机械创新设计(第四章)

1、第四章第四章 机构组合原理与创新机构组合原理与创新1基本机构：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇机构基本机构：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇机构等等2组合机构：由基本机构组合为新的机构组合机构：由基本机构组合为新的机构3机构的组合：几种基本机构的组合体，组合体中的各基机构的组合：几种基本机构的组合体，组合体中的各基本机构还保持各自特性。本机构还保持各自特性。 基本机构组合基本机构组合 新机构新机构组合机构组合机构 基本机构的组合体基本机构的组合体机构的组合机构的组合4组合方式：组合方式：串联式机构组合；串联式机构组合；并联式机构组合；并联式机构组合； 复合式机构组合；复合式机构组合；叠加式

2、机构组合叠加式机构组合第一节第一节 串联式机构组合与创新串联式机构组合与创新一、串联式机构组合的原理与创新方法一、串联式机构组合的原理与创新方法1串联组合：串联组合： 若干机构顺序联接，前置机构的输出为后置机构的输若干机构顺序联接，前置机构的输出为后置机构的输入入2联接方式：联接方式： 联接点设在前置机构中作简单运动的连架杆上，称联接点设在前置机构中作简单运动的连架杆上，称为为 I型串联型串联 联接点设在前置机构中作复杂平面运动的构件上，联接点设在前置机构中作复杂平面运动的构件上，称为称为 型串联型串联3框图表示：框图表示： 图图4-1图图4-1 串联式机构组合串联式机构组合a) 型串联型串联

3、 b) 型串联型串联二、串联式机构组合的主要功能分析二、串联式机构组合的主要功能分析一）一）I型串联式组合型串联式组合1前置子机构为连杆机构前置子机构为连杆机构输出构件为连架杆，可实现的运动有往复摆动、往复移输出构件为连架杆，可实现的运动有往复摆动、往复移动动变速转动输出，可有急回运动特征变速转动输出，可有急回运动特征常用的后置机构：常用的后置机构：（1）连杆机构）连杆机构 可利用变速转动输入获得等速可利用变速转动输入获得等速转动的输出，还可以利用杠杆转动的输出，还可以利用杠杆原理确定合适的铰接位置，在原理确定合适的铰接位置，在不减小不减小的情况下实现增程、的情况下实现增程、增力的作用。增力的

4、作用。（2）凸轮机构）凸轮机构作为后置机构，可获得变速凸轮、移作为后置机构，可获得变速凸轮、移动凸轮，使后置机构的从动件获得更动凸轮，使后置机构的从动件获得更多的运动规律。多的运动规律。2前置子机构为凸轮机构前置子机构为凸轮机构输出运动为从动件的移动或摆动，但行程较小输出运动为从动件的移动或摆动，但行程较小后置子机构可以是：后置子机构可以是： 连杆机构、连杆机构、 齿轮机构、齿轮机构、 槽轮机构、槽轮机构、 凸轮机构凸轮机构（3）齿轮机构：利用摆动或移动输入，获得从动齿轮或齿条）齿轮机构：利用摆动或移动输入，获得从动齿轮或齿条的大行程摆动和移动，还可利用变速转动的输入进一步通过后的大行程摆动和

5、移动，还可利用变速转动的输入进一步通过后置的齿轮机构进行增速或减速。置的齿轮机构进行增速或减速。（4）槽轮机构）槽轮机构（5）棘轮机构）棘轮机构利用变速转动输入，减小槽轮转位的速度波动利用变速转动输入，减小槽轮转位的速度波动利用往复摆动和移动拨动棘轮间歇转动。利用往复摆动和移动拨动棘轮间歇转动。后置子机构利用凸轮机构输出构件的运动规律改善后置机构的后置子机构利用凸轮机构输出构件的运动规律改善后置机构的运动特性，或使其运动行程增大。运动特性，或使其运动行程增大。3前置子机构为齿轮机构前置子机构为齿轮机构输出运动为转动或移动输出运动为转动或移动后置子机构可以是各种类型的基本机构，后置子机构可以是各

6、种类型的基本机构， 齿轮机构、齿轮机构、 连杆机构、连杆机构、 凸轮机构凸轮机构4前置子机构可以是非圆齿轮机构、槽轮机构等前置子机构可以是非圆齿轮机构、槽轮机构等5I型串联式机构组合的用途：型串联式机构组合的用途：（1）改善输出构件的运动和动力特性）改善输出构件的运动和动力特性（2）放大运动或力）放大运动或力6I型串联式机构组合实例型串联式机构组合实例（一）改善输出构件的运动和动力特性（一）改善输出构件的运动和动力特性例例4-1 双曲柄机构与槽轮机构的串联组合双曲柄机构与槽轮机构的串联组合类似机构：转动导杆槽轮机构，凸轮槽轮机构，椭圆齿轮槽类似机构：转动导杆槽轮机构，凸轮槽轮机构，椭圆齿轮槽轮

7、机构，双槽轮机构轮机构，双槽轮机构双曲柄机构双曲柄机构图图4-2 双曲柄机构与槽轮机构的串联组合双曲柄机构与槽轮机构的串联组合 双曲柄机构双曲柄机构槽轮机构槽轮机构图图4-3 槽轮角速度变化曲线槽轮角速度变化曲线 槽轮动程时的转角。槽轮动程时的转角。ii从动槽轮与其主动构件的角速比。从动槽轮与其主动构件的角速比。图4-4 转动导杆槽轮机构1曲柄曲柄 2导杆导杆 3主动拨盘主动拨盘 4拨销拨销 5槽轮槽轮 转动导杆机构转动导杆机构槽轮机构槽轮机构图4-5 凸轮槽轮机构1主动拨盘主动拨盘 2槽轮槽轮 3固定凸轮固定凸轮 4弹簧弹簧 A拨销拨销反凸轮机构反凸轮机构槽轮机构槽轮机构图4-6 椭圆齿轮槽

8、轮结构 1主动椭圆齿轮主动椭圆齿轮 2带有转臂的椭圆齿轮带有转臂的椭圆齿轮3槽轮槽轮 A拨销拨销 椭圆齿轮机构椭圆齿轮机构槽轮机构槽轮机构图4-7 双槽轮机构的串联1前置槽轮机构的主动拨盘前置槽轮机构的主动拨盘 2前置槽轮前置槽轮 3向置槽轮向置槽轮 A、B拨销拨销槽轮机构槽轮机构槽轮机构槽轮机构图图4-8 牛头刨床导杆机构牛头刨床导杆机构 转动导杆机构转动导杆机构六杆机构六杆机构例例4-2 图图4-8所示为牛头刨床的导杆机构所示为牛头刨床的导杆机构转动导杆转动导杆+摆动导杆摆动导杆目的：使滑枕目的：使滑枕4实现近似匀速往复移动（原动件匀速转动）实现近似匀速往复移动（原动件匀速转动）例例4-3

9、 毛纺针梳机导条机构毛纺针梳机导条机构 图图4-9椭圆齿轮机构椭圆齿轮机构+圆柱齿轮机构圆柱齿轮机构+（变形）正弦机构（变形）正弦机构变传动比变传动比 定传动比定传动比目的：使从动件近似实现匀速移动目的：使从动件近似实现匀速移动总结：对于要求改善输出构件运动特性的总结：对于要求改善输出构件运动特性的I型串联式机构组合型串联式机构组合 的设计的步骤的设计的步骤（1）按照后置子机构输出的运动规律的要求，确定前置子机）按照后置子机构输出的运动规律的要求，确定前置子机 构应输出的运动规律。构应输出的运动规律。（2）按确定的运动规律，对前置子机构进行尺寸综合）按确定的运动规律，对前置子机构进行尺寸综合（

10、二）放大运动和增力（二）放大运动和增力例例4-4 增力机构增力机构铰链四杆机构铰链四杆机构+摇杆滑块机构摇杆滑块机构图图4-9 毛纺针梳机导条机构毛纺针梳机导条机构 椭圆齿轮机构椭圆齿轮机构齿轮机构齿轮机构正弦机构正弦机构图图4-10 增力机构增力机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构摇杆滑块机构摇杆滑块机构受力分析：设受力分析：设BC，CE为二力杆为二力杆对杆对杆CD有：有： FL=PS SFLP 对滑块有：对滑块有： SFlPQcoscos故减小故减小和和S，增大，增大L均能增大均能增大Q力。力。例例4-5 共轭凸轮连杆机构共轭凸轮连杆机构 图图4-11凸轮机构凸轮机构+连杆机构（连杆机构（ABCD

11、）+摇杆滑块机构（摇杆滑块机构（DFE）增大滑块增大滑块9的行程的行程例例4-6 齿轮齿条大行程直移机构齿轮齿条大行程直移机构齿轮齿条机构齿轮齿条机构+齿轮齿条机构齿轮齿条机构活塞行程为活塞行程为A 设齿轮模数相等设齿轮模数相等摩擦忽略不计摩擦忽略不计图图4-11 共轭凸轮连杆机构共轭凸轮连杆机构共轭凸轮机构共轭凸轮机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构图图4-12 利用齿条齿轮的大行程直移机构利用齿条齿轮的大行程直移机构齿条齿轮机构齿条齿轮机构齿条齿轮机构齿条齿轮机构齿轮齿轮3转的圈数为转的圈数为 3 mZA活动齿条活动齿条2的行程的行程 5353.ZA

12、ZAmZmZAAB二）二）型串联组合型串联组合后置子机构的输入构件与前置子机构中作平面复杂运动的后置子机构的输入构件与前置子机构中作平面复杂运动的连杆联接。连杆联接。例例4-7 具有运动停歇的多杆机构具有运动停歇的多杆机构铰链四杆机构铰链四杆机构+滑块导杆滑块导杆 图图4-13实现导杆转动过程中停歇实现导杆转动过程中停歇例例4-8 链链四杆机构链链四杆机构+连杆滑块连杆滑块 图图4-14实现曲柄实现曲柄1回转回转1周，滑块周，滑块5可往复移动两次可往复移动两次齿轮3的分度圆周长齿轮5的分度圆周长图图4-13 具有停歇的六杆机构具有停歇的六杆机构 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构摆动导杆机构摆动导杆机构

13、图图4-14 实现从动件两次动程的六杆机构实现从动件两次动程的六杆机构 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构往复移动滑块机构往复移动滑块机构例例4-9 行星轮系行星轮系+连杆滑块连杆滑块 图图4-15实现滑块运动中的停歇实现滑块运动中的停歇（2）直线轨迹或曲弧线轨迹可使后置子机构的输出构）直线轨迹或曲弧线轨迹可使后置子机构的输出构件实现运动的停歇，自交曲线轨迹可使后置子机构的件实现运动的停歇，自交曲线轨迹可使后置子机构的输出构件实现两个行程。输出构件实现两个行程。总结：总结：（1） 型串联组合的主要问题是如何型串联组合的主要问题是如何确定前置机构中确定前置机构中连杆的运动轨迹问题，（如何实现特殊的运动轨迹

14、，如连杆的运动轨迹问题，（如何实现特殊的运动轨迹，如何按预定轨迹对连杆机构进行尺寸综合的问题，）可采何按预定轨迹对连杆机构进行尺寸综合的问题，）可采用解析法、实验法或直接从连杆图谱中查取。用解析法、实验法或直接从连杆图谱中查取。图图4-15 行星齿轮连杆机构行星齿轮连杆机构第二节第二节 并联式机构组合与创新并联式机构组合与创新一、并联式机构组合原理与创新方法一、并联式机构组合原理与创新方法两个或多个基本机构并列布置，称为机构并联组合。两个或多个基本机构并列布置，称为机构并联组合。I型并联；型并联； 各基本机构输入构件独立，输出构件共用各基本机构输入构件独立，输出构件共用型并联：型并联： 各基本

15、机构有共同的输入和输出构件。各基本机构有共同的输入和输出构件。型并联：型并联： 各机构有共同的输入，独立的输出。各机构有共同的输入，独立的输出。简单型并联：两个子机构类型、形状和尺寸完全相同，并简单型并联：两个子机构类型、形状和尺寸完全相同，并 且对称布置。且对称布置。用用 途：改善受力及动力特性，过死点。途：改善受力及动力特性，过死点。复杂型并联：两个不同类型或相同类型不同尺寸的子机构复杂型并联：两个不同类型或相同类型不同尺寸的子机构 的关联以实现性质复杂的、合成的运动。的关联以实现性质复杂的、合成的运动。如果按输出运动的性质划分有：如果按输出运动的性质划分有：并联式机构组合的特点：两个子机

16、构并列布置，运动并行传递。图图4-16 并联式机构组合并联式机构组合a) 型并联型并联 b) 型并联型并联 c) 型并联型并联图图4-17 V型双缸发动机型双缸发动机 曲柄滑块曲柄滑块曲柄滑块曲柄滑块图图4-18 襟翼操纵机构襟翼操纵机构 齿条齿轮齿条齿轮图图4-19 缝纫机针杆传动缝纫机针杆传动 型复杂型并联型复杂型并联摆动凸轮曲柄滑块图图4-20 钉扣机针杆传动钉扣机针杆传动型复杂型并联型复杂型并联摆动导杆曲柄滑块2型并联式组合型并联式组合将一个运动分解为两个运动，再将这两个运动合成为一将一个运动分解为两个运动，再将这两个运动合成为一个运动输出。个运动输出。例例4-14 双棘爪机构双棘爪机

17、构由两个曲柄滑块机构并联组合而成由两个曲柄滑块机构并联组合而成例例4-15 活塞机的齿轮杠杆机构活塞机的齿轮杠杆机构由两个曲柄滑块机构与齿轮机构组合而成由两个曲柄滑块机构与齿轮机构组合而成例例4-16 压力机螺旋杠杆机构压力机螺旋杠杆机构特点：机构类型相同，对应构件的尺寸相同，对称布置。特点：机构类型相同，对应构件的尺寸相同，对称布置。例例4-17 矩形轨迹输送机构矩形轨迹输送机构两个凸轮机构组合两个凸轮机构组合3型并联组合型并联组合将一个运动分解为两个输出运动，主要问题是机构动作的将一个运动分解为两个输出运动，主要问题是机构动作的协调和时序的控制。协调和时序的控制。图图4-21 双棘爪机构双

18、棘爪机构 曲柄滑块曲柄滑块图4-22 活塞机的齿轮杠杆机构 曲柄滑块曲柄滑块图4-23 压力机的螺旋杠杆机构 双滑块双滑块图4-24 矩形轨迹输送机构 型并联（复杂型）端面凸轮机构平底直动盘形凸轮例4-18 双滑块驱动机构凸轮机构与连杆机构并联组合例4-19 丝织机开口机构两个摇杆滑块机构并联组合图4-27所示冲压机凸轮连杆机构由一个凸轮机构和一个凸轮连杆机构并联组合而成图图4-25 冲压机机构冲压机机构 型并联（复杂型）型并联（复杂型）反移动凸轮摇杆滑块图图4-26 丝织机构开口机机构丝织机构开口机机构曲柄摇杆摇杆滑块摇杆滑块图图4-27 冲压机的凸轮连杆机构冲压机的凸轮连杆机构移动从动件盘

19、形凸轮型并联（复杂型）型并联（复杂型）摆动从动件摆动滑块第三节第三节 复合式机构组合与创新复合式机构组合与创新一、复合式机构组合原理与创新方法一、复合式机构组合原理与创新方法 一个具有两个自由度的基础机构一个具有两个自由度的基础机构A和一个附加机构和一个附加机构B在一在一起起的组合形式为复合式机构组合。的组合形式为复合式机构组合。组合形式组合形式 并接并接 图图4-28 a) 回接回接 图图4-28 b)组合特点：组合特点：一般为不同类型的基本机构的组合，并有机地一般为不同类型的基本机构的组合，并有机地融为一体成为新机构融为一体成为新机构 基础机构一般为二自由度机构，如差动齿轮机基础机构一般为

20、二自由度机构，如差动齿轮机构，五连杆机构，空间机构构，五连杆机构，空间机构附加机构一般为单自由度基本机构附加机构一般为单自由度基本机构基础机构的两个输入运动基础机构的两个输入运动来自于机构的主动构件来自于机构的主动构件来自于附加机构来自于附加机构通过与附加机构的构件并接。通过与附加机构的构件并接。通过附加机构的回接通过附加机构的回接复合式机构组合主要功能：可以实现任意预定的运动规律的复合式机构组合主要功能：可以实现任意预定的运动规律的输出，例如一定规律的停歇、逆转、加速、减速、前进、倒输出，例如一定规律的停歇、逆转、加速、减速、前进、倒退等，设计较复杂缺乏共同的规律。需对具体的机构进行分退等，

21、设计较复杂缺乏共同的规律。需对具体的机构进行分析和综合。析和综合。并接复合式的组合方式：基础机构与附加机构各自取出并接复合式的组合方式：基础机构与附加机构各自取出一个作平面运动的构件并接，再各自取出一个连架杆并一个作平面运动的构件并接，再各自取出一个连架杆并接，运动由基础机构中参加并接的连架杆输入，再由基接，运动由基础机构中参加并接的连架杆输入，再由基础机构中另一个连架杆输出。础机构中另一个连架杆输出。图图4-28 复合式机构组合复合式机构组合a) 构件并接式构件并接式 b) 机构回接式机构回接式回接复合式的组合方式：基础机构与附加机构中两个连架杆回接复合式的组合方式：基础机构与附加机构中两个

22、连架杆并接，附加机构中另一个连架杆负责把运动回接到基础机构并接，附加机构中另一个连架杆负责把运动回接到基础机构中作复杂运动的构件中去。中作复杂运动的构件中去。二、复合式机构组合主要功能分析二、复合式机构组合主要功能分析1并接复合式组合并接复合式组合例例4-20 凸轮凸轮-行星机构行星机构例例4-21 凸轮连杆机构组合凸轮连杆机构组合例例4-22 齿轮连杆机构齿轮连杆机构 2机构回接复合式组合机构回接复合式组合齿轮加工机床误差补偿机构齿轮加工机床误差补偿机构 图图4-33图4-29 凸轮行星机构 平面运动的构平面运动的构件并接。件并接。输出输出差动轮系反凸轮机构可获得多样化的运动规律图图4-30

23、 凸轮凸轮连杆组合机构连杆组合机构 平面运动构件并接平面运动构件并接既是曲柄，又是活动机架输出输出五杆机构反凸轮机构滑块行程 但凸轮的不会图图4-31 齿轮连杆机构齿轮连杆机构 平面运动的构件并接平面运动的构件并接差动轮系曲柄滑块当主动构件3转动一周时，中心轮步进转角为72，并且在转位的始末还有瞬时反转现象。图图4-33 传动误差补偿机构传动误差补偿机构蜗轮蜗杆凸轮机构第四节第四节 叠加式机构组合与创新叠加式机构组合与创新一、叠加式机构组合的原理与创新方法一、叠加式机构组合的原理与创新方法叠加式机构组合：将一个机构安装在另一个机构的某个叠加式机构组合：将一个机构安装在另一个机构的某个运动构件上的组合形式，其输出运动是若干个机构输出运运动构件上的组合形式，其输出运动是若干个机构输出运动的合成。动的合成。基本叠加形式基本叠加形式 两种运动关系：两种运动关系：（1）运动独立式