第六章 創(chuàng)新設(shè)計

創(chuàng)新不是創(chuàng)意--《杜老師的創(chuàng)新》

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一個好的機械原理方案能否實現(xiàn)，機構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵。機構(gòu)設(shè)計中最富有創(chuàng)造性、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是機構(gòu)形式的設(shè)計。常用機構(gòu)形式的設(shè)計方法有兩大類，即機構(gòu)的選型和機構(gòu)的構(gòu)型。本章從這兩方面介紹機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的方法。本章的內(nèi)容：

6.1機構(gòu)形式設(shè)計的原則

6.2機構(gòu)的選型

6.3機構(gòu)的構(gòu)型概述6.1.1機構(gòu)盡可能簡單1.機構(gòu)運動鏈盡量簡短圖6-1所示為兩個直線軌跡機構(gòu)．其中圖a為E點有近似直線軌跡的四桿機構(gòu)，圖b為理論上E點有精確直線軌跡的八桿機構(gòu)。實際分析表明，在保證同一制造精度條件下，后者的實際傳動誤差約為前者的2~3倍，其主要原因在于運動副數(shù)目增多而造成運動累積誤差增大。6.1

機構(gòu)形式設(shè)計的原則—機構(gòu)盡可能的簡單2．適當選擇運動副從減少構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)，以及設(shè)計簡便等方面考慮，應(yīng)優(yōu)先采用高副機構(gòu)。但從低副機構(gòu)的運動副元素加工方便、容易保證配合精度以及有較高的承載能力等方面考慮，應(yīng)優(yōu)先采用低副機構(gòu)。在一般情況下，應(yīng)先考慮低副機構(gòu)，而且盡量少采用移動副（制造中不易保證高精度，運動中易出現(xiàn)自鎖）。在執(zhí)行構(gòu)件的運動規(guī)律要求復(fù)雜，采用連桿機構(gòu)很難完成精確設(shè)計時，應(yīng)考慮采用高副機構(gòu)，如凸輪機構(gòu)或連桿-凸輪組合機構(gòu)。3．適當選擇原動機執(zhí)行機構(gòu)的形式與原動機的形式密切相關(guān)，不要僅局限于選擇傳統(tǒng)的電動機驅(qū)動形式。在只要求執(zhí)行構(gòu)件實現(xiàn)簡單的工作位置變換的機構(gòu)中，采用圖6-2所示的氣壓或液壓缸作為原動機比較方便，它同采用電動機驅(qū)動相比，可省去一些減速傳動機構(gòu)和運動變換機構(gòu)，從而可縮短運動鏈，簡化結(jié)構(gòu)，且具有傳動平穩(wěn)、操作方便、易于調(diào)速等優(yōu)點。6.1

機構(gòu)形式設(shè)計的原則—機構(gòu)盡可能的簡單可以直接實現(xiàn)所要求的動作，而不需其他的機構(gòu)對圖6-3所示鋼板疊放機構(gòu)的動作要求是將軌道上的鋼板順滑到疊放槽中。圖a為六桿機構(gòu)，采用電動機作為原動機，帶動機構(gòu)中的曲柄轉(zhuǎn)動；圖b為連桿-凸輪（為固定件）機構(gòu)，采用液壓缸作為原動件直接帶動執(zhí)行構(gòu)件運動。后者比前者要簡單。6.1

機構(gòu)形式設(shè)計的原則—機構(gòu)盡可能的簡單液壓或氣動使機構(gòu)簡單4．選用廣義機構(gòu)不要僅限于剛性機構(gòu)，還可選用柔性機構(gòu)，以及利用光、電、磁和利用摩擦。重力、慣性等原理工作的廣義機構(gòu)，許多場合可使機構(gòu)更加簡單、實用。機械的尺寸和重量隨所選用的機構(gòu)類型不同而有很大差別。6.1

機構(gòu)形式設(shè)計的原則—盡量縮小機構(gòu)尺寸利用小齒輪3的節(jié)圓與活動齒條在E點相切作純滾動，從而縮小整個機構(gòu)尺寸。在圖6-5所示凸輪-連桿機構(gòu)中，利用一個輸出端半徑r2大于輸人端半徑r1的搖桿BAC，使C點的位移大于B點的位移，從而可在凸輪尺寸較小的情況下，使滑塊獲得較大行程。6.1

機構(gòu)形式設(shè)計的原則—盡量縮小機構(gòu)尺寸r2＞r11．采用傳動角較大的機構(gòu)要盡可能選擇傳動角較大的機構(gòu)，以提高機器的傳力效益，減少功耗。尤其對于傳力大的機構(gòu)，這一點更為重要。2．采用增力機構(gòu)如圖6-6所示為某壓力機的主機構(gòu)，曲柄AB為原動件，滑塊5為沖頭。當θ≈0°、α=2°時，F(xiàn)12僅為F的7％左右。6.1

機構(gòu)形式設(shè)計的原則—應(yīng)使機構(gòu)具有較好的動力學(xué)特性垂直方向上施加很小的力，在接近水平方向上產(chǎn)生很大的力第52頁-633．采用對稱布置的機構(gòu)對于高速運轉(zhuǎn)的機構(gòu)，其作往復(fù)運動和平面一般運動的構(gòu)件，以及偏心的回轉(zhuǎn)構(gòu)件的慣性力和慣性力矩較大，在選擇機構(gòu)時，應(yīng)盡可能考慮機構(gòu)的對稱性，以減小運轉(zhuǎn)過程中的動載荷和振動。如圖6-7所示的摩托車發(fā)動機機構(gòu)，由于兩個共曲柄的曲柄滑塊機構(gòu)以點A為對稱，所以在每一瞬間其所有慣性力完全互相抵消，達到慣性力的平衡。6.1

機構(gòu)形式設(shè)計的原則—應(yīng)使機構(gòu)具有較好的動力學(xué)特性慣性力完全互相抵消所謂機構(gòu)的選型，是指利用發(fā)散思維的方法，將前人創(chuàng)造發(fā)明出的各種機構(gòu)按照運動特性或?qū)崿F(xiàn)的功能進行分類，然后根據(jù)原理方案確定的執(zhí)行構(gòu)件所需要的運動特性或?qū)崿F(xiàn)功能進行搜索、選擇、比較和評價，選出合適的機構(gòu)形式。6.2

機構(gòu)的選型機構(gòu)選型一般先按執(zhí)行構(gòu)件的運動形式要求選擇機構(gòu)，同時還應(yīng)考慮機構(gòu)的功能特點和原動機的形式。本節(jié)以原動機采用電動機為例，說明機構(gòu)選型的基本方法。機械系統(tǒng)中，電動機輸出軸的運動為轉(zhuǎn)動，經(jīng)過速度變換后，執(zhí)行機構(gòu)的原動件的運動形式亦為轉(zhuǎn)動時，而完成各分功能的執(zhí)行構(gòu)件的運動形式卻是各種各樣的。6.2

機構(gòu)的選型—按運動形式要求選擇機構(gòu)6.2

機構(gòu)的選型—按運動形式要求選擇機構(gòu)表6-1給出了當機構(gòu)的原動件為轉(zhuǎn)動時，各種執(zhí)行構(gòu)件運動形式、實現(xiàn)機構(gòu)及應(yīng)用舉例，供機構(gòu)選型時參考。當機構(gòu)執(zhí)行動作的功用很明確，如夾緊、分度、定位、制動、導(dǎo)向等功用時，設(shè)計者可遵照這些功用查閱有關(guān)機構(gòu)手冊，分析相應(yīng)功能的各類機構(gòu)，進行選擇。6.2

機構(gòu)的選型—按運動形式要求選擇機構(gòu)6.2

機構(gòu)的選型—按運動形式要求選擇機構(gòu)實現(xiàn)同一功能或運動形式要求的機構(gòu)可以有多種類型，選型時應(yīng)盡可能將現(xiàn)有的各種機構(gòu)搜索到，以便選出最優(yōu)方案。6.2

機構(gòu)的選型—按運動形式要求選擇機構(gòu)牛頭刨床為例6.2

機構(gòu)的選型—按運動形式要求選擇機構(gòu)能使牛頭刨床的刨刀具有急回特性的往復(fù)直線運動的機構(gòu)有多種方案（如圖6-8），可對這些方案進行分析、評價，最終選出理想方案。機構(gòu)方案的評價1．評價指標和評價體系滿足同一運動形式或功能要求的機構(gòu)方案有很多，對這些方案應(yīng)從運動性能、工作性能、動力性能等方面進行綜合評價。表6-2列出了各項評價指標及其具體項目。6.2

機構(gòu)的選型—按運動形式要求選擇機構(gòu)根據(jù)機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計的主要性能要求和機械設(shè)計專家的意見設(shè)定的。對于具體機構(gòu)，還需增減和完善。所謂評價體系，是通過一定范圍內(nèi)的專家咨詢，確定評價指標及其評定方法。對于不同的設(shè)計任務(wù)，應(yīng)根據(jù)具體情況，擬定不同的評價體系。對于重載的機械，應(yīng)對其承載能力一項給予較大的重視；對于加速度較大的機械，應(yīng)特別重視其振動噪聲等問題。針對具體設(shè)計任務(wù)，科學(xué)地選取評價指標和建立評價體系是一項十分細致和復(fù)雜的工作，也是設(shè)計者面臨的重要問題。只有建立科學(xué)的評價體系，才可以避免個人決定的主觀片面性，減少盲目性，從而提高設(shè)計的質(zhì)量和效率。

6.2

機構(gòu)的選型—按運動形式要求選擇機構(gòu)2．典型機構(gòu)的評價連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)等三種機構(gòu)是最常用的機構(gòu)，其機構(gòu)特點、工作原理、設(shè)計方法已為廣大設(shè)計人員所熟悉，并且它們本身結(jié)構(gòu)簡單，易于應(yīng)用，往往成為首選機構(gòu)，故對它們作初步的評價，見表6-3所示。6.2

機構(gòu)的選型—按運動形式要求選擇機構(gòu)當用選型的方法初選出的機構(gòu)形式不能完全實現(xiàn)預(yù)期的要求，或雖能實現(xiàn)功能要求但存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動精度不夠或動力性能欠佳等缺點時，設(shè)計者可以采用創(chuàng)新構(gòu)型的方法，重新構(gòu)筑機構(gòu)的形式，這是比機構(gòu)選型更具有創(chuàng)造性的工作。機構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型的基本思路是：以通過選型初步確定的機構(gòu)方案為雛型，通過組合、變異、再生等方法進行突破，獲得新的機構(gòu)。機構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型的方法很多，本節(jié)介紹幾種常用的方法。6.3

機構(gòu)的構(gòu)型1．齒輪—連桿機構(gòu)1）實現(xiàn)間歇傳送運動6.3.1

利用組合原理構(gòu)型新機構(gòu)自動機的物料間歇送進，如沖床的間歇送料機構(gòu)、軋鋼廠成品冷卻車間的鋼材送進機構(gòu)、糖果包裝機的送紙和送糖條等機構(gòu)。齒輪1送料動梁送料動梁的任一點軌跡2）實現(xiàn)大擺角、大行程的往復(fù)運動齒輪該機構(gòu)常用于儀表中將敏感元件的微小位移放大后送到指示機構(gòu)(指針、刻度盤)或輸出裝置(電位計)等場合。高度不同壓力變化，膜盒脹縮，使C點左右移動飛機的高度表一級放大二級放大2）實現(xiàn)大擺角、大行程的往復(fù)運動固定v2v電動機驅(qū)動，通過減速器的輸出軸帶動曲柄該機構(gòu)適用于軋制速度較高的在線剪切。3）較精確地實現(xiàn)給定的運動軌跡齒輪1轉(zhuǎn)動時，帶動齒輪2和3轉(zhuǎn)動，通過五桿機構(gòu)ABCDE使M點實現(xiàn)如圖所示的復(fù)雜軌跡通過調(diào)節(jié)AB和ED的相位角，可以方便改變M點的軌跡。2．凸輪-連桿機構(gòu)凸輪-連桿機構(gòu)較齒輪—連桿機構(gòu)更能精確實現(xiàn)給定的復(fù)雜運動規(guī)律和軌跡。凸輪機構(gòu)雖也可實現(xiàn)任意的給定運動規(guī)律的往復(fù)運動，但在從動件作往復(fù)擺動時，受壓力角的限制，其擺角不能太大。將簡單的連桿機構(gòu)與凸輪機構(gòu)組合起來，可以克服上述缺點，達到很好的效果。6.3.1

利用組合原理構(gòu)型新機構(gòu)6.3.1

利用組合原理構(gòu)型新機構(gòu)此圖為平板印刷機上的吸紙機構(gòu)的運動示意圖凸輪轉(zhuǎn)動時實現(xiàn)此運動軌跡該機構(gòu)由自由度為2的五桿機構(gòu)和兩個自由度為1的擺動從動件凸輪機構(gòu)組成。6.3.1

利用組合原理構(gòu)型新機構(gòu)遞紙時，凸輪小面和滾子接觸，齊紙塊5逆時針轉(zhuǎn)動，將紙放入理紙時，凸輪大面和滾子接觸，齊紙塊5順時針轉(zhuǎn)動，將紙理齊印刷機械中常用的齊紙機構(gòu)3．齒輪—凸輪機構(gòu)齒輪—凸輪機構(gòu)常以自由度為2的差動輪系為基礎(chǔ)機構(gòu)，并用凸輪機構(gòu)為附加機構(gòu)。后者使差動輪系中的兩構(gòu)件有一定的運動聯(lián)系，約束掉一個自由度，組成自由度為1的封閉式組合機構(gòu)。6.3.1

利用組合原理構(gòu)型新機構(gòu)1）實現(xiàn)給定運動規(guī)律的變速回轉(zhuǎn)運動6.3.1

利用組合原理構(gòu)型新機構(gòu)常用于機床的分度補償機構(gòu)一部分是由蝸桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的，另一部分由蝸桿軸向移動產(chǎn)生的蝸輪與凸輪相固接，通過凸輪機構(gòu)的從動件推動蝸桿作軸向移動，使蝸輪產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)動，從而使誤差得到校正。6.3.1

利用組合原理構(gòu)型新機構(gòu)2）實現(xiàn)給定運動軌跡原動件是傳動比為1的一對齒輪中的1或2擺桿3和構(gòu)件1以轉(zhuǎn)動副A相鉸接從而使擺桿3上的P點實現(xiàn)給定的軌跡為了實現(xiàn)一定的工藝動作要求，或為了使機構(gòu)具有某些特殊的性能，改變現(xiàn)有機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，演變發(fā)展出新機構(gòu)構(gòu)設(shè)計，稱為機構(gòu)變異構(gòu)型。以下介紹幾種常用的變異構(gòu)則的方法.1．機構(gòu)的倒置機構(gòu)的運動構(gòu)件與機架的轉(zhuǎn)換，稱為機構(gòu)的倒置。按照運動相對性原理，機構(gòu)倒置后各構(gòu)件間的相對運動關(guān)系不變，但可以得到不向特性的機構(gòu)。6.3.2

利用機構(gòu)的變異構(gòu)型新機構(gòu)2．機構(gòu)的擴展以原有機構(gòu)作為基礎(chǔ)，增加新的構(gòu)件，構(gòu)成一個新機構(gòu)，稱為機構(gòu)的擴展。機構(gòu)擴展后，原有各構(gòu)件間的相對運動關(guān)系不變，但所構(gòu)成的新機構(gòu)的某些性能與原機構(gòu)有很大差別。6.3.2

利用機構(gòu)的變異構(gòu)型新機構(gòu)插秧機的手動分秧、插秧機構(gòu)6.3.2

利用機構(gòu)的變異構(gòu)型新機構(gòu)插秧時返回時3.機構(gòu)局部結(jié)構(gòu)的改變改變機構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)，可以獲得有特殊運動特性的機構(gòu)。圖a為傳統(tǒng)的擺動從動件圓柱凸輪機構(gòu)。6.3.2

利用機構(gòu)的變異構(gòu)型新機構(gòu)擺桿的運動規(guī)律只能是近似的實現(xiàn)了擺桿準確的上下運動4．機構(gòu)結(jié)構(gòu)的移植和模仿將一機構(gòu)中的某種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于另一種機構(gòu)中的設(shè)計方法，稱為結(jié)構(gòu)的移植。利用某一結(jié)構(gòu)特點設(shè)計新機構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)的模仿。要有效地利用結(jié)構(gòu)的移植和模仿構(gòu)型出新的機構(gòu)，必須注意了解、掌握一些機構(gòu)之間實質(zhì)上的共同點，以便在不同條件下靈活運用。例如，圓柱齒輪的半徑無限增大時，齒輪演變?yōu)辇X條，運動形式由轉(zhuǎn)動演變?yōu)橹本€移動。運動形式雖然改變了，但齒廓嚙合的工作原理沒有改變。6.3.2

利用機構(gòu)的變異構(gòu)型新機構(gòu)6.3.2

利用機構(gòu)的變異構(gòu)型新機構(gòu)主動齒條作往復(fù)直線運動，使不完全齒輪2在擺動的中間位置有停歇。主動件1連續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件2間歇直移5．運動副的變異改變機構(gòu)中運動副的形式，可構(gòu)型出不同運動性能的機構(gòu)。運動副的變換方式有很多種，常用的有高副與低副之間的變換、運動副尺寸的變換和運動副類型的變換。6.3.2

利用機構(gòu)的變異構(gòu)型新機構(gòu)構(gòu)件3改成滾子若將圓弧槽變?yōu)榍€槽，形成以凸輪為機架的凸輪機構(gòu)，則構(gòu)件2將得到更為復(fù)雜的運動。運動副的變異DC→∞手套自動加工機的機構(gòu)改進6.3.2

利用機構(gòu)的變異構(gòu)型新機構(gòu)滑塊4與導(dǎo)桿3組成的移動副位于上方，不僅潤滑困難，且易污染產(chǎn)品由Ⅱ級機構(gòu)變成Ⅲ級機構(gòu)1．再生運動鏈法創(chuàng)新設(shè)計流程再生運動鏈法是基于機構(gòu)的桿組組成原理，將一個具體的機構(gòu)抽象為一般化運動鏈，然后按該機構(gòu)的功能所賦予的約束條件，演化出眾多的再生運動鏈和相應(yīng)的新機構(gòu)。6.3.3

利用再生運動鏈法構(gòu)型新機構(gòu)6.3.3

利用再生運動鏈法構(gòu)型新機構(gòu)根據(jù)這一流程，可推導(dǎo)出許多與原始機構(gòu)具有相同功能的新機構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用液、氣、聲、光、電、磁等工作原理的機構(gòu)應(yīng)用日益廣泛。這類機構(gòu)統(tǒng)稱為廣義機構(gòu)。在廣義機構(gòu)中，由于利用了一些新的工作介質(zhì)和工作原理，較傳統(tǒng)機構(gòu)更能方便地實現(xiàn)運動和動力的轉(zhuǎn)換，并能實現(xiàn)某些傳統(tǒng)機構(gòu)難以完成的復(fù)雜運動。廣義機構(gòu)種類繁多，本節(jié)僅介紹應(yīng)用較為廣泛的部分廣義機構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點。1．利用液、氣物理效應(yīng)利用液體、氣體作為工作介質(zhì)，實現(xiàn)能量傳遞和運動轉(zhuǎn)換的機構(gòu)，分別稱為液動機構(gòu)和氣動機構(gòu)，廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、建筑、交通運輸和輕工等行業(yè)。6.3.4

廣義機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計1）液動機構(gòu)液動機構(gòu)與機械傳動的機構(gòu)相比較，具有無級調(diào)速，調(diào)速范圍大；體積小、質(zhì)量輕、輸出功率大；工作平穩(wěn)，易于實現(xiàn)快速啟動、制動、換向等動作；控制方便；易于實現(xiàn)過載保護；由于液壓元件具有自潤滑特性，機構(gòu)磨損小、壽命長；液壓元件易于標準化、系列化等優(yōu)點。6.3.4

廣義機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計6.3.4

廣義機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計3個液壓缸可同時工作，也可單獨啟動。2）氣動機構(gòu)氣動機構(gòu)與液動機構(gòu)相比，由于工作介質(zhì)為空氣，故易于獲取和排放，不污染環(huán)境；氣動機構(gòu)還具有壓力損失小，易于過載保護，易于標準化、系列化