创新机构设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——创新机构设计第一节机构设计的一般原则

机构的形式设计要解决的关键问题是：构造什么样的机构去实现原理方案所提出来的运动要求。这是机构设计中最富有创造性、最直接影响方案的可靠性和经济性的重要环节。因此，机构形式设计，在保证机构能满足基本运动要求的同时，还应满足机构设计的一些一般性原则，这些原则也是评价机构性能好坏的重要标准之一。这些一般性的原则是：1、机构应尽可能的简单机构越简单越好。所谓简单指机构的构件与运动副数量最少，即机构的运动链最短。运动链知的机构有如下特点：⑴构件、运动副少，可降低生产成本、减轻产品的质量。⑵构件数量少，有利于提高产品的刚度，减少产生扰动的环节，提高产品的可靠性。⑶运动副少，有利于减少运动副摩擦带来的功率损耗，提高机械传动效率及使用寿命。⑷运动副少，能有效地减少运动副累。例：如图4－1所示，三种能够实现直线轨迹运动的机构，其中图4－1a中ab＝bc＝be，e点能确切实现直线轨迹。图b为e点能实现近似直线轨迹的曲柄摇杆机构。图c为有e点能确切实现直线轨迹的八杆机构。由于八杆机构运动副较多，运动累积误差大，在同一制造条

件下，八杆机构的实际运动误差大约为机构的2-3倍。

图4－1三种能够实现直线轨迹运动的机构a）曲柄小滑块机构；b）曲柄摇杆机构；c）八杆机构2、机构尺寸应尽可能地小在满足一致工作要求的前提下，不同的机构，其尺寸、质量和结构的紧凑性是大不一致的。例如，在传递一致功率并且设计合理的条件下，行星轮系的外形尺寸比定轴轮系小；在从动件要求作较大行程的直线移动的条件下，齿轮齿条机构比凸轮机构更简单实现体积小，质量轻的目标。3、注意运动副的选择类型运动副元素的相对运动是产生摩擦和磨损的主要原因。运动副的数量和类型对机

构运动、传动效率和机构的使用寿命起着十分重要的作用。

图４－２三种曲柄长度一致的滑块行程为四倍曲柄长的机构ａ）连杆齿轮齿条机构ｂ）

六杆机构ｃ）等腰对心式柄滑块机构

图４－３减少移动副或代替移动副的措施ａ）用转动副代替移动副ｂ）不用移动副的直线导向机构4、选择适合的原动机，尽可能减少运动转换机构的数量目前工程上使用的原动机主要有三类：⑴内燃机这类原动机主要有汽油机和柴油机。内燃机不适合于在低速状态下工作，用内燃机来驱动低速执行机构必需要受用减速设备。内燃机主要用于没有电力供应或需在远距离运动中提供动力且对运动精度要求不高的场合。⑵气、液马达，活塞气、液缸，摇摆式气、液缸这些原动机可对外输出转动、往复直线运动、往复摇摆，借助控制设备也能实现间歇运动。⑶电动机电动机的类型不同机械特性也不一致，电动机的转速变化范围大，输出功率从零点几瓦到上万千瓦。因此，电动机是工程设计中最常用的原动机。5、应使机构具有良好的传力条件和动力特性在进行机构形式设计时，应选择效率高的机构类型，并保证机构具有较大的传动角和较大的机械增益，从而可以减小机构中构件的截面尺寸和质量，减小原动机的功率。机构形式设计要注意运动副组合带来的过约束。过约束会造成机械装配困难，增大运动副中的摩擦与磨损。图4－4

显示了几种构型，其过约束数计算如下：图4－4a中，由于导轨由三个平面副组成，每个平面副的约束数为3，而导轨只能保存一个移动自由度，即约束只能为5，故其过约束数为3×3－5＝4。图4－4b中，由于导轨由两个圆柱副组成，每个圆柱副的约束数为2，故其过约束数为4×2－5＝3。图4－4c中，由于导轨由三个圆柱平面副组成，每个圆柱平面副的约束数为2，故其过约束数为3×2－5＝1。图4－4d中，由于导轨由一个圆柱副和一个球体平面副组成，每个圆柱副的约束数为2，球体平面副的约束为1，故

其过约束数为4＋1－5＝0。

图4－4运动副组合的过约束a)三平面副的组合；b)两圆柱副的组合；c)三个圆柱平面副

的组合；d)圆柱副和球体平面副的组合

例如图４－５ａ所示机构将滑块与导杆位置互换后，虽然作用力的位置一致，大小也未变，但各物体的受力却发生了改变。图４－５ｂ所示的复合铰链，将中空构件与插入构件互换可以得到另外不同的结构形式，原来构件１为多位置对移动副受力的影响副杆，而构件２、３、４为单副杆。经变化后，构件１、４为单副杆，而构件２、３变为多副杆。显然，从制造、安装和构件受力的角度看，将单副杆２、３变为多副杆并不是一个好的选择。因此，应尽可能地减少多副杆数量，并让强度好、刚性高的构件作为多副杆，而且最好使其作为

机架，这样有利于提高机构的刚度和机构的运动精度，改善构件的受力。

图4-5低副元素位置互异对受力的影响

ａ）滑块与导杆位置互异ｂ）复合铰键结构变化对于有转动副的移动副，转动副在移动副上的位置也是一个应当认真注意的问题。如图４－６所示的滑块，转动副在移动构件上的位置的改变将直接影响到移动副中摩擦力的大小。因此，应尽量使转动副位于两移

动副元素的直线上，从而可以减少移动副中摩擦，提高机构的传动效率。

图４－６移动副上的转动副

其次节常用基本机构的特性及评价机械产品的动作功

能总是通过机构将原动机的输出运动经过必要的转换来实现的。在目前的条件下，尽管有这样那样类型的原动机，绝大多数的机构产品依旧愿意采用运动特性好、能量转换率高的笼型异步电动机。因此，能将连续转动转换为其他运动形式的机构依旧是设计者最常采用的机构。把握好这些常用机构的运动特性，熟悉它们所能实现的功能，了解它们的特点，对于设计者正确地选用或从中获得启示来创新机构都是十分必要的。表4－1给出了原动件

是转动的常用机构功能表，可供设计者设计时选用参考。

1一、机构创新的组合原理

机构的组合是指基本机构以不同的方式联结生成繁杂机构的过程。组合的目的是

改善基本机构无法实现的运动和动力要求。按技术来分，创新可分为两大类：一类是采用全新的技术，称为突破性创新；另一类是采用已有的技术进行重组，称为组合性创新。将一个基本机构与另一个或几个基本机构或基本杆组按一定方式