机械原理教案

机械原理教案第1页，共65页，2023年，2月20日，星期五提要

机构创新是新产品不断涌现的源泉之一，也是机器制造企业在市场经济里求生存、谋发展的重要工作。在学习了基本机构的类型、传动特点之后，这里介绍机构创新的基本原则，简述机构创新的常用方法并介绍部分创新设计的机构。Chapter13

IntroductionofCreativeDesignMethodsofMechanisms13机构创新设计法导论第2页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-F01创新的认识论

创新

知识结构是创新的基础洞察矛盾是创新的种子社会需求是创新的源泉巧用方法是创新的关键第3页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13－F02影响创新的因素创

新的实践

论

浏览产品历史吸收最新科技多方融入资本诱人的回报率知识产权制度侵权追究力度浏览产品历史吸收最新科技多方融入资本诱人的回报率知识产权制度侵权追究力度创新

的实

践论第4页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-03机构创新的设计方法

虚约束应用法

再生运动链法特性分析法其他方法分析综合法机构创新设计法导论

图13-03机构创新的设计方法

虚约束应用法

再生运动链法

特性分析法

其他方法

分析综合法

机构创新设计法导论

第5页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.1概述1.

机构设计的确定方法

再现给定轨迹的平面连杆机构的优化设计、实现给定函数的平面四杆机构的迭代法设计、具有许用传动角的曲柄摇杆机构的非迭代法设计[1]以及具有一段恒速比传动特征的组合导杆机构的微分法设计。按照机构设计的确定方法，可以一步一步地设计出。2.机构设计的不确定方法

机构设计的不确定方法同样十分丰富，如联想类推法、分析综合法、特性分析法、功能剖析法、移植法等。按照机构设计的不确定方法，并非每个人都能设计出一个满足给定要求的机构来。第6页，共65页，2023年，2月20日，星期五在机构设计的创新方法中，由于设计要求与解之间的偶然性、多样性与复杂性，所以，只有进行创造性思维、利用创造性方法，才能把偶然性转化为必然性；只有采用优化方法、系统方法，才能从多样性、复杂性中寻找到最优解。

由此可见，为了圆满地解决一个机构设计问题，只用确定的设计方法或创新方法往往是不行的，有时需要同时运用以上二类设计方法。

显然，进行创造性思维、利用创造性方法是实现机构创新设计的关键一环。

所谓创造性思维，是指通过思维不仅揭示出了客观事物的本质及内在联系，而且指引人们去获得新知识或以前不曾发现的问题的新解释，从而产生新颖的、前所未有的思维成果。第7页，共65页，2023年，2月20日，星期五

创造性思维的主要特点为突破性、求异性、连动性、多向性、综合性。

创造性思维可以划分为直觉思维、逻辑思维、发散思维和收敛思维。

(1)直觉思维具有非逻辑性、跃进性，直接领悟事物的本质而未加任何证明。

(2)逻辑思维具有纵向推理将问题引向深入、横向推理联系相似或相关事物、逆向推理沿事物的相反方向开展研究的特点。第8页，共65页，2023年，2月20日，星期五

(3)发散思维体现思维方向的非单一性，从不同方面推敲问题，寻找尽可能多的解决问题的方案。

(4)收敛思维则是从尽可能多的解决问题的方案中找出最佳的方案。创造性的设计方法达百种之多，本书只介绍：虚约束应用法特性分析法再生运动链法分析综合法第9页，共65页，2023年，2月20日，星期五

机构创新设计固然需要创造性思维与创造性方法，但仅有这一环是不够的。机构创新有它的基本原则，那就是(b)

问题意识是机构创新的种子。(c)

知识结构是机构创新的基础。(d)

灵活运用多种方法是机构创新的关键。(e)

企业与货币的支持是机构创新得以实现的条件。(f)

激励机制与经济回报力度是机构创新的动力。

(a)社会需求是机构创新的源泉第10页，共65页，2023年，2月20日，星期五(1)社会需求是创新之母社会需求刺激人们的创新欲望、为创新活动提供动力与经济支持、为创新成果提供技术转让的市场。所谓社会需求，乃是人们的某种愿望与相应的现实存在之间的差异或矛盾。认识社会需求，就是洞察或寻找现实存在与人们主观愿望之间的差异与矛盾。(2)问题意识是创新的种子只有提出问题，才有解决问题，能够提出别人没有看到、想到或听到的问题，能够提出别人根本不认为有问题的问题，既是一个人创新能力的表现，也是一项创新过程的开端。如果什么问题也意识不到，那就根本谈不上创新。第11页，共65页，2023年，2月20日，星期五(3)知识结构是创新的基础

知识结构，是指一定的客观世界和主观世界的知识在一个人头脑中所形成的相对稳定的知识体系。由于结构决定功能，不同的知识结构决定了一个人具有不同的工作能力、具有不同的创新思维方式。

只有具备一定的知识结构，才能获得与之对应的创新成果；没有一定的知识结构作为前提，从事创新工作就只是一句空话。(4)运用方法是创新的关键

所谓方法，是指人们从事物质生产或精神生产活动的行为方式，主体通过方法与客体发生联系。

方法可以划分为逻辑方法与非逻辑方法，归纳法、演绎法、类比法、分析法、综合法等属于逻辑方法；想象、幻想、联想、灵感等属于非逻辑方法。第12页，共65页，2023年，2月20日，星期五诚然，只有了解了不同方法的作用、特点与局限性，才能恰当地用好方法，才能显示出方法的巨大作用。

大量的事实表明，非逻辑方法是人类思维活动中特别绚丽多彩的花朵，许许多多的创新成果都得益于想象、联想、顿悟、幻想等非逻辑方法

综上所述，知识是一个人能力发展的基础，而能力的发展又促进一个人掌握更多的知识，通过恰当的方法作为中介，将问题这一粒种子深深地扎根于社会需求这一广阔而又肥沃的土壤之中，每个人都能做出与其知识结构相对应的机构创新成果。

机构创新设计方法争妍斗奇，机构创新设计实例不胜枚举。这里所述的内容仅是大海拾贝。调动创造性、提高创造力任重道远。

第13页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.2分析综合法

综合方法则是把研究对象的各个部分联系起来加以研究，从而在整体上把握事物的本质和规律的一种思维方法。

分析与综合是人们沿着相反方向认识、把握事物的两种方法。

分析方法是把研究对象分解为它的各个组成部分，然后逐个加以研究，从而认识事物的基础或本质的一种思维方法。第14页，共65页，2023年，2月20日，星期五1.机构设计中的分析方法

在思维方式上表现为从事物的整体深入到它的各个组成部分，通过深入地认识事物的各个组成部分，达到认识事物的内在本质或整体规律。

在思维方式上则表现为把事物的各个部分联结为整体，力求通过全面掌握事物各部分、各方面的特点以及它们之间的相互关系，从而达到重构事物的整体或综合为多种属性与关系的统一体。分析与综合法是通向技术发明与机构创新的重要途径之一。2.机构设计中的综合方法第15页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.2.1TransmissionMechanismwithAdynamic

ShaftDistanceandConstantAngularVelocityRatio辊式破碎机的工作原理图a(t)ωωRollerwithafixedrevolutioncenterRollerwithamovablerevolutioncenterMaterialdealtwithtobebreakMaterialbrokenChangeableshaftdistanceFigure13F04WorkprinciplefigureoftherollerbreakersRollerwithafixedrevolutioncenterRollerwithamovablerevolutioncenterMaterialdealtwithtobebreakMaterialbrokenChangeableshaftdistancea(t)ωω第16页，共65页，2023年，2月20日，星期五1.Ⅰ型时变轴距恒速比传动机构

图13-1Ⅰ型时变轴距恒速比传动机构

abcde123456ω1ω4S(t)图13-1为基于齿轮机构与梯形机构共同约束的Ⅰ型时变轴距恒速比传动机构。第17页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-2Ⅱ型时变轴距恒速比传动机构

2.Ⅱ型时变轴距恒速比传动机构

32cde4ab1fS(t)ωω图13-2为基于平行四边形机构与梯形机构共同约束的Ⅱ型时变轴距恒速比传动机构。第18页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-3Ⅱ型时变轴距恒速比传动装置三维动画Ⅱ型时变轴距恒速比传动机构应用的三维动画如下。

第19页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.2.2一类从动件在两极限位置具有直

到三阶传动函数为零的传动机构1.串联导杆机构

两导杆机构串联的平面六杆机构，若尺寸与相位选择合适，则具有直到三阶传动函数为零的传动特征。123456O5O3O1BAφδψL1L2图13-4串联导杆机构二维动画第20页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.内行星轮机构

在图13F05所示的内行星轮机构中，构件3为主动件，行星轮2作平面运动，其上的任意一点描绘出一条封闭曲线。当参数选择合适时，封闭曲线呈现出规律性。由图13F05得行星轮2的角位移φ2、A点的坐标xA、yA分别为[10]br2r1O2O3O1φ2φ3yxA图13F05行星式齿轮连杆组合机构321第21页，共65页，2023年，2月20日，星期五φ2=(1－r1/r2)φ3 (13－29)xA=(r1－r2)cosφ3－bcos(r1/r2－1)φ3(13－30)式中b=AO2，r1、r2分别为齿轮1、2的节圆半径，φ3为主动杆的角位移。yA=(r1－r2)sinφ3+bsin(r1/r2－1)φ3(13－31)二维动画br2r1O2O3O1φ2φ3yxA图13F05行星式齿轮连杆组合机构321第22页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-8

行星式齿轮连杆组合机构二维动画yx36O1O34211AO23.内行星式齿轮连杆移动输出的组合机构

在图13-8所示的行星式齿轮连杆组合机构中，构件1～3组成行星式齿轮连杆机构，构件4、5组成一个Ⅱ级杆组，两者通过行星轮2上A点的转动副相连接而组成一个平面六杆机构。其运动特征通过动画予以展示。第23页，共65页，2023年，2月20日，星期五4.外行星轮机构r3O3O1φ1y图13F06外啮合行星轮系中行星轮上点的轨迹br2O2φ2xP123在图13F06所示的外行星轮机构中，构件1为主动件，行星轮2作平面运动，其上的任意一点P描绘出一条封闭曲线。P点的轨迹方程为二维动画第24页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-10行星轮上特殊点的轨迹曲线三维动画行星式齿轮连杆直线轨迹机构6.行星式齿轮连杆五角形轨迹机构第25页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-11aNW啮合平动行星齿轮机构13.2.3平动齿轮机构二维动画齿轮作平动同样可以形成行星传动机构，下面给出三个设计实例。第一种形式，NW啮合平动行星齿轮机构。2345CDO3Z3Z2P15BAω1第26页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-11b

平动齿轮机构的基本型式二维动画231ABPZ3O3Z21DCω1第二种形式，WN啮合平动行星齿轮机构。第27页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-11c

平动齿轮机构的基本型式二维动画第三种形式，WW啮合平动行星齿轮机构。123APO3BZ3Z24DCω15第28页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-11d引入虚约束的WW啮合平动行星齿轮机构第四种形式，引入虚约束的WW啮合平动行星齿轮机构，该种机构可以克服图13-11c所示机构运动的不确定性。123APO3BZ3Z24DCω16E5第29页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-12平动齿轮机构的第一改进型二维动画第五种形式，引入虚约束的NW啮合平动行星齿轮机构，该种机构可以克服图13-11a所示机构运动的不确定性。2345CDO3Z3Z2P15BAω1D6第30页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.3虚约束应用法13.3.1保证运动的连续性图13-15三套平行四边形机构用作联轴节1234n1n3(a)a第31页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-15基于平行四边形机构的举升机构二维动画1234567O1O3O6ABCDEF(b)第32页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.3.2改善受力状态

图13-16压力机工作机构

二维动画124'4"5463'3"3ABCDEV5通过引入虚约束，增强了承受外力的能力。第33页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-17二级圆柱齿轮减速器通过引入虚约束，增强了传递扭矩的能力。Z1Z3Z3Z4Z2Z2输入ni输出n0第34页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.3.3扩大基本机构的功能图13F07虚约束的应用图例第35页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.3.4虚约束应用法设计实例图13F08

虚约束的应用－基于曲柄滑块机构的泵1234ACB1.通过应用虚约束，可以将曲柄滑块机构设计为泵三维动画第36页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13F09虚约束的应用－曲柄摇块泵12.通过应用虚约束，可以将曲柄摇块机构设计为空吸泵CBA4321三维动画第37页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13F10虚约束的应用－曲柄摇块泵23.通过应用虚约束，可以将曲柄摇块机构设计为腔吸泵2143ABC三维动画第38页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13F11虚约束的应用－转动导杆泵3214CAB4.通过应用虚约束，可以将转动导杆机构设计为腔吸泵三维动画第39页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13F12

虚约束的应用－齿轮泵5.通过应用虚约束，可以将齿轮机构设计为腔吸泵132三维动画第40页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13F13虚约束的应用

－曲柄滑块压力机6.通过应用虚约束，可以提高曲柄滑块机构的承载能力1234ACB三维动画第41页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13F14虚约束的应用－组合送料机构7.通过应用虚约束，可以实现物料的平移换位54321876三维动画第42页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.4特性分析法

随着人们对某事物、某机器认识的逐渐深化，该事物或机器的特性就被人们了解、掌握得更多。当人们了解、掌握了关于某事物或机器越来越多的各种特性之后，人们就会意识到或发现其中一些特性是不近人意的。这一过程不仅揭示了某机器存在这方面或那方面的问题，而且常常是导致技术创新的起点。第43页，共65页，2023年，2月20日，星期五

假如问题表现为结构与功能之间的矛盾，则人们常常通过改变结构来解决功能上的问题。由于结构与功能关系的多样性，即同一结构可以有不同的功能，同一功能存在着大量的结构，所以，通过优选结构可以圆满地解决功能问题。机构创新基本上是解决已有机构在结构与功能之间存在的矛盾。第44页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.4.1活齿传动机构

图13-19推杆活齿传动机构的简图为了增加同时啮合的齿数，活齿传动机构得到了发展。第45页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.4.3滑块无横向力的压力机工作机构图13-23

压力机的工作机构(a)与(b)参数化二维动画1234ACB163245O1O3ADCB参数化二维动画(a)(b)压力机的工作机构可以采用多种形式的连杆机构予以实现，但其力学性能有较大的差异，下面展示压力机的五种工作机构。1.曲柄压力机与连杆压力机的工作机构第46页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-23

压力机的工作机构(c)与(d)参数化二维动画O1O3123456ACB(c)(d)19764385k12k2C1C2D2E2D1E1BO1A10x9yx参数化二维动画2.肘杆压力机与十杆压力机的工作机构第47页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13F15双动压力机(扩展)三维动画F=3n－2PL－1PH=3×9－2×13=13.双动压力机的工作机构该种压力机工作机构的自由度为123CBA689DGF45O7EO'7O1O5711107'8'(e)G'F'第48页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13F16齿轮－导杆组合机构4.轻型压力机的一种工作机构DCBA7423156EF三维动画第49页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.4.5两导杆机构串联的近似等速比传动机构

在图13-25中，杆1为主动件、作匀速转动，杆5为从动件、作往复摆动。显然，杆1、2、3、6所形成的四杆机构的角位移φ、δ与ψ之间存在下列关系图13-25两导杆机构串联的近似等速比传动机构C0B0A0B2B1213456θψφδ第50页，共65页，2023年，2月20日，星期五

ψ=φ－δ(13－58)

对式(13-58)两边求关于φ的1~n阶导数得C0B0A0B2B1213456θψφδ图13-25两导杆机构串联的近似等速比传动机构Ψ(n)

=－δ(n)

(n=2,3,…)(13－60)△A0B1B0中，δ与φ之间的函数关系为sinδ=msinφ(13－61)令m=A0B0/B0B1Ψ'=1－δ'

(13－59)第51页，共65页，2023年，2月20日，星期五m(1+m)(1+k)2+(k-1)(1-m)2=0

(13－73b)i=(d/d)(d/d)=θ'

()'

()=i2.

i1(13－71)化简、令i"在φ=０处的值为零得C0B0A0B2B1213456θψφδ图13-25两导杆机构串联的近似等速比传动机构△B0B2C0中，与ψ之间的函数关系为tan=ksin

/(1+kcos)k=B0B2/B0C0(13－66)第52页，共65页，2023年，2月20日，星期五当m与k满足式(13-73b)时，i在φ=0位置处的1－3阶导数全为零。这表明：输出角位移曲线θ(φ)与其切线在φ

=0的邻域里四阶密切；或者说，输出角位移曲线θ(φ)在φ=0的较大邻域里是一段精确直线。即从动件在φ=0的较大邻域里作近似等速比运动。图13-25两导杆机构串联的近似等速比传动机构C0B0A0B2B1213456θψφδ二维动画第53页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.4.6摆动导杆与正切机构串

联的近似等速比传动机构图13-26摆动导杆与正切机构串联的近似等速比传动机构二维动画CC0BB0se123456θφ第54页，共65页，2023年，2月20日，星期五图13-26f

无等速比的平面六杆机构二维动画CC0BB0Se123456θφ第55页，共65页，2023年，2月20日，星期五13.5再生运动链法对于自由度等于1

的平面连杆机构，当构件总数N已知时，其低副数PL

=(3N-4)/2，独立的封闭环数L=(N-2)/2。当N=4时，PL=4，L=1。若指定不同的构件作机架、PL中既有转动副又有移动副，则可获得多种性能相异的平面四杆机构。当N=6

时，PL

=7,