机构的变异创新.ppt

第五章机构的创新,简单机构机构的变异创新机构的组合创新机构的选型机构的再生创新,机构创新设计的思路,5.1简单动作功能用来实现运动和力的简单转换5.1.1简单机构的特点与应用,主要指人类最初创造的各种工具和简单的器械。如杠杆、斜面、滚轮。尤其是轮子是人类最伟大的创造发明，现代的各种机器中，是离不开旋转的轮子和轴的。特点：只用极少的构件（一般不成为典型的“机构”），实现简单而巧妙的动作。,举例：电视机调节盒盖双动操作器。圆珠笔按钮录音机的联动按键魔方百叶窗拉链安全带带扣,举例：,要实现特定的动作功能巧妙的构思。,笔套上有凸块,圆珠笔按钮,圆珠笔按钮功能原理分析,对齐笔套槽时,笔芯齿轮与按钮齿轮错开,笔芯齿轮在笔套内时的情况,笔芯齿轮在笔套内时的情况,错开时缩回（外）,对齐时探出（内）,笔芯齿轮在笔套内外的情况比较,拉链功能原理分析,简单几何体,简单几何体的组合剖开看,简单几何体的组合合上看,举例：钥匙与锁,举例：钥匙与锁,弹子锁钥匙与锁芯,一把钥匙开多把锁？,弹簧,弹簧,弹子1,钥匙,锁芯,弹子2,简单动作功能具有广泛的用途和宽阔的空间。简单动作功能通常通过两个零件之间接触表面形状的巧妙组合实现，求解动作功能时针对所要实现的动作功能（运动规律、运动轨迹），对零件的几何形体进行构思。也叫几何形体组合法对简单动作功能优秀设计案例的分析可以获得很多灵感，学到很多巧妙的设计方法。,5.1.2机械零件自由度分析,机构的演化或变异是指以某机构为原始机构，对其组成的各个元素进行各种性质的改变或变换，从而形成一种功能不同的机构。通过变异方法（倒置、扩展、演变）改变一个现有机构的结构，而得到一个新机构，使机构具有某些特定的性能，来适应特定工艺动作的要求。,一、机构的倒置,机构的构件数和构件之间的运动副都不变，只是取不同的构件为机架，称为机构的倒置。,平面连杆机构凸轮机构齿轮机构行星传动机构,（机架变换）（1）连杆机构全转动副四杆机构,含一个移动副的副四杆机构,含二个移动副的副四杆机构,（2）凸轮机构,（3）齿轮机构（4）挠性件传动机构,(5)周转轮系,在本文件的彩色机构图中用黑色表示固定件。,例：创造一种油泵机构现在我们来研究一个复杂些的油泵机构。揭去它的面纱，原来是一个很简单的机构。,如果一个构件相对另一个构件作直线往复运动，两个构件间形成一个圆柱形的腔体，这个腔体的容积可以发生由大到小的变化，就可以当作油泵机构。,曲柄滑块机构可以作为油泵机构，但还须解决进油孔和排油孔的开启、闭合问题。,曲柄滑块机构,转动导杆机构,构件数和运动副都不变，只是取不同的构件为机架，称为机构的倒置。,1,1,2,2,3,3,4,4,4为机架,1为机架,机构的倒置,机构在结构上的进一步变异,（1）加长导杆（2）把导杆扩展为圆盘（3）加上进油口和排油口,圆盘4转到什么位置，滑块3离中心最远和最近？,油腔,一种油泵机构,油腔内容积最大,旋转过程中，油腔容积减小,油腔容积最小,机构的倒置：只是取不同的构件为机架，就可以变换出不同的机构。,要看机构的运动副，不要被构件形状所迷惑。,引入虚约束变换运动副增加辅助机构,二、机构的扩展,通过增加构件得到新机构称为机构的扩展。所得到的新机构性能有所改变。,一种六杆机构,例,增加构件：在曲柄滑块机构的前面加一个曲柄摇杆机构，曲柄滑块机构的曲柄成为曲柄摇杆机构的摇杆，形成一个六杆机构。,位移曲线大体对称,位移曲线不对称，具有急回特性,机构性能有所改变：,例拉深压力机主机构的演变拉深工艺对滑块的运动要求,比较理想的曲线,机构2六杆机构,机构2八杆机构,三、机构的演变在保持机构的本质特点不变的基础上通过改变某些结构参数来产生新机构，称为机构的演变。,利用构件的运动性质演化变异改空构件的结构形状和尺寸增加辅助结构,1.利用构件的运动性质演化变异作往复运动的构件，可利用其单程的运动性质，改变构件的形状以实现这个单程运动间歇地重复再现，从而演化出新的机构。,摆动导杆机构，用滚滑移动副代替移动副就变成了图b机构。如果以B点位置为分界线，把滚滑副的槽分割成两部分，当滚子位于槽内时，曲柄AB转动，导杆OB反向摆动。若滚子脱离摆槽，则运动中断。设计一个沿OB为半径的轨迹圆上开了四个均布相同槽的圆盘，摆动导杆机构也就变成外槽轮机构了。,（1）构件的拆分与合并,2.改空构件的结构形状和尺寸,平行分度凸轮机构,（2）改变构件的形状与尺寸,凸轮的形状：盘状、圆柱状、圆锥状、平板状等齿轮的形状：圆柱形、圆锥形、扇形、非圆形等（3）改变构件的材料性能刚性构件、挠性构件、弹性构件、流体构件、电器构件（电磁式齿轮传动）,例：平行四边形机构的变异平行四边形机构运动到四个构件为一直线时，机构处于止点位置，造成机构运动不确定。可行的一个办法是采用两个以上相同机构的组合(图b)，由此联想，若曲柄上的各活动销轴铰接在同一个圆盘上，则变成了图c的形状。该机构还可进一步变异，把连杆2全部,做成滚轮结构，把圆盘1上的铰链A位置全部做成以连杆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，这样就又构造出一个新的机构孔销式联轴器，见图d。,例：双转块机构的变异图示双转块机构，块1转动，通过连杆2将转动传递给块3，按机构原形的结构形状，两个转块是无法实现整周回转的。若分别将构件1、2、3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(图b)，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，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A和B，此时，当圆盘1转动时，圆盘3以同样的速度转动。,3.增加辅助结构采用辅助结构解决如运动不确定问题、运动规律可调性问题等。(1)转动导杆机构图a示转动导杆机构，若将导杆的中心线置于曲柄的活动铰链B的轨迹圆上(见图b)，则导杆将以曲柄速度的一半等速转动。加入第二个滑块，并将导杆做成带,十字槽的圆盘(见图c)，双臂曲柄两端滑块就在十字槽中运动。消除了图b导杆机构的运动不确定性。,(2)凸轮机构图示一种廓线可变的凸轮机构。凸轮1绕固定轴A转动，推杆2在导轨B中实现一定运动规律的往复移动。为改变推杆2的运动规律，在轮1上装有四片凸轮片，凸轮片上开有圆弧槽，把凸轮片旋转到合适位置，然后用螺钉紧固，就可获得不同形状的凸轮廓线。,4.改变构件的运动性质改变凸轮作定轴转动的运动性质，使凸轮相对于机架既转动又移动，则从动件实现凸轮的运动和自身相对于凸轮的运动这两项运动的合成，从而实现行程的增大。图示一种压力角没有增加，凸轮尺寸也没有加大，而推杆行程增大的凸轮机构。,传统的槽轮机构,例直线步进机构,啮入瞬间,啮出瞬间,想象：槽轮直径增大，槽数增多槽轮直径达到无穷大，槽数无穷多,1,2,3,2,例,改变机构中运动副的形式，可构型出不同运动性能的机构，以增强运动副元素的接触强度，减小运动副元素的摩擦、磨损，改善机构的受力状态，改善机构的运动和动力效果，开拓机构的各种新功能。运动副的尺寸变换运动副元素的接触性质变换运动副元素的形状变换,四、机构运动副的演变,1.运动副的尺寸变换主要是指转动副和移动副的尺寸增大。1)转动副的扩大主要指组成转动副的销轴和销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对运动关系并没有发生改变，随着转动副的扩大，构件形状也发生了变异，当转动副连续扩大后可展直为移动副，由此可演化出新机构。,铰链四杆机构，通过运动副D尺寸的变化并截割成滑块形状，然后再使构件3的尺寸变长，即DC变长，则圆弧槽的半径也随之增大，到DC趋近于无穷大时，圆弧槽演变为直槽。若构件3改成滚子，它与圆弧槽形成滚滑副，则构件2的运动与原机构的运动相同。若将圆弧槽变为曲线槽，形成以凸轮为机架的凸轮机构，则构件2将得到更为复杂的运动。,转动副,2)移动副的扩大主要是指组成移动副的滑块与导路尺寸的变大，且尺寸增大到把机构中其它运动副包含其中，构件间的相对运动关系并未改变。图示冲压机构，移动副扩大，将转动副A、B及C均包括在其中。曲柄1通过连杆2带动冲头3作上下往复移动，实现冲压动作。将连杆头处设计成曲面,形，使其与滑块内空间的m-n段圆弧形状相吻合，用于提高机构的刚度与稳定性。,移动副,2.运动副元素的接触性质变换低副元素的接触性质为滑动接触，高副元素包含有滚动和滑动两种接触性质。滑动接触使运动副元素的接触表面产生磨损，降低了机械传动效率和传动精度。为减小磨损可用滚动接触代替滑动接触。(1)移动副把组成移动副元素之一的结构形状改变成滚子形，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。(2)转动副把组成转动副的销轴和销轴孔之间增设若干个滚动体，构成滚动轴承。(3)高副把凸轮高副中从动件设计成滚子形，槽轮高副中的拨销也设计成滚子形，则可减小摩擦磨损。,减少摩擦磨损*用滚动代替滑动（凸轮磙子从动件，滚动轴承，滚动导轨，滚动螺旋等）；*用线接触代替点接触（蜗轮传动）。并且在代替过程中有时会产生新机构。,提高运动副的接触强度*增大高副的点接触的曲率半径（正变位齿轮）；*增长高副的线接触长度（斜齿轮传动）；*采用内凹高副接触（内齿轮啮合，内凹凸轮从动件）。,改善运动和动力性能：*齿轮副：斜齿轮传动增大重合度传动平稳*凸轮副：组合式运动规律运动性能良好*螺旋副：梯形螺纹对中性好传动平稳,3.运动副元素的形状变换(1)平面低副转动副元素的形状变换可形成移动副(见前述)。移动副经滑动接触转变为滚动接触后，进一步改变移动副元素的形状，就构造了一个凸轮为从动件，摆杆为主动构件的反凸轮机构。,图示机构是一个较简单的克服止点机构，其结构特点是在滑块上制成导向槽，利用滚滑副的导向作用，使机构克服止点位置，完成机构由移动变换为转动，且无止点位置。,(2)平面高副平面高副元素的形状变换，是为了演化变异出具有不同功能的平面高副，此外还可改善高副机构的各种性能，如受力状态、接触强度、运动及动力特性等。平面高副元素的各种形状可看作是由凸轮高副变异而来，而凸轮机构又可以看成是由楔块机构变异而来的。,组成凸轮高副的两个运动副元素，一个是凸轮轮廓曲线，另一个是从动构件与凸轮接触的工作面。凸轮的形状是向径变化的曲线，而从动构件的形状通常是圆柱滚子或平面、球面等单一曲线形状。图示电动锯条的凸轮机构，凸轮轮廓曲线是一个具有12个凸凹圆弧形的曲线，从动构件是两个圆柱滚子摆杆。由这种形状的凸轮就可以联想到若主、从动构件的轮廓曲线都具备这种形状重复，并沿圆周连续、再现，就可以传递连续转动。由此也就产生了图示的齿轮机构。如将渐开线齿轮的基圆半径变得无穷大时，齿轮就展直成齿条。,(3)螺旋副由互相旋合的螺杆和螺母组成。若从螺旋副旋转推进工作原理考虑，把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，将其放在密闭圆筒状容器内，这样就构造了一种旋转推进的螺旋输送器（物料相当于螺母），用于各种螺杆泵、挤出机等机械设备中。,展直,绕曲,重复再现凸轮机构齿轮机构；摆动从动件圆柱凸轮机构蜗杆凸轮间歇机构,移动从动件圆柱凸轮机构圆柱凸轮间歇机构,偏心轮,曲柄,例：,五、机构的机架变换与创新运动构件与机架的互相转换，或称作机构的倒置。1.平面四杆机构的机架变换图示卡当机构，若令杆OO1为机架，则原机构的机架成为转子3，曲柄1每转一周，转子3亦同步转动一周，同时两滑块2及4在转子3的十字槽内往复运动，将流体从入口A送往出口B，从而得到一种泵机构。,2.凸轮机构的机架变换凸轮机构机架变换后，若凸轮固定作为机架，原机架变换为主动构件，输入转动或移动，从动件则输出复合运动，可称作为固定凸轮机构。,图a是摆动从动件盘形凸轮机构；图b是机架变换后的凸轮机构；图c是机架变换后的凸轮机构应用；图d是移动从动件凸轮机构的机架变换；图e是移动从动件圆柱凸轮机构的机架变换。,3.齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换图a为机架变换前的齿轮机构与挠性件传动机构。图b为机架变换后的机构。定轴齿轮传动机构经机架变换后可得到行星传动机构。在该机构的基础上，又可经过机构的串联、并,联等组合形式变换出各种各样的周转轮系，用于各种减速、增速、变速及速度合成与分解的机械传动装置中。,4.间歇运动机构的机架变换间歇运动机构一般是主动件作定轴转动，从动件作间歇转动。经机架变换后的机构，原来作间歇回转的构件是固定的。图a为外槽轮机构的机架变换，变换后又串联组合一个行星齿轮机构。当驱动拨盘的锁止弧与槽轮5的锁止弧啮合时，行星架4停歇。,图b是一个不完全齿轮机构的机架变换，变换后也是与一行星齿轮机构进行串联组合。,六、机构的等效变换与创新机构的等效变换相当于机构的同性异形变换，通常指输入、输出的运动特性相同或等效，但结构不同的一组机构。1.利用运动副的等效代换创新同性异形机构运动副的等效代换是指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，这些特性主要指机构的自由度、机构中各相应构件的运动特征等。,(1)空间运动副与平面运动副的等效代换图a所示的球面副S可由汇交于球心的三个转动副等效代换，图b所示的圆柱副C可由转动轴线与移动导路重合的转动副R与移动副P等效代换。,图示为汽车上用万向联轴节。该机构在结构上作了改进，减少了一个球面副，而代之以十字轴连接，大大提高了联轴节的强度和刚度。,球面副与三个转动副的等效代换,圆柱副等效于转动副加移动副,(2)平面高副与平面低副的等效代换图a中平面高副用一个曲柄摇杆机构OABD替代，则该机构与原凸轮机构就成为一组同性异形机构。,图b中平面高副用一个曲柄滑块机构OACB替代，则该机构与原凸轮机构就成为一组同性异构机构。图c中平面高副用一个摆动导杆机构OACB替代，则该机构与原凸轮机构是一组同性异形机构。,平面低副与平面高副的等效代换,基本原理：两构件的相对运动可用与这两构件相固连的一对相对瞬心线的纯滚动来实现。瞬心线在创造新机构中的应用反平行四边形机构椭圆齿轮机构（可改善反平行四边性机构的死点位置）,2.利用瞬心轨线创新同性异形机构,图a为一铰链四杆机构ABCD，连杆2和机架4的绝对速度瞬心P24，连成曲线，即为连杆2的定瞬心线。图b倒置机构，瞬心P24描绘出一条与图a不同的曲线，该曲线则是连杆2的动瞬心线；图c想象把杆2、4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，并拆去杆1、3，那么构件2的运动与原连杆机构中杆2的运动完全等效。,正曲柄滑块机构卡当机构（可改善机构的死点位置）,（4）利用周转轮系的不同结构进行等效代换i241=（n2-n1）/（n4-n1）=z4/z2=2,卡当机构的同性异构机构,3.利用周转轮系的不同结构创新同性异形机构图a示卡当运动机构，由于行星轮2较大，内齿轮4更大，致使机构的尺寸过大，若将4变成外齿轮，再加,一个介轮，其转化机构的传动比不变。若在行星轮2上固接一杆，并使AB=OA，则当行星架1转动时，B点输出移动。