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1、第14章机械创新设计与实例分析,教学指导,习题解答,14.3 机构再生运动链与实例分析,14.2 机构的变异与演化及实例分析,14.4 机械运动方案设计,14.1 机构的组合与实例分析,第1节 机构的组合与实例分析,教学指导,习题解答,三、机构的复合组合,二、机构的并联组合,四、机构的叠加组合,一、机构的串联组合,随着生产的发展，以及机械化、自动化程度的提高，对其运动规律和动力特性都提出了更高的要求，基本机构如齿轮机构、凸轮机构、四杆机构和间歇机构等不能满足要求，如连杆机构难以实现一些特殊的运动规律；凸轮机构虽然可以实现任意运动规律，但行程不可调；齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性，但运动形
2、式简单；棘轮机构、槽轮机构等间歇运动机构的运动和动力特性均不理想，具有不可避免的速度、加速度波动，以及冲击和振动。 为了解决这些问题，可以将两种以上的基本机构进行组合，充分利用各自的良好性能，改善其不良特性，创造出能够满足原理方案要求的、具有良好运动和动力特性的新型机构。,引言：,机构的组合是指基本机构组合在一起，组合体的各基本机构还保持各自特征，但需要各个机构的运动和动作协调配合，以实现组合的目的。 机构的组合方式可划分为以下四种：串联式机构组合，并联式机构组合，复合式机构组合，叠加式机构组合。,例：六杆串联机构,特点： 前一基本机构输出杆为后一机构的输入杆。,+,=,四杆机构的杆1输入角位
3、移量时，曲柄滑块机构的输出杆5就得到最终的位移量。,一、机构的串联组合,椭圆齿轮机构和正弦机构串联组合而成输出近似等速直线运动的具有急回特性的组合机构。,二、机构的并联组合,1、机构的并联组合相当于运动的合成,两个输入一个输出,2、机构的并联组合相当于运动的分解,一个输入两个输出,例1：刻字、成型机构运动合成,刻字、成型机构，两个凸轮机构的凸轮为两个原动件，当凸轮转动时，推杆推动双移动副构件上E点走出图中的轨迹 。,例2：双滑块驱动机构运动分解,冲压机机构。构件1为原动件，大滑块2和小滑块4为从动件，大小滑块具有不同的运动规律 。此机构一般用于工件输送装置，工作时，大滑块在右端位置先接受来自送
4、料机构的工件，然后向左运送，再由小滑块将工件推出，使工件进入下一工位。,三、机构的复合组合,一个具有两个自由度的基本机构和一个附加机构并接在一起的组合形式为复合式机构组合。,构件并接式 机构回接式,例：连杆凸轮机构,凸轮连杆机构由凸轮1-4-5和双自由度五杆机构1-2-3-4-5组合而成。原动凸轮1和曲柄1固连，构件4是两个基本机构的公共构件，当凸轮1和曲柄1一起转动时，凸轮1推动从动件4移动，这时构件2、3上任一点便能实现给定的C点轨迹。,1,四、机构的叠加组合,叠加机构的方法之一是在最简单的机构上叠加上一个二杆组（3n-2pl=0）如图 所示，将两构件5、6叠加在3、4上。或是叠加的机构两
5、构件与被叠加的机构固结在一起，共用构件4，但并不共用机架。,2,3,4,1,5,6,3,5,6,4,2,1,例：电动玩具马,电动玩具马的传动机构，由曲柄摇块机构安装在两杆机构的转动构件4上组合而成的。机构工作时分别由转动构件4和曲柄1输入转动，致使马的运动轨迹是旋转运动和平面运动叠加，产生了一种飞奔向前的动态效果。,机构,机构,第2节 机构的变异与演化及实例分析,教学指导,习题解答,三、齿轮机构,二、凸轮机构,一、连杆机构,1、改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸； 2、用不同构件为机架 3、原动件、增加辅助构件等方法， 使机构获得新的功能、特性或结构，以满足设计要求的方法。,机构的变异与演
6、化是指,一、连杆机构,1、改变运动副的尺寸,转动副的扩大主要指转动副的销轴和销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对运动关系并没有发生改变，这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。,1,如b）图所 示是曲柄摇杆机构转变成一个活塞泵。可以看出，变异后的机构与原机构在组成上完全相同，只是构件的形状不一 样。,a）,b）,2、改变构件的形状和尺寸,改变杆2、3的形状和尺寸,改变杆3的形状和尺寸,例1、通过改变曲柄摇杆机构的某些构件的形状和尺寸，可以得到曲柄滑块机构或正弦机构。,120,经过改变局部结构改变的导杆机构，在两极限位置作长时间的停歇，原因是当曲柄上的滚子在圆弧槽中运动时，导杆停歇不动
7、。,例2、改变构件的局部结构,3、选不同的构件作为机架,曲柄摇杆机构中，若改变不同构件为机架，可得到双曲柄机构和双摇杆机构。,如图a所示为一普通的摆动从动件盘形凸轮机构，若将凸轮固定为机架，原机架为作回转运动的原动件，再将各构件的运动尺寸作适当的改变，就变异为图b 所示的用于异型罐头封口机构。,二、凸轮机构,a,b,）,）,三、齿轮机构,齿轮也可以认为是由多条相同的凸轮廓线形成的，相应的从动轮则是由多个相同的从动件固联而成，两轮形成一齿接一齿的传动，这就是齿轮机构。若其中一个齿轮上仅存留部分轮齿，这就是不完全齿轮机构，它的从动轮可完成单向间歇运动如图所示。,第3节 机构再生运动链与实例分析,教
8、学指导,习题解答,二、运动链的基本类型,三、连杆类配的分类,一、一般运动链,四、设计约束 机构再生运动链,五、实例,设计全过程可分为如下几个步骤： 第一步将原始机构用机构运动简图表示，首先通过释放原动件、机架，而后转换成仅含杆和转动副的机构运动简图转化为一般运动链； 第二步 根据要求对杆之间和运动副之间进行综合； 第三步 按机构的功能所赋予的设计约束，演化出众多的再生运动链与相应的新机构。,这种设计的全过程如流程图所示,将原有机构运动简图抽象为一般化运动链，其原则为： 1）将非刚性构件转化为刚性构件。 2）将非连杆形状的构件转化为连杆。 3）将高副转化为低副。 4）将非转动副转为转动副。 5）
9、解除固定杆的约束，机构成为运动链。 6）运动链的自由度应保持不变。,一、一般化运动链,例1：单自由度机构是N=4的机构,无论是曲柄滑块机构还是正弦机构，都可以转换成为图a所示的仅含杆和转动副的四杆机构。,如果是高副机构，如图（d）（e）所示的凸轮机构和齿轮机构，可先进行高副低代，而后转换成仅含杆和转动副的四杆机构，如图 （a）。,例2、各种六杆机构也可以进行如此转换，铰链夹紧机构可以转换成仅含转动副的杆机构。,铰链夹紧机构的运动简图,1,铰链夹紧机构的一般运动链,设运动链的总构件数为N，低副数为，则由该运动链可得到的机构自由度F：,F=3(N-1)-2 （1） 由此得到： =3 N /2 -
10、（F +3）/2 当F（单自由度机构）是： 32 N2 铰链四杆机构是N=4,P=4是单环运动链，多环运动链是在单环的基础上每增加K个构件和（K+1）个运动副即增加一个独立环，故运动链的环数H为: H=P-N+1 （2）,二运动链的基本类型,三、连杆类配的分类,每一个运动链包含的带有运动副数量不同的各类链杆的组合，称为连杆类配 。令运动链中的二副元素连杆为2，三副元素连杆为3，四副元素连杆数为4，含有个运动副元素的构件为副元素连杆Ln。,二副元素,五副元素,三副元素,四副元素,六杆类配分为两种： 1）自身连杆类配 自身连杆类配是原始机构的一般化运动链(简称原始运动链)的连杆类配。,齿轮连杆机构
11、转换为斯蒂芬森型运动链 犁机构转换为瓦特型运动链,2）相关连杆类配 相关连杆类配按照运动链自由度不变的原则，由原始运动链可以推出与其具有相一同连杆数和运动副数的连杆类配，称为相关连杆类配。相关连杆类配应满足下面两式：,=2+3+4 + + （3） p=22+33+44 + + （4）,将以上两式代入式（1），有：,2-4-（-3）- （5）,式（3）与式（5）相减得,-（+）=3+4+ +（-） （6）,从以上公式N=4,P=4时，2=4，四杆运动链的链杆类配仅有一种。在六杆运动链中，N=6,P=7。按式（2）和（3）可知，该运动链中不能具有五副及五副以上的链杆，则按式（3）和（6）有,=2+
12、3+4= 6 （+）=3+4=2,按此，六杆运动连杆类配共有两种方案，见表 -2 。,六杆运动链连杆类配的方案可表示为LA (4/2)，其图解表示见图,六杆运动链连杆类配的方案II为LA（5/0/1），其图解表示如图,由六杆运动链连杆类配的方案II组成运动链示于图，其左面三杆之间无相对运动，实际上形成一个刚体，在该运动链中固定一杆后将成为一个自由度的四杆机构，已不符合六杆运动链的要求。,所以，六杆运动链连杆类配仅有一种链杆类配方案。即表中方案I为LA (4/2)。 六杆运动链的连杆类配仅有一种方案，即四个二副杆和两个三副杆进行组合，按两个三副杆是否直接铰接，它可以形成两种基本组合运动链，如图所
13、示的称斯蒂芬逊和瓦特型。,四、设计约束 机构再生运动链,同理各种单自由度的闭式链，可以按照一定规律；将其基本结构型式中的杆和铰链之间进行重新的排列（布局)，使运动链得到多种变异的构形，并在此基础上按照机构的工作特性和具体要求，定出设计约束，根据约束的严或紧，可产生数量不同的变异运动链。,例如铰链四杆机构选择不同构件为机架和曲柄，可以的到曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。,六杆运动链的二种类型，如果同样选择不同构件为机架进行同构判定后可得到5运动链，如图,总之， 按机构的功能所赋予的设计约束，演化出众多的再生运动链与相应的新机构。,五、实例,1、原始机构,为一凸轮机构使一大质量的滑块按给定运
14、动规律往复运动。,因作用在凸轮上的力较大，拟另寻求更好的传动方案，在原空间尺寸的限制下，提高其机械利益。,2、一般化运动链,根据一般化的原则，将原始机构中“非转动副”转化为转动副，将高副转化为低副，保持机构的自由度不变，各构件与运动副的邻接不变，并将固定杆的约束解除，转化为六杆七副机构。,六杆运动链可以形成两种基本组合运动链，称斯蒂芬逊和瓦特型运动链。,3、设计的限制条件,按照机构的工作特性与具体要求，可以定出下列限制条件。 1）连杆总数和运动副总数保持不变，在此仍为六杆七副机构； 2）必须有凸轮和从动件； 3）必须有一个机架，并且与凸轮相邻。,4、再生运动链与机构运动简图,瓦特再生运动链，即
15、将HS杆选为高副低代后产生的附加杆，可取件3或件5为凸轮，与凸轮相邻的构件为机架，而其余的杆则可以选作为凸轮机构的从动件，于是可以产生出图所示的瓦特机构伴生连杆组合树，它可以开拓出九种机构方案。,斯蒂芬森再生运动链为对象时，可以生成的伴生连杆组合树，可以开拓出十一种机构方案。,5、方案选择,以上这些方案中可以获得较大机械利益的部分构件的组合有四种，其中图a,b由瓦特六杆机构演生部分构件的组合得出；c,d由斯蒂芬森六杆机构演生得出部分构件的组合。这其中又以图d所示较为理想，最后机构方案为图e。,e）,第4节 机械运动方案设计,教学指导,习题解答,一、机械运动方案设计概述,二、实例分析,机械功能目
16、标是指该机械产品的功用，拟定机械的功能目标时应该对机械产品或机械装置的具体性能参数和各项技术指标进行限定，如：运转速度、输出功率大小、移动距离、使用要求，操作程序、维护与保养、对使用者的技术要求、安全可靠性以及价格、成本、经济效益等。,一、机械运动方案设计概述 机械运动方案设计的主要内容包括： 机械功能目标的拟定； 机械工作原理的拟定； 机构运动方案的生成及机械运动方案创新设计的评价等。,机械功能目标确定之后，按功能目标的要求拟定机械的工作原理，工作原理分析是一个在功能分析的基础上，创新构思、搜索探求、优化筛选工艺动作的过程。,机构运动方案的生成：首先，设计者将给出的运动要求，工业动作要求等，以
