第四章--机构的演化变异与创新设计.ppt

第四章机构的演化、变异与创新设计,前言机构演化与变异的概念第一节机架变换与创新设计第二节构件形状变异与创新设计第三节运动副形状变异与创新设计第四节运动副等效代换与创新设计,一、机构演化与变异的概念1、机构的演化以某一基本机构为原始机构，对其机架、运动副和构件尺寸等进行变换，从而设计出具有不同功用的新机构的过程，称为机构的演化。,前言机构的演化与变异的概念,2、机构的变异以某一基本机构为原始机构，对其运动副性质、形状或尺寸进行变换，在不改变机构类型的前提下达到改善或提高机构传力性能的机构设计过程，称为机构的变异。,3、机构演化与变异的示例说明,以曲柄滑块机构为基本机构,演化,变异,转动导杆机构,曲柄滑块机构,机架变换,转动副B扩大,曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,演化,二、机构演化、变异与机构创新设计,1、机构演化方法：（1）改变机构中的机架（以不同的构件作为机架）（2）改变机构中运动副的性质（高副与低副的演化）（3）改变机构中构件的尺寸,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,2、机构变异方法：（1）改变机构中运动副的尺寸（2）改变机构中运动副的形状,还是曲柄滑块机构,3、机构演化与变异的差别相同点：都是首先选定以某一基本机构为原始机构。区别：机构演化变换后可得到具有不同性质的新机构；机构变异后得到的机构类型不改变。,一、低副机构的机架变化1、四杆机构的机架变换2、一个移动副四杆机构的机架变换（曲柄滑块）3、两个移动副四杆机构的机架变换二、高副机构的机架变化,第一节机架变换与创新设计,一、低副机构的机架变换,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,双曲柄机构,(1)铰链四杆机构,(2)曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,转动导杆机构,曲柄摇块机构,移动导杆机构,(3)含有两个移动副的四杆机构,双滑块机构,双转块机构,正弦机构,四杆机构种类繁多，但是都可看作由铰链四杆通过机架变换、运动副变换和尺寸变换演化而出的。上述转换方法也可应用到其他机构的演化中。,（4）齿轮机构的机架变换,定轴齿轮机构,行星齿轮机构,（5）凸轮机构的机架变换,直动从动件盘形凸轮机构,转动直动从动件盘形凸轮机构,（6）带传动机构的机架变换,带传动机构,差动带传动机构,（6）间歇运动机构的机架变换,B:槽轮随系杆公转,又做间歇性自转,A:拨盘自转,槽轮间歇自转,A,B,6、创新实例分析,Z1、Z2、Z3为定轴轮系，,固定齿轮Z1，得到一个行星轮系,固定齿轮Z3，又可得到一个行星轮系，这时可得到三种不同的传动比。这是行星传动变速的基本原理。,一、杆状构件的尺寸演化与变异二、块状构件的演化与变异三、避免构件之间的运动干涉四、满足特定的工作要求,第二节构件形状变异与创新设计,一、杆状构件的尺寸演化与变异,转动导杆机构机架AB尺寸加大,得到摆动导杆机构,二、块状构件的演化与变异,双转块机构,十字滑块连轴器,三、避免构件之间的运动干涉,A,B,C,启闭公交车门的曲柄滑块机构中，为避免曲柄与启闭机构箱体发生碰撞，把曲柄做成弯臂状,四、满足特定的工作要求,摆块机构ABC，块3作成杆状，杆状构件2作成块状，得到图示摆动导杆机构。,插齿机,牛头刨床,杆块形状变异,曲柄滑块机构中构件形状变异,第三节运动副的演化、变异与创新设计,一、转动副的变异设计二、移动副的变异设计,一、转动副的变异设计,偏心盘机构,转动副的尺寸变化,铰链四杆机构ABCD的转动副尺寸扩大,转动副B的尺寸扩大包括A,转动副C的尺寸扩大包括B,转动副D的尺寸扩大包括C,该变异增强了强度和刚度,旋转式水泵由相位依次相差90的四个双曲柄机构组成。当原动曲柄1作等角速度转动时，连杆2带动从动曲柄3作周期性变速转动，因此相邻两从动曲柄（隔板）间的夹角也周期性变化。转到右边时，相邻二隔板间的夹角及容积增大，形成真空，于是从进水口吸水；转到左边时，相邻二隔板的夹角及容积变小，压力升高，从出水口排水，从而起到泵水的作用,旋转式水泵,机构演化实例,图4-12c,机构演化实例,曲柄滑块泵,图4-12d,曲柄滑块机构ABC的变异,B处转动副尺寸扩大,C处转动副尺寸扩大。,滑块尺寸与形状变化（中空）,二、移动副的变异设计,移动滑块的扩大,四、移动副的结构变化,滚动导轨代替滑动导轨是常见的移动副变异设计,第四节运动副的等效变换与创新设计,一、空间运动副与平面运动副的等效变换二、高副与低副的等效变换三、滑动摩擦副与滚动摩擦副的等效变换,一、空间运动副与平面运动副的等效变换,球面副,球销副,圆柱副,常用的空间机构有球面副、球销副和圆柱副。其中圆柱副主要用于从动件的连接，对机构创新设计来说，不需要替换,球面副出现在主动件连接处，机构的运动控制难以控制。利用三个轴线相交的转动副代替一个球面副,一、空间运动副与平面运动副的等效变换,空间机构原动件与机架连接为球面副S时,三自由度运动很难控制，采用三个互成垂直布置的转动副R可代替球面副。,二、高副与低副的等效变换,1）低副：两构件以面接触组成的运动副2）高副：两构件点、线接触组成的运动副。,自由度数约束数每个活动件30每个低副12每个高副21,高副低代应满足的条件：,代替前后机构的自由度完全相同,代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同,二、高副与低副的等效变换,替代方法:为满足条件1):用1个构件、2个低副替代1个高副;为满足条件2):以上2个低副在机构中的位置唯一确定.,结论:在平面机构中进行高副低代时,为满足条件1)和2),只要用1个虚拟构件分别与两高副构件在过接触点的曲率中心处以转动副相联即可.,高副低代的几种情况(举例):,1)高副元素为两圆时:,2)高副元素为两任意曲线时:,若高副两元素之一为一直线(如图a)，则因其曲率中心在无穷远处，所以这一端的转动副将转化为移动副，其瞬时代替机构如图b或图c：,3)高副元素为直线和任意曲线时:,若高副两元素之一为一点(如下图a)，则因其曲率半径为零，所以曲率中心与两构件的接触点C重合，其瞬时代替机构如图b：,4）高副元素为点和任意曲线时:,书中例子：图4-17,三、滑动摩擦与滚动摩擦