机械创新设计技术基础

机械创新设计技术基础第一页，共87页。第二页，共87页。一、机器的组成机械创新设计的内容主要涉及到机械运动系统3第一节机器的组成分析第三页，共87页。二、原动机电动机内燃机一次能源动力机：水力机、风力机液压马达三相交流异步电动机直流电动机伺服电动机汽油机柴油机4第一节机器的组成分析第四页，共87页。三、机械传动系统5单一工作执行机构组合机构（含传动机构与执行机构）无传动系统工程中，有些机械没有传动机构，而是由原动机直接驱动执行机构。如水力发电机组、电风扇、鼓风机以及一些用直流电动机驱动的机械，都没有传动机构。随电机调速技术的发展，无传动机构的机械有增加的趋势。第五页，共87页。三、机械传动系统1、啮合传动：齿轮传动、链传动2、摩擦传动：带传动、摩擦轮传动3、螺旋传动4、万向轴传动5、钢丝软轴传动6、液压传动7、液力传动8、电磁传动6第六页，共87页。四、工作执行系统1、连杆机构2、凸轮机构3、齿轮机构4、间歇运动机构5、螺旋机构6、电磁机构7第一节机器的组成分析第七页，共87页。机械运动系统

1.机构的基本型

机构的基本型是指最基本的、最常用的机构型式。目前，无明确定义。(1)全转动副四杆机构的基本型

基本型为：曲柄摇杆机构可演化为：双曲柄机构、双摇杆机构。(2)含一个移动副四杆机构的基本型

基本型为：曲柄滑块机构可演化为：转动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构。(3)含二个移动副四杆机构的基本型

基本型为：正弦机构可演化为：正切机构、双转块机构、双滑块机构。8第八页，共87页。(4)圆柱齿轮传动机构的基本型

基本型为：外啮合直齿圆柱齿轮传动机构可演化为：斜齿圆柱齿轮传动机构、人字齿圆柱齿轮传动机构、行星齿轮传动。(5)圆锥齿轮传动机构的基本型

基本型为：外啮合直齿圆锥齿轮传动机构可演化为：斜齿圆锥齿轮传动机构、曲齿圆锥齿轮传动机构。(6)蜗杆传动机构的基本型

基本型为：阿基米德圆柱蜗杆传动机构可演化为：延伸渐开线圆柱蜗杆传动机构、渐开线圆柱蜗杆传动机构。(7)内啮合行星齿轮传动机构的基本型

基本型为：渐开线圆柱齿轮少齿差行星传动机构可演化为：摆线针轮传动机构、谐波传动机构、内平动齿轮传动机构、活齿传动机构。9第九页，共87页。(8)直动从动件平面凸轮的基本型

(9)摆动从动件平面凸轮的基本型

(10)直动从动件圆柱凸轮的基本型

(11)摆动从动件圆柱凸轮的基本型

基本型：直动对心尖底从动件平面凸轮机构可演化：直动对心滚子从动件平面凸轮机构、直动对心平底从动件平面凸轮机构、直动偏置从动件平面凸轮机构。基本型为：摆动尖底从动件平面凸轮机构可演化为：摆动滚子从动件平面凸轮机构、摆动平底从动件平面凸轮机构。基本型为：直动滚子从动件圆柱凸轮机构基本型为：摆动滚子从动件圆柱凸轮机构10第十页，共87页。(12)带传动机构的基本型

基本型：平带传动机构可演化：V带传动机构、圆带传动机构、活络V带传动机构、同步齿形带传动机构。(13)链传动机构的基本型

基本型：套筒滚子链条传动机构可演化：多排套筒滚子链条传动机构、齿形链条传动机构。(14)液、气传动机构的基本型

基本型：缸体不动的液压油缸和气动缸可演化：摆动缸。11第十一页，共87页。(15)螺旋传动机构的基本型

基本型：三角形螺旋传动机构可演化：梯形螺旋传动机构、矩形螺旋传动机构、滚珠丝杠传动机构。(16)电磁传动机构的基本型

基本型：应用：开关电路。基本型：外棘轮机构、外槽轮机构。(17)间歇运动机构的基本型

12第十二页，共87页。机械运动系统

2.机构的组合

单一机构经常不能满足不同的工作需要。把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成一个机构系统，称之为机构的组合。在机构的组合系统中，各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。组合形式：串联、并联、混联

铁板运输机中，定轴齿轮1把运动传递给齿轮2，定轴齿轮1上的曲柄通过连杆机构ABCD把运动传递给系杆H。齿轮2、3、4与系杆H构成一个差动轮系，该轮系的两个输入均为主动齿轮1提供，最后由齿轮3输出。可见，该系统中的连杆机构和差动轮系机构都没有因互相连接而影响自己的机构持性。13第十三页，共87页。机械运动系统

3.组合机构

组合机构与机构组合有本质不同。组合机构是指若干基本机构通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构。组合机构中的各基本机构已不能保持各自的独立性，也不能用原基本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。每种组合机构都有各自的分析和设计方法。

组合机构设计是机构创新设计的重要方法之一。常见组合机构齿轮-连杆组合机构齿轮-凸轮组合机构凸轮-连杆组合机构14第十四页，共87页。五、控制系统15第一节机器的组成分析第十五页，共87页。五、控制系统16第一节机器的组成分析1）满足机械的动作要求或工艺条件。2）电气、电子元件合理，工作安全可靠。3）停机时，控制系统的电子元器件不应长期带电。4）有较强的抗干扰能力，避免误操作现象发生。5）便于维护与管理，经济指标好。6）使用寿命长。7）自动控制系统中应设置紧急手动控制装置。基本要求第十六页，共87页。五、控制系统1、机械控制2、电器控制3、自动控制17第一节机器的组成分析第十七页，共87页。18原动件部分——发动机或柴油机传动部分——离合器、变速箱、传动轴和差速器等执行部分——车轮、悬挂系统及底盘（包括车身）等控制系统——方向盘和转向系统、排档杆、刹车及其踏板、离合器踏板及油门等显示系统——油量表、速度表、里程表、润滑油温度表、水温表等辅助装置——后视镜、车门锁、雨刮器等照明系统——前后灯、刹车灯、仪表盘灯等信号系统——转向信号灯、车尾灯等第十八页，共87页。第二节机械运动形态及其变换19目的:

了解基本的运动形式及其实现方法，增强以知识为核心的创造力。

机械是通过机械运动来实现某种动作，从而达到预定的目的。而组成机械运动部件的运动形态只有定轴转动（含摆动和间歇转动），往复移动及平面运动三种。实现这三种基本运动形态的机构种类很多，它们起到运动形式变换、运动速度变换、运动的传递，运动的合成及分解的作用。第十九页，共87页。1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构2、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构3、连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构4、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构5、连续转动到平面运动的变换与实现机构6、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构7、直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与实现机构第二节机械运动形态及其变换20第二十页，共87页。21

齿轮传动机构第二节机械运动形态及其变换摩擦轮传动机构a

b连杆机构abc带传动机构a

b链传动机构绳索传动机构钢丝软轴传动机构液力传动机构万向节传动机构等第二十一页，共87页。

221）齿轮传动机构（a）外啮合圆柱齿轮机构（b）内啮合圆柱齿轮机构（c）圆锥齿轮传动（d）蜗轮蜗杆传动轮系（定轴轮系、动轴轮系、混合轮系）第二十二页，共87页。直齿轮传动斜齿轮传动人字齿轮传动内齿轮传动螺旋齿轮传动蜗杆传动锥齿轮传动23第二十三页，共87页。

242）摩擦轮传动机构摩擦轮传动难以传递过大的动力，主要应用在仪器中传递运动。(a)平行轴圆柱摩擦轮传动(b)圆锥摩擦轮传动(c)垂直轴圆柱摩擦轮传动第二十四页，共87页。1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构3）瞬心线机构下图：(a)椭圆型瞬心线机构(b)四叶卵型线轮传动传动比：

瞬心线机构可以靠摩擦传递运动或动力，也可在瞬心线上制成轮齿，形成啮合传动。瞬心线机构可以实现连续的、周期性的、变速转动输出。25第二十五页，共87页。1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构4）连杆机构能实现转动到转动运动变换的连杆机构有：双曲柄机构、平行四边形机构、转动导杆机构以及双转块机构等。26第二十六页，共87页。1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构5）带传动机构平带传动、V带传动、圆带传动、同步齿形带传动等。6）链传动机构适合需较大中心距的传动。27第二十七页，共87页。1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构7）绳索传动机构

除具有带传动的功能外，绳索传动机构还具有独特的作用。由于一轮缠绕，另一轮退绕，二轮中间可有多个中间轮。绳索传动机构不能传递较大的载荷。28第二十八页，共87页。1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构8）液力传动

利用液体的动能把主动轮的转动传递到从动轮，也称为液力藕合器。在以内燃机为原动机的车辆中，常使用液力传动装置。9）钢丝软轴传动

钢丝软轴的内部由钢丝分多层缠绕而成。由于用软轴相联接，主、从动件的位置具有随意性。10）万向联轴器(a)单万向联轴器（变速）(b)双万向联轴器（等速）29第二十九页，共87页。椭圆齿轮传动双曲柄机构转动导杆机构双转块机构30第三十页，共87页。31槽轮机构a

b

c

不完全齿轮机构a

b棘轮机构a

分度凸轮机构a第二节机械运动形态及其变换第三十一页，共87页。2、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构

连续转动变换为步进转动的运动变换在包装机械等自动机中应用较广泛。常见的转换机构有棘轮机构、槽轮机构、分度凸轮机构、不完全齿轮机构等。每种机构都有不同的形式，可根据具体的要求进行设计。32第三十二页，共87页。外棘轮机构换向棘轮机构摩擦棘轮机构外槽轮机构内棘轮机构棘条机构33第三十三页，共87页。空间槽轮机构棘轮机构应用槽轮机构应用分度凸轮轮机构不完全齿轮机构34第三十四页，共87页。第二节机械运动形态及其变换曲柄摇杆机构a摆动导杆机构a摆动从动件凸轮机构a35第三十五页，共87页。3、连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构

实现连续转动到往复摆动的运动变换机构主要有曲柄摇杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构等。36第三十六页，共87页。曲柄摇杆机构曲柄导杆机构曲柄摇块机构摆动凸轮机构37第三十七页，共87页。38曲柄滑块机构a正弦机构a直动从动件凸轮机构a齿轮齿条机构a螺旋机构a

b

c

d

第二节机械运动形态及其变换第三十八页，共87页。4、连续转动到往复直动的运动变换与实现机构

实现连续转动到往复直线移动的运动变换机构有曲柄滑块机构、正弦机构、直动从动件凸轮机构、带或链传动机构、齿轮齿条机构、螺旋传动机构以及一些机构的组合。39第三十九页，共87页。5、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构双滑块机构a移动凸轮机构a

b椭圆规a40第二节机械运动形态及其变换第四十页，共87页。5、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构

直线移动转换为直线移动的机构大多采用液压机构、用于送料、夹紧等装置中。各类液压阀心、电磁阀心机构也采用了直动到直动的运动变换。斜面机构、具有两个移动副的连杆机构、移动凸轮机构有时也可以应用于线性运动变换，还可以用直线电机直接实现直线移动。弹簧机构也是一种最常用的直线运动变换机构。41第四十一页，共87页。第二节机械运动形态及其变换6、连续转动到平面运动的变换与实现机构连杆机构——连杆a行星齿轮机构——行星轮a42第四十二页，共87页。单行星轮传动机构连杆机构双行星轮传动机构43第四十三页，共87页。7、直线移动到定轴转动的运动变换与实现机构

直线移动转换为定轴转动的最典型机构就是内燃机中的曲柄滑块机构。齿轮齿条机构可实现移动到转动的运动变换。直线移动转换往复摆动的机构主要用在开关机构或微调机构中。下图：(a)摆臂移动凸轮机构(b)直动螺旋到摆动的转换机构44第四十四页，共87页。7、直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与实现机构曲柄滑块机构——滑块主动齿轮齿条机构——齿条主动45第二节机械运动形态及其变换第四十五页，共87页。应用例举四缸发动机46第二节机械运动形态及其变换第四十六页，共87页。47第二节机械运动形态及其变换第四十七页，共87页。48第二节机械运动形态及其变换齿条式液压缸第四十八页，共87页。8、电磁机构

主要用在开关领域，如电磁离合器接触器等。利用超导现象控制导磁物体的悬浮是新领域。49第二节机械运动形态及其变换第四十九页，共87页。9、实现特定的运动轨迹50第二节机械运动形态及其变换搅拌机第五十页，共87页。总结：实现运动形式变换的常用机构51第五十一页，共87页。总结：实现运动形式变换的常用机构（续）52第五十二页，共87页。总结：常用机构的运动及动力特性53第五十三页，共87页。一、机械控制系统的类型1.机械式控制系统如早期的凸轮程序控制装置，柴油机的离心式调速器等。54第三节机械的控制系统第五十四页，共87页。一、机械控制系统的类型1.机械式控制系统如早期的凸轮程序控制装置，柴油机的离心式调速器等。

2.液压控制55第三节机械的控制系统第五十五页，共87页。一、机械控制系统的类型1.机械式控制系统如早期的凸轮程序控制装置，柴油机的离心式调速器等。

2.液压、气动控制

3.电气控制56第三节机械的控制系统第五十六页，共87页。一、机械控制系统的类型1.机械式控制系统如早期的凸轮程序控制装置，柴油机的离心式调速器等。

2.液压、气动控制

3.电气控制

4.智能控制57第三节机械的控制系统第五十七页，共87页。58测控对象传感器信号预处理CPUDI存储器执行器信号转换A/DDOD/A人-机对话系统系统支持模块总线基本系统一、机械控制系统的类型第三节机械的控制系统第五十八页，共87页。59二、机械控制系统的发展趋势第三节机械的控制系统测控对象传感器信号预处理CPUDI存储器执行器信号转换A/DDOD/A人-机对话系统系统支持模块总线基本系统第五十九页，共87页。第四节机电液机构组合的运动与控制一、机液组合的运动形态1、机液机构组合的基本型

机液机构组合主要是液压缸系统与连杆机构系统的组合，可满足执行机构的位置、行程、摆角、速度及复杂运动规律等多方面的工作要求。单出杆固定缸双出杆固定缸摆动缸

机液机构组合中，液压缸一般是主动件，并驱动各种连杆机构完成预定的动作要求。60第六十页，共87页。一、机液组合的运动形态2、机液机构组合的常见运动形式（1）固定液压缸式机构

单出杆固定缸可直接应用于夹紧、送料、进给等工作中，实现移动到移动的运动变换，也可相连杆机构组合，实现移动到摆动的运动变换。下图：(a)夹紧工作原理图(b)送料工作原理图61第六十一页，共87页。一、机液组合的运动形态2、机液机构组合的常见运动形式（1）固定液压缸式机构下图：(a)升降台工作原理图(b)夹持工作原理图62第六十二页，共87页。一、机液组合的运动形态2、机液机构组合的常见运动形式（2）摆动液压缸式机构

摆动式液压缸机构与连杆机构组合中，活塞相对于缸体的移动转换为从动构件的摆动和缸体本身的摆动。控制活塞的相对移动速度和液压缸中的油压力，可达到控制机械运动和动力的目的。63第六十三页，共87页。一、机液组合的运动形态3、机液机构的控制系统机液机构中，通常液压元件为动力元件和控制元件。（1）手动控制（2）机动控制（3）微机控制

利用换向阀和流量阀的手工操作，实现机械位置与速度的控制。

机械的往复运动使用机动控制换向阀更为方便，手工控制流量阀来达到调速的目的，可提高工作效率。

由于液压阀心的动作可由电磁力来完成，以通电与断电的方式控制阀心的动作，给实施微机控制提供了很大的方便。不同阀的顺序动作可用延时软件或硬件来实现。64第六十四页，共87页。二、电磁机构

电磁机构可用于开关机构、电磁振动机构等电动机械中，如电动按摩器、电动理发器、电动剃须刀中，都广泛应用了电磁机构。其工作原理是利用电磁效应产生的磁力来完成机械运动。运动形态变换：电磁机械运动下图：(a)电动锤机构(b)电磁开关

反电磁机构是利用机械运动的切割磁力线作用产生电信号，对电信号进行处理后可判断机械振动位移大小和频率。反电磁机构多用于磁电式位移或速度传感器中。65第六十五页，共87页。三、机电组合机构

机电一体化是指电子学技术与机械学技术互相渗透、结合，集自动控制、智能、机械运动为一体的新系统。如打印机、传真机、绘图机等。

运动形态由机构的结构来实现，而机械的运动参数（位置、位移、速度、加速度等）和各执行机构的运动协调关系是靠微机系统（微机、接口电路、各种电子无器件组成的硬件及软件）来实现的。这一点与普通机械有很大的不同。66第六十六页，共87页。三、机电组合机构67测控对象传感器信号预处理CPUDI存储器执行器信号转换A/DDOD/A人-机对话系统系统支持模块总线基本系统第四节机电液机构组合的运动与控制第六十七页，共87页。第五节机械运动与控制一、机械运动的换向与控制1、旋转运动的换向与控制（1）改变电机转向（2）限位开关换向（3）介轮换向（4）棘轮换向（5）摩擦轮换向（6）自身换向机构68第六十八页，共87页。第五节机械运动与控制一、机械运动的换向与控制1、旋转运动的换向与控制（1）改变电机转向（2）限位开关换向（3）介轮换向（4）棘轮换向（5）摩擦轮换向（6）自身换向机构69第六十九页，共87页。第五节机械运动与控制一、机械运动的换向与控制2、直线运动的换向与控制（1）改变电机转向（2）液压换向（3）自身换向机构70第七十页，共87页。第五节机械运动与控制二、机械运动的调速与控制1.调速电机2.齿轮减速器3.其它减速装置4.变速器71第七十一页，共87页。第五节机械运动与控制三、机械运动的离合与控制（离合器）a.压嵌式离合器b.多片式离合器c.电磁离合器72第七十二页，共87页。牙嵌式离合器摩擦片式离合器牙嵌式安全离合器离心摩擦离合器单向超越离合器第七十三页，共87页。第五节机械运动与控制四、机械运动的制动与控制（制动器）

制动器的种类有机械式制动器、电磁式制动器、液压制动器、液力制动器、气动制动器等多种类型。机械式制动器中还可分为摩擦式、楔块式、杠杆式、棘轮式等多种。74第七十四页，共87页。一、单一基本机构组成的机械

由一个基本机构组成的简单机械具有多样化、用途广泛且实用性好的特点。许多基本机构都有应用价值。在简单机械中的应用最为普遍。手动冲压机构：75第六节机械系统及其发展第七十五页，共87页。二、多个独立的基本机构协调工作组成的机械

由多个基本机构独立工作，但他们之间的运动必须互相协调配合，完成特定的工作任务。压片机76第六节机械系统及其发展第七十六页，共87页。三、多个基本机构连接组成的机械

多