第四章--机构的演化变异与创新设计

1、第4章机构的演化、变异与创新设计第四章第四章 机构的演化、变异与创新机构的演化、变异与创新前言前言 机构演化与变异的概念机构演化与变异的概念第一节第一节 机架变换与创新设计机架变换与创新设计第二节第二节 构件形状变异与创新设计构件形状变异与创新设计第三节第三节 运动副形状变异与创新设计运动副形状变异与创新设计第四节第四节 运动副等效代换与创新设计运动副等效代换与创新设计第4章机构的演化、变异与创新设计一、机构演化与变异的概念一、机构演化与变异的概念1 1、机构的演化、机构的演化 以某一基本机构为原始机构，对其机架、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，从而设计出具运动

2、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。有不同功用的新机构的过程，称为机构的演化。前言前言 机构的演化与变异的概念机构的演化与变异的概念第4章机构的演化、变异与创新设计2 2、机构的变异、机构的变异 以某一基本机构为原始机构，对其运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，称为机机构传力性能的机构设计过程，称为机构的变异。构的变异。 第4章机构的演化、变异与创新设计3 3、机构演化与变异的示例说明、机构演

3、化与变异的示例说明 以曲柄滑块机构为基本机构以曲柄滑块机构为基本机构演演化化变异变异 转动导杆机构转动导杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构 机架变换机架变换 转动副转动副B B扩大扩大曲柄滑块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构演化演化CABCABCAB第4章机构的演化、变异与创新设计二、机构演化、变异与机构创新设计二、机构演化、变异与机构创新设计1 1、机构演化方法：、机构演化方法：（1 1）改变机构中的机架（以不同的构件作为机架）改变机构中的机架（以不同的构件作为机架）（2 2）改变机构中运动副的性质（高副与低副的演化）改变机构中运动副的性质（高副与低副的演化）（3 3）改变机构中构件的尺

4、寸）改变机构中构件的尺寸ABCD3214ABCD3214曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构第4章机构的演化、变异与创新设计2 2、机构变异方法：、机构变异方法：（1 1）改变机构中运动副的尺寸）改变机构中运动副的尺寸（2 2）改变机构中运动副的形状）改变机构中运动副的形状CAB还是曲柄滑块机构还是曲柄滑块机构第4章机构的演化、变异与创新设计3 3、机构演化与变异的差别、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相同点：都是首先选定以某一基本机构为原始机 构。构。区别：区别： 机构演化变换后可得到具有不同性质的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

5、到的机构类型不新机构；机构变异后得到的机构类型不 改变。改变。第4章机构的演化、变异与创新设计一、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第一节 机架变换与创新设计机架变换与创新设计第4章机构的演化、变异与创新设计一、低副机构的机架变换一、低副机构的机架变换曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构双曲柄机构(1)(1)铰链四杆机构铰链四杆机构BCDAAADDCCBB第4章机构的演化、变异与创新设计CABCABCABCAB(2)(2)曲曲柄柄滑滑块块机机构构曲柄滑块机构曲柄滑块机

6、构转动导杆机构转动导杆机构曲柄摇块机构曲柄摇块机构移动导杆机构移动导杆机构第4章机构的演化、变异与创新设计BAABABAB(3)(3)含有两个移动副的四杆机构含有两个移动副的四杆机构双滑块机构双滑块机构双转块机构双转块机构正弦机构正弦机构第4章机构的演化、变异与创新设计四杆四杆 机构种类繁多，但是都可看作由铰链四杆机构种类繁多，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通过机架变换、运动副变换和尺寸变换演化而出的。出的。上述转换方法也可应用到其他机构的演化中。上述转换方法也可应用到其他机构的演化中。第4章机构的演化、变异与创新设计（4 4）齿轮机构的机架变换）齿轮机构的机架

7、变换定轴齿轮机构定轴齿轮机构行星齿轮机构行星齿轮机构z1z2o1o2Hz1z2o1o2H第4章机构的演化、变异与创新设计（5 5）凸轮机构的机架变换）凸轮机构的机架变换直动从动件盘形凸轮机构直动从动件盘形凸轮机构转转动动直直动动从从动动件件盘盘形形凸凸轮轮机机构构第4章机构的演化、变异与创新设计（6 6）带传动机构的机架变换）带传动机构的机架变换带传动机构带传动机构差动带传动机构差动带传动机构第4章机构的演化、变异与创新设计（6 6）间歇运动机构的机架变换）间歇运动机构的机架变换槽轮拨盘拨盘固定槽轮B:槽轮随系杆公转槽轮随系杆公转,又做间歇性自转又做间歇性自转A:拨盘自转拨盘自转,槽轮间歇自转

8、槽轮间歇自转AB第4章机构的演化、变异与创新设计6 6、创新实例分析、创新实例分析Z1、Z2、Z3为定轴轮系，为定轴轮系，固定齿轮固定齿轮Z1，得到一个行星轮系得到一个行星轮系固定齿轮固定齿轮Z3，又可得到一个行星轮系，这时可得到三种不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。同的传动比。这是行星传动变速的基本原理。第4章机构的演化、变异与创新设计一、杆状构件的尺寸演化与变异一、杆状构件的尺寸演化与变异二、块状构件的演化与变异二、块状构件的演化与变异三、避免构件之间的运动干涉三、避免构件之间的运动干涉四、满足特定的工作要求四、满足特定的工作要求第二节第二节

9、构件形状变异与创新设计构件形状变异与创新设计第4章机构的演化、变异与创新设计一、杆状构件的尺寸演化与变异一、杆状构件的尺寸演化与变异转动导杆机构机架转动导杆机构机架ABAB尺寸加大尺寸加大, ,得到摆动导杆机构得到摆动导杆机构第4章机构的演化、变异与创新设计二、块状构件的演化与变异二、块状构件的演化与变异双转块机构十字滑块连轴器第4章机构的演化、变异与创新设计三、避免构件之间的运动干涉三、避免构件之间的运动干涉ABC启闭公交车门的曲柄滑块机构中，为避免曲柄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，把曲柄做成弯臂状与启闭机构箱体发生碰撞，把曲柄做成弯臂状第4章机构的演化、变

10、异与创新设计四、满足特定的工作要求四、满足特定的工作要求摆块机构摆块机构ABCABC，块，块3 3作成杆状，杆状构件作成杆状，杆状构件2 2作成作成块状，得到图示摆动导杆机构。块状，得到图示摆动导杆机构。插齿机插齿机牛头刨床牛头刨床杆块形状变异杆块形状变异第4章机构的演化、变异与创新设计曲柄滑块机构中构件形状变异曲柄滑块机构中构件形状变异第4章机构的演化、变异与创新设计第三节第三节 运动副的演化、变异与创新设计运动副的演化、变异与创新设计 一、转动副的变异设计一、转动副的变异设计 二、移动副的变异设计二、移动副的变异设计 第4章机构的演化、变异与创新设计 一、转动副的变异设计一、转动副的变异设

11、计 偏心盘机构偏心盘机构转动副的尺寸变化转动副的尺寸变化第4章机构的演化、变异与创新设计铰链四杆机构铰链四杆机构ABCDABCD的转动副尺寸扩大的转动副尺寸扩大转动副转动副B B的尺寸扩大包括的尺寸扩大包括A A , ,转动副转动副C C的尺寸扩大包括的尺寸扩大包括B B转动副转动副D D的尺寸扩大包括的尺寸扩大包括C C该变异增强了强度和刚度第4章机构的演化、变异与创新设计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

12、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4-12 c第4章机构的演化、变异与创新设计机构演化实例曲柄滑块泵图4-12 d第4章机构的演化、变异与创新设计曲柄滑块机构曲柄滑块机构ABC的变异的变异B处转动副尺寸扩大处转动副尺寸扩大,C处转动副尺寸扩大。处转动副尺寸扩大。滑块尺寸与形状变化（中空）滑块尺寸与形状变化（中空） 二、移动副的变异设计二、移动副的变异设计移动滑块的扩大第4章机构的演化、变异与创新设计 四、移动副的结构变化四、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4章机构的演化、变异与创

13、新设计第四节第四节 运动副的等效变换与创新设计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三、滑动摩擦副与滚动摩擦副的等效变换第4章机构的演化、变异与创新设计一、空间运动副与平面运动副的等效变换一、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第4章机构的演化、变异与

14、创新设计一、空间运动副与平面运动副等效变换一、空间运动副与平面运动副等效变换x电机电机1y电机电机2z电机电机3SSRR1234空间机构原动件与机架连接为球面副空间机构原动件与机架连接为球面副S时时,三自三自由度运动很难控制，采用三个互成垂直布置的由度运动很难控制，采用三个互成垂直布置的转动副转动副R可代替球面副。可代替球面副。第4章机构的演化、变异与创新设计二、高副与低副的等效变换二、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 3 0 每个低副 1 2 每个高副 2 1第4章机构的演化、变异与创新设计高副

15、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二、高副与低副的等效变换 替代方法: 为满足条件为满足条件1):用用1个构件、个构件、2个低副替代个低副替代1个高副个高副; 为满足条件为满足条件2):以上以上2个低副在机构中的位置唯一确定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在平面机构中进行高副低代时,为满足条件为满足条件1)和和2),只要只要用用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处以转动副相联即可.第4章机构的演化、变异与创

16、新设计O12r1A31nO2r2nBa)32A1B4b) 高副低代的几种情况高副低代的几种情况(举例举例) : 1)高副元素为两圆时高副元素为两圆时:第4章机构的演化、变异与创新设计b)32A1B4O1O2任意曲线轮廓高副机构任意曲线轮廓高副机构O12r1A31nO2r2nBa)C曲率圆曲率圆2)高副元素为两任意曲线时高副元素为两任意曲线时:第4章机构的演化、变异与创新设计123BO1AO2a)Cb)23BAC41c)23BO1AC41 若高副两元素之一为一直线若高副两元素之一为一直线(如图如图a)，则因其曲率中心在无穷，则因其曲率中心在无穷远处，所以这一端的转动副将转远处，所以这一端的转动副

17、将转化为移动副，其瞬时代替机构如化为移动副，其瞬时代替机构如图图b或图或图c：3)高副元素为直线和任意曲线时高副元素为直线和任意曲线时:第4章机构的演化、变异与创新设计a)123ACBO1n(O2)nb)AO1O22413B 若高副两元素之一为一点若高副两元素之一为一点(如下图如下图a)，则因其曲率半径为零，所以曲率中，则因其曲率半径为零，所以曲率中心与两构件的接触点心与两构件的接触点C重合，其瞬时代替机构如图重合，其瞬时代替机构如图b：4）高副元素为点和任意曲线时）高副元素为点和任意曲线时:第4章机构的演化、变异与创新设计书中例子：图书中例子：图4-174-17O1ABO2O1ABO2O1ABO2 O1ABO2 第4章机构的演化、变异与创新设计三、滑动摩擦与滚动摩擦副的等效变换三、滑动摩擦与滚动摩擦副的等效变换滑动导