机械创新设计(第九章)

1、如图如图1所示的所示的K-H-V渐开线少齿差行星渐开线少齿差行星齿轮传动是一种将连杆（行星齿轮）作齿轮传动是一种将连杆（行星齿轮）作为输出构件的较新型机械传动。为输出构件的较新型机械传动。这种机构因传动比大，一级可达这种机构因传动比大，一级可达135，结构紧凑，重量轻，加工方便，维修结构紧凑，重量轻，加工方便，维修容易，效率较高，而得到人们的应容易，效率较高，而得到人们的应用。少齿差行星齿轮传动主要由基本用。少齿差行星齿轮传动主要由基本构件行星轮、内齿中心轮，转臂和输构件行星轮、内齿中心轮，转臂和输出轴组成出轴组成 。211221zznnnniiHHHHV2121zznnH2122121zzz

2、zziH212122221zzzzzziiiHHVH 第九章第九章 机械创新设计实例分析机械创新设计实例分析 第一节第一节 平动齿轮传动机构平动齿轮传动机构 一、平动齿轮机构的结构及传动原理一、平动齿轮机构的结构及传动原理1平动齿轮机构的基本型平动齿轮机构的基本型 平动齿轮机构的基本型由外平动齿轮机构和内平动齿平动齿轮机构的基本型由外平动齿轮机构和内平动齿轮机构两种基本型组成。轮机构两种基本型组成。 外平动齿轮机构的基本型：外平动齿轮机构是指一个外平动齿轮机构的基本型：外平动齿轮机构是指一个齿轮在另一个齿轮的外部作平动，驱动另一个齿轮作定轴齿轮在另一个齿轮的外部作平动，驱动另一个齿轮作定轴转动

3、。图转动。图9-1a所示为内啮合平动齿轮机构；图所示为内啮合平动齿轮机构；图9-1b所示为所示为外啮合平动齿轮机构。外啮合平动齿轮机构。 可以演化成图可以演化成图9-2所示的二环减速器和三环减速器。所示的二环减速器和三环减速器。2传动原理传动原理 运动和动力输入时，支承在两高速轴上的内齿轮运动和动力输入时，支承在两高速轴上的内齿轮G作平面作平面平动，并驱动与之啮合的定轴外齿中心轮平动，并驱动与之啮合的定轴外齿中心轮K，使运动和动力从，使运动和动力从与其固联的从动轴输出，从而实现了大速比减速。与其固联的从动轴输出，从而实现了大速比减速。 当单轴输入时，每一片行星轮在当单轴输入时，每一片行星轮在0

4、和和180位置时，是位置时，是不能传递运动和扭矩的，所以必须要用三片以上的内齿轮才能不能传递运动和扭矩的，所以必须要用三片以上的内齿轮才能正常地工作。正常地工作。3运动学分析运动学分析4外平动齿轮传动的特点外平动齿轮传动的特点（1）传动比大、分级密集，单级传动比在）传动比大、分级密集，单级传动比在1199之间，双级之间，双级传动比可达传动比可达9801。（2）承载能力大）承载能力大 啮合时几乎是面接触，齿面赫兹应力小。单啮合时几乎是面接触，齿面赫兹应力小。单个转臂轴承变换为多个转臂轴承分担载荷，转臂轴承的寿命个转臂轴承变换为多个转臂轴承分担载荷，转臂轴承的寿命可达两万小时，且转臂轴承等基本构件

5、不受内齿轮尺寸的限可达两万小时，且转臂轴承等基本构件不受内齿轮尺寸的限制，可以按强度要求确定，利于按强度进行优化设计。制，可以按强度要求确定，利于按强度进行优化设计。 KGKGHKzzzi（3）传动效率高）传动效率高 同同K-H-V型少齿差行星传动相比，因省去型少齿差行星传动相比，因省去了了W输出机构，单级传动效率可达输出机构，单级传动效率可达92%96%。（4）结构紧凑，体积小，重量轻）结构紧凑，体积小，重量轻（5）制造简单、维修拆装方便）制造简单、维修拆装方便（6）能单轴或多轴传输动力）能单轴或多轴传输动力5外平动齿轮传动存在的问题：外平动齿轮传动存在的问题： 1）为避免传动发生渐开线齿廓

6、重迭干涉，内齿轮副应采用）为避免传动发生渐开线齿廓重迭干涉，内齿轮副应采用角变位齿轮传动中的正传动（角变位齿轮传动中的正传动（x1+x20），并降低齿高，），并降低齿高，形成非标准的短齿。啮合角形成非标准的短齿。啮合角增加，使传动机构的动力增加，使传动机构的动力学性能变差。学性能变差。 2）必须满足一定的装配条件能装配起来。同时也为精度）必须满足一定的装配条件能装配起来。同时也为精度设计增加了限制条件。设计增加了限制条件。 3）传动机构的振动大、噪声高，并随着转速的提高迅速）传动机构的振动大、噪声高，并随着转速的提高迅速增加。增加。 上述存在的问题是这种传动的基本原理所决定的，改进上述存在的问

7、题是这种传动的基本原理所决定的，改进传动原理，开发新的传动类型是平动齿行星轮传动发展传动原理，开发新的传动类型是平动齿行星轮传动发展的重要途径。的重要途径。外平动齿轮机构的外平动齿轮机构的A、D两轴之距离受结构的限制两轴之距离受结构的限制eADddL20式中式中 d0内齿轮根圆直径；内齿轮根圆直径； d2e偏心轴距。偏心轴距。 外平动齿轮机构的尺寸难以缩小，而且提供内齿轮作平动外平动齿轮机构的尺寸难以缩小，而且提供内齿轮作平动的曲柄轴只能有两个，限制了输入功率的分流，不利于传递过的曲柄轴只能有两个，限制了输入功率的分流，不利于传递过大的功率。大的功率。6内平动齿轮机构的基本型及其演化内平动齿轮

8、机构的基本型及其演化 图图9-4所示为内平动齿轮机构的基本型。图所示为内平动齿轮机构的基本型。图9-5所示的内二环所示的内二环减速器和内三环减速器。减速器和内三环减速器。内平动齿轮机构可获得较小尺寸和重量，其整机性能优于外内平动齿轮机构可获得较小尺寸和重量，其整机性能优于外平动齿轮机构。平动齿轮机构。二、平动齿轮传动的关键技术二、平动齿轮传动的关键技术 使齿轮实现圆平动运动的机构为圆平动机构。常用的圆平动机构有：1用平行四边形机构实现齿轮圆平动 应用“机构同性异形变换原理”，以平行四边形机构为原始机构，可以演化出多种性能相同而结构不同的圆平动机构。 2用正弦机构实现齿轮圆平动用正弦机构实现齿轮

9、圆平动3用孔销机构实现齿轮圆平动用孔销机构实现齿轮圆平动 应用应用“机构同性异形变换原理机构同性异形变换原理”，还可以演化出多种圆平，还可以演化出多种圆平动机构。它的性能决定了平动齿轮传动的性能，所以每综合出动机构。它的性能决定了平动齿轮传动的性能，所以每综合出一种圆平动机构，就得到一种新型平动齿轮传动。一种圆平动机构，就得到一种新型平动齿轮传动。三、平动齿轮机构的演化三、平动齿轮机构的演化 平动发生器是平动齿轮机构的关键技术。不同的平动发生器，平动发生器是平动齿轮机构的关键技术。不同的平动发生器，会演化出结构不同的平动齿轮机构，相同的平动发生器，结构不会演化出结构不同的平动齿轮机构，相同的平

10、动发生器，结构不同，也会演化出性能差异很大的平动齿轮传动装置。同，也会演化出性能差异很大的平动齿轮传动装置。1浮动盘式平动齿轮机构浮动盘式平动齿轮机构 根据根据“机构同性异形变换原理机构同性异形变换原理”，用浮动盘式，用浮动盘式W机构去替代机构去替代孔销式孔销式W机构，就形成了图机构，就形成了图9-9所示圆平动齿轮机构运动简图。所示圆平动齿轮机构运动简图。2平动齿轮减速滚筒平动齿轮减速滚筒 图图9-10所示为平动齿轮减速滚筒结构简图，由电动机所示为平动齿轮减速滚筒结构简图，由电动机1、滚、滚筒筒2和孔销式平动齿轮机构和孔销式平动齿轮机构3串联组成。电动机串联组成。电动机1、平动发生器销、平动发

11、生器销轴与机架固联，内齿中心轮与卷筒固联为输出件，形成卷扬机型轴与机架固联，内齿中心轮与卷筒固联为输出件，形成卷扬机型减速装置。减速装置。 平动齿轮减速滚筒具有：传动比大、机械效率高、结构紧凑、平动齿轮减速滚筒具有：传动比大、机械效率高、结构紧凑、尺寸和重量轻、均载性能好等优点。尺寸和重量轻、均载性能好等优点。3双曲柄平动齿轮机构双曲柄平动齿轮机构 多曲柄平动齿轮机构。如图多曲柄平动齿轮机构。如图9-11所示。所示。 多曲柄平动齿轮机构的传动多曲柄平动齿轮机构的传动原理：输入轴的转速经第一级减原理：输入轴的转速经第一级减速后，由平动发生器传递给平动速后，由平动发生器传递给平动齿轮齿轮ZG，同时

12、限制了平动齿轮，同时限制了平动齿轮ZG的自转，再经第二级减速后，的自转，再经第二级减速后，由内齿中心轮由内齿中心轮Zb输出。其传动比输出。其传动比统一表达式为统一表达式为21121)(iiZZZZZiGbbHb式中 i1第一级减速传动比； i2第二级传动比。第二节第二节 活齿减速带轮机构活齿减速带轮机构一、概述一、概述 将带传动和行星传动组合起来，在不增加带轮外廓尺寸的将带传动和行星传动组合起来，在不增加带轮外廓尺寸的条件下，研制出具有两种传动综合优良性能的行星减速带轮。条件下，研制出具有两种传动综合优良性能的行星减速带轮。如：摆线针齿减速带轮、如：摆线针齿减速带轮、2K-H行星减速带轮、变速

13、传动轴承行星减速带轮、变速传动轴承减速带轮、钢球行星摩擦减速带轮等。减速带轮、钢球行星摩擦减速带轮等。 研制出传动性能优越的行星减速带轮主要取决于两个方面：研制出传动性能优越的行星减速带轮主要取决于两个方面： 1）选择好原始机构）选择好原始机构带传动和行星传动的类型；带传动和行星传动的类型； 2）解决好带轮与行星传动的结合。）解决好带轮与行星传动的结合。 行星减速带轮机构以全滚动摆动活齿传动为基础，利用外行星减速带轮机构以全滚动摆动活齿传动为基础，利用外激波活齿传动的结构特点，使带轮与外激波器合二为一，摆动激波活齿传动的结构特点，使带轮与外激波器合二为一，摆动活齿减速带轮。活齿减速带轮。二、原

14、始机构选择二、原始机构选择1行星传动的选择行星传动的选择外激波摆外激波摆动活齿传动动活齿传动（1）组成结构及传动原理）组成结构及传动原理 图图9-12所示所示 外激波摆动活齿传动的传动原外激波摆动活齿传动的传动原理；当驱动力输入后，输入轴以等理；当驱动力输入后，输入轴以等角速度带动外激波器角速度带动外激波器H绕固定主轴绕固定主轴线转动，由于外激波器内轮廓径向线转动，由于外激波器内轮廓径向尺寸的变化，产生向心的推力，推尺寸的变化，产生向心的推力，推动摆动活齿绕其在活齿架上的铰链动摆动活齿绕其在活齿架上的铰链点摆动，通过摆动活齿中心轮高副点摆动，通过摆动活齿中心轮高副啮合运动，摆动活齿推动外齿中心

15、啮合运动，摆动活齿推动外齿中心轮轮K以等角速度绕主轴线转动，使以等角速度绕主轴线转动，使与其固联的输出轴获得输出转速，与其固联的输出轴获得输出转速，于是外激波摆动活齿传动完成了转于是外激波摆动活齿传动完成了转速变换运动。速变换运动。（2）传动比的计算）传动比的计算 活齿传动传动比通用方程式为活齿传动传动比通用方程式为BCAACBii1式中，下角标式中，下角标A、B、C代表活齿传动中的三个基本构件。代表活齿传动中的三个基本构件。第一种类型：摆动活齿轮第一种类型：摆动活齿轮G固定固定GKKKGGKHGGHKzzzzzzii11第二种类型：外齿中心轮第二种类型：外齿中心轮K固定，摆动活齿轮固定，摆动

16、活齿轮G从动，外激器从动，外激器H主动主动。GKKKGGGHKKHGzzzzzzii11（3）外齿中心轮的齿形综合）外齿中心轮的齿形综合（4）外激波摆动活齿传动的优缺点）外激波摆动活齿传动的优缺点 1）省掉了少齿差传动中的）省掉了少齿差传动中的W输出机构输出机构 2）提高了摆动活齿与激波器高副的接触强度）提高了摆动活齿与激波器高副的接触强度 3）外齿中心轮）外齿中心轮K的特点的特点 4）外激波器的尺寸大，动平衡性能差）外激波器的尺寸大，动平衡性能差2带传动的选择带传动的选择 图图9-14a所示为带传动的一种从动带轮结构。如图所示为带传动的一种从动带轮结构。如图9-14b所示，齿轮副合状态和轴承

17、所示，齿轮副合状态和轴承4的受力状态都得到改善，的受力状态都得到改善，取得极好效果。称这种结构的带轮为卸荷带轮。带传动的取得极好效果。称这种结构的带轮为卸荷带轮。带传动的从动带轮仍采用卸荷结构。从动带轮仍采用卸荷结构。三、活齿减速带轮的形成三、活齿减速带轮的形成1带轮与外激波器的组合（1）电动机转速ne是通过一级带传动减速后才输送给带轮激波器的，所以外激波摆动活齿传动的输入转速大幅度降低，外激波摆动活齿轮的转速nH为：deHinn/ 式中式中 id带传动的传动比。带传动的传动比。 （2）带轮激波器使绕固定轴转动的带轮成为外激波器的）带轮激波器使绕固定轴转动的带轮成为外激波器的一部分，这就为外激

18、波器调整质量布置创造了极好条件，使一部分，这就为外激波器调整质量布置创造了极好条件，使带轮激波器靠自身质量分布即可实现动平衡。带轮激波器靠自身质量分布即可实现动平衡。 2卸荷带轮设计卸荷带轮设计 3带轮外激波器的平衡设计带轮外激波器的平衡设计四、应用实例四、应用实例游梁式抽油机减速器的改进设计游梁式抽油机减速器的改进设计第三节第三节 变速凸轮机构变速凸轮机构)(XYY 变凸轮机构的变凸轮机构的“等速驱动等速驱动”为为“变速驱动变速驱动”，形成变速凸轮，形成变速凸轮机构。其效果是提高了凸轮机构的运动和动力性能，为凸轮机机构。其效果是提高了凸轮机构的运动和动力性能，为凸轮机构的标准化创造了条件。构

19、的标准化创造了条件。一、机构的传动函数一、机构的传动函数机构的输入输出特性。如图机构的输入输出特性。如图9-16所示。所示。用函数表示为传动函数：用函数表示为传动函数：根据传动函数的数学性质，将机构划分为根据传动函数的数学性质，将机构划分为“线性机构线性机构”与与“非非线性机构线性机构”两种类型。线性机构和非线性机构分别对应于传统两种类型。线性机构和非线性机构分别对应于传统概念中的定传动比机构和变传动比机构。机构的类型如表概念中的定传动比机构和变传动比机构。机构的类型如表9-1所示。所示。表表9-1 根据传动函数的数学性质划分机构的类型根据传动函数的数学性质划分机构的类型“机构的驱动方式机构的

20、驱动方式”用于描述机构原动件的运动状态，包括用于描述机构原动件的运动状态，包括“等等速驱动速驱动”和和“变速驱动变速驱动”两种类型。两种类型。“等速驱动等速驱动”指机构输入指机构输入运动的位移是以时间为自变量的线性函数；运动的位移是以时间为自变量的线性函数；“变速驱动变速驱动”指机指机构输入运动的位移是以时间为自变量的非线性函数。如表构输入运动的位移是以时间为自变量的非线性函数。如表9-2所示。所示。表表9-2 根据输入运动函数的数学性质划分机构的驱动方式根据输入运动函数的数学性质划分机构的驱动方式原动机是把某种形式的原动机是把某种形式的能量转化为机构运动的能量转化为机构运动的装置，如图装置，

21、如图9-17所示。所示。根据输出运动函数的数根据输出运动函数的数学性质可将原动机划分学性质可将原动机划分为为“线性原动机线性原动机”与与“非线性原动机非线性原动机”两种两种类型：如表类型：如表9-3所示：所示：表表9-3 根据输出运动函数的数学性质划分原动机的类型根据输出运动函数的数学性质划分原动机的类型二、凸轮机构的主动控制二、凸轮机构的主动控制 将控制系统与凸轮机构结合起来，融合其优点，改善凸将控制系统与凸轮机构结合起来，融合其优点，改善凸轮机构的动态特性，并使凸轮机构标准化，为凸轮机构的发轮机构的动态特性，并使凸轮机构标准化，为凸轮机构的发展开辟出新的途径。展开辟出新的途径。 因此，通过

22、运动控制，可以在不改变凸轮廓线的前提下，因此，通过运动控制，可以在不改变凸轮廓线的前提下，根据要求改变从动件的运动学性能，从而使凸轮机构具有了根据要求改变从动件的运动学性能，从而使凸轮机构具有了一定程度的通用性，为凸轮机构的标准化提出了一个可能的一定程度的通用性，为凸轮机构的标准化提出了一个可能的实现途径。进而，通过振动控制的研究，有望改善凸轮机构实现途径。进而，通过振动控制的研究，有望改善凸轮机构的动态性能，并使之具有一定程度的自适应性及智能性的动态性能，并使之具有一定程度的自适应性及智能性。三、反凸轮机构的主动控制三、反凸轮机构的主动控制 以基本凸轮机构为原始机构，应用“机构运动变换原理”

23、，将其主动件和从动件对换，即推杆为主动件，凸轮为从动件，所形成的新机构是原始机构的转化机构，通常称其为倒置凸轮机构或反凸轮机构。 以主动件推杆为刀具，以从动件凸轮为毛坯，用来形成凸轮轮廓线的方法，是一种成熟的凸轮制造技术。 凸轮机构主动控制技术应用到其转化机构反凸轮机构中来，就可以形成反凸轮机构主动控制技术，由此可获得一种高精度的加工技术。四、变速凸轮机构的性能四、变速凸轮机构的性能 1）对于具有固定凸轮廓线的凸轮从动件系统，可以通过控制凸轮转速的变化规律来改变从动件的运动学特性，如降低从动件的理论最大速度与理论最大加速度。 2）可以使具有对称凸轮廓线的凸轮系统，生成非对称的从动件运动规律。为

24、凸轮机构的标准化创造了条件。 3）通过控制凸轮转速的变化规律，可以显著地降低凸轮系统中的残余振动，提高了凸轮机构的动态性能。第四节第四节 同轨迹连杆机构同轨迹连杆机构 同轨迹连杆机构是指机构的自由度数F相同、输入构件的运动规律相同、输出构件上的一点轨迹相同的一组连杆机构，但这组连杆机构的运动学尺寸不同，所以其受力状态、动态性能有巨大差异。 罗伯特契贝谢夫定理：由一个四杆铰链机构发生的一条连杆曲线，还可以由另外两个四杆铰链机构发生出来。或表达为同一连杆曲线，可以用三个不同的四杆机构来实现。一、连杆点一、连杆点K位于连杆两铰链连线上的同迹连杆机构位于连杆两铰链连线上的同迹连杆机构 图形缩放原理：图

25、9-18a所示为一平行四边形导引机构，当A点沿任意给定轨迹运动时，C点将绘出与A点相似但缩小了的轨迹。1）A在直线在直线KB的任何位置都有：的任何位置都有：)(射线定理常数mKBABCOAO2）当此四边形作为一刚体绕）当此四边形作为一刚体绕O转动一角度转动一角度时，时，A点转到点转到A，按射线定理：按射线定理：mCOAOCCAA第一个同迹连杆机构设计：第一个同迹连杆机构设计：曲线摇杆机构曲线摇杆机构C0CDO为所求的第一个同迹连杆机构，为所求的第一个同迹连杆机构，K为连杆为连杆CD延长线上的点。所求曲柄摇杆机构的尺寸：延长线上的点。所求曲柄摇杆机构的尺寸：mAOABKBOAOC00mAAABK

26、BAACC000mABKBDOABAKBOKC ABKBBOABAKBOBOKCBOCD 第二个同迹连杆机构设计：第二个同迹连杆机构设计：A0EFC0为所求的第二个同迹连为所求的第二个同迹连杆机构。杆机构。K为连杆为连杆EF上的点。所求双摇杆机构的尺寸：上的点。所求双摇杆机构的尺寸： C0是两个同迹连杆机构中共同的新机架的固定铰链点，机是两个同迹连杆机构中共同的新机架的固定铰链点，机架的三个固定铰链点架的三个固定铰链点A0、O、C0组成了三种可能的组合：组成了三种可能的组合：A0与与O，A0与与C0，O与与C0。如图。如图9-18d所示。所示。 K点在这三个机构中描绘出同一条连杆曲线。点在这三

27、个机构中描绘出同一条连杆曲线。二、任一连杆点二、任一连杆点K的同迹连杆机构的同迹连杆机构 平面导引机构：是一种在参考平面上引导一个物体顺序通平面导引机构：是一种在参考平面上引导一个物体顺序通过给定位置的装置。当采用连杆机构作导引机构时，连杆一般过给定位置的装置。当采用连杆机构作导引机构时，连杆一般用作导引杆，常要求连杆相对机架作导引。用作导引杆，常要求连杆相对机架作导引。第五节第五节 自适应机构自适应机构 在改造现有设备或设计新机构时，通过选用自位轴承、基在改造现有设备或设计新机构时，通过选用自位轴承、基本构件浮动、运动副合理选配及组合等方法，消除机构中存在本构件浮动、运动副合理选配及组合等方

28、法，消除机构中存在的多余约束，使机构成为一个无多余约束的静定系统，即具有的多余约束，使机构成为一个无多余约束的静定系统，即具有“自适应性自适应性”的系统，称为机构自适应变换。无多余约束的机的系统，称为机构自适应变换。无多余约束的机构称自适应机构。构称自适应机构。一、机构中的多余约束及其计算一、机构中的多余约束及其计算 运动副自由度运动副自由度F是运动副中可能发生的彼此独立的相对简是运动副中可能发生的彼此独立的相对简单运动的数目。被运动副限制了的相对简单运动称为约束单运动的数目。被运动副限制了的相对简单运动称为约束（Unfreiheit）。提供一个约束的运动副称为）。提供一个约束的运动副称为I级

29、副，提供两个级副，提供两个约束的运动副称为约束的运动副称为级副，则空间机构自由度计算公式可以写级副，则空间机构自由度计算公式可以写成成5112345)2345(66KKPPPPPnKPnF式中式中 F机构的自由度；机构的自由度； n活动构件数；活动构件数； K运动副的级别（即运动副的约束数）；运动副的级别（即运动副的约束数）； PK级别为级别为K的运动副数目。的运动副数目。这就是著名的马雷舍夫公式。该公式适用于一般空间机构。这就是著名的马雷舍夫公式。该公式适用于一般空间机构。在机构中，有些运动副的约束可能与其他运动副的约束重复，在机构中，有些运动副的约束可能与其他运动副的约束重复，这种对机构的

30、相对运动不起独立限制作用的约束称为多余约束。这种对机构的相对运动不起独立限制作用的约束称为多余约束。机构中的多余约束常发生在下述情况：机构中的多余约束常发生在下述情况：（1）在特定几何条件下出现的多余约束）在特定几何条件下出现的多余约束 轨迹重合：在图轨迹重合：在图9-25所示的双滑块机构中所示的双滑块机构中关联移动副和转动副：几个移动副，导路互相平行，转动副的关联移动副和转动副：几个移动副，导路互相平行，转动副的轴线互相重合。假构件的添置：轴线互相重合。假构件的添置：（2）运动副选择不当出现的多余约束）运动副选择不当出现的多余约束 运动副组合的元素往往运动副组合的元素往往具有多个接触面，这些接触面必须有精确且固定的形状和位置。具有多个接触面，这些接触面必须有精确且固定的形状和位置。由于制造误差和受力变形等原因改变了它的形状和位置，就会发由于制造误差和受力变形等原因改变了它的形状和位置