齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性课件

Mecca-MedinaHelgadesignMecca-MedinaHelgadesign1ToLearn,RespectandUnderstandotherPeopleandBelievesistheSecretofPEACEHelgaphotosfromWeb齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性课件2第6章机构创新设计

一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键。机构设计中最富有创造性、最关键的环节，是机构形式的设计。常用机构形式的设计方法有两大类，即机构的选型和机构的构型。本章从这两方面介绍机构创新设计的方法。第6章机构创新设计一个好的机械原理方案3机构创新设计6．1机构形式设计的原则6．2机构的选型6．3机构的构型

机构创新设计6．1机构形式设计的原则46．1．1机构尽可能简单1．机构运动链尽量简短完成同样的运动要求，应优先选用构件数和运动副数最少的机构，这样可以简化机器的构造，从而减轻重量、降低成本。此外也可减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差，从而提高零件加工工艺性和增强机构工作可靠性。运动链简短也有利于提高机构的刚度，减少产生振动的环节。考虑以上因素，在机构选型时，有时宁可采用有较小设计误差的简单近似机构，而不采用理论上无误差但结构复杂的机构。6．1机构形式设计的原则6．1．1机构尽可能简单6．1机构形式设计的原则5图6-1所示为两个直线轨迹机构．其中图a为E点有近似直线轨迹的四杆机构，图b为理论上E点有精确直线轨迹的八杆机构。实际分析表明，在保证同一制造精度条件下，后者的实际传动误差约为前者的2~3倍，其主要原因在于运动副数目增多而造成运动累积误差增大。

图6-1所示为两个直线轨迹机构．其中图a为E点有近似直线轨迹62．适当选择运动副在基本机构中，高副机构只有3个构件和3个运动副（凸轮机构：凸轮、从动件和机架），低副机构则至少有4个构件和4个运动副（曲柄滑块机构

）。因此，从减少构件数和运动副数，以及设计简便等方面考虑，应优先采用高副机构。但从低副机构的运动副元素加工方便、容易保证配合精度以及有较高的承载能力等方面考虑，应优先采用低副机构。究竟选择何种机构，应根据具体设计要求全面衡量得失，尽可能做到“扬长避短”。在一般情况下，应先考虑低副机构，而且尽量少采用移动副（制造中不易保证高精度，运动中易出现自锁）。在执行构件的运动规律要求复杂，采用连杆机构很难完成精确设计时，应考虑采用高副机构，如凸轮机构或连杆-凸轮组合机构。往复直线运动2．适当选择运动副往复直线运动73．适当选择原动机

执行机构的形式与原动机的形式密切相关，不要仅局限于选择传统的电动机驱动形式。在只要求执行构件实现简单的工作位置变换的机构中——如图6－2所示的气压或液压缸作为原动机比较方便，它同采用电动机驱动相比，可省去一些减速传动机构和运动变换机构，从而可缩短运动链，简化结构，且具有传动平稳、操作方便、易于调速等优点。再如，对图6－3所示钢板叠放机构的动作要求是将轨道上的钢板顺滑到叠放槽中（图中右侧未示出）。图a为六杆机构，采用电动机作为原动机，带动机构中的曲柄转动（未画出减速装置）；图b为连杆-凸轮（为固定件）机构，采用液压缸作为原动件直接带动执行构件运动。可以看出后者比前者要简单。3．适当选择原动机8以上两例说明，改变原动件的驱动方式有可能使机构结构简化。此外，改变原动机的传输方式，也可能使结构简化。在多个执行构件运动的复杂机器中，若由单机（原动）统一驱动改成多机分别驱动，虽然增加了原动机的数目和电控部分的要求，但传动部分的运动链却可大为简化，功率损耗也可减少。因此，在一台机器中只采用一个原动机驱动不一定就是最佳方案。以上两例说明，改变原动件的驱动方式有可能使机构结构简化。此外9

4．选用广义机构

不要仅限于刚性机构，还可选用柔性机构，以及利用光、电、磁和利用摩擦、重力、惯性等原理工作的广义机构，许多场合可使机构更加简单、实用。例：打印机针式喷墨激光4．选用广义机构针式喷墨激光106．1．2尽量缩小机构尺寸机械的尺寸和重量随所选用的机构类型不同而有很大差别。众所周知，在相同的传动比情况下，周转轮系减速器的尺寸和重量比普通定轴轮系减速器要小得多。在连杆机构和齿轮机构中，也和利用齿轮传动时节圆作纯滚动的原理或利用杠杆放大或缩小的原理等来缩小机构尺寸。在图6—4所示连杆—齿轮机构中，因为利用了小齿轮3的节圆与活动齿条在E点相切作纯滚动，而与固定齿条相切在D点，且为绝对瞬心。因此，活动齿条上E点的位移是C点位移的2倍，是曲柄长的4倍。显然在输出位移相同的前提下，其曲柄比一般对心曲柄滑块机构的曲柄长可缩小一半，从而可缩小整个机构尺寸。一般说来，圆柱凸轮机构尺寸比较紧凑，尤其是在从动件行程较大的情况下。盘状凸轮机构的尺寸也可借助杠杆原理相应缩小。在图6—5所示凸轮-连杆机构中，利用一个输出端半径r2大于输人端半径r1的摇杆BAC，使C点的位移大于B点的位移，从而可在凸轮尺寸较小的情况下，使滑块获得较大行程。6．1．2尽量缩小机构尺寸116．1．3应使机构具有较好的动力学特性

机构在机械系统中不仅传递运动，而且还要起到传递和承受力（或力矩）的作用，因此要选择有较好的动力学特性的机构。

1．采用传动角较大的机构要尽可能选择传动角较大的机构，以提高机器的传力效益，减少功耗。尤其对于传力大的机构，这一点更为重要。如在可获得执行构件为往复摆动的连杆机构中，摆动导杆机构最为理想，其压力角始终为零。从减小运动副摩擦，防止机构出现自锁现象考虑，则尽可能采用全由转动副组成的连杆机构，因为转动副制造方便，摩擦小，机构传动灵活。6．1．3应使机构具有较好的动力学特性122．采用增力机构对于执行构件行程不大，而短时克服工作阻力很大的机构（如冲压机械中的主机构），应采用“增力”的方法即瞬时有较大机械增益的机构。如图6－6所示为某压力机的主机构，曲柄AB为原动件，滑块5为冲头。当冲压工件时，机构所处的位置是α和θ角都很小的位置。通过分析可知，虽然冲头受到较大的冲压阻力F，但曲柄传给连杆2的驱动力F12很小。当α≈00、θ≈20时，F12仅为F的7％左右。由此可知，采用了这种增力方法后，即使该瞬时需要克服的工作阻力很大，但电动机的功率不需要很大。2．采用增力机构13

3．采用对称布置的机构对于高速运转的机构，其作往复运动和平面一般运动的构件，以及偏心的回转构件的惯性力和惯性力矩较大，在选择机构时，应尽可能考虑机构的对称性，以减小运转过程中的动载荷和振动。如图6－7所示的摩托车发动机机构，由于两个共曲柄的曲柄滑块机构以点A为对称，所以在每一瞬间其所有惯性力完全互相抵消，达到惯性力的平衡。3．采用对称布置的机构14

6．2机构的选型

所谓机构的选型，是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出的各种机构按照运动特性或实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所需要的运动特性或实现功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构形式。

巧借前人6．2机构的选型所谓机构的选型，156．2．1按运动形式要求选择机构

机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还应考虑机构的功能特点和原动机的形式。本节以原动机采用电动机为例，说明机构选型的基本方法。机械系统中，电动机输出轴的运动为转动，经过速度变换后，执行机构的原动件的运动形式亦为转动时，而完成各分功能的执行构件的运动形式却是各种各样的。6．2．1按运动形式要求选择机构16表6－1给出了当机构的原动件为转动时，各种执行构件运动形式、实现机构及应用举例，供机构选型时参考。当机构执行动作的功用很明确，如夹紧、分度、定位、制动、导向等功用时，设计者可遵照这些功用查阅有关机构手册，分析相应功能的各类机构，进行选择。表6－1给出了当机构的原动件为转动时，各种执行构件运动形式、17齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性课件18齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性课件19

实现同一功能或运动形式要求的机构可以有多种类型，选型时应尽可能将现有的各种机构搜索到，以便选出最优方案。例如，能使牛头刨床的刨刀具有急回特性的往复直线运动的机构有多种方案（如图6－8所示），可对这些方案进行分析、评价，最终选出理想方案。实现同一功能或运动形式要求的机构可以有多20摆动导杆机构摆动导杆机构21牛头刨床牛头刨床226．2．2机构方案的评价1．评价指标和评价体系满足同一运动形式或功能要求的机构方案有很多，对这些方案应从运动性能、工作性能、动力性能等方面进行综合评价。表6－2列出了各项评价指标及其具体项目。6．2．2机构方案的评价23

表6－2所列的各项评价指标及其具体项目，是根据机构系统设计的主要性能要求和机械设计专家的意见设定的。对于具体的机构，这些评价指标和具体项目还需要依实际情况加以增减和完善，以形成一个比较完整的评价指标。所谓评价体系，是通过一定范围内的专家咨询，确定评价指标及其评定方法。对于不同的设计任务，应根据具体情况，拟定不同的评价体系。例如，对于重载的机械，应对其承载能力一项给予较大的重视；对于加速度较大的机械，应特别重视其振动噪声等问题。针对具体设计任务，科学地选取评价指标和建立评价体系是一项十分细致和复杂的工作，也是设计者面临的重要问题。只有建立科学的评价体系，才可以避免个人决定的主观片面性，减少盲目性，从而提高设计的质量和效率。

表6－2所列的各项评价指标及其具体项目242．典型机构的评价

连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等三种机构是最常用的机构，其机构特点、工作原理、设计方法已为广大设计人员所熟悉，并且它们本身结构简单，易于应用，往往成为首选机构，故对它们作初步的评价，供初学者参考，见表6－3所示。2．典型机构的评价25齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性课件266．3机构的构型

当应用选型的方法初选出的机构形式不能完全实现预期的要求，或虽能实现功能要求但存在着结构复杂、运动精度不够或动力性能欠佳等缺点时，设计者可以采用创新构型的方法，重新构筑机构的形式，这是比机构选型更具有创造性的工作。机构创新构型的基本思路是：以通过选型初步确定的机构方案为雏型，通过组合、变异、再生等方法进行突破，获得新的机构。机构创新构型的方法很多，本节介绍几种常用的方法。基本机构无法满足要求时6．3机构的构型当应用选型的方276．3．1利用组合原理构型新机构机器可用来减轻人们繁重的体力劳动，执行机构需要实现人们在劳动中的各种动作，如转动、移动、摆动、间歇运动以及预期的轨迹等。随着生产的发展，以及机械化、自动化程度的提高，对其运动规律和动力特性都提出了更高的要求。简单的齿轮、连杆和凸轮等机构往往不能满足上述要求。基本机构的问题：如连杆机构难以实现一些特殊的运动规律；凸轮机构虽然可以实现任意运动规律，但行程不可调；齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性，但运动形式简单；棘轮机构、槽轮机构等间歇运动机构的运动和动力特性均不理想，具有不可避免的速度、加速度波动，以及冲击和振动。为了解决这些问题，可以将两种以上的基本机构进行组合，充分利用各自的良好性能，改善其不良特性，创造出能够满足原理方案要求的、具有良好运动和动力特性的新型机构。组合机构的类型很多，每种组合机构具有各自特有的型组合、尺寸综合及分析设计方法。组合机构结构比较复杂，设计计算繁琐，研究起来比较困难。随着计算机和现代设计方法的发展，极大地推动了组合机构的研究发展，目前许多场合都采用了它，尤其在各种自动机器和自动生产线上得到广泛应用。本节按组成组合机构的基本机构的名称来分类，主要介绍常用组合机构的性能特点和适用场合。机器替代人工优点结合6．3．1利用组合原理构型新机构机器替代人工优点结合28

1．齿轮—连杆机构1）实现间歇传送运动(图6—9)2）实现大摆角、大行程的往复运动(图6－10)(图6－11)3）较精确地实现给定的运动轨迹(图6－12)1．齿轮—连杆机构29与槽轮、棘轮比较？与槽轮、棘轮比较？30与摇杆比？铰接点C右移？与摇杆比？铰接点C右移？31造成自动剪切？复杂轨迹？较精确地实现给定的运动轨迹较精确造成自动剪切？复杂轨迹？较精确地实现给定的运动轨迹较精确322．凸轮—连杆机构

凸轮—连杆机构较齿轮—连杆机构更能精确实现给定的复杂运动规律和轨迹。凸轮机构虽也可实现任意的给定运动规律的往复运动，但在从动件作往复摆动时，受压力角的限制，其摆角不能太大。将简单的连杆机构与凸轮机构组合起来，可以克服上述缺点，达到很好的效果。(图6－13图6—14图6—15)2．凸轮—连杆机构33两个盘形凸轮固接在同一轴上矩形运动轨迹——吸纸、送纸让纸让纸让纸齐纸更精确两个盘形凸轮固接在同一轴上矩形运动轨迹——吸纸、送纸让纸让纸34更精确更精确353．齿轮—凸轮机构齿轮—凸轮机构常以自由度为2的差动轮系为基础机构，并用凸轮机构为附加机构。后者使差动轮系中的两构件有一定的运动联系，约束掉一个自由度，组成自由度为1的封闭式组合机构。齿轮—凸轮机构主要应用于以下场合。l）实现给定运动规律的变速回转运动(图6－16)(图6—17)(图6－18)(图6－19)

3．齿轮—凸轮机构36变速回转运动原动件输出件凸轮作用下往复摆动？输出件原动件星轮变速回转指示原动件的转动变速回转运动原动件输出件凸轮作用下往复摆动？输出件原动件星轮37变速回转运动——分度补偿机构

变速？输出件原动件原动件：凸轮—蜗轮固接误差校正变速回转一部分是由蜗杆转动产生的

另—部分由蜗杆轴向移动产生的输出蜗轮的角位移由两部分组成：

凸轮机构的从动件推动蜗杆作轴向移动，使蜗轮产生附加转动，从而使误差得到校正。变速回转运动变速？输出件原动件原动件：凸轮—蜗轮固接误差校正382）实现给定运动轨迹图6—20所示的齿轮—凸轮机构可用来实现给定的运动轨迹。原动件是传动比为1的一对齿轮中的1或2，摆杆3和构件1以转动副A相铰接，齿轮2上B点的滚子在摆杆3的曲线槽中运动，从而使摆杆3上的P点实现给定的轨迹。给定的轨迹2）实现给定运动轨迹给定的轨迹396．3．2利用机构的变异构型新机构

为了实现一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些特殊的性能，改变现有机构的结构，演变发展出新机构的设计，称为机构变异构型。机构变异构型的方法很多，以下介绍几种常用的变异构型的方法。1．机构的倒置机构的运动构件与机架的转换，称为机构的倒置。按照运动相对性原理，机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同特性的机构。在机械原理课程中曾介绍过机构倒置的典型实例，例如，铰链四杆机构在满足曲柄存在的条件下，取不同构件为机架，可以分别得到双曲柄机构、曲柄摇杆机构、双摇杆机构。若将定轴圆柱内啮合齿轮机构的内齿轮作为机架，则可得到如图6-21所示的行星齿轮机构。由此可见，用机构倒置的原理去研究现有机构，可以发现它们的内在联系，并由此可以启发人们采用机构倒置的变异构型方法，设计出新的机构。6．3．2利用机构的变异构型新机构40定轴圆柱内啮合齿轮机构——行星齿轮机构。定轴圆柱内啮合齿轮机构——行星齿轮机构。41

图6－22a所示为卡当机构。若令杆OO1为机架，则原机构的机架成为转子3（如图b所示），曲柄1每转一周，转子3亦同步转动一周，同时两滑块2及4在转子3的十字槽内往复运动，将流体从入口A送往出口B，从而得到一种泵机构。卡当机构——泵机构图6－22a所示为卡当机构。若令杆OO1为机架42

2．机构的扩展

以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个新机构，称为机构的扩展。机构扩展后，原有各构件间的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构有很大差别。扩展特点：十字槽1周O1点2周变速？？？2．机构的扩展扩展特点：43插秧爪取苗插秧爪插苗插秧爪返回活动舌—保证轨迹插秧爪取苗插秧爪插苗插秧爪返回活动舌—保证轨迹443．机构局部结构的改变

改变机构的局部结构，可以获得有特殊运动特性的机构。导杆槽成圆弧停顿3．机构局部结构的改变导杆槽成圆弧停顿45图6-27所示是以行星轮系替代了曲柄滑块机构的曲柄而得到的滑块右极限位置有停歇的机构。该机构以系杆1带动行星齿轮2在固定中心轮5上滚动，行星齿轮和连杆之间的运动副B做摆线运动（如图中点画线所示）。其中行星齿轮的节圆半径r等于内齿轮的节圆半径R的l/3，连杆3的长度等于摆线在点P的曲率半径，其值为7r。因运动副B在近似于圆弧的摆线线段上运动，滑块与连杆之间的运动副位于近似圆弧的圆心处，故有近似停歇的运动特性。圆弧——停顿圆弧——停顿图6-27所示是以行星轮系替代了曲柄滑块机构的曲柄而46摆动产生误差上下滑动滑块摆动产生误差上下滑动滑块474．机构结构的移植和模仿将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，称为结构的移植。利用某一结构特点设计新机构，称为结构的模仿。要有效地利用结构的移植和模仿构型出新的机构，必须注意了解、掌握一些机构之间实质上的共同点，以便在不同条件下灵活运用。例如，圆柱齿轮的半径无限增大时，齿轮演变为齿条，运动形式由转动演变为直线移动。运动形式虽然改变了，但齿廓啮合的工作原理没有改变。这种变异方式，可视为移植中的变异。掌握了机构之间的这一实质性的共同点，可以开拓直线移动机构的设计途径。不完全齿轮齿条机构

槽轮机构4．机构结构的移植和模仿48

5．运动副的变异

改变机构中运动副的形式，可构型出不同运动性能的机构。运动副的变换方式有很多种，常用的有高副与低副之间的变换、运动副尺寸的变换和运动副类型的变换。D→∞5．运动副的变异D→∞49齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性课件50齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性课件516．3．3利用再生运动链法构型新机构1．再生运动链法创新设计流程再生运动链法基于机构的杆组组成原理，将一个具体的机构抽象为一般化运动链，然后按该机构的功能所赋予的约束条件，演化出众多的再生运动链和相应的新机构。这种机构创新设计方法的流程如图6－38所示。根据这一流程，可推导出许多与原始机构具有相同功能的新机构。6．3．3利用再生运动链法构型新机构52齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性课件536．3．4广义机构创新设计随着科学技术的迅速发展，利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构应用日益广泛。这类机构统称为广义机构。在广义机构中，由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。广义机构种类繁多，限于篇幅，本节仅介绍应用较为广泛的部分广义机构的工作原理和结构特点。1．利用液、气物理效应利用液体、气体作为工作介质，实现能量传递和运动转换的机构，分别称为液动机构和气动机构，广泛应用于矿山、冶金