创新设计课件第六讲

1、第五章第五章 机构演化、变异原理与创新机构演化、变异原理与创新第一节 机构的运动副演化与变异第二节 机构的构件变异第三节 机构的机架演化与创新第四节 机构的等效变换与创新第一节第一节 机构的运动副演化与变异机构的运动副演化与变异 机构运动副演化与变异的主要目的是机构运动副演化与变异的主要目的是:(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)改善机构的受力状态改善机构的受力状态;(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

2、新机构的有效途径。 为实现上述目的运动副演化与变异的主要方法包括为实现上述目的运动副演化与变异的主要方法包括:(1)改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸;(2)改变运动副元素的接触性质改变运动副元素的接触性质;(3)改变运动副元素的形状。改变运动副元素的形状。 一、改变运动副的尺寸一、改变运动副的尺寸 改变运动副的尺寸主要是指转动副和移动副尺寸的增改变运动副的尺寸主要是指转动副和移动副尺寸的增大。大。1.转动副的扩大转动副的扩大 转动副的扩大主要指组成转魂豇盥铛缒和销轴孔在直转动副的扩大主要指组成转魂豇盥铛缒和销轴孔在直径尺寸的增大径尺寸的增大,但各构件之间的相对运动关系没有发生改但各构件之间的相

3、对运动关系没有发生改变变,这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。 图图5.1a是一个曲柄摇杆机构，当转动副是一个曲柄摇杆机构，当转动副B的直径尺寸的直径尺寸加大到将转动副加大到将转动副A包括在其中时包括在其中时,曲柄曲柄1就变成了一个偏心就变成了一个偏心盘盘,而连杆而连杆2就设计成一个圆环状构件就设计成一个圆环状构件,见图见图b,曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构就转变成一个旋转泵。就转变成一个旋转泵。 该泵的工作过程是该泵的工作过程是,偏心盘偏心盘1主动主动,绕机壳的固定几何中绕机壳的固定几何中心心A转动转动,圆环状构件圆环状构件2沿机壳的内表面滑动沿机壳

4、的内表面滑动;圆环圆环2与构件与构件3用转动副用转动副C连接。构件连接。构件3绕固定轴绕固定轴D转动转动,它用于将吸入腔它用于将吸入腔和输出腔隔开。和输出腔隔开。 图图5.2所示是一个活塞泵的机构运动简图。所示是一个活塞泵的机构运动简图。 图图b是变异后的活塞泵。是变异后的活塞泵。 可以看出可以看出,变异后机构与原始机构在组成变异后机构与原始机构在组成上完全相同上完全相同,只是构件的形状不一样。偏心盘只是构件的形状不一样。偏心盘和圆环形连杆组成的转动副使连杆紧贴固定和圆环形连杆组成的转动副使连杆紧贴固定的内壁运动的内壁运动,形成一个不断变化的腔体形成一个不断变化的腔体,这有这有利于流体的吸入和

5、压出。利于流体的吸入和压出。 这种演化与变异的特点是这种演化与变异的特点是,随着转动副的随着转动副的扩大扩大,构件形状也发生了变异构件形状也发生了变异,分别由杆状变分别由杆状变成圆盘状和圆环状。圆环状连杆在固定的圆成圆盘状和圆环状。圆环状连杆在固定的圆形腔体内作平面运动形腔体内作平面运动,形成不断变化的空间形成不断变化的空间,以实现工作要求。以实现工作要求。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 图图5.3示出转动副转变成移动副的过程。示出转动副转变成移动副的过程。 图图a是转动副是转动副A和和B的原状的原状.构件构件2作往复摆动，作往复摆动，扩大固定转动副扩大固定转动副

6、A后就变成图后就变成图b的形状；因构件的形状；因构件2作摆动作摆动,故可以在故可以在2杆的摆角范围内乏偏心盘和杆的摆角范围内乏偏心盘和固定圆环改变成扇形形状固定圆环改变成扇形形状,见图见图c。 把运动副展直把运动副展直,即当即当2杆的尝动中心杆的尝动中心点落到点落到无穷远处时无穷远处时,扇形滑块和扇形滑槽就转变成了直扇形滑块和扇形滑槽就转变成了直移滑块和滑槽移滑块和滑槽,即转动副变成移动副即转动副变成移动副,此时此时2构件构件就作往复移动就作往复移动,如图如图d所示。当构件间的相对运所示。当构件间的相对运动条件变化到一定程度时动条件变化到一定程度时,则它们的相对运动关则它们的相对运动关系也发生

7、了变化系也发生了变化,由此可以演化出新机构。由此可以演化出新机构。3 移动副的扩大移动副的扩大 与转动副的扩大相同与转动副的扩大相同,移动副的扩大移动副的扩大主要指组成移动副的滑块与导路尺寸的主要指组成移动副的滑块与导路尺寸的变大变大,并且尺寸增大到把机构中其它运动并且尺寸增大到把机构中其它运动副包含在其中。构件间的相对运动关系副包含在其中。构件间的相对运动关系并未改变。并未改变。 图图5-4所示是一个冲压机构所示是一个冲压机构,其中移动其中移动副副C扩大扩大,将转动副将转动副A和移动副和移动副B包括在其包括在其中中,可产生很大的冲击力。可产生很大的冲击力。 图图5.5a也是一个冲压机构也是一

8、个冲压机构,其中移动副扩大其中移动副扩大,将转动将转动副副A、B及及C均包括在其中。曲柄均包括在其中。曲柄1通过连杆通过连杆2带动冲头带动冲头3作上下往复移动作上下往复移动,实现冲压动作。实现冲压动作。将连杆头处设计成曲面形将连杆头处设计成曲面形,使其与滑块内空间的勿胡使其与滑块内空间的勿胡段圆弧形状相吻合段圆弧形状相吻合,用于提高机构的刚度与稳定性。用于提高机构的刚度与稳定性。 图图5.6所示为一往复凸轮分度机构所示为一往复凸轮分度机构,其中移动副其中移动副B扩大扩大,将转动副将转动副和凸轮高副和凸轮高副C均包含在其中。该机均包含在其中。该机构工作时构工作时,构件构件1往复移动往复移动,推动

9、凸轮推动凸轮2间歇转动。图间歇转动。图a为锁紧位置为锁紧位置,图图b为构件为构件1左移左移,推动凸轮顺时针方向转推动凸轮顺时针方向转动的位置。凸轮每次转位角为动的位置。凸轮每次转位角为60,若需要不同的转若需要不同的转位角位角,可利用不同的正多边形凸轮形状来实现。可利用不同的正多边形凸轮形状来实现。 可以看出可以看出,改变运动副的尺寸不仅改善了机构的受改变运动副的尺寸不仅改善了机构的受力状态和运动及动力效果力状态和运动及动力效果,还开拓了机构的新功能还开拓了机构的新功能,演演化出新机构。化出新机构。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低副元素的

10、接触性质为滑动接触,高副元素包高副元素包含有滚动和滑动两种接触性质。滑动接触使运动含有滚动和滑动两种接触性质。滑动接触使运动副元素的接触表面产生磨损副元素的接触表面产生磨损,降低了机械传动效率降低了机械传动效率和传动精度。为减小磨损的方法是用滚动接触代和传动精度。为减小磨损的方法是用滚动接触代替滑动接触。替滑动接触。(1)移动副移动副 把组成移动副元素之一的结构形状改把组成移动副元素之一的结构形状改变成滚子形变成滚子形,这样使原始机构中导路与滑块的结构这样使原始机构中导路与滑块的结构形式演变为导路与滚子结构形式形式演变为导路与滚子结构形式,见图见图5.7a、b、c。(2)转动副转动副 把组成转

11、动副的销轴和销轴孔之间增把组成转动副的销轴和销轴孔之间增设若干个滚动体设若干个滚动体,而构成了滚动轴承。而构成了滚动轴承。(3)高副高副 把凸轮高副中从动件设计成滚子形的把凸轮高副中从动件设计成滚子形的,槽槽轮高副中的拨销也设计成滚子形轮高副中的拨销也设计成滚子形, 改善摩擦磨损。改善摩擦磨损。三、改变运动副元素的形状三、改变运动副元素的形状1 平面低副平面低副 移动副经滑动接触转变为滚动接触后移动副经滑动接触转变为滚动接触后,进一步改进一步改变移动副元素的形状变移动副元素的形状,如导轨的形状。把直线型的如导轨的形状。把直线型的移动导路变成曲线型的移动导路变成曲线型的,并让带有小滚子的转动构并

12、让带有小滚子的转动构仵为主动构件仵为主动构件,如图如图5-7C所示所示,则就构造了一个凸轮则就构造了一个凸轮为从动件为从动件,摆杆为主动构件的反凸轮机构。摆杆为主动构件的反凸轮机构。 移动副元素形状的改变用途很多移动副元素形状的改变用途很多,可以实现特殊可以实现特殊的运动规律的运动规律,且能解决原始机构难以解决的问题。且能解决原始机构难以解决的问题。图图5-8是一个能实现移动构件是一个能实现移动构件4运动暂停的机构。运动暂停的机构。图图5-9是一个能克服死点的机构。是一个能克服死点的机构。2 平面高副平面高副 改变平面高副元素的形状主要目的是为了演化改变平面高副元素的形状主要目的是为了演化变异

13、出具有不同功能的平面高副和改善高副机构变异出具有不同功能的平面高副和改善高副机构的各种性能的各种性能,如受力状态、接触强度、运动及动力如受力状态、接触强度、运动及动力特性等。特性等。(1)改变高副元素形状可演化变异出不同功能的高改变高副元素形状可演化变异出不同功能的高副副 平面高副元素的各种形状可看作是由凸轮高副平面高副元素的各种形状可看作是由凸轮高副变异而来变异而来,而凸轮机构又可以看成是由楔块机构变而凸轮机构又可以看成是由楔块机构变异而来的。异而来的。如图如图5-10、图、图5-11、图、图5-12所示。图所示。图5-13 齿轮机齿轮机构图，构图，5-14 棘轮机构图，棘轮机构图，5-15

14、 齿轮齿条机构。齿轮齿条机构。(2)改变高副元素形状可改善机构性能改变高副元素形状可改善机构性能 齿轮高副的变异一般指改变齿廓曲线的齿轮高副的变异一般指改变齿廓曲线的形状形状,以提高齿面接触强度以提高齿面接触强度,改善齿面间的摩改善齿面间的摩擦磨擦磨,以及机构的受力状态。为此以及机构的受力状态。为此,齿廓曲线齿廓曲线的形状很多的形状很多,一般常采用的有渐开线一般常采用的有渐开线,摆线摆线,圆圆弧曲线等弧曲线等,而渐开线形的还包括螺旋渐开线而渐开线形的还包括螺旋渐开线,球面渐开线等等球面渐开线等等,有时还需要对现有齿廓曲有时还需要对现有齿廓曲线进行修形。线进行修形。 对于凸轮高副对于凸轮高副,可

15、从凸轮轮廓曲线和从可从凸轮轮廓曲线和从动件与凸轮接触的工作平面两个方面考虑。动件与凸轮接触的工作平面两个方面考虑。从凸轮廓线考虑从凸轮廓线考虑,凸轮轮廓曲线应满足从动凸轮轮廓曲线应满足从动件各种运动规律件各种运动规律,如图如图5-6所示所示,将凸轮轮廓将凸轮轮廓曲线设计成对称正三角形形状以实现分度曲线设计成对称正三角形形状以实现分度功能。从从动件方面考虑功能。从从动件方面考虑,可将从动件的工可将从动件的工作平面设计成平面的作平面设计成平面的,凸曲面的凸曲面的,或凹曲面的。或凹曲面的。以增强接触强度以增强接触强度,减小磨损。减小磨损。 对于槽轮高副对于槽轮高副,可改变槽轮的槽径向分可改变槽轮的槽

16、径向分布为侧向分布布为侧向分布,使拨销在槽内每一位置相对使拨销在槽内每一位置相对于槽轮的转动中心沿径向的尺寸变化不大于槽轮的转动中心沿径向的尺寸变化不大,致使槽轮转位时比普通槽轮平稳些。致使槽轮转位时比普通槽轮平稳些。3.螺旋副螺旋副 螺旋副一般是由互相旋合的螺杆和螺母螺旋副一般是由互相旋合的螺杆和螺母组成。从其剖面看螺纹形状有矩形、梯形、组成。从其剖面看螺纹形状有矩形、梯形、锯齿形、圆形和三角形等锯齿形、圆形和三角形等,可用于传动、微调、可用于传动、微调、增力、联接等增力、联接等,既简单又可靠。若从螺旋副旋既简单又可靠。若从螺旋副旋转推进工作原理思维转推进工作原理思维,把组成螺旋副的两个运把

17、组成螺旋副的两个运动副元素之一动副元素之一,螺杆的剖面形状设计成一个有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利于推进流体或粉状物料的叶片形状,将其密将其密闭圆筒状容器内闭圆筒状容器内,这样就构造了一种旋转推进这样就构造了一种旋转推进的螺旋输送器的螺旋输送器(物料相当于螺母物料相当于螺母),用于各种螺用于各种螺杆泵、挤出机等机械设备中。图杆泵、挤出机等机械设备中。图5-18就是一就是一种螺旋推进器的示意简图。种螺旋推进器的示意简图。第二节 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)改善机构运动的不确定改善机构运动的不确定;(2)解决机构由于结构原因无法

18、正确运动问题解决机构由于结构原因无法正确运动问题;(3)开发新功能开发新功能;(4)开发新杌构开发新杌构; r(5)改善机构的受力状态改善机构的受力状态,提高构件强度或刚度提高构件强度或刚度;为实现上述目的所采用的演化变异方法有为实现上述目的所采用的演化变异方法有:(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、构件的运动性质演化变异一、构件的运动性质演化变异这里主要指某些构件进行往复运动时这里主要指某些构件进行往复运动时,可

19、以仅利用其单程的运动性质可以仅利用其单程的运动性质,再进再进-步改变构件的形状以实现这个单程运步改变构件的形状以实现这个单程运动间歇地重复再现动间歇地重复再现,从而演化出新的机从而演化出新的机构。构。 图图19a是一个摆动导杆机构，如是一个摆动导杆机构，如果用滚滑移动副代替移动副果用滚滑移动副代替移动副,则就变成则就变成了图了图b所表示的机构。所表示的机构。 如果以如果以B点位置点位置,即垂直位置为分界线即垂直位置为分界线,把把滚滑副的槽分割成两部分。一部分如图滚滑副的槽分割成两部分。一部分如图c所所示示,当滚子位于槽内时当滚子位于槽内时,曲柄曲柄AB转动转动,导杆导杆OB反向摆动。若滚子脱离

20、摆槽反向摆动。若滚子脱离摆槽,则运动就中断。则运动就中断。为避免这种现象发生为避免这种现象发生,可改变摆杆的形状可改变摆杆的形状,即即设计一个沿以设计一个沿以OB为半径的轨迹圆上开了四为半径的轨迹圆上开了四个均布相同槽的圆盘个均布相同槽的圆盘,使得滚子在脱离一个使得滚子在脱离一个槽后槽后,相隔一段时间又进入了另一个槽相隔一段时间又进入了另一个槽,就把就把连续的转动转换成间歇的转动连续的转动转换成间歇的转动,摆动导杆机摆动导杆机构也就变异成外槽轮机构。被分割的另一部构也就变异成外槽轮机构。被分割的另一部分如图分如图d所示。按照前面同样的作法所示。按照前面同样的作法,也可以也可以变异成内槽轮机构。

21、变异成内槽轮机构。二、改变构件的结构形状和尺寸1.平行四边形机构的变异平行四边形机构的变异 图图5-20a是平行四边形机构是平行四边形机构,是双曲柄机构是双曲柄机构的一特例。但当机构运动到四个构件为一直的一特例。但当机构运动到四个构件为一直线位置时线位置时,机构处于死点位置机构处于死点位置,致使机构运动不致使机构运动不确定。改变这种状态须对机构加以适当的约确定。改变这种状态须对机构加以适当的约束束,使其运动确定。采用两个以上相同机构的使其运动确定。采用两个以上相同机构的组合组合,如图如图b所示。若曲柄上的各活动销轴铰接所示。若曲柄上的各活动销轴铰接在同一个圆盘上在同一个圆盘上,如如A和和D点点

22、,B和和E点分别铰接点分别铰接在圆盘在圆盘1和和3上上,并且进一步的缩短机架并且进一步的缩短机架4的尺的尺寸寸,则变成了图则变成了图c的形状。这是一种平行四边形的形状。这是一种平行四边形联轴器。联轴器。2.双转块机构的变异图5-21a是双转块机构的示意图,块1转动,通过连杆2将转动传递给块3,4为机架,A、B为两个固定转动副。按机构原形的结构形状,两个转块是无法实现整周回转的。若分别将1、2、3构件的形状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘形状,则构造了一个十字滑块联轴器。如图b所示。其中连杆2变成了图c所示的两面各有矩形条状凸榫的圆盘,且两凸榫的中心线互相垂直,并通过圆盘中心。转盘1和3上各开一个凹槽

23、,2上的凸榫分别嵌入1和3相应的凹槽内。机架支承两个固定转轴和B,此时,当1盘转动时,3盘以同样的速度转动。十字滑块联轴器。三、增加辅助结构三、增加辅助结构 在机构运动时在机构运动时,往往会产生一些机构的各个组成元素本身无往往会产生一些机构的各个组成元素本身无法解决的问题法解决的问题,如运动不确定问题如运动不确定问题,运动规律可调性问题等运动规律可调性问题等,一般采用辅助结构解决之。一般采用辅助结构解决之。1.转动导杆机构转动导杆机构 图图5-22a是一个转动导杆机构是一个转动导杆机构,可以传递非匀速转动。若将可以传递非匀速转动。若将导杆的中心线置于曲柄的活动铰导杆的中心线置于曲柄的活动铰B的

24、轨迹圆上的轨迹圆上,见图见图b,则导则导杆将以曲柄速度的一半等速转动。但当活动铰杆将以曲柄速度的一半等速转动。但当活动铰B的中心与的中心与导杆转动中心重合时导杆转动中心重合时,则图则图b所示机构的位置将会不确定。所示机构的位置将会不确定。为了消除图为了消除图b导杆机构的运动不确定性导杆机构的运动不确定性,采取加入第二个滑采取加入第二个滑块的办法块的办法,并将导杆作成十字槽的圆盘，双臂曲柄两端滑块并将导杆作成十字槽的圆盘，双臂曲柄两端滑块就在十字槽中运动。就在十字槽中运动。 圆盘和转臂各围绕各自的固定转轴转动圆盘和转臂各围绕各自的固定转轴转动,圆盘槽数为任圆盘槽数为任何数目时何数目时,均以曲柄转数的一半速度旋转。这样的机