机构设计1机构的型式综合

1、第三章 机构的型式综合 第三章 机构的型式综合 3-1 机构型式综合的原则和任务 通过前面的学习，我们知道同一运动规律可以用不同的机构来实现。所以，在设计中对多种可以完成同一功能机构型式的选择，称为机构的型式综合。 型式综合的结果直接影响到机器的使用效果、结构的繁简程度、效率的高低，以及成本、可靠性等方面。要作出合适的型式综合，设计者除了应具有丰富的生产实践经验外，还需要熟悉各种不同类型机构的运动特性，经过仔细分析、比较后，才能作出正确的判断，在进行机构的型式综合时，除了满足运动规律要求外，还应就下列因素加以比较：第三章 机构的型式综合 机构型式综合应遵循的基本原则：1，结构要简单 结构简单可

2、以减少误差，降低制造成本，提高可靠性。3杆4运动副7杆，10运动副 图3-2b为精确直线机构。而它的实际传动误差约为图a近似直线机构的2-3倍，因此有时宁可采用有一定误差，但结构简单的机构。第三章 机构的型式综合4224VVFF2，机构的机械利益 在设计某些机构时，往往要求能“省力”，即要求该机构有较大的机械利益。机械利益的定义是，当不考虑运动副的摩擦时，输出力与输入力之比，即cos)sin(4 RV由曲柄连杆滑块机构： 在曲柄和连杆接近垂直时，很小，V4=Rsin,V2=Rsin1sin42RRVV由于很小,所以V2/V4=F4/F2很大,F4很大 对图示曲柄连杆机构在不计摩擦的情况下：瞬时

3、的输入功=输出功 F4V4=F2V2RV2F2V4F4第三章 机构的型式综合 由于曲柄连杆机构在连杆接近垂直位置时,机械利益很大,所以，常作为冲床，剪板机械的基本机构型式。 如果反过来，以滑块为主动，则V V4 4/ /V V2 2=sin=sin，机械利益接近为0，这就是曲柄连杆机构的“死点”位置。例：柴油机的启动例：推磨3，机构的效率 机构除要具有较高的机械利益外，还应具有较高的效率，以减少能量损失，为减少机构的摩擦损失，可以用转动副来代替移动副。第三章 机构的型式综合4，机构的传动角 在连杆机构中，要得到较好的传动效果，应检查其最小的传动角40。 5机构的传动比特性 运动大小变换是机构的

4、基本功能之一。传动比的大小可能会影响到机构的型式综合。例如，如果传动比较小，可采用齿轮或带轮传动，如果较大，可以选择行星齿轮,蜗轮蜗杆。6外载荷特性 机构在进行运动转换的同时也传递一定大小的力，显然其运动转换和力传递的能力与机构构件的连接方式即运动副的形式有关。一般高副不能转递较大的载荷，而移动副的承载能力就要高一些，转动副介于高副和移动副之间，易制造，运动的阻力也比较小，所以得到广泛应用。第三章 机构的型式综合风动钻机7，动力源的选择 常见的动力源有电动，压缩空气，液压等，要根据使用环境来选择。8，机构的动力特性 应运转平稳，振动和噪音要小。 风 镐问题：建筑工地和矿山为什么大多使用风动工具

5、？第三章 机构的型式综合 3-2 按各类机构的运动特性 进行机构的型式综合 (1)传递匀速转动的机构 这类机构主要有齿轮机构、摩擦轮机构和挠性体传动机构，以及由这些机构组合成的定轴轮系和行星轮系。 (2)传递非匀速转动的机构 这类机构主要有双曲柄机构、反平行四边形机构、椭圆齿轮机构、转动导杆机构、单万向联袖器等。双曲柄机构反平行四边形机构非圆齿轮机构转动导杆机构第三章 机构的型式综合 (3)往复运动机构 这类机构包括往复摆动和往复移动两种。前者有曲柄摇杆机构、双摇杆机构；后者有移动从动件凸轮机构、曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、移动电磁铁等。第三章 机构的型式综合(4)间歇运动机构 这类机构有凸轮

6、机构、槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构等。槽轮动画棘轮机构第三章 机构的型式综合 (5)实现预期运动轨迹的机构 这类机构包括近似直线机构，各种仿图仪(矩形、三角形、正多边形、椭圆仪等)及运用连杆曲线完成各种预定轨迹的多杆机构。轨迹机构(6)其它特殊运动要求的机构 如换向机构、超越机构、自动停车机构、过载保护机构、增力机构等等。第三章 机构的型式综合3-3 按动作功能分解与组合原理 进行机构的型式综合 一，机构动作功能分解与组合原理 按功能分解的原理，任何功能都可以按功能的总体要求进行分解，将复杂的总功能分解成为一些分功能，从机构设计的角度，对每一个分功能，找出相应的机构来完成，而这些分功能的

7、有机组合，便可以完成机构的总功能。例如：课程设计的齿轮减速器设计 对总减速比的设计要求，可以采用齿轮，带轮，蜗轮等多种传动机构的组合来实现。第三章 机构的型式综合 对机构设计来说，每一个分功能都可以找到多个可能的结构来实现，这样，就组成所谓的“功能技术矩阵”。 用这种方法，可以拓展思路，寻找各种可能的解决方案组合。 功能-技术矩阵第三章 机构的型式综合方案总数第三章 机构的型式综合第三章 机构的型式综合 (1)机构系统的运动特性 用“功能一技术矩阵”中的各项元素来表示完成各分功能-机构的运动特性如传动角、效率、机械利益等等。(2)机构系统的经济技术水平 用“功能技术矩阵”中的各项元素来表示各分

8、功能机构的结构繁简、加工难易、机械结构尺寸、经济性能等指标，这样就把“功能一技术矩阵”变换成经济技术特性系数矩阵，用以评价机构系统方案的经济技术水平。 (3)各分功能在总体功能中的地位 用“功能一技术矩阵”中的各项元素表示各分功能在总体功能中所占地位的权重系数，即把各分功能的上述运动特性系数、经济技术系数等各乘上权重系数，作为综合值的单项指标来考察，以便更合理地组成完成总体功能的机构系统方案。对可能方案的选择和评价，可以从以下几个方面来进行第三章 机构的型式综合二、基本运动和机构的基本功能 在功能分解过程中，为了更好地表达各种基本功能，可以用下面的图形符号来进行功能的分解与表示。第三章 机构的

9、型式综合 以设计一锻压装置为例，说明方案形成过程： 根据使用要求，该机器的动力源采用电动机，它要求当锻压部件(冲头)作上下运动时，能锻出较高精度的毛坯。根据这个总体功能，就要求具有将旋转运动变换成平面移动的分功能。为产生一个较大的压力，就要求具有将驱动力放大的增力分功能，即所谓增力功能，从机构的功能变换来看，如不考虑各运动副的摩擦，则每瞬时的输入功应等于输出功。因此要求输入力F1小于输出力F2时，则应使输入速度大于输出速度，也就是机构具有运动变换(缩小)的功能、由于冲头作上下运动，故还应有一运动方向变换的分功能。第三章 机构的型式综合三种运动可能的机构形式第三章 机构的型式综合 三个基本功能的

10、不同组合形式，可得到6个组合。 液压机床第三章 机构的型式综合3-4 按机构组成原理进行机构的型式综合 把一定数量的构件和运动副进行排列搭配，组成完整的机构类型的过程，就是机构的型式综合，或称为数综合。一、单自由度平面机构中构件数与运动副数的配置 3N-2P1 （1）机架的约束解除后, 3N-2P4 （2） 闭式运动链是一个封闭的几何图形，即封闭环路，可用“图论”中的欧拉(Eulef)定理来分析运动链的结构组成。欧拉定理指出，在L个简单环路中有v个顶，E条边组成一个多边形网络，如图所示，则得 V-E+L1 （3）这里的数数是指构件和运动副的数量第三章 机构的型式综合 对于任意的多边形网络,可以

11、看成是在一个基本网络多边形的基础上,扩展而成的。 例如对图中的四边形进行扩展： 这一变化使图中增加了v3个顶，E4条边，L1个闭环所以，欧拉公式对任意的封闭多边形网络都成立。 对讨论的运动链，如用欧拉定理来研究，则可用环路中的顶表示运动链中的构件，用环路中的边表示运动链中的运动副。于是，如用构件数N、运动副数P和闭链数L分别代替公式中的顶数V、边数E和闭环数L，则公式可写成： LP-N+l （4）第三章 机构的型式综合324PN对单自由度平面机构：3N-2P=4 公式的含义：在给定平面机构的参数N，P，L三个参数中的一个后，可以求出另外两个。例；给定N=4，由34-4=2P，P=4；带入P-3

12、L=1，得 L=113L-P 42P-3N 13L-P 13 3132411 ，应满足：闭环数，以及构成的，运动副数机构来说，其构件数所以：对平面单自由度或即：代入上式：LPNPLPPPNPL(1)(2)第三章 机构的型式综合同理：若：N=5，则35-4=2P，P=11/2 若：N=6，则36-4=2P P=7， P-3L=1， L=2二、运动副在构件上的配置方法 两个构件的一对接触面组成一个运动副，所以一个运动副有两个元素(一对接触表面)，它们分别在两个构件上。 如果设运动链中一个构件上有两个运动副元素的构件数为n2个，则共有2n2个运动副元素，那么一个构件上有三个运动副元素的构件数为n3，

13、则共有3n3个运动副元素，依此类推，该运动链的构件总数为：（1） 因为不同构件上的每两个运动副元素构成一个运动副，所以上述运动副元素的总数可构成的运动副数为P个，即或（2）由3N-2P=4；（1）式乘以3，减去（2）式得：n2=4+n4+2n5+3n6+。+（n-3）nn所以：在平面机构中，运动副在构件上的配置应满足： n2=4+n4+2n5+3n6+。+（n-3）nn （3）(1) .2432Nnnnnnniin第三章 机构的型式综合12NL2L2N 422N-2L-3N 1 122 1N-PL 1 42P-3N或：得：）代入（），由（）（）（由：NLP下面：讨论在一个构件上，最多可以设置多

14、少个运动副： 设Jm为一个构件上运动副元素的数目，则与该构件有关的独立环数目至少为Jm-1，如图3-14所示。设这个闭链的环路数为L：2112N 1JLmNJJmm得：代入：意义：一个构件上运动副元素最多等于运动链构件数的一半。第三章 机构的型式综合例1:N=4，按上面的公式，得n2=4，只有一个方案。例2：N=6 （A） n2=4，n3=2 n4以上为零。（B） n2=5，n4=1 其他为零但按照JmN/2，方案B无效 在平面机构中，运动副在构件上的配置应满足： n2=4+n4+2n5+3n6+。+（n-3）nn （2）(1) .2432NnnnnnniinJm N/2（3）第三章 机构的型

15、式综合三，构件的连接方法 在运动副的配置方法确定以后，怎样把方案表达出来，以便寻找各种可能的变型方案，通常采用缩图来对方案的组成进行抽象的表达。 在缩图中，每个顶代表一个运动副数3的构件，而连接顶之间的边，则代表由具有两个运动副的构件组成。例2：N=6 n2=4，n3=2 n4以上为零。 由：3N-2P=4，和L=P-N+1；得出 P=7，L=2顶边第三章 机构的型式综合顶边n2=4，n3=2P=7，L=2N6的连接方法第三章 机构的型式综合第三章 机构的型式综合当N=8，可算出：3N-2P=4， P=10；L=P-N+1，L=3，n2=4，n3=4n2=5，n3=2，n4=1编号方法：0代表

16、顶之间直接相连，1：代表顶之间用一个双副杆连接；2：代表顶之间用二个双副杆连接。第三章 机构的型式综合四，基本结构形式的变换1，平面连杆机构替代平面凸轮机构的条件 组成凸轮副的两元素为圆、直线或点。在这种情况下，连杆机构的运动特性与被替代的凸轮机构完全相同。（1）组成元素为两个圆第三章 机构的型式综合(2)，组成元素一个为圆，另一个为点第三章 机构的型式综合(3),组成高副的两元素一个为圆,一个为直线2,平面连杆机构替代一般平面凸轮机构的瞬时性 对一般平面凸轮机构中,组成高副的元素不是上述情况,而是变曲率的曲线,则该凸轮机构只能由其相当的连杆机构瞬时替代,方法与上相同。第三章 机构的型式综合一

17、般变曲率凸轮高副的瞬时替代齿轮机构的瞬时替代 注意：在齿轮机构变为四杆机构时，需要增加构件4。反过来，如果由四杆机构变为齿轮机构，则要去掉一个双副杆。第三章 机构的型式综合例：由瓦特链变化为齿轮机构 选构件1作机架，将构件1，2，3，4组成的四杆机构演化为齿轮机构，其余不变。 1，在演化中，去掉双副杆3, 分析结构构成：2，如果去掉构件2，机构简图又该如何？3第三章 机构的型式综合例：斯蒂芬逊链的低副高代 选构件3作机架，将构件3，4，5，6组成的四杆机构演化为齿轮机构。 去掉构件4再将虚线与构件1，2组成的四杆机构演化为齿轮机构。第三章 机构的型式综合3，将转动副变化为移动副将选定构件演化为

18、滑块,并与机架形成滑动副。1为机架，4为滑块1为机架，6为滑块3为机架，2为滑块6为机架，5为滑块第三章 机构的型式综合一，基本思想：一，基本思想： 是基于机构组成分析的理论，运用是基于机构组成分析的理论，运用“还原法还原法”，将一个已有的机构，将一个已有的机构，还原和抽象为一般化的运动链，按该机构本身的约束条件，对运动链进还原和抽象为一般化的运动链，按该机构本身的约束条件，对运动链进行演变，产生新的机构。行演变，产生新的机构。二，一般化原则二，一般化原则 所谓一般化，是将一个装置的示意图或机构简图抽象为运动链图，所谓一般化，是将一个装置的示意图或机构简图抽象为运动链图，其原则是：其原则是：1

19、,1,将非连杆形状的构件转化为连杆将非连杆形状的构件转化为连杆; ;2,2,将移动副、高副转化为转动副将移动副、高副转化为转动副; ;3,3,将机架的约束解除将机架的约束解除, ,使机构成为运动链使机构成为运动链; ;4,4,运动链的自由度不变运动链的自由度不变. .3.5 平面连杆机构创新设计-再生运动链法第三章 机构的型式综合三三, ,下面下面, ,以铰链夹紧机构为例，说明具体的过程以铰链夹紧机构为例，说明具体的过程123456工件1,1,对本例对本例, ,机构运动链再生的约束条件机构运动链再生的约束条件: :(1)(1)构件总数构件总数N N和运动副总数和运动副总数P P均保持不变均保持

20、不变; ;(2)(2)机构由液压件驱动机构由液压件驱动( (即在机构中即在机构中, ,应包含液压缸和活塞应包含液压缸和活塞););(3)(3)液压缸应与机架铰接或本身作机架液压缸应与机架铰接或本身作机架; ;(4)(4)活塞杆一端与液压缸形成移动副活塞杆一端与液压缸形成移动副, ,另一端不能与固定杆铰接另一端不能与固定杆铰接; ;(5)(5)用一个双副杆作执行件用一个双副杆作执行件, ,它不能与活塞杆铰接它不能与活塞杆铰接, ,但应与固定杆铰接但应与固定杆铰接; ;第三章 机构的型式综合1234562,2,一般化运动链一般化运动链所谓一般化运动链所谓一般化运动链, ,就是对机构简图进行一般化抽

21、象就是对机构简图进行一般化抽象, ,还原成为原始运动链。还原成为原始运动链。123456工件112123456123456第三章 机构的型式综合3,3,再生运动链再生运动链根据本例的约束条件根据本例的约束条件, ,再生运动链的步骤为再生运动链的步骤为: :（1 1）选定一个杆件作为固定杆）选定一个杆件作为固定杆( (机架机架) )。（2 2）选固定杆的一端与液压缸铰接，或将液压缸本身作机架。）选固定杆的一端与液压缸铰接，或将液压缸本身作机架。（3 3）选一个双副杆作执行件，与机架相连。）选一个双副杆作执行件，与机架相连。G-固定杆；固定杆；E-执行件；执行件；C-活塞杆；活塞杆；P-液压缸与活

22、塞的运动副液压缸与活塞的运动副123456GEPC23241234165第三章 机构的型式综合123456GEPC356142123456GEPC341265第三章 机构的型式综合123456GEPC35614223456123456 GEPC614235第三章 机构的型式综合123456 GEPC612435作业作业: :按上述条件按上述条件, ,用瓦特链画出创新的用瓦特链画出创新的机构简图。机构简图。 要求：对每种方案要画出瓦特链，要求：对每种方案要画出瓦特链，及选择的构件用途并编号，运动链图的及选择的构件用途并编号，运动链图的编号要与机构简图的编号一致。编号要与机构简图的编号一致。123

23、456第三章 机构的型式综合例例1 1，将图示机构还原为运动链。，将图示机构还原为运动链。R1+R212345534216 滚子中心与地面的距离不滚子中心与地面的距离不变，可以转化为移动副，再由变，可以转化为移动副，再由移动副转化为转动副。移动副转化为转动副。 第三章 机构的型式综合例例2 2，将简摆式破碎机还原为运动链。，将简摆式破碎机还原为运动链。123456123456123654第三章 机构的型式综合例例3,3,用瓦特链导出凸轮用瓦特链导出凸轮齿轮齿轮齿轮机构齿轮机构( (凸轮主动凸轮主动),),实现齿轮在一定实现齿轮在一定的角度内正反转。的角度内正反转。156234选构件选构件1 1

24、作机架，由作机架，由构件构件1 1，4 4，5 5，6 6组组成齿轮副。成齿轮副。164去掉构件5选构件选构件2 2作凸轮，与作凸轮，与构件构件4 4形成高副，去形成高副，去掉构件掉构件3 3。2 在前面设计的基础上，将齿轮在前面设计的基础上，将齿轮6 6变化为齿条，实现齿条的往复移动。变化为齿条，实现齿条的往复移动。16421642第三章 机构的型式综合机构自由度与机构功能的讨论机构自由度与机构功能的讨论 （1 1）对一般的机构）对一般的机构, ,当自由度当自由度F=1F=1时时, ,机构的主动件为机构的主动件为1 1个个, ,机构具有机构具有确定的运动。确定的运动。 （2 2）对支撑机构，由于在支撑时，机构不）对支撑机构，由于在支撑时，机构不能运动，所以，能运动，所以，F=0F=0；但如果在支撑过程中，；但如果在支撑过程中，需要对支撑机构进行调节，则需要对支撑机构进行调节，则F=1F=1。支撑面F=3N-2P=32-23=0123452134523451 如果选构件如果选构件1 1作作机架，则机构为：机架，则机构为：第三章 机构的型式综合例例1 1：以前面的：以前面的5 5杆运动链为基础