机械创新设计(第五章)讲解

1、第五章第五章 机构演化、变异原理与创新机构演化、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，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。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。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，

2、机构的等效变换，机构结构的仿效。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变异机构：通过演化与变异而获得新功能的机构 第一节第一节 机构的运动副演化与变异机构的运动副演化与变异 1主要目的：主要目的： （1）增强运动副元素的接触强度）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）减小运动副元素的摩擦、磨损 （3）改变机构的受力状态）改变机构的受力状态 （4）改善机构的运动和动力效果）改善机构的运动和动力效果 （5）开拓机构的各种新功能）开拓机构的各种新功能 （6）寻求演化新机构的有效途径）寻求演化新机构的有效途径 2主要方法：

3、主要方法： （1）改变运动副的尺寸）改变运动副的尺寸 （2）改变运动副的接触性质）改变运动副的接触性质 （3）改变运动副的形状）改变运动副的形状 一、改变运动副的尺寸一、改变运动副的尺寸 转动副和移动副尺寸的增大转动副和移动副尺寸的增大 1转动副的扩大：转动副销轴和销轴孔直径增大，机构转动副的扩大：转动副销轴和销轴孔直径增大，机构 相对运动关系没有改变相对运动关系没有改变 实例：图实例：图5-1 旋转泵机构：曲柄摇杆机构扩大转动副旋转泵机构：曲柄摇杆机构扩大转动副B 图图5-2 活塞泵：曲柄滑块机构扩大转动副活塞泵：曲柄滑块机构扩大转动副B 以上两种变异的特点：转动副扩大，构件形状发生变异，形

4、以上两种变异的特点：转动副扩大，构件形状发生变异，形 成体积变化的腔。成体积变化的腔。 2转动副连续扩大后展直为移动副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 A B 2 A B 2 2 2 3移动副的扩大移动副的扩大 移动副的滑块与导路尺寸变化，把机构中其它运动副包含移动副的滑块与导路尺寸变化，把机构中其它运动副包含 在其中，构件间的相对运动关系并未改变。在其中，构件间的相对运动关系并未改变。 图图5-4为一冲压机构：正弦机构扩大移动副为一冲压机构：正弦机构扩大移动副 图图5-5所示冲压机构：曲柄滑

5、块机构扩大移动副所示冲压机构：曲柄滑块机构扩大移动副 图图5-6所示为往复凸轮分度机构：移动副扩大将凸轮包含其所示为往复凸轮分度机构：移动副扩大将凸轮包含其 中中 构件构件1为主动件往复运动，从动件凸轮为主动件往复运动，从动件凸轮2间歇转动。间歇转动。 二、改变运动副元素的接触性质二、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。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。用滚动接触代替滑动接触可减小磨损。 （1）移动副：）移动副：滚滑副滚滑副 图图5-7 （2

6、）转动副：）转动副：滚动轴承滚动轴承 （3）高副：凸轮从动件设计为滚子，槽轮的拨销设计为滚子）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形状改变运动副的性质改变运动副的性质演化出不同机构演化出不同机构 1平面低副运动副元素形状的改变平面低副运动副元素形状的改变 转动副转动副 可演变为可演变为 移动副移动副 滚子替代滑块变滑动接触为滚子替代滑块变滑动接触为 滚动接触，滚动接触， 滚滑副滚滑副, 改变移动副元素的形状，如导轨改变移动副元素的形状

7、，如导轨 的形状的形状 直线变曲线并让带有小滚子的转动构件为主动件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）反凸轮机构（摆杆为主动件） 应用：图应用：图5-8 摆杆为主动件的反凸轮机构实现运动的暂停摆杆为主动件的反凸轮机构实现运动的暂停 图图5-9 无死点位置机构（移动凸轮机构，摆动从动件）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平面高副运动副元素的改变 目的：目的： 演化变异出不同功能的平面高副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。动及动力特

8、性等。 （1）改变高副元素形状可演化变异出不同功能的高副）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，见图构变异而来，见图5-10，图，图5-11 演化范例演化范例1：楔块机构：楔块机构 普通凸轮机构普通凸轮机构锯条凸轮机构锯条凸轮机构齿齿 轮机构。轮机构。 演化范例演化范例2：摆动件为主动件的反凸轮机构（若从动件凸轮为：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轮廓向径有规律变化的圆盘状构件 棘轮机构棘轮机构 演化范例演化范例3 齿轮机构齿轮机构 半径

9、半径 齿轮齿条机构齿轮齿条机构 演化范例演化范例4 间歇转动机构间歇转动机构半径半径 间歇移动机构间歇移动机构 图图5-16 移动式槽轮移动式槽轮 图图5-17 移动式棘轮移动式棘轮 （2）改变高副元素形状以改善机构性能）改变高副元素形状以改善机构性能 齿轮机构：齿轮机构： 改变齿廓曲线的形状改变齿廓曲线的形状 提高接触强度，改善齿面摩擦以及提高接触强度，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。旋渐开线，球面渐开线，齿廓（面）修形。 凸轮机构：凸轮机构： 改变轮廓曲线，满足

10、运动及动力要求，图改变轮廓曲线，满足运动及动力要求，图5-6为实现分度为实现分度 功能的凸轮机构功能的凸轮机构 改变从动件与凸轮的接触方式，以增强接触强度，减小磨改变从动件与凸轮的接触方式，以增强接触强度，减小磨 损。损。 槽轮机构：将径向槽分布变为侧向分布，改善传动平稳性。槽轮机构：将径向槽分布变为侧向分布，改善传动平稳性。 3螺旋副螺旋副 组成：由互相旋合的螺杆和螺母组成。组成：由互相旋合的螺杆和螺母组成。 矩形矩形 螺纹的类型螺纹的类型 梯形梯形 用于传动用于传动 锯齿形锯齿形 三角形三角形 联接联接 螺旋传动螺旋传动将组成螺旋副的两个运动副元素之将组成螺旋副的两个运动副元素之 一，螺杆

11、的剖面形状设计成一个有利于推进流一，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，将其密闭圆筒状容体或粉状物料的叶片形状，将其密闭圆筒状容 器内，器内， 螺旋输送器，若将叶片上制成刃螺旋输送器，若将叶片上制成刃 食食 物搅碎机构。（物料相当于螺母）物搅碎机构。（物料相当于螺母） 第二节第二节 机构的构件变异机构的构件变异 机构构件变异的主要目的：（机构构件变异的主要目的：（1）改善机构运动）改善机构运动 的不确定；（的不确定；（2）解决机构由于结构原因无法正）解决机构由于结构原因无法正 确运动问题；（确运动问题；（3）开发新功能；（）开发新功能；（4）开发新机）开发新机 构；（

12、构；（5）改善机构的受力状态，提高构件强度）改善机构的受力状态，提高构件强度 或刚度。或刚度。 主要的演化变异方法：主要的演化变异方法： （1）利用构件的运动性质进行演化变异；）利用构件的运动性质进行演化变异； （2）改变构件的结构形状和尺寸；）改变构件的结构形状和尺寸； （3）在构件上增加辅助结构；）在构件上增加辅助结构； （4）改变构件运动性质。）改变构件运动性质。 一、利用构件的运动性质演化变异一、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。件的形状以

13、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 BB（下曲柄与导路成钝角）导路摆动方向与曲柄转动方向（下曲柄与导路成钝角）导路摆动方向与曲柄转动方向 相反。相反。 B B （上（上曲柄与导路成锐角曲柄与导路成锐角）导路摆动方向与曲柄转动方向相导路摆动方向与曲柄转动方向相 同。同。 若以若以B B点位置即以点位置即以ABOBABOB的位置为分界线，把滚滑副的槽分的位置为分界

14、线，把滚滑副的槽分 割成两部分，一部分如割成两部分，一部分如C C图所示，即使导路与曲柄的夹角成图所示，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传动连续，将摆杆的形状设计成一个沿以OBOB为半径的轨迹为半径的轨迹 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，歇的反向转动，摆动导杆机构摆动导杆机构 外槽轮

15、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。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 改变连架杆的形状改变连架杆的形状 图图5-20 a) b) 平行四边形联轴器平行四边形联轴器 图图5-20 c) 孔销式联轴器孔销式联轴器 2双转块机构的变异双转块机构的变异 双转块机构双转块机构十字滑块联轴器十字滑块联轴器 二、改变构件的结构形状和尺寸二、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解决机构运动不确定和

16、机构因结构原因无法正常运动等 问题问题 平行四边形机构（双曲柄机构的一个特例，具有相对构平行四边形机构（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 点可采用图点可采用图b b所示的所示的两个以上相同机构的组合。两个以上相同机构的组合。 若将连若将连 架杆设计成圆盘，将铰链架杆设计成圆盘，将铰链A A和和D D、B B和和E E分别铰接在圆盘分别铰接在圆盘1 1和和 3 3上，圆盘的转动中心分别为固定铰上，圆盘的转动中心分别为固定铰O O和和C C，采用多个连杆，采用多个连杆 对称布置在两圆盘之间对称布置在两

17、圆盘之间 平行四边形联轴器平行四边形联轴器 把连杆把连杆2 2全部作成滚轮，全部作成滚轮， 将将1 1盘上的盘上的A A和和D D铰位置全部作成铰位置全部作成 以连杆以连杆2 2的长度为半径的圆孔，孔的内侧与曲柄的长度为半径的圆孔，孔的内侧与曲柄3 3上的滚上的滚 轮滚动接触轮滚动接触 孔销式联轴器孔销式联轴器 滑块滑块1 圆盘圆盘1（带有凹槽）滑块（带有凹槽）滑块3 圆盘圆盘3（带有凹槽，（带有凹槽， 与滑块与滑块1上的凹槽呈垂直方向），连杆上的凹槽呈垂直方向），连杆2 两边带有中心两边带有中心 线互相垂直的凸榫的圆盘线互相垂直的凸榫的圆盘2，四构件组成十字滑块联轴器。，四构件组成十字滑块联

18、轴器。 能传递等速运动。能传递等速运动。 浮动盘式等速联轴器。浮动盘式等速联轴器。 三、增加辅助结构三、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传递非匀速转动，若将导杆的中心线置于曲柄的活动铰B B的轨的轨 迹圆上，如图，则导杆的转速为曲柄的一半。但当迹圆上，如图，则导杆的转速为曲柄的一半。但当与导杆的与导杆的 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

19、办法。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凸轮机构凸轮机构 增加辅助结构可调节凸轮机构从动件的运动规律增加辅助结构可调节凸轮机构从动件的运动规律 （1）廓线可变的凸轮机构）廓线可变的凸轮机构 图图5-23，图，图5-24 （2）推杆可调的凸轮机构）推杆可调的凸轮机构 图图5-25，图，图5-26 3连杆机构：改变构件的长度以实现不同的运动规律。连杆机构：改变构件的长度以实现不同的运动规律。 四、改变构件的运动性质四、改变构件的运动性质 凸轮机构增大行程：改变凸轮作定轴转动的运动性质，使凸

20、轮凸轮机构增大行程：改变凸轮作定轴转动的运动性质，使凸轮 既转又移，实现行程的增大。既转又移，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。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一、平面四杆机构的机架变换 1铰链四杆机构的机架变化铰链四杆机构的机架变化 图图5-30 第三节第三节 机构的机架变换与创新机构的机架变换与创新 曲柄摇杆机构：具有急回运动特征曲柄摇杆机构：具有急回运动特征 双曲柄机构：

21、例如平行四边形机构双曲柄机构：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。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含有一个移动副的四杆机构的机架变换 图图5-31 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 导杆机构导杆机构 （转动导杆，摆动导杆）（转动导杆，摆动导杆） 摇块机构摇块机构 液压缸机构液压缸机构 移动导杆机构移动导杆机构 手动水压机手动水压机 3含有两个移动副四杆机构的机架变换含有两个移动副四杆机构的机架变换 图图5-32 双滑块机构双滑块机构 椭园规椭园规 双转块机构双转块机构 十字滑块联轴器十字滑块联轴器 正弦机构正弦机构 正切机构正切机构

22、 数学运算器数学运算器 二、凸轮机构的机架变换二、凸轮机构的机架变换 普通凸轮机构普通凸轮机构 图图5-33 a) 固定凸轮机构：凸轮固定，从动件作复合运动。图固定凸轮机构：凸轮固定，从动件作复合运动。图5-33 b) 应用举例：图应用举例：图5-33 c) 凸轮凸轮-行星机构行星机构 图图5-33 d) e) 三、齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换三、齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换 普通齿轮传动机构普通齿轮传动机构行星齿轮机构行星齿轮机构 普通链传动或齿形带传动普通链传动或齿形带传动行星传动机构行星传动机构 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挠性传动机构只有具有啮合性质的

23、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。链固定成为机架，可代替造价昂贵的齿轮齿条机构。 范例：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，个行星齿轮机构串联，1为主动件，为主动件，1与与2啮合，啮合，2上固接着拨盘，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

24、销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退出槽子时，拨盘的锁止弧与槽轮5的锁止弧（凸对凹）锁止，的锁止弧（凸对凹）锁止， 系杆系杆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。的动力特性。 普通间歇运动机构普通间歇运动机构 四、间歇运动机构的机架变换四、间歇运动机构的机架变换 棘轮机构棘轮机构 槽轮机构槽轮机构 不完全齿轮机构不完全齿轮机构 凸轮机构凸轮机构 组合机构组合机构 不完全齿轮机构的机架变换不完全齿轮机构的机架变换 不完全齿轮机构的机架变换后串联一行星齿轮机构，系杆

25、只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有在具有一个齿的齿轮3与固定的不完全齿轮与固定的不完全齿轮5相啮合期间才相啮合期间才 输出转动，当进入所止弧啮合期间，系杆停止回转。输出转动，当进入所止弧啮合期间，系杆停止回转。 第四节第四节 机构的等效变换与创新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。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

26、构一、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 特征特征。 常见的运动副的等效代换的形式如下：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）球面副与转动副的等效代换 图图5-36 a) （2）圆柱副与转动副加移动副的等效代换）圆柱副与转动副加移动副的等效代换 图图5-36 b) 球面副球面副 汇交于球心的

27、三个转动副汇交于球心的三个转动副 万向联轴器就是球面副万向联轴器就是球面副 由三个转动副等效代换的例子。由三个转动副等效代换的例子。 b图为圆柱副图为圆柱副 平面移动副、转动副平面移动副、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平面机构的高副低代法 高副低代的目的高副低代的目的 高副低代必须满足的条件：高副低代必须满足的条件： 替代前后机构的自由度相同；替代前后机构的自由度相同；替代前后机构的运动特替代前后机构的运动特 性相同。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平面机构中两构件的高副约束

28、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方向的相对移动其约束数为1，即，即F=-1F=-1，如果用一个低副运动，如果用一个低副运动 链来代替链来代替约束数为约束数为1的作用，则该低副运动链须满足下列条件：的作用，则该低副运动链须满足下列条件： F=-1=3n-2PL=-1-1 n=1 PL=2 n=1 PL=2 是最简单的运动链是最简单的运动链 12 1 2 C AB、ACAC、A A至切点等之间的距离保持不变，故附加一个长为至切点等之间的距离保持不变，故附加一个长为AB、AC并使其在并使其在A、B、C 处分别与原机构的构件处分别与原机构的构件1与与2组成转动副和移动副，这样就构造

29、出各自的同性异形机构。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。能瞬时代替。 1 2 C 二、利用瞬心轨线创新同性异形机构二、利用瞬心轨线创新同性异形机构 1铰链四杆机构的瞬心线同性异形结构铰链四杆机构的瞬心线同性异形结构 图图5-39 a) 定瞬心线，动瞬心线定瞬心线，动瞬心线 2反平行四边形机构的同性异形结构反平行四边形机构的同性异形结构 图图5-40 3曲柄与连杆等长的曲

30、柄滑块机构的同性异形机构曲柄与连杆等长的曲柄滑块机构的同性异形机构 图图5-41 三、利用周转轮系的不同结构创新同性异构（形）机构三、利用周转轮系的不同结构创新同性异构（形）机构 若有两个周转轮系，他们的转化机构传动比的大小和方若有两个周转轮系，他们的转化机构传动比的大小和方 向均相同，则这两个周转轮系是一组同性异构机构。向均相同，则这两个周转轮系是一组同性异构机构。 两个互作平面平行运动的构件上瞬时速度相同的重合点称两个互作平面平行运动的构件上瞬时速度相同的重合点称 为瞬心。瞬心在与运动构件固结的平面上的轨迹称为瞬心为瞬心。瞬心在与运动构件固结的平面上的轨迹称为瞬心 线。线。 瞬心在固定平面

31、上的轨迹称为定瞬心线，在与运动构件固结平瞬心在固定平面上的轨迹称为定瞬心线，在与运动构件固结平 面上的轨迹称为动瞬心线。面上的轨迹称为动瞬心线。 P12P12 S1动瞬心线动瞬心线 S2静瞬心线静瞬心线 S2与与s1两条瞬心线称为相对瞬心线两条瞬心线称为相对瞬心线 两构件的相对瞬心线必随着两构件两构件的相对瞬心线必随着两构件 的相对运动作无滑动的纯滚动。反的相对运动作无滑动的纯滚动。反 之，两瞬心线纯滚动，必然得到两之，两瞬心线纯滚动，必然得到两 构件原来的相对运动。构件原来的相对运动。 瞬心和瞬心线的概念：瞬心和瞬心线的概念： 图图c c表示了附着在连杆表示了附着在连杆2 2上的动瞬心线与上

32、的动瞬心线与附着在机架附着在机架4上的定瞬心线上的定瞬心线 在四杆机构的图示位置上正好相切，如果把杆在四杆机构的图示位置上正好相切，如果把杆4和杆和杆2各自加工成瞬各自加工成瞬 心线的实际形状，使动瞬心线在定瞬心线上实现无滑动的纯滚动，心线的实际形状，使动瞬心线在定瞬心线上实现无滑动的纯滚动， 并拆掉并拆掉1和和2，则，则2的运动与原来的运动完全等效。的运动与原来的运动完全等效。 1、铰链四杆机构的瞬心线同性异形结构、铰链四杆机构的瞬心线同性异形结构 反平行四边形机构反平行四边形机构：两两对杆长度相等，但不平行。：两两对杆长度相等，但不平行。 当以长边为机架时，两曲柄等速反向转动。用于车门开闭

33、机当以长边为机架时，两曲柄等速反向转动。用于车门开闭机 构，如图所示。构，如图所示。 当以短边为机架时，其性能和一般双曲柄机构相似。如图所当以短边为机架时，其性能和一般双曲柄机构相似。如图所 示。示。 2、反平行四边形机构的同性异形结构、反平行四边形机构的同性异形结构 P14 A B C D 1 2 3 4 P12 P43 P23 P13 1 2 3 4 P13 P12 P23P14 P43 P13 P12P23 P14 P43 根据三心定理，根据三心定理，AC和和BD的交点即为瞬心的交点即为瞬心 ，按机构倒置的方法，按机构倒置的方法， 可分别以杆可分别以杆1和杆和杆3作机架，作出杆作机架，作

34、出杆1和杆和杆3的相对瞬心线，使其相对的相对瞬心线，使其相对 瞬心线作纯滚动，便可得到两构件原来的运动，从而可得到反平行瞬心线作纯滚动，便可得到两构件原来的运动，从而可得到反平行 四边形机构的同性异形机构四边形机构的同性异形机构 椭圆齿轮机构。椭圆齿轮机构。 P13 当当1杆固定时，则连杆杆固定时，则连杆3的瞬心的瞬心 P13 如图，当如图，当1杆固定时，则连杆杆固定时，则连杆3的瞬心的瞬心 P13位于位于2杆和杆和4杆的交杆的交 点处。点处。 常数且 BDACBP CPBPCDPABP CDABDABCDABC 1313 13131313 AP , , P14 A B C D 1 2 3 4

35、 P12 P43 P23 P13 即动点即动点P P13 13到两定点的距离之和为常数， 到两定点的距离之和为常数， 所以瞬心所以瞬心P13的轨迹为一以的轨迹为一以、B B为焦点为焦点 的椭圆。同理，可得另一以的椭圆。同理，可得另一以C C、D D为焦为焦 点的点的椭圆，把这两个椭圆瞬心线作为椭圆，把这两个椭圆瞬心线作为 两个两个椭圆齿轮的节线，两椭圆齿轮分椭圆齿轮的节线，两椭圆齿轮分 别以绕别以绕、C C回转，则此回转，则此椭圆齿轮机构椭圆齿轮机构 为反平行四边形机构的同性异形机构。为反平行四边形机构的同性异形机构。 3、曲柄与连杆等长的曲柄滑块机构的同性异形机构、曲柄与连杆等长的曲柄滑块机

36、构的同性异形机构 特点：曲柄若能转一周，则滑块的位移是曲柄长度的特点：曲柄若能转一周，则滑块的位移是曲柄长度的4倍。但当倍。但当 曲柄转至铅垂位置曲柄转至铅垂位置 时，时，B B与点重合，机构处于死点位置，利与点重合，机构处于死点位置，利 用瞬心线来构造用瞬心线来构造同性异形机构同性异形机构可改变此状态。可改变此状态。 作作2 2的定瞬心线，由图中几何关系得的定瞬心线，由图中几何关系得 ，且，且P P24 24至定点的距离为一 至定点的距离为一 常数常数2 2，故，故2 2的定瞬心线为一圆（圆的定瞬心线为一圆（圆 心是，半径为心是，半径为2 2 。） 24 APoA 作作2的动瞬心线。利用原机

37、构的的动瞬心线。利用原机构的 倒置机构即倒置机构即2相对固定，相对固定，4运动，描运动，描 绘绘P P24 24的轨迹，得到一个以 的轨迹，得到一个以为圆心，为圆心， 长为半径的圆。长为半径的圆。 当动圆在定圆内作纯滚动时，动圆上的当动圆在定圆内作纯滚动时，动圆上的B B点为一直线。（与点为一直线。（与 原机构一致。）原机构一致。） 该瞬心线机构与正置曲柄滑块该瞬心线机构与正置曲柄滑块 机构为同性异形机构机构为同性异形机构 。也称卡。也称卡 当圆机构。当圆机构。 若把两个瞬心线圆看作是两齿轮若把两个瞬心线圆看作是两齿轮 的节圆，的节圆，4为固定内齿轮，圆心为固定内齿轮，圆心 是，是，2为行星轮

38、，轴心为为行星轮，轴心为， 并且并且 而原曲柄而原曲柄1 1作作 2 2 4 z z 系杆，当系杆，当1转动时，转动时，2上的任一点的轨迹均为通过定点的上的任一点的轨迹均为通过定点的 直线。如图，在直线。如图，在B B、C C、D D处分别铰接直移杆，就可把系杆的处分别铰接直移杆，就可把系杆的 转动转换成任意方向的移动，此卡当运动机构与转动转换成任意方向的移动，此卡当运动机构与正置曲柄正置曲柄 滑块机构为同性异形机构滑块机构为同性异形机构 。 瞬心线为卡当圆（瞬心线为卡当圆（ ardankreis） 的机构称为卡当圆机构的机构称为卡当圆机构 若将固定齿轮若将固定齿轮4拆掉，拆掉， 在通过的直线

39、方向上在通过的直线方向上 安置固定导路，则机构安置固定导路，则机构 就演化成卡当运动机构就演化成卡当运动机构 的同性异形机构。的同性异形机构。 三、利用周转轮系的不同结构创新同性异形机构三、利用周转轮系的不同结构创新同性异形机构 用用同性异形的周转轮系创新同性异形机构同性异形的周转轮系创新同性异形机构 为结构紧凑，将内啮合为结构紧凑，将内啮合 外啮合，并加一惰轮，外啮合，并加一惰轮， 确保方向不变。内啮合确保方向不变。内啮合 的的 外啮合外啮合 2 2 4 14 121 24 z z nn nn i 2 2 4 22 4 2 14 121 24 z z zz zz nn nn i 外啮合的外啮

40、合的周转轮系与内啮合周转轮系与内啮合 的周转轮系是同性异形机构，的周转轮系是同性异形机构， 若在若在2上固接一杆，并使上固接一杆，并使=B=B，如图，当系杆转动时，如图，当系杆转动时，B B 点输出移动，则该机构为点输出移动，则该机构为卡当运动机构的另一同性异形机构。卡当运动机构的另一同性异形机构。 用挠性机构代换齿轮机构创新同性异形机构用挠性机构代换齿轮机构创新同性异形机构 如图所示的挠性件周转轮系在如图所示的挠性件周转轮系在2上固接一杆，同样上固接一杆，同样 使使=B ， B点输出移动且行程为点输出移动且行程为1的杆长的的杆长的4 倍，这个卡当运动机构的一同性异形机构常用于扩倍，这个卡当运

41、动机构的一同性异形机构常用于扩 大行程的运动中。大行程的运动中。 第五节第五节 机构运动原理的仿效与创新机构运动原理的仿效与创新 机构运动原理仿效：一些相同的运动原理可以用到不同的机构运动原理仿效：一些相同的运动原理可以用到不同的 机构中去，例如运动的差动原理，谐波传动原理等。机构中去，例如运动的差动原理，谐波传动原理等。 一、差动原理的仿效一、差动原理的仿效 差动原理常用在齿轮机构中组成差动轮系，还可以用于凸差动原理常用在齿轮机构中组成差动轮系，还可以用于凸 轮机构、螺旋机构、棘轮机构以及槽轮机构等。轮机构、螺旋机构、棘轮机构以及槽轮机构等。 图图5-46 齿轮差动机构齿轮差动机构 图图5-

42、47 凸轮差动机构凸轮差动机构 图图5-48 螺旋差动机构螺旋差动机构 同轴单螺旋同轴单螺旋 同轴双螺旋，螺母固定同轴双螺旋，螺母固定 同轴双螺旋，螺母移动同轴双螺旋，螺母移动 差动原理常用于齿轮系中，被称作差动轮系用于运动的分解差动原理常用于齿轮系中，被称作差动轮系用于运动的分解 或合成。或合成。 如图：汽车差速机构把发动机输出的运动分解给两个车轮，使如图：汽车差速机构把发动机输出的运动分解给两个车轮，使 车轮的转动与直行车轮的转动与直行 或拐弯运动相适应或拐弯运动相适应。 差动原理还可用于差动原理还可用于 凸轮机构凸轮机构 螺旋机构螺旋机构 棘轮机构棘轮机构 槽轮机构槽轮机构 差动轮系的基

43、本型 如图所示，凸轮差动机构由外凸轮如图所示，凸轮差动机构由外凸轮1、内凸轮、内凸轮3、推杆、推杆2、机架组、机架组 成外凸轮轮缘上均布有成外凸轮轮缘上均布有11个齿槽，内凸轮轮缘上均布有个齿槽，内凸轮轮缘上均布有13个齿槽，个齿槽， 推杆沿内外凸轮之间圆周布置，一般布置偶数个带有滚子的推杆推杆沿内外凸轮之间圆周布置，一般布置偶数个带有滚子的推杆 推杆的个数为两凸轮齿推杆的个数为两凸轮齿 槽数量之和的约数：槽数量之和的约数： 8 3 1113 机构工作时，沿圆周连机构工作时，沿圆周连 在一起的推杆和两个凸在一起的推杆和两个凸 轮之一输出转动，另一轮之一输出转动，另一 凸轮则输出转动。凸轮则输出

44、转动。 差动螺旋机构差动螺旋机构 同轴单螺旋机构同轴单螺旋机构 同轴双螺旋机构同轴双螺旋机构 同轴双螺旋机构同轴双螺旋机构 两个螺母，分别固定、移动两个螺母，分别固定、移动 两个螺母，两个移动两个螺母，两个移动 螺杆转动，螺母也转动，结果螺母实现差螺杆转动，螺母也转动，结果螺母实现差 动移动，即螺杆转动移动，即螺杆转nn周，则螺母移距大周，则螺母移距大 小为小为s sss，s-导程，正号表示两构件转导程，正号表示两构件转 向相同，则移距为二者移距之和，负号表向相同，则移距为二者移距之和，负号表 示两构件转向相反，则移距为二者移距之示两构件转向相反，则移距为二者移距之 差，该机构结构简单，可实现

45、微动和快速差，该机构结构简单，可实现微动和快速 移动。移动。 两个螺母一个移动，一个固定。两个螺母一个移动，一个固定。 当螺杆转动时，移动螺母可实现当螺杆转动时，移动螺母可实现 快速或慢速移动，即螺杆转一周，快速或慢速移动，即螺杆转一周， 移动螺母移动移动螺母移动s1s1s2s2（s1、s2 为两螺旋的导程，旋向相同时为为两螺旋的导程，旋向相同时为 正，螺母快速移动，反之，螺母正，螺母快速移动，反之，螺母 慢速移动。慢速移动。） 同轴双螺旋传动，两螺母同时同轴双螺旋传动，两螺母同时 与机架组成移动副，工作时螺与机架组成移动副，工作时螺 杆转动，两螺母实现移动，两杆转动，两螺母实现移动，两 段螺旋线螺距相同，单悬想相段螺旋线螺距相同，单悬想相 反，该机构常用于车辆之间的反，该机构常用于车辆之间的 联接，可使车钩较快的联结和联接，可使车钩较快的联结和 脱开脱开 二、谐波传动原理的仿效二、谐波传动原理的仿效 谐波传动是一种靠中间挠性构件（柔轮）的弹性变形来实现 运动和动力的传递。常用于齿轮传动和动力的传递。常用于 齿轮传动中，也可用于螺旋及摩擦传动中。 1谐波齿轮传动 图5-49 基本构件：柔轮1，刚轮2，波发生器H 传动比： ，速比范围50500 )/( 1211 zzziH 基本构件：柔轮基本构件：柔轮1，刚轮，刚轮2，波发生器，波发生