第三章机构组合与创新设计

1、第三章 机构组合与创新设计,基本机构及其运动特性,基本机构及其组合的概念,机构组成原理与机构创新设计,机构的串联组合与创新设计 机构的并联组合与创新设计 机构的叠加组合与创新设计 机构的封闭组合与创新设计 其它类型的机构组合与创新设计,一、基本机构的概念,3-1 基本机构及其运动特性,本章把连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等结构最简单且不能再进行分割的闭链机构称为基本机构，或称为机构的基本型。 工程中，基本机构虽然有着广泛的应用，但由基本机构组合在一起而形成的机构系统的应用更为广泛。 基本机构是创新设计机构系统的基础。,常用基本型,（一）连杆机构的基本型,1. 曲柄摇杆机构,3. 双摇杆机构,2. 双曲柄机构,4. 曲柄滑块机构,7. 摆动导杆机构,5. 曲柄摇块机构,6. 转动导杆机构,8. 移动导杆机构,(定块机构),10. 正切机构,9. 正弦机构,11. 双转块机构,12. 双滑块机构,常用基本型,（二）齿轮类机构的基本型,1. 圆柱齿轮机构,3. 蜗杆机构,2.圆锥齿轮机构,用于垂直不相交轴之间的等速转动 到等速转动的运动变换，实现机构的大 速比减速传动。 一般情况

2、下蜗杆传动机构具有自锁性。,常用基本型,（三）凸轮类机构的基本型,1. 直动从动件盘形凸轮机构,2.摆动从动件盘形凸轮机构,3. 直动从动件圆柱凸轮机构,4.摆动从动件圆柱凸轮机构,常用基本型,（四）间歇运动机构的基本型,1. (外)棘轮机构,2. 槽轮机构,槽轮机构是把连续等速转动转化为间歇转动的常用机构。主动转臂转动一周，从动槽轮可以转过的角度可由槽轮的结构和转臂的个数确定。,1.(内)棘轮机构,3. 不完全齿轮机构,4. 凸轮间歇运动机构,圆柱凸轮间歇运动机构,蜗杆凸轮间歇运动机构,常用基本型,（五）其它常用机构的基本型,1. 螺旋机构,2. (双)万向机构,常用基本型,（六）挠性传动机构的基本型,主、从动件之间靠挠性构件连接起来，常称为挠性传动机构。典型的挠性传动机构有带传动机构、链传动机构和绳索传动机构。,二、基本机构的运动特点分析,（一）转动到转动的运动特性分析,1. 齿轮机构 2. 带传动机构 3. 链传动机构,用于速度或方向的运动变换，即可实现减速也可增速传动。结构紧凑，运转平稳，传动比大，机械效率高，使用寿命长，可靠性好。是最常用的转动到转动的速度变换机构。特别是组成

3、各种轮系后，其应用更加广泛。,常用于两转动轴中心距较大时的运动速度的变换，即可实现减速也可增速传动。运转平稳，传动比较大，但传动比不准确，过载时发生打滑。是最常用的大中心距时转动到转动的速度变换机构。,常用于两转动轴中心距较大时的运动速度的变换，即可实现减速也可增速传动。传动比较大，压轴力较小，但瞬时传动比不准确，不适合在高速场合应用。也是在低速时最常用的大中心距转动到转动的速度变换机构。,由于完成相同运动变换的机构类型往往不止一种，因此必须充分了解它们的运动与动力特性，才能更好地选择基本机构的类型。,4. 摩擦轮机构 5. 双曲柄机构与转动导杆机构 6. 双转块机构 7. 万向机构,用于速度或方向的运动变换，即可实现减速也可增速传动。结构紧凑简单，运转平稳，但传动比不准确，只能在小功率且传动比要求不是很准确的场合应用。,利用主动件等速转动、从动件的不等速转动的特点实现特殊工作要求。,主动转块与从动转块同速转动，但它们的转动轴线平行。可用于轴线不重合且要求平行传动的场合。,单万向机构的输入与输出速度不相等，采用双万向机构可实现同速输出，双万向机构常用于汽车发动机到后桥之间的传动轴。,（

4、二）转动到往复摆动的运动特性分析,1. 曲柄摇杆机构 2. 摆动导杆机构 3. 曲柄摇块机构 4. 摆动从动件凸轮机构,曲柄摇杆机构中的曲柄等速转动可实现摇杆的往复摆动，其摆动角度大小与各构件尺寸有关，往复摆动速度的差异与行程速比系数有关。,摆动导杆机构也能实现摆杆的往复摆动，其运动特点与曲柄摇杆机构相似，但其结构紧凑，故在工程中的应用广泛。,与上述机构的运动特点相似，但作往复摆动的是块状构件，用在特定的工作环境中。,摆动从动件凸轮机构的特点是从动件的运动规律具有多样性。按给定的摆动规律设计凸轮后，既可实现该运动要求。,（三）转动到往复移动的运动特性分析,曲柄滑块机构、正弦机构、移动导杆机构、齿轮齿条机构、直动从动件凸轮机构、螺旋传动机构均可实现转动到往复移动的运动变换。它们的运动变换相同，但运动特性却存在很大的差别。 其中，曲柄滑块机构、正弦机构、移动导杆机构中的移动构件作往复变速移动；直动从动件凸轮机构中的移动杆的运动规律可实现运动特性的多样化；齿轮齿条机构和螺旋传动机构可实现移动件的等速运动。,（四）转动到间隙转动的运动特性分析,槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构都能实现等速

5、转动到间歇转动的运动要求。,（五）摆动到连续转动的运动特性分析,曲柄摇杆机构、摆动导杆机构中的摇杆和摆杆为主动件时，可实现曲柄的连续转动。这种运动变换过程中，要注意克服机构运动中的死点位置。,（六）移动到连续转动的运动特性分析,曲柄滑块机构 齿轮齿条机构 不自锁的螺旋传动机构,机构是机器中执行机械运动的主体装置，机构的类型与复杂程度与机器的性能、成本、制造工艺、使用寿命、工作可靠性等有密切关系。因此机构的设计在机械设计的全过程中占有极其重要的地位。工程中的实用机械，很少由一个简单的基本机构组成，大都由若干个基本机构通过各种连接方法组合而成的一个机构系统组成。,3-2 基本机构及其组合的概念,常用的机构组合方法有: 利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，得到复杂机构系统; 按照串联/并联/叠加/封闭等规则组合基本机构，得到复杂机构系统。,简单机械的示意图,复杂的机械装置,/平压模切机,3-3 机构组成原理与机构创新设计,一、机构组成原理,1 基本杆组的定义,机构具有确定运动的条件： 自由度数=原动件数,定义：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。,机架+原动件：F=

6、1,再拆成更简单的F=0的杆组,从动构件组：F=0,对于全低副的杆组： n个构件、pl个低副, 基本杆组的分类,n和pl为整数 n=2,4,6,杆组应该满足的条件条件:,运动副数,构件数,讨论各基本杆的几种情况： n=2, pl =3的双杆组：又叫级杆组 常见级杆组的形式有 5 种(应用最广且最简单),内接副 连接杆组内部构件的运动副 外接副 与杆组外部构件连接的运动副,级杆组,1个内接副 2个外接副,(2) n=4, pl =6的多杆组，又叫 级杆组 特征: 杆组中具有一个三副构件。 常见的三种形式为（含有3个内接副）,(3) 更高级别的杆组n4 已无实例了!,第四种形式称为IV级组。 特征: 有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。,（含有4内接副）,机构组成原理：任何机构都是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的系统。,2 机构的组成原理,机构基本机构基本杆组,牛头刨床的组合过程,动画演示,机构组成过程, 机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。,机构命名方式： 按

7、所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。(级机构：只由机架和原动件组成的机构。例：杠杆机构、斜面机构), 结构分析目的,3 平面机构的结构分析,了解机构的组成，确定机构的级别。,把机构分解为基本杆组、机架和原动件。, 结构分析的过程,拆杆组,从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。, 杆组拆分原则, 机构结构分析步骤,确定机构级别,1、正确计算机构的自由度； 2、根据机构拆分原则进行拆分 3、最后定出机构的级别。,杆组拆分示例,解：该机构无虚约束和局部自由度 F=3527=1 该机构为II级机构,（一）II级杆组的类型,级杆组结构形式,二、杆组的基本类型,（二）III级杆组的类型(1/2),3R内接副类III级杆组,2RP内接副类III级杆组,R2P内接副类III级杆组,（二）III级杆组的类型(2/2),3P内接副类III级杆组,三、按机构组合原理进行机构创新设计,机构组成原理为创新设计一系列的新机构提供了明确的途径。II级杆组和III级杆组连接到原动件和机架上，可

8、以组成简单机构；再把各种II级杆组和III级杆组连接到简单机构的从动件上，可以组成复杂机构。依此类推，可以组成各种各样的、能实现不同功能目标的新机构。 利用机构组成原理进行机构创新设计(属于机构运动方案的创新设计范畴,原动件以作定轴转动力主)，概念清楚，方法简单，可操作性好。但要真正满足功能要求，还必须通过尺度综合，确定待连接杆组与基本机构输出构件的连接点位置。,（一）连接II级杆组,1. 连接RRR杆组,2. 连接RRP型杆组,3. RRR与RRP杆组的混合连接,（二）连接III级杆组,图示机构为原动件和机架连接3R3R和3R2RP型III级杆组组成机构的示意图。,四、利用机构组合原理进行机构创新设计的基本思路,利用机构组合原理进行机构创新设计可遵循下列原则。 1. II级机构的综合方法、分析方法已经成熟，可优先考虑II级杆组进行机构的组合设计。 2. 掌握II级杆组的6种基本形式，学会II级杆组的变异设计。 3. II级杆组的一个外接副连接活动构件，另一个外接副连接机架。 4. 根据机构输出运动的方式选择杆组类型。输出运动为转动或摆动时，可优先选择带有两个转动副的杆组，如RRR、R

9、PR、PRR等杆组；输出运动为移动时，可优先选择带有移动副的杆组。,5. 连接杆组法只能实现机构运动方案的创新设计，实现具体的机构功能要求还需进行机构的尺度综合。综合过程与杆组的连接位置的确定有时需要反复进行，才能得到满意的设计结果。 6. 连接杆组法也适合齿轮、凸轮等其它机构的组合设计。,3-4 机构的串联组合与创新设计,一、机构的串联组合方法,1. 基本概念,前一个机构(称为前置机构)的输出构件与后一个机构(称为后置机构)的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。 特征: 前置机构和后置机构都是单自由度机构。,2. 分类,(a) I型串联,( b) II型串联,机构的串联组合框图,串联 在简单运动构件上,串联 在平面运动构件上,3.组合示例,满足O1O2=AB=CD,v5,二、串联组合的基本思路,1、 I型串联,2、 II型串联,II型串联机构一般利用连杆机构中的连杆或周转轮系中的行星齿轮作为前置机构的输出构件，利用联接处的特殊轨迹，使输出件实现所需要的运动规律。,自动上料机,1. 实现后置机构的速度变换,实现连杆机构/凸轮机构等后置机构速度变换的串联组合示意图,工程中应用的原动机大都采用输出转速较高的电动机或内燃机。为满足后置机构低速或变速的工作要求，前置机构常采用各种齿轮机构、齿轮机构与V带传动或链传动机构。其中齿轮机构已经标准化、系列化，是应用最为广泛的实现速度变换的前置机构。,2.实现后置机构的运动变换,改变后置机构运动规律的组合示意图,单一机构的运动规律受到机构类型的限制，如曲柄滑块机构的滑块或曲柄摇杆机构的摇杆很难获得等速运动。串联一个前置连杆机构，并通过适当的尺度综合，可使后置连杆机构获得预期的运动规律。,在满足运动要求的前提下，运动链尽量短,串联组合系统的总机械效率等于各机构的机械效率连乘积，运动链过长会降低系统的机械效率，同时也会导致传动误差的增大。在进行机构的串联组合时应力求运动链最短。,注意：,3-5 机构的并联组合与创新设计,一、机构的并联组合方法,1. 基本概念,若干个单自由度的基本机构的输入(或输出)构件连接在一起，保留各自的输出(或输入)运动；或有共同的输入构件与输出构件的连接，称为并行连接。 特征：各基本机构均是单自由度机构。,2. 分类,(a)

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