機械創(chuàng)新設計(第五章)

第五章機構(jīgòu)演化、變異原理與創(chuàng)新1．以某機構為原始機構，對組成機構的各元素（運動副，構件）進行各種性質的改變或變換，而形成(xíngchéng)一種功能不同的機構。2．各種性質的改變或變換：機構各元素形狀和尺寸上的改變，運動形式的變換，運動等效變換，組成原理的仿效。3．機構演化與變異的主要方法：運動副及構件形狀尺寸的改變，機架變換，機構的等效變換，機構結構的仿效。4．變異機構：通過演化與變異而獲得新功能的機構精品資料第一節(jié)機構的運動(yùndòng)副演化與變異1．主要目的：（1）增強運動副元素的接觸強度（2）減小運動副元素的摩擦(mócā)、磨損（3）改變機構的受力狀態(tài)（4）改善機構的運動和動力效果（5）開拓機構的各種新功能（6）尋求演化新機構的有效途徑2．主要方法：（1）改變運動副的尺寸（2）改變運動副的接觸性質（3）改變運動副的形狀精品資料一、改變運動副的尺寸轉動副和移動副尺寸的增大1．轉動副的擴大：轉動副銷軸和銷軸孔直徑增大，機構相對運動關系沒有改變實例(shílì)：圖5-1旋轉泵機構：曲柄搖桿機構擴大轉動副B圖5-2活塞泵：曲柄滑塊機構擴大轉動副B以上兩種變異的特點：轉動副擴大，構件形狀發(fā)生變異，形成體積變化的腔。2．轉動副連續(xù)擴大后展直為移動副當轉動副的轉動半徑增大至無窮(wúqióng)時，轉動副即演化為移動副精品資料AB2AB222精品資料精品資料精品資料3．移動副的擴大移動副的滑塊與導路尺寸變化，把機構中其它運動副包含在其中，構件間的相對運動關系并未改變。圖5-4為一沖壓(chòngyā)機構：正弦機構擴大移動副圖5-5所示沖壓(chòngyā)機構：曲柄滑塊機構擴大移動副圖5-6所示為往復凸輪分度機構：移動副擴大將凸輪包含其中構件1為主動件往復運動，從動件凸輪2間歇轉動。精品資料精品資料精品資料精品資料二、改變運動副元素(yuánsù)的接觸性質低副元素(yuánsù)的接觸性質為滑動接觸，摩擦大、易磨損高副元素(yuánsù)的接觸性質為滑動和滾動接觸。用滾動接觸代替滑動接觸可減小磨損。（1）移動副：→滾滑副圖5-7（2）轉動副：→滾動軸承（3）高副：凸輪從動件設計為滾子，槽輪的撥銷設計為滾子三、改變運動副的形狀運動副的性質主要取決于運動副元素(yuánsù)的形狀改變運動副的形狀——改變運動副的性質——演化出不同機構精品資料1．平面(píngmiàn)低副運動副元素形狀的改變轉動副可演變?yōu)橐苿痈睗L子替代滑塊變滑動接觸為滾動接觸，滾滑副,改變移動副元素的形狀，如導軌的形狀直線變曲線并讓帶有小滾子的轉動構件為主動件反凸輪機構（擺桿為主動件）應用：圖5-8擺桿為主動件的反凸輪機構實現(xiàn)運動的暫停圖5-9無死點位置機構（移動凸輪機構，擺動從動件）2．平面高副運動副元素的改變目的：演化變異出不同功能的平面高副改善高副機構的性能：受力狀態(tài)，接觸強度(qiángdù)，運動及動力特性等。（1）改變高副元素形狀可演化變異出不同功能的高副基本的高副機構為凸輪機構，凸輪機構可看成由楔塊機構變異而來，見圖5-10，圖5-11精品資料演化范例1：楔塊機構普通凸輪機構→鋸條(jùtiáo)凸輪機構→齒輪機構。演化范例2：擺動件為主動件的反凸輪機構（若從動件凸輪為輪廓向徑有規(guī)律變化的圓盤狀構件棘輪機構演化范例3齒輪機構半徑→∞齒輪齒條機構

演化范例4間歇轉動機構半徑→∞間歇移動機構圖5-16移動式槽輪圖5-17移動式棘輪精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料（2）改變高副元素形狀以改善機構性能①齒輪機構：改變齒廓曲線的形狀提高接觸強度(qiángdù)，改善齒面摩擦以及機構的受力狀態(tài)，常用齒廓有漸開線，擺線，圓弧曲線，螺旋漸開線，球面漸開線，齒廓（面）修形。②凸輪機構：改變輪廓曲線，滿足運動及動力要求，圖5-6為實現(xiàn)分度功能的凸輪機構改變從動件與凸輪的接觸方式，以增強接觸強度(qiángdù)，減小磨損。③槽輪機構：將徑向槽分布變?yōu)閭认?cèxiànɡ)分布，改善傳動平穩(wěn)性。精品資料精品資料精品資料精品資料3．螺旋副組成：由互相旋合的螺桿和螺母組成。矩形螺紋的類型(lèixíng)梯形用于傳動鋸齒形三角形聯(lián)接螺旋傳動→將組成螺旋副的兩個運動副元素之一，螺桿的剖面形狀設計成一個(yīɡè)有利于推進流體或粉狀物料的葉片形狀，將其密閉圓筒狀容器內，螺旋輸送器，若將葉片上制成刃食物攪碎機構。（物料相當于螺母）精品資料第二節(jié)機構(jīgòu)的構件變異機構構件變異的主要目的：（1）改善(gǎishàn)機構運動的不確定；（2）解決機構由于結構原因無法正確運動問題；（3）開發(fā)新功能；（4）開發(fā)新機構；（5）改善(gǎishàn)機構的受力狀態(tài)，提高構件強度或剛度。精品資料主要的演化(yǎnhuà)變異方法：（1）利用構件的運動性質進行演化(yǎnhuà)變異；（2）改變構件的結構形狀和尺寸；（3）在構件上增加輔助結構；（4）改變構件運動性質。一、利用構件的運動性質演化變異對某些往復運動的構件，利用其單程的運動性質，改變構件的形狀(xíngzhuàn)以實現(xiàn)單程運動間歇地重復，從而演化出新機構。范例：擺動導桿機構變異為槽輪機構二、改變構件的結構形狀和尺寸解決機構運動不確定和機構因結構原因無法正常運動等問題精品資料精品資料B″（下曲柄與導路成鈍角）導路擺動方向與曲柄轉動(zhuàndòng)方向相反。B′（上曲柄與導路成銳角）導路擺動方向(fāngxiàng)與曲柄轉動方向(fāngxiàng)相同。若以B點位置即以AB⊥OB的位置為分界線，把滾滑副的槽分割成兩部分，一部分如C圖所示，即使導路與曲柄的夾角成鈍角，得到轉動方向與曲柄的轉動方向相反的運動。為使傳動連續(xù)，將擺桿的形狀設計成一個沿以OB為半徑的軌跡圓上開了四個均布相同槽的圓盤，使?jié)L子在脫離一個槽后相隔一段時間又進入了另一個槽，將連續(xù)的轉動轉換成間歇的反向轉動，擺動導桿機構外槽輪機構。同理，被分割的另一部分則變異成了內槽輪機構。精品資料1．平行四邊形機構(jīgòu)的變異機構(jīgòu)運動到運動副呈一直線位置時，機構(jīgòu)運動不確定改變連架桿的形狀圖5-20a)b)平行四邊形聯(lián)軸器圖5-20c)孔銷式聯(lián)軸器2．雙轉塊機構的變異(biànyì)雙轉塊機構→十字滑塊聯(lián)軸器二、改變構件的結構形狀和尺寸解決機構運動不確定和機構因結構原因無法正常運動等問題精品資料精品資料平行四邊形機構（雙曲柄機構的一個特例，具有相對構件平行且相等，傳遞勻速轉動，但有死點位置）克服死點可采用圖b所示的兩個以上相同機構的組合。若將連架桿設計成圓盤，將鉸鏈A和D、B和E分別鉸接在圓盤1和3上，圓盤的轉動中心分別為固定鉸O和C，采用多個連桿對稱(duìchèn)布置在兩圓盤之間平行四邊形聯(lián)軸器把連桿2全部作成滾輪，將1盤上的A和D鉸位置全部作成以連桿2的長度為半徑的圓孔，孔的內側與曲柄3上的滾輪滾動接觸孔銷式聯(lián)軸器精品資料滑塊1圓盤(yuánpán)1（帶有凹槽）滑塊3圓盤(yuánpán)3（帶有凹槽，與滑塊1上的凹槽呈垂直方向），連桿2兩邊帶有中心線互相垂直的凸榫的圓盤(yuánpán)2，四構件組成十字滑塊聯(lián)軸器。能傳遞等速運動。浮動盤式等速聯(lián)軸器。精品資料三、增加輔助結構(jiégòu)輔助結構(jiégòu)可解決機構運動不確定問題，運動規(guī)律可調性問題1．轉動(zhuàndòng)導桿機構傳遞非勻速轉動，若將導桿的中心線置于曲柄的活動鉸B的軌跡圓上，如圖，則導桿的轉速為曲柄的一半。但當與導桿的回轉中心重合時，則機構的運動將會不確定，為消除這一現(xiàn)象，采取加入第二個滑塊的辦法。精品資料精品資料增加一個滑塊可解決導桿運動不確定問題(wèntí)，并實現(xiàn)大載荷傳動2．凸輪機構增加(zēngjiā)輔助結構可調節(jié)凸輪機構從動件的運動規(guī)律（1）廓線可變的凸輪機構圖5-23，圖5-24（2）推桿可調的凸輪機構圖5-25，圖5-263．連桿機構：改變構件的長度以實現(xiàn)不同的運動規(guī)律。四、改變構件的運動性質凸輪機構增大行程：改變凸輪作定軸轉動的運動性質，使凸輪既轉又移，實現(xiàn)行程的增大。圖5-27，圖5-28，圖5-29精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料機構的機架變換稱作機構的位置，機架變換后，機構內各構件的相對運動(xiānɡduìyùndònɡ)關系不變，但絕對運動發(fā)生了改變。一、平面四桿機構的機架變換1．鉸鏈四桿機構的機架變化圖5-30第三節(jié)機構的機架變換(biànhuàn)與創(chuàng)新曲柄搖桿機構：具有急回運動特征雙曲柄機構：例如平行四邊形機構雙搖桿機構：例如等腰梯形機構，車輛轉向。2．含有一個移動副的四桿機構的機架變換圖5-31精品資料精品資料曲柄滑塊機構導桿機構（轉動導桿，擺動導桿）搖塊機構液壓缸機構移動導桿機構手動水壓機3．含有(hányǒu)兩個移動副四桿機構的機架變換圖5-32雙滑塊機構橢園規(guī)雙轉塊機構十字滑塊聯(lián)軸器正弦機構正切機構數(shù)學運算器二、凸輪機構的機架變換普通凸輪機構圖5-33a)固定(gùdìng)凸輪機構：凸輪固定(gùdìng)，從動件作復合運動。圖5-33b)應用舉例：圖5-33c)凸輪-行星機構圖5-33d)e)精品資料精品資料精品資料三、齒輪機構及撓性件傳動機構的機架變換(biànhuàn)普通齒輪傳動機構—→行星齒輪機構普通鏈傳動或齒形帶傳動—→行星傳動機構撓性傳動機構只有具有嚙合性質的鏈傳動或齒形帶傳動才能進行這種變換。各種履帶運輸車輛(chēliàng)的行走機構就可看成是將鏈傳動機構倒置而設計制成的。另外，將鏈傳動中的鏈固定成為機架，可代替造價昂貴的齒輪齒條機構。精品資料精品資料精品資料范例：外槽輪機構的機架變換：外槽輪機構的機架變換后與一個(yīɡè)行星齒輪機構串聯(lián)，1為主動件，1與2嚙合，2上固接著撥盤，當撥盤上的圓銷進入槽輪的槽子時，系桿轉動輸出運動，當圓銷退出槽子時，撥盤的鎖止弧與槽輪5的鎖止?。ㄍ箤Π迹╂i止，系桿2停歇。因為串聯(lián)了行星齒輪機構，則可改善普通槽輪機構的動力特性。普通間歇(jiànxiē)運動機構四、間歇運動機構的機架變換棘輪機構槽輪機構不完全齒輪機構凸輪機構組合機構精品資料不完全齒輪(chǐlún)機構的機架變換不完全齒輪機構的機架變換后串聯(lián)一行星齒輪機構，系桿只有在具有一個齒的齒輪3與固定的不完全齒輪5相嚙合期間才輸出轉動，當進入(jìnrù)所止弧嚙合期間，系桿停止回轉。精品資料第四節(jié)機構的等效變換(biànhuàn)與創(chuàng)新機構的等效變換可稱作機構的同性異形(yìxínɡ)變換。指輸入、輸出的運動特性相同或等效，但結構不同的一組機構。獲得同性異性機構的三種途徑一、利用運動副的等效代換創(chuàng)新同性異形(yìxínɡ)機構組成機構的各種運動副相互轉換或替代，而又不改變機構運動的輸入和輸出特性，如機構的自由度、相應構件的運動特征。常見的運動副的等效代換的形式如下：1．空間運動副與平面運動副的等效代換（1）球面副與轉動副的等效代換圖5-36a)（2）圓柱副與轉動副加移動副的等效代換圖5-36b)精品資料球面副匯交于球心(qiúxīn)的三個轉動副萬向聯(lián)軸器就是球面副由三個轉動副等效代換(dàihuàn)的例子。b圖為圓柱副平面移動副、轉動副

精品資料2．平面高副與平面低副的等效代換（參見機械(jīxiè)原理）平面(píngmiàn)機構的高副低代法高副低代的目的精品資料高副低代必須滿足(mǎnzú)的條件：①替代前后機構的自由度相同；②替代前后機構的運動特性相同。平面(píngmiàn)機構中兩構件的高副約束作用是限制沿接觸點的公法線方向的相對移動其約束數(shù)為1，即F=-1，如果用一個低副運動鏈來代替約束數(shù)為1的作用，則該低副運動鏈須滿足下列條件：F=-1=3n-2PL=-1∴n=1?PL=2是最簡單的運動鏈ο1ο2ααββο1ο2C精品資料AB、AC、A至切點等之間的距離保持不變，故附加一個長為AB、AC并使其在A、B、C處分別與原機構的構件1與2組成轉動副和移動(yídòng)副，這樣就構造出各自的同性異形機構。精品資料當過高副接觸點的二曲線曲率半徑(bànjìng)之和為常數(shù)時，可用低副機構代替高副機構。若曲率半徑(bànjìng)之和不為常數(shù)，只能瞬時代替。βο1ο2C精品資料二、利用瞬心軌線創(chuàng)新同性異形機構1．鉸鏈四桿機構的瞬心線同性異形結構圖5-39a)定瞬心線，動瞬心線2．反平行四邊形機構的同性異形結構圖5-403．曲柄(qūbǐng)與連桿等長的曲柄(qūbǐng)滑塊機構的同性異形機構圖5-41三、利用周轉輪系的不同結構(jiégòu)創(chuàng)新同性異構（形）機構若有兩個周轉輪系，他們的轉化機構傳動比的大小和方向均相同，則這兩個周轉輪系是一組同性異構機構。精品資料兩個互作平面平行運動的構件上瞬時速度(shùnshísùdù)相同的重合點稱為瞬心。瞬心在與運動構件固結的平面上的軌跡稱為瞬心線。瞬心在固定平面上的軌跡稱為定瞬心線，在與運動(yùndòng)構件固結平面上的軌跡稱為動瞬心線。P12S1動瞬心線S2靜瞬心線S2與s1兩條瞬心線稱為相對瞬心線兩構件的相對瞬心線必隨著兩構件的相對運動作無滑動的純滾動。反之，兩瞬心線純滾動，必然得到兩構件原來的相對運動。瞬心和瞬心線的概念：精品資料圖c表示了附著在連桿2上的動瞬心線與附著在機架4上的定瞬心線在四桿機構的圖示位置上正好相切，如果把桿4和桿2各自加工(jiāgōng)成瞬心線的實際形狀，使動瞬心線在定瞬心線上實現(xiàn)無滑動的純滾動，并拆掉1和2，則2的運動與原來的運動完全等效。1、鉸鏈四桿機構的瞬心線同性(tóngxìng)異形結構精品資料反平行四邊形機構(jīgòu)：兩兩對桿長度相等，但不平行。當以長邊為機架時，兩曲柄等速反向轉動。用于車門(chēmén)開閉機構，如圖所示。當以短邊為機架時，其性能和一般雙曲柄機構相似。如圖所示。2、反平行四邊形機構的同性異形結構

精品資料P14ABCD1234P12P43P23P131234P13P12P23P14P43P13P12P23P14P43根據(jù)三心定理，AC和BD的交點即為瞬心，按機構倒置的方法，可分別以桿1和桿3作機架，作出桿1和桿3的相對瞬心線，使其相對瞬心線作純滾動，便可得到兩構件原來的運動，從而(cóngér)可得到反平行四邊形機構的同性異形機構橢圓齒輪機構。P13當1桿固定(gùdìng)時，則連桿3的瞬心P13精品資料如圖，當1桿固定時，則連桿(liánɡǎn)3的瞬心P13位于2桿和4桿的交點處。P14ABCD1234P12P43P23P13即動點P13到兩定點的距離之和為常數(shù)，所以瞬心P13的軌跡為一以Α、B為焦點的橢圓。同理，可得另一以C、D為焦點的橢圓，把這兩個(liǎnɡɡè)橢圓瞬心線作為兩個(liǎnɡɡè)橢圓齒輪的節(jié)線，兩橢圓齒輪分別以繞Α、C回轉，則此橢圓齒輪機構為反平行四邊形機構的同性異形機構。精品資料精品資料3、曲柄與連桿等長的曲柄滑塊機構的同性(tóngxìng)異形機構特點：曲柄若能轉一周，則滑塊的位移是曲柄長度的4倍。但當曲柄轉至鉛垂位置時，B與ｏ點重合，機構處于死點位置，利用瞬心線來構造同性(tóngxìng)異形機構可改變此狀態(tài)。①作2的定瞬心線，由圖中幾何關系得，且P24至定點ｏ的距離為一常數(shù)2ｏΑ，故2的定瞬心線為一圓（圓心是ｏ，半徑為2ｏΑ。）②作2的動瞬心線。利用原機構的倒置機構即2相對固定，4運動，描繪P24的軌跡，得到一個以Α為圓心，ｏΑ長為半徑的圓。③當動圓在定圓內作純滾動時，動圓上的B點為一直線。（與原機構一致。）精品資料該瞬心線機構與正置曲柄(qūbǐng)滑塊機構為同性異形機構。也稱卡當圓機構。若把兩個(liǎnɡɡè)瞬心線圓看作是兩齒輪的節(jié)圓，4為固定內齒輪，圓心是ｏ，2為行星輪，軸心為Α，并且而原曲柄1作系桿，當1轉動時，2上的任一點的軌跡均為通過定點ｏ的直線。如圖，在B、C、D處分別鉸接直移桿，就可把系桿的轉動轉換成任意方向的移動，此卡當運動機構與正置曲柄滑塊機構為同性異形機構。精品資料瞬心線為卡當圓（Ｋardankreis）的機構(jīgòu)稱為卡當圓機構(jīgòu)若將固定齒輪4拆掉，在通過ｏ的直線方向上安置固定導路，則機構(jīgòu)就演化成卡當運動機構(jīgòu)的同性異形機構(jīgòu)。精品資料精品資料三、利用周轉輪系的不同結構創(chuàng)新同性異形(yìxínɡ)機構①用同性(tóngxìng)異形的周轉輪系創(chuàng)新同性(tóngxìng)異形機構

為結構緊湊，將內嚙合外嚙合，并加一惰輪，確保方向不變。內嚙合的

外嚙合∴外嚙合的周轉輪系與內嚙合的周轉輪系是同性異形機構，若在2上固接一桿，并使ｏΑ=ΑB，如圖，當系桿轉動時，B點輸出移動，則該機構為卡當運動機構的另一同性異形機構。精品資料精品資料②用撓性機構代換(dàihuàn)齒輪機構創(chuàng)新同性異形機構如圖所示的撓性件周轉輪系在2上固接一桿，同樣使ｏΑ=ΑB，B點輸出移動且行程(xíngchéng)為1的桿長的4倍，這個卡當運動機構的一同性異形機構常用于擴大行程(xíngchéng)的運動中。精品資料精品資料第五節(jié)機構運動原理的仿效(fǎngxiào)與創(chuàng)新機構運動原理仿效：一些(yīxiē)相同的運動原理可以用到不同的機構中去，例如運動的差動原理，諧波傳動原理等。一、差動原理的仿效差動原理常用在齒輪機構中組成差動輪系，還可以用于凸輪機構、螺旋機構、棘輪機構以及槽輪機構等。圖5-46齒輪差動機構圖5-47凸輪差動機構圖5-48螺旋差動機構同軸單螺旋同軸雙螺旋，螺母固定同軸雙螺旋，螺母移動精品資料差動原理常用于齒輪系中，被稱作差動輪系用于運動(yùndòng)的分解或合成。如圖：汽車差速機構把發(fā)動機輸出的運動分解(fēnjiě)給兩個車輪，使車輪的轉動與直行或拐彎運動相適應。差動原理還可用于凸輪機構螺旋機構棘輪機構槽輪機構精品資料差動輪(dònglún)系的基本型精品資料如圖所示，凸輪差動機構(jīgòu)由外凸輪1、內凸輪3、推桿2、機架組成外凸輪輪緣上均布有11個齒槽，內凸輪輪緣上均布有13個齒槽，推桿沿內外凸輪之間圓周布置，一般布置偶數(shù)個帶有滾子的推桿推桿的個數(shù)為兩凸輪齒槽數(shù)量(shùliàng)之和的約數(shù)：機構工作時，沿圓周連在一起的推桿和兩個凸輪之一輸出轉動，另一凸輪則輸出轉動。精品資料差動螺旋(luóxuán)機構同軸單螺旋(luóxuán)機構同軸雙螺旋機構同軸雙螺旋機構兩個螺母，分別固定、移動兩個螺母，兩個移動螺桿轉動，螺母也轉動，結果螺母實現(xiàn)差動移動，即螺桿轉Δn周，則螺母移距大小為s±Δs，s-導程，正號表示兩構件轉向相同，則移距為二者移距之和，負號表示兩構件轉向相反，則移距為二者移距之差，該機構結構簡單，可實現(xiàn)微動和快速移動。精品資料兩個螺母一個移動(yídòng)，一個固定。當螺桿轉動時，移動(yídòng)螺母可實現(xiàn)快速或慢速移動(yídòng)，即螺桿轉一周，移動(yídòng)螺母移動(yídòng)s1±s2（s1、s2為兩螺旋的導程，旋向相同時為正，螺母快速移動(yídòng)，反之，螺母慢速移動(yídòng)。）同軸雙螺旋傳動，兩螺母同時與機架組成移動副，工作時螺桿轉動，兩螺母實現(xiàn)移動，兩段螺旋線螺距相同，單懸想相反，該機構(jīgòu)常用于車輛之間的聯(lián)接，可使車鉤較快的聯(lián)結和脫開精品資料二、諧波傳動原理的仿效諧波傳動是一種靠中間撓性構件（柔輪）的彈性(tánxìng)變形來實現(xiàn)運動和動力的傳遞。常用于齒輪