机械创新设计(第五章)

第五章机构演化、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，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。2．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。3．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，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第一节机构的运动副演化与变异1．主要目的：（1）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（3）改变机构的受力状态（4）改善机构的运动和动力效果（5）开拓机构的各种新功能（6）寻求演化新机构的有效途径2．主要方法：（1）改变运动副的尺寸（2）改变运动副的接触性质（3）改变运动副的形状一、改变运动副的尺寸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，机构相对运动关系没有改变实例：图5-1旋转泵机构：曲柄摇杆机构扩大转动副B图5-2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，形成体积变化的腔。2．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

AB2AB222偏心泵机构返回章二摇块机构摆动导杆机构3．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在其中，构件间的相对运动关系并未改变。图5-4为一冲压机构：正弦机构扩大移动副图5-5所示冲压机构：曲柄滑块机构扩大移动副图5-6所示为往复凸轮分度机构：移动副扩大将凸轮包含其中构件1为主动件往复运动，从动件凸轮2间歇转动。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。（1）移动副：→滚滑副图5-7（2）转动副：→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改变运动副的形状——改变运动副的性质——演化出不同机构1．平面低副运动副元素形状的改变转动副可演变为移动副滚子替代滑块变滑动接触为滚动接触，滚滑副,改变移动副元素的形状，如导轨的形状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）应用：图5-8摆杆为主动件的反凸轮机构实现运动的暂停图5-9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目的：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，运动及动力特性等。（1）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构变异而来，见图5-10，图5-11演化范例1：楔块机构普通凸轮机构→锯条凸轮机构→齿轮机构。演化范例2：摆动件为主动件的反凸轮机构（若从动件凸轮为轮廓向径有规律变化的圆盘状构件棘轮机构演化范例3齿轮机构半径→∞齿轮齿条机构

演化范例4间歇转动机构半径→∞间歇移动机构图5-16移动式槽轮图5-17移动式棘轮（2）改变高副元素形状以改善机构性能①齿轮机构：改变齿廓曲线的形状提高接触强度，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，螺旋渐开线，球面渐开线，齿廓（面）修形。②凸轮机构：改变轮廓曲线，满足运动及动力要求，图5-6为实现分度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，减小磨损。③槽轮机构：将径向槽分布变为侧向分布，改善传动平稳性。3．螺旋副组成：由互相旋合的螺杆和螺母组成。矩形螺纹的类型梯形用于传动锯齿形三角形联接螺旋传动→将组成螺旋副的两个运动副元素之一，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，将其密闭圆筒状容器内，螺旋输送器，若将叶片上制成刃食物搅碎机构。（物料相当于螺母）第二节

机构的构件变异机构构件变异的主要目的：（1）改善机构运动的不确定；（2）解决机构由于结构原因无法正确运动问题；（3）开发新功能；（4）开发新机构；（5）改善机构的受力状态，提高构件强度或刚度。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；（2）改变构件的结构形状和尺寸；（3）在构件上增加辅助结构；（4）改变构件运动性质。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，改变构件的形状以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B″（下曲柄与导路成钝角）导路摆动方向与曲柄转动方向相反。B´（上曲柄与导路成锐角）导路摆动方向与曲柄转动方向相同。若以B点位置即以AB⊥OB的位置为分界线，把滚滑副的槽分割成两部分，一部分如C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。为使传动连续，将摆杆的形状设计成一个沿以OB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，摆动导杆机构外槽轮机构。同理，被分割的另一部分则变异成了内槽轮机构。1．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，机构运动不确定改变连架杆的形状图5-20a)b)平行四边形联轴器图5-20c)2．双转块机构的变异双转块机构→十字滑块联轴器二、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孔销式联轴器平行四边形机构（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）克服死点可采用图b所示的两个以上相同机构的组合。若将连架杆设计成圆盘，将铰链A和D、B和E分别铰接在圆盘1和3上，圆盘的转动中心分别为固定铰O和C，采用多个连杆对称布置在两圆盘之间平行四边形联轴器把连杆2全部作成滚轮，将1盘上的A和D铰位置全部作成以连杆2的长度为半径的圆孔，孔的内侧与曲柄3上的滚轮滚动接触孔销式联轴器滑块1圆盘1（带有凹槽）滑块3圆盘3（带有凹槽，与滑块1上的凹槽呈垂直方向），连杆2两边带有中心线互相垂直的凸榫的圆盘2，四构件组成十字滑块联轴器。能传递等速运动。浮动盘式等速联轴器。双转块机构的变异双转块机构→十字滑块联轴器双转块机构三、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1．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B的轨迹圆上，如图，则导杆的转速为曲柄的一半。但当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2．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（1）廓线可变的凸轮机构图5-23，图5-24（2）推杆可调的凸轮机构图5-25，图5-263．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。图5-27，图5-28，图5-29

机构的机架变换称作机构的倒置，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。一、平面四杆机构的机架变换1．铰链四杆机构的机架变化图5-30第三节机构的机架变换与创新曲柄摇杆机构：具有急回运动特征双曲柄机构：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。2．含有一个移动副的四杆机构的机架变换图5-31曲柄滑块机构导杆机构（转动导杆，摆动导杆）摇块机构液压缸机构移动导杆机构手动水压机3．含有两个移动副四杆机构的机架变换图5-32双滑块机构椭园规双转块机构十字滑块联轴器正弦机构正切机构数学运算器二、凸轮机构的机架变换普通凸轮机构图5-33a)固定凸轮机构：凸轮固定，从动件作复合运动。图5-33b)应用举例：图5-33c)凸轮-行星机构图5-33d)e)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—→行星齿轮机构普通链传动或齿形带传动—→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，将链传动中的链固定成为机架，可代替造价昂贵的齿轮齿条机构。

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个行星齿轮机构串联，1为主动件，1与2啮合，2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，当圆销退出槽子时，拨盘的锁止弧与槽轮5的锁止弧（凸对凹）锁止，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的动力特性。普通间歇运动机构四、间歇运动机构的机架变换棘轮机构槽轮机构不完全齿轮机构凸轮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后串联一行星齿轮机构，系杆只有在具有一个齿的齿轮3与固定的不完全齿轮5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。第四节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。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（1）球面副与转动副的等效代换图5-36a)（2）圆柱副与转动副加移动副的等效代换图5-36b)球面副汇交于球心的三个转动副万向联轴器就是球面副

由三个转动副等效代换的例子。b图为圆柱副平面移动副、转动副

2．平面高副与平面低副的等效代换（参见机械原理）平面机构的高副低代法高副低代的目的高副低代必须满足的条件：①替代前后机构的自由度相同；②替代前后机构的运动特性相同。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方向的相对移动其约束数为1，即F=-1，如果用一个低副运动链来代替约束数为1的作用，则该低副运动链须满足下列条件：F=-1=3n-2PL=-1∴n=1‚PL=2是最简单的运动链ο1ο2ααββο1ο2CAB、AC、A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A、B、C处分别与原机构的构件1与2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。βο1ο2C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图5-39a)定瞬心线，动瞬心线2．反平行四边形机构的同性异形结构图5-403．曲柄与连杆等长的曲柄滑块机构的同性异形机构图5-41

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为瞬心。瞬心在与运动构件固结的平面上的轨迹称为定瞬心线。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。P12S1动瞬心线S2静瞬心线S2与s1两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的相对运动作无滑动的纯滚动。反之，两瞬心线作纯滚动，必然得到两构件原来的相对运动。瞬心和瞬心线的概念：图c表示了附着在连杆2上的动瞬心线与附着在机架4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4和杆2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，并拆掉1和2，则2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反平行四边形机构：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。用于车门开闭机构，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。如图所示。2、反平行四边形机构的同性异形结构

反平行车门机构P14ABCD1234P12P43P23P131234P13P12P23P14P43P13P12P23P14P43根据三心定理，AC和BD的交点即为瞬心

，按机构倒置的方法，可分别以杆1和杆3作机架，作出杆1和杆3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，从而可得到反平行四边形机构的同性异形机构椭圆齿轮机构。P13当1杆固定时，则连杆3的瞬心P13如图，当1杆固定时，则连杆3的瞬心P13位于2杆和4杆的交点处。P14ABCD1234P12P43P23P13即动点P13到两定点的距离之和为常数，所以瞬心P13的轨迹为一以Α、B为焦点的椭圆。同理，可得另一以C、D为焦点的椭圆，把这两个椭圆瞬心线作为两个椭圆齿轮的节线，两椭圆齿轮分别以绕Α、C回转，则此椭圆齿轮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。但当曲柄转至铅垂位置时，B与ｏ点重合，机构处于死点位置，利用瞬心线来构造同性异形机构可改变此状态。①作2的定瞬心线，由图中几何关系得，且P24至定点ｏ的距离为一常数2ｏΑ，故2的定瞬心线为一圆（圆心是ｏ，半径为2ｏΑ。）②作2的动瞬心线。利用原机构的倒置机构即2相对固定，4运动，描绘P24的轨迹，得到一个以Α为圆心，ｏΑ长为半径的圆。③当动圆在定圆内作纯滚动时，动圆上的B点为一直线。（与原机构一致。）该瞬心线机构与正置曲柄滑块机构为同性异形机构。也称卡当圆机构。若把两个瞬心线圆看作是两齿轮的节圆，4为固定内齿轮，圆心是ｏ，2为行星轮，轴心为Α，并且而原曲柄1作系杆，当1转动时，2上的任一点的轨迹均为通过定点ｏ的直线。如图，在B、C、D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，此卡当运动机构与正置曲柄滑块机构为同性异形机构。瞬心线为卡当圆（Ｋardankreis）的机构称为卡当圆机构若将固定齿轮4拆掉，在通过ｏ的直线方向上安置固定导路，则机构就演化成卡当运动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①用同性异形的周转轮系创新同性异形机构

为结构紧凑，将内啮合外啮合，并加一惰轮，确保方向不变。内啮合的

外啮合∴外啮合的周转轮系与内啮合的周转轮系是同性异形机构，若在2上固接一杆，并使ｏΑ=ΑB，如图，当系杆转动时，B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。②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2上固接一杆，同样使ｏΑ=ΑB，B点输出移动且行程为1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大行程的运动中。第五节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。图5-46齿轮差动机构图5-47凸轮差动机构图5-48螺旋差动机构同轴单螺旋同轴双螺旋，螺母固定同轴双螺旋，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，使车轮的转动与直行或拐弯运动相适应。差动原理还可用于凸轮机构螺旋机构棘轮机构槽轮机构差动轮系的基本型如图所示，凸轮差动机构由外凸轮1、内凸轮3、推杆2、机架组成外凸轮轮缘上均布有11个齿槽，内凸轮轮缘上均布有13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的个数为两凸轮齿槽数量之和的约数：机构工作时，沿圆周连在一起的推杆和两个凸轮之一输出转动，另一凸轮则输出转动。差动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两个螺母，分别固定、移动两个螺母，两个移动螺杆转动，螺母也转动，结果螺母实现差动移动，即螺杆转Δn周，则螺母移距大小为s±Δs，s-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，可实现微动和快速移动。两个螺母一个移动，一个固定。当螺杆转动时，移动螺母可实现快速或慢速移动，即螺杆转一周，移动螺母移动s1±s2（s1、s2为两螺旋的导程，旋向相同时为正，螺母快速移动，反之，螺母慢速移动。）同轴双螺旋传动，两螺母同时与机架组成移动副，工作时螺杆转动，两螺母实现移动，两段螺旋线螺距相同，单悬想相反，该机构常用于车辆之间的联接，可使车钩较快的联结和脱开二、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