机构方案创新设计和组合方式

1、机构方案创新设计和组合方式6.1 组合创新机构 是用多种基本机构组合来实现某些复杂的要求。 进行机构的组合设计是实现机械创新的一个很重要途径。 机构的组合方式可划分为以下四种： 6.1.1 串联组合机构 6.1.2 并联组合机构 6.1.3 复合组合机构 6.1.4 叠加组合机构型串联 6.1.1 串联组合机构 是指若干个单自由度的基本机构A、B、C顺序联接，每一个前置机构的输出运动是后置机构的输入，分为： I型串联联接点设在前置机构作简单运动的连架杆上； II型串联联接点设在前置机构作平面复杂运动的构件上。 II型串联 讨论两个基本机构的串联组合，设定这两个基本机构分别为前置子机构和后置子机

2、构，需要了解每种基本机构的性能特点，可推荐的串联组合方法常有以下几种： 1. 前置子机构为连杆机构 I型串联，输出构件为连架杆，能实现往复摆动、往复移动、变速转动输出，可具有急回性质。常采用的后置机构有：(1) 连杆机构 可利用变速转动的输入获得等速转动的输出，还可以实现增程和增力的作用；(2) 凸轮机构 可获得变速凸轮、移动凸轮，使后置子机构的从动件获得更多的运动规律；(3) 齿轮机构 获得从动齿轮或齿条的大行程摆动或移动，还可利用变速转动的输入获得齿轮机构的增速或减速；(4) 槽轮机构 利用变速转动输入，减小槽轮转位的速度波动；(5) 棘轮机构 利用往复摆动和移动拨动棘轮间歇转动。 II型

3、串联，输出构件是作平面运动的连杆，利用连杆上某些点的特殊轨迹直线、圆弧曲线、“8”字曲线等等，使后置子机构的输出构件获得某些特殊的运动规律，如停歇、行程两次重复等。 后置子机构常采用连杆机构，从而组合成多杆机构。 也可以尝试采用其它类型基本机构作为后置子机构，也许会获得可喜的创新效果。2. 前置子机构为凸轮机构凸轮机构的从动件输出移动或摆动时，其特点是输出的移动或摆动可以实现任意的运动规律，但行程太小。后置子机构利用凸轮机构输出构件的运动规律改善后置子机构的运动特性，或使其运动行程增大。 后置子机构可以是连杆机构、齿轮机构、槽轮机构、凸轮机构等。 当凸轮机构演化成固定凸轮的凸轮机构时，从动件可

4、实现平面复杂运动，这样也可采用型串联组合。3. 前置子机构为齿轮机构 齿轮机构输出转动或移动。 后置子机构可以是齿轮机构、连杆机构、凸轮机构等等，可获得各种减速、增速以及其它的功能要求。 行星齿轮机构的输出构件可以是行星轮上，这属于型串联机构组合。 利用这种轨迹可以实现较特殊的运动规律要求。后置子机构理论上也可以是各种基本机构，但常用的是连杆机构。 一、I型串联组合 I型串联式组合常用于改善输出构件的运动和动力特性，或用于运动或力的放大。 1 给定的运动规律 椭圆齿轮连杆机构 前置机构为输出非匀速转动的椭圆齿轮机构，通过一对齿轮串联后置机构。使后置机构的主动曲柄3输入非匀速转动，使从动件5近似

5、实现匀速移动。 前置机构为转动导杆机构，输出杆BE作非匀速运动，从而使从动件4实现近似匀速往复移动。 ABD为前置机构，曲柄1为主动件，绕固定轴A匀速转动， BE输出非匀速转动。 六杆机构BCEFG为后置机构，曲柄BE输入的是非匀速转动，中和后续机构的转速变化。 当曲柄1匀速转动时，滑块4在某区段内实现近似匀速往复移动。 牛头刨床的导杆机构2 增力 前置机构为铰链四杆机构ABCD，后置子机构为摇杆滑块机构DCE。 串联组合的目的是增加输出构件滑块E的冲压力。 若连杆BC所受力为F，连杆CE所受力为P，则滑块所产生的压力Q为 Q=Pcos=（FL/S）cos 减小和S，增大L均能增大Q力。设计时

6、可根据要求确定、S和L。 3 运动速度和行程的放大 二、型串联组合 利用前置子机构与后置子机构联接点处的特殊运动轨迹，使机构的输出构件实现所要求的运动规律。 图6-6 具有停歇的六杆机构 在铰链四杆机构OBCD中，连杆E点的轨迹上有一段近似直线(图中虚线所示)，以F点为转动中心的导杆，在图示位置，其导向槽与E点轨迹的近似直线段重合，当E点沿直线部分运动时导杆停歇。 图6-7 实现从动件两次动程的六杆机构 在一个运动循环内，滑块可实现两个不同的行程。 在铰链四杆机构BCDE中，连杆2的A点画出一个具有自交点的横向8字形的连杆曲线(图中虚线所示)，与连杆2铰接在A点的构件4又和沿固定导路移动的滑块

7、5在F点铰接。 这样就导致曲柄1回转一周时，滑块5可往复移动两次。 系杆1为输入构件，行星齿轮2与固定齿轮5相啮合，当两齿轮的齿数满足z33z2时，轮2节圆上点的轨迹是3段近似圆弧的摆线，其圆弧的半径近似等于8r2 。 选连杆4的长度等于8r2时，滑块5与连杆4的铰接点近似位于圆心处，则滑块处于停歇状态。 图6-8 行星齿轮连杆机构间歇机构6.1.2 并联组合机构 两个或多个基本机构并列布置，称为机构并联式组合。按基本机构输入和输出形式分：a) 型并联；b)型并联； c)型并联 并联式机构组合的特点是，两个子机构并列布置，运动并行传递。如果按输出运动的性质划分，又可分为简单型和复杂型。 型并联

8、型并联型并联一、I型并联式组合 图6-10 V形双缸发动机图6-11 襟翼操纵机构 型并联图6-13 钉扣机针杆传动图6-12 缝纫机针杆传动 型并联二、型并联式组合 图6-14 双棘爪机构图6-15 活塞机的齿轮杠杆机构型并联图6-16 压力机的螺旋杠杆机构图6-17 矩形轨迹输送机构型并联图6-21 写R字的凸轮机构动画yx型并联三、III 型并联组合 图6-18 冲压机机构图6-19 织丝机构开口机机构型并联图6-20 冲压机的凸轮连杆机构型并联6.1.3 复合组合机构 一个具有两个自由度的基础机构A和一个附加机构B并接在一起的组合复合式机构。基础机构A一般为二自由度机构，如差动齿轮机构

9、，五连杆机构，或引入空间运动副的空间运动机构；附加机构B如单自由度的连杆机构，凸轮机构，齿轮机构等。 分为并接复合式和回接复合式2种组合方式 a)构件并接式 b)机构回接式 并接复合式是基础机构与附加机构各自取出一个作平面运动的构件并接，再各自取出一个连架杆并接，运动由基础机构中参加并接的连架杆输入，再由基础机构中另一个连架杆输出。 并接复合式图6-23 凸轮连杆组合机构图6-24 齿轮连杆组合机构一、构件并接复合式组合 1234二、机构回接复合式组合 回接复合式是基础机构与附加机构中两个连架杆并接，附加机构中另一个连架杆负责把运动回接到基础机构中作复杂运动的构件中去。 图6-26 传动误差补

10、偿机构 21= 1z1/z2 22= s1/r2 2= 1z1/z2 s1/r26.1.4 叠加组合机构 图6-27 叠加式机构组合 将一个机构安装在另一个机构的某个运动构件上的组合形式为叠加式机构组合，其输出的运动是若干个机构输出运动的合成。 这种组合的运动关系有两种情况，一种是各机构的运动关系是相互独立的称为运动独立式；另一种则是各机构之间的运动有一定的影响称为运动相关式。 图6-27是这种组合形式的运动传递框图，图中仅表示了最基本的机构叠加形式，在此基础上还可以继续叠加C、D等一系列机构。 一、运动独立式 图6-28 电动奔马 由曲柄摇块机构ABC安装在两杆机构的转动构件4上组合而成的。

11、由转动构件4和曲柄1输入转动，致使马的运动轨迹是旋转运动和平面运动的叠加，产生了一种飞奔向前的动态效果。 图6-29 圆柱坐标型工业机械手 工业机械手的手指A为一开式运动链机构，安装在水平移动的气缸B上，而气缸B叠加在链传动机构的回转链轮C上，链传动机构又叠加在“X”形连杆机构D的连杆上。 使机械手的终端实现上下移动、回转运动、水平移动以及机械手本身的手腕转动和手指抓取的多自由度、多方位动作效果，以适应各种场合的作业要求。 图6-30 液压挖掘机机构 液压挖掘机由3套液压摆缸机构叠加组成。第一套使大转臂4实现仰俯动作；第二套使小转臂7实现伸缩摇摆；第三套机构使铲斗10完成复杂的挖掘动作。 二、

12、运动相关式 求i15 求6.2 机构同性变换原理 机构同性变换是指运动性能相同而形态不同的一组机构机构族。下面介绍相同轨迹机构和相同运动规律机构，供机构创新设计选择。 一、直线机构1.精确直线机构 图6-33 对称五杆铰链机构图6-322.近似直线导向机构 近似直线导向机构由平面连杆机构组成。在连杆上某一点能绘出一条与直线有许多交点的近似直线段。图6-34 近似直线机构354二、圆机构1. 精确圆机构 图6-35 图6-36 2. 近似圆机构 图6-37当机构尺寸满足下列条件时：CD=BC=CM=1，AB=0.136，AD=1.41，M轨迹为近似圆形。 6.2.2 同运动规律机构机构的结构不同

13、而运动规律相同的一组机构是同性异形机构中的重要组成部分，称为同运动规律机构。一、动平行轴转速传递机构与平行四边形机构 （a）pPHd2（b）图6-38 少齿差行星减速器二、十字滑块联轴器机构和双回转滑块导杆机构 图6-39 十字滑块机构三、反向双曲柄椭圆机构与椭圆齿轮机构图6-40 反向双曲柄椭圆机构图6-41 反向曲柄机构与椭圆齿轮机构 PA+PDPA+PB常数。椭圆上任一点到两焦点距离之和为一常数，且等于长轴。因此，瞬心P的轨迹就是以A和B为焦点的椭圆。 i21=2/1=（b2-a2）/-（b2+a2）+2abcos1 四、偏心轮与连杆机构 图6-42 图6-436.3 机构简化变换原理

14、图6-44 工业抓取传送装置 受力状态好、通用性强等。 图6-45差动连杆联动凸轮封闭组合机构 用于轻载、专用设备中，则该机构可以简化设计，省略部分运动链。 6.3.2 机构行程分解简化变换 一、凸轮机构行程分解变换 图6-46 增大行程角的传动导杆凸轮机构123双端面圆柱凸轮机构二、齿轮机构行程分解变换 图6-47齿轮齿条行程倍增传动三、连杆机构行程分解变换 印刷机大行程送纸机构SS1+S2=2a+2a=4 a SS1+S2=2a+2a（R/r）=2 a1+ R/r 6.3.3 机构替代简化变换 一、近似替代变换 图6-50两种直线导引机构对比 (a)所示机构实现直线轨迹精确； (b)所示机

15、构实现直线轨迹为近似的。 但实际情况表明：由于 (a)精确直线机构运动副数量多，运动积累误差大，所以在同一制造精度条件下，它的实际轨迹误差为 (b)近似直线轨迹机构的23倍。 这就是有时宁可采用具有设计误差不大的简单近似机构，而不采用理论上没有误差的复杂精确机构的主要原因。 二、动力源替代变换 图6-51 实现等速直线运动的两种传动方案图6-52 钢板叠放机构排料图6-53 电磁机构 一、电磁力 6.4 利用力学原理创新机构 图6-54 自动装卸矿车 二、利用重力作用 图6-55 应用平衡重锤作用的平移机构图6-56 振动式锚头安装机 图6-57 惯性振动提升机 三、利用振动及惯性力作用 6.

16、5 机构综合设计法 根据机械系统已知的输入和输出量之间函数关系，设计新的机构，就叫机构综合。 机构综合包括，形式的综合组成机构的固定件、原动件和从动件的位置、形状、运动副的形式；数的综合构件数，运动副数以及构件运动副的自由度对机构自由度的影响；量的综合确定运动副的坐标位置和各构件尺寸。 机构综合设计法的主要特点是： (1)用机械系统的自由度表征机器功能。 (2)根据机械系统自由度，选择“基本连杆机构”。通过对机构中的构件和运动副的形、数、量的综合，设计出新的机构。 (3) “基本连杆机构”是机构综合设计求解新机械结构的工具，它实质上就是平面连杆机构，对设计人员来说是熟悉的、易懂的，使用起来直观

17、、方便，简单，容易被人们所接受。1. P、L、F的物理意义(1)P为低副数 它包括铰链联接、平面滑块联接、纯滚动联接，高副联接(如齿轮联接，凸轮联接等)转化为低副联接以及作用力转化的低副联接。(3-1)(3-2)一、基本连杆机构L 为包括机架在内的杆件数(2) L为包括机架在内的杆件数 一个连杆可有两个、三个或更多的铰链联接， 这些连杆分别称为对应的二元、三元或更多元连杆等。 按连杆用途可分为：承受能量的杆；传递和转换动力的杆，如齿轮、凸轮等；进行特定工作的杆，如挖掘机的铲斗、采煤机滚筒等；支承、静止的杆，如机架；具有阻抗性杆，如胶带、水泵中的水，因为受拉或受压都可示为机械杆。(3) F自由度：表示该机构的功能，称F为机构的功 能特征，常用的功能特征如表154323421512345678123452. P、L、F三者的关系结论I： F为奇数， L为偶数； F为偶数， L为奇数。结论： F与机构中的三元连杆数无关。(3-3)(3-4)(3-5)(3-2)(3-1)3. 连杆的可能组合当 时二、机构综合创新的定理及步骤定理在铰链连杆机构中：（1）可用高