机械创新设计(第五章).ppt

第五章 机构演化、变异原理与创新1．以某机构为原始机构，对组成机构的各元素（运动副 ，构件）进行各种性质的改变或变换，而形成一种功能不同 的机构2．各种性质的改变或变换：机构各元素形状和尺寸上的 改变，运动形式的变换，运动等效变换，组成原理的仿效3．机构演化与变异的主要方法：运动副及构件形状尺寸 的改变，机架变换，机构的等效变换，机构结构的仿效4．变异机构：通过演化与变异而获得新功能的机构第一节 机构的运动副演化与变异 1．主要目的： （1）增强运动副元素的接触强度 （2）减小运动副元素的摩擦、磨损 （3）改变机构的受力状态 （4）改善机构的运动和动力效果 （5）开拓机构的各种新功能 （6）寻求演化新机构的有效途径 2．主要方法： （1）改变运动副的尺寸 （2）改变运动副的接触性质 （3）改变运动副的形状一、改变变运动动副的尺寸转动转动 副和移动动副尺寸的增大 1．转动转动 副的扩扩大：转动转动 副销轴销轴 和销轴销轴 孔直径增大，机构 相对对运动动关系没有改变变 实实例：图图5-1 旋转泵转泵 机构：曲柄摇摇杆机构扩扩大转动转动 副B图图5-2 活塞泵泵：曲柄滑块块机构扩扩大转动转动 副B 以上两种变变异的特点：转动转动 副扩扩大，构件形状发发生变变异， 形成体积变积变 化的腔。

2．转动副连续扩大后展直为移动副 当转动副的转动半径增大至无穷时，转动副即演化为移动副 AB2AB2223．移动动副的扩扩大 移动动副的滑块块与导导路尺寸变变化，把机构中其它运动动副包含 在其中，构件间间的相对对运动动关系并未改变变 图图5-4为为一冲压压机构：正弦机构扩扩大移动动副 图图5-5所示冲压压机构：曲柄滑块块机构扩扩大移动动副 图图5-6所示为为往复凸轮轮分度机构：移动动副扩扩大将凸轮轮包含 其中 构件1为主动件往复运动，从动件凸轮2间歇转动二、改变运动副元素的接触性质低副元素的接触性质为滑动接触，摩擦大、易磨损 高副元素的接触性质为滑动和滚动接触 用滚动接触代替滑动接触可减小磨损 （1）移动副：→滚滑副 图5-7 （2）转动副：→滚动轴承 （3）高副：凸轮从动件设计为滚子，槽轮的拨销设计为滚子三、改变运动副的形状运动副的性质主要取决于运动副元素的形状 改变运动副的形状——改变运动副的性质——演化出不同机构1．平面低副运动副元素形状的改变 转动副 可演变为 移动副 滚子替代滑块变滑动接触为 滚动接触， 滚滑副, 改变移动副元素的形状，如导轨 的形状 直线变曲线并让带有小滚子的转动构件为主动件 反凸轮机构（摆杆为主动件） 应用：图5-8 摆杆为主动件的反凸轮机构实现运动的暂停 图5-9 无死点位置机构（移动凸轮机构，摆动从动件）2．平面高副运动副元素的改变 目的： 演化变异出不同功能的平面高副改善高副机构的性能：受力状态，接触强度，运 动及动力特性等。

（1）改变高副元素形状可演化变异出不同功能的高副 基本的高副机构为凸轮机构，凸轮机构可看成由楔块机 构变异而来，见图5-10，图5-11演化范例1：楔块机构 普通凸轮机构→锯条凸轮机构→齿 轮机构演化范例2：摆动件为主动件的反凸轮机构（若从动件凸轮为 轮廓向径有规律变化的圆盘状构件 棘轮机构演化范例3 齿轮机构 半径→∞ 齿轮齿条机构 演化范例4 间歇转动机构半径→∞ 间歇移动机构图5-16 移动式槽轮 图5-17 移动式棘轮（2）改变高副元素形状以改善机构性能 ①齿轮机构：改变齿廓曲线的形状 提高接触强度，改善齿面摩擦以及 机构的受力状态，常用齿廓有渐开线，摆线，圆弧曲线，螺 旋渐开线，球面渐开线，齿廓（面）修形 ②凸轮机构：改变轮廓曲线，满足运动及动力要求，图5-6为实现分度 功能的凸轮机构改变从动件与凸轮的接触方式，以增强接触强度，减小磨 损③槽轮机构：将径向槽分布变为侧向分布，改善传动平稳性3．螺旋副 组成：由互相旋合的螺杆和螺母组成矩形 螺纹的类型 梯形 用于传动锯齿形三角形 联接螺旋传动→将组成螺旋副的两个运动副元素之 一，螺杆的剖面形状设计成一个有利于推进流 体或粉状物料的叶片形状，将其密闭圆筒状容 器内， 螺旋输送器，若将叶片上制成刃 食 物搅碎机构。

物料相当于螺母）第二节 机构的构件变异机构构件变异的主要目的：（1）改善机构运动 的不确定；（2）解决机构由于结构原因无法正 确运动问题；（3）开发新功能；（4）开发新机 构；（5）改善机构的受力状态，提高构件强度 或刚度主要的演化变变异方法： （1）利用构件的运动动性质进质进 行演化变变异； （2）改变变构件的结结构形状和尺寸； （3）在构件上增加辅助结构； （4）改变构件运动性质一、利用构件的运动性质演化变异对某些往复运动的构件，利用其单程的运动性质，改变构 件的形状以实现单程运动间歇地重复，从而演化出新机构 范例：摆动导杆机构变异为槽轮机构二、改变构件的结构形状和尺寸解决机构运动不确定和机构因结构原因无法正常运动等问题B″（下曲柄与导路成钝角）导路摆动方向与曲柄转动方向 相反B´（上曲柄与导路成锐角）导路摆动方向与曲柄转动方向相 同若以B点位置即以AB⊥OB的位置为分界线，把滚滑副的槽分 割成两部分，一部分如C图所示，即使导路与曲柄的夹角成 钝角，得到转动方向与曲柄的转动方向相反的运动为使 传动连续，将摆杆的形状设计成一个沿以OB为半径的轨迹 圆上开了四个均布相同槽的圆盘，使滚子在脱离一个槽后 相隔一段时间又进入了另一个槽，将连续的转动转换成间 歇的反向转动，摆动导杆机构 外槽轮机构。

同理，被分割的另一部分则变异成了内槽轮机构1．平行四边形机构的变异 机构运动到运动副呈一直线位置时，机构运动不确定 改变连架杆的形状 图5-20 a) b) 平行四边形联轴器 图5-20 c)孔销销式联轴联轴 器 2．双转块转块 机构的变变异 双转块转块 机构→十字滑块联轴块联轴 器二、改变构件的结构形状和尺寸 解决机构运动不确定和机构因结构原因无法正常运动等 问题平行四边形机构（双曲柄机构的一个特例，具有相对构件 平行且相等，传递匀速转动，但有死点位置）克服死点可 采用图b所示的两个以上相同机构的组合 若将连架杆 设计成圆盘，将铰链A和D、B和E分别铰接在圆盘1和3上， 圆盘的转动中心分别为固定铰O和C，采用多个连杆对称布 置在两圆盘之间 平行四边形联轴器 把连杆2 全部作成滚轮， 将1盘上的A和D铰位置全部作成以连杆2 的长度为半径的圆孔，孔的内侧与曲柄3上的滚轮滚动接 触 孔销式联轴器 滑块1 圆盘1（带有凹槽）滑块3 圆盘3（带有凹槽 ，与滑块1上的凹槽呈垂直方向），连杆2 两边带有中 心线互相垂直的凸榫的圆盘2，四构件组成十字滑块联轴器 。

能传递等速运动 浮动盘式等速联轴器三、增加辅助结构 辅助结构可解决机构运动不确定问题，运动规律可调性问题1．转动导杆机构传递非匀速转动，若将导杆的中心线置于曲柄的活动铰B的轨 迹圆上，如图，则导杆的转速为曲柄的一半但当与导杆的 回转中心重合时，则机构的运动将会不确定，为消除这一现 象，采取加入第二个滑块的办法增加一个滑块可解决导杆运动不确定问题，并实现大载荷传动 2．凸轮轮机构 增加辅辅助结结构可调节调节 凸轮轮机构从动动件的运动规动规 律 （1）廓线线可变变的凸轮轮机构 图图5-23，图图5-24 （2）推杆可调的凸轮机构 图5-25，图5-26 3．连连杆机构：改变变构件的长长度以实现实现 不同的运动规动规 律 四、改变变构件的运动动性质质凸轮轮机构增大行程：改变变凸轮轮作定轴转动轴转动 的运动动性质质，使凸 轮轮既转转又移，实现实现 行程的增大 图图5-27， 图图5-28， 图图5-29机构的机架变换称作机构的位置，机架变换后，机构 内各构件的相对运动关系不变，但绝对运动发生了改变 一、平面四杆机构的机架变换1．铰链四杆机构的机架变化 图5-30第三节 机构的机架变换与创新曲柄摇杆机构：具有急回运动特征 双曲柄机构：例如平行四边形机构 双摇杆机构：例如等腰梯形机构，车辆转向。

2．含有一个移动副的四杆机构的机架变换 图5-31曲柄滑块机构 导杆机构 （转动导杆，摆动导杆） 摇块机构 液压缸机构 移动导杆机构 手动水压机 3．含有两个移动副四杆机构的机架变换 图5-32双滑块机构 椭园规 双转块机构 十字滑块联轴器 正弦机构 正切机构 数学运算器二、凸轮机构的机架变换普通凸轮机构 图5-33 a) 固定凸轮机构：凸轮固定，从动件作复合运动图5-33 b) 应用举例：图5-33 c) 凸轮-行星机构 图5-33 d) e)三、齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换普通齿轮传动机构—→行星齿轮机构 普通链传动或齿形带传动—→行星传动机构挠性传动机构只有具有啮合性质的链传动或齿形带传动才 能进行这种变换各种履带运输车辆的行走机构就可看成 是将链传动机构倒置而设计制成的另外，将链传动中的 链固定成为机架，可代替造价昂贵的齿轮齿条机构范例： 外槽轮机构的机架变换：外槽轮机构的机架变换后与一 个行星齿轮机构串联，1为主动件，1与2啮合，2上固接着拨盘， 当拨盘上的圆销进入槽轮的槽子时，系杆转动输出运动，当圆销 退出槽子时，拨盘的锁止弧与槽轮5的锁止弧（凸对凹）锁止， 系杆2停歇。

因为串联了行星齿轮机构，则可改善普通槽轮机构 的动力特性普通间歇运动机构四、间歇运动机构的机架变换棘轮机构槽轮机构不完全齿轮机构凸轮机构组合机构不完全齿轮机构的机架变换不完全齿轮机构的机架变换后串联一行星齿轮机构，系杆只 有在具有一个齿的齿轮3与固定的不完全齿轮5相啮合期间才 输出转动，当进入所止弧啮合期间，系杆停止回转第四节 机构的等效变换与创新机构的等效变换可称作机构的同性异形变换指输入、输出 的运动特性相同或等效，但结构不同的一组机构 获得同性异性机构的三种途径一、利用运动副的等效代换创新同性异形机构组成机构的各种运动副相互转换或替代，而又不改变机构运 动的输入和输出特性，如机构的自由度、相应构件的运动特 征 常见的运动副的等效代换的形式如下： 1．空间运动副与平面运动副的等效代换 （1）球面副与转动副的等效代换 图5-36 a) （2）圆柱副与转动副加移动副的等效代换 图5-36 b)球面副 汇交于球心的三个转动副万向联轴器就是球面副 由三个转动副等效代换的例子b图为圆柱副 平面移动副、转动副 2．平面高副与平面低副的等效代换（参见机械原理）平面机构的高副低代法高副低代的目的高副低代必须满足的条件：①替代前后机构的自由度相同；②替代前后机构的运动特性 相同。

平面机构中两构件的高副约束作用是限制沿接触点的公法线方 向的相对移动其约束数为1，即F=-1，如果用一个低副运动链 来代替约束数为1的作用，则该低副运动链须满足下列条件：F=-1=3n-2PL=-1∴n=1‚ PL=2 是最简单简单 的运动链动链ο1ο2ααββο1ο2CAB、AC、A至切点等之间间的距离保持不变变，故附加一个长为长为 AB、AC并使其在A、B、 C处分别与原机构的构件1与2组成转动副和移动副，这样就构造出各自的同性异形机构 当过高副接触点的二曲线曲率半径之和为常数时，可用 低副机构代替高副机构若曲率半径之和不为常数，只 能瞬时代替βο1ο2C二、利用瞬心轨线创新同性异形机构1．铰链四杆机构的瞬心。