杆4向上顶 物料8被压制成形 3 实现大速比的功能 Page26 改变图4 86齿轮连杆组合机构的结构尺寸 将其中的曲柄摇杆机构变为平行双曲柄机构 如图4 86 a 所示 工作时 系杆O1O2是主动构件 输入转动 中心轮2输出运动 若将1与2的外啮合齿轮改为内啮合齿轮 并增加需约束CD 就形成了图4 86 b 所示的齿轮连杆机构 设输入运动的系杆O1O2的转速为 H 分析该机构输入与输出运动参数关系如下 因为行星齿轮1与平行双曲柄机构中的连杆固联 则该构件只作平动 角速度 1 0 故该机构也被称作为平动齿轮机构 将 1 0代入上式 再进行整理得 通过上式可以看出 若两个齿轮的齿数差很少 则该机构将获得很大的传动比 将这种机构设计成减速器 单级传动比在11 99之间 双级传动比可达9801 Page27 Page28 分析该机构的运动特点 则是因为行星齿轮作平动的结果 可以使行星齿轮作平动的附加机构还有正弦机构 如图4 87所示 即为附加机构为正弦机构的齿轮移动导杆机构 其中图4 87 a 的行星轮是内齿轮 它固联在正弦机构中的浮动杆上 输出运动的中心轮是外齿轮 图4 87 b 的行星轮是外齿轮 而输出运动的中心轮是内齿轮 4 实现运动的合成 Page29 在图4 88所示的机构中 蜗杆机构是具有两个自由度的基础机构 机构中蜗杆轴与机架组成了空间圆柱副 蜗轮与机架组成转动副 凸轮机构为附加机构 在图4 88 a 中 凸轮与蜗杆固联 并作为主动构件输入转动 输出构件蜗轮的角位移