《机械创新设计》课件-k第五章 机构组合与创新设计

第五章机构组合与创新设计基本机构及其运动特性基本机构及其组合的概念机构组成原理与机构创新设计机构的串联组合与创新设计机构的并联组合与创新设计机构的叠加组合与创新设计机构的封闭组合与创新设计其它类型的机构组合与创新设计一、基本机构的概念

本章把连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等结构最简单且不能再进行分割的闭链机构称为基本机构，或称为机构的基本型。工程中，基本机构虽然有着广泛的应用，但由基本机构组合在一起而形成的机构系统的应用更为广泛。基本机构是创新设计机构系统的基础。§5-1基本机构及其运动特性常用基本型（一）连杆机构的基本型1.曲柄摇杆机构

3.双摇杆机构2.双曲柄机构4.曲柄滑块机构7.摆动导杆机构5.曲柄摇块机构6.转动导杆机构(定块机构)8.移动导杆机构10.正切机构9.正弦机构11.双转块机构12.双滑块机构常用基本型（二）齿轮类机构的基本型1.圆柱齿轮机构3.蜗杆机构2.圆锥齿轮机构常用基本型（三）凸轮类机构的基本型1.直动从动件盘形凸轮机构2.摆动从动件盘形凸轮机构3.直动从动件圆柱凸轮机构4.摆动从动件圆柱凸轮机构常用基本型（四）间歇运动机构的基本型1.(外)棘轮机构2.槽轮机构

槽轮机构是把连续等速转动转化为间歇转动的常用机构。主动转臂转动一周，从动槽轮可以转过的角度可由槽轮的结构和转臂的个数确定。1.(内)棘轮机构

3.不完全齿轮机构4.凸轮间歇运动机构蜗杆凸轮间歇运动机构

圆柱凸轮间歇运动机构常用基本型（五）其它常用机构的基本型1.螺旋机构2.(双)万向机构常用基本型（六）挠性传动机构的基本型主、从动件之间靠挠性构件连接起来，常称为挠性传动机构。典型的挠性传动机构有带传动机构、链传动机构和绳索传动机构。

机构是机器中执行机械运动的主体装置，机构的类型与复杂程度与机器的性能、成本、制造工艺、使用寿命、工作可靠性等有密切关系。因此机构的设计在机械设计的全过程中占有极其重要的地位。工程中的实用机械，很少由一个简单的基本机构组成，大都由若干个基本机构通过各种连接方法组合而成的一个机构系统组成。常用的机构组合方法有:利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，得到复杂机构系统;按照串联/并联/叠加/封闭等规则组合基本机构，得到复杂机构系统。§5-2基本机构及其组合的概念简单机械的示意图

复杂的机械装置/平压模切机一、机构组成原理1.基本杆组的定义机构具有确定运动的条件：

自由度数=原动件数◆定义：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。机架+原动件：F=1

再拆成更简单的F=0的杆组从动构件组：F=0§5-3机构组成原理与机构创新设计对于全低副的杆组：n个构件、pl个低副◆基本杆组的分类n和pl为整数n=2,4,6…杆组应该满足的条件条件:运动副数构件数●●●●●●

讨论各基本杆的几种情况：

n=2,pl=3的双杆组：又叫Ⅱ级杆组

常见Ⅱ级杆组的形式有5种(应用最广且最简单)内接副——

连接杆组内部构件的运动副外接副——

与杆组外部构件连接的运动副Ⅱ级杆组1个内接副2个外接副(2)n=4,pl=6的多杆组，又叫

Ⅲ级杆组

特征:

杆组中具有一个三副构件。

常见的三种形式为（含有3个内接副）(3)

更高级别的杆组n>4

已无实例了!第四种形式称为IV级组。特征:有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。（含有4内接副）◆机构组成原理：任何机构都是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的系统。2.机构的组成原理机构＝基本机构＋基本杆组牛头刨床的组合过程◆

机构创新设计应遵循的原则

利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。◆机构命名方式：

按所含最高杆组级别命名，如Ⅱ级机构，Ⅲ级机构等。(Ⅰ级机构：只由机架和原动件组成的机构。例：杠杆机构、斜面机构)◆结构分析目的

3.平面机构的结构分析了解机构的组成，确定机构的级别。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。◆结构分析的过程拆杆组

从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。◆杆组拆分原则◆机构结构分析步骤★确定机构级别1、正确计算机构的自由度；2、根据机构拆分原则进行拆分3、最后定出机构的级别。解：该机构无虚约束和局部自由度

F=3×5－2×7=1该机构为II级机构（一）II级杆组的类型Ⅱ级杆组结构形式二、杆组的基本类型（二）III级杆组的类型(1/2)3R内接副类III级杆组2RP内接副类III级杆组R2P内接副类III级杆组（二）III级杆组的类型(2/2)3P内接副类III级杆组三、按机构组合原理进行机构创新设计

机构组成原理为创新设计一系列的新机构提供了明确的途径。II级杆组和III级杆组连接到原动件和机架上，可以组成简单机构；再把各种II级杆组和III级杆组连接到简单机构的从动件上，可以组成复杂机构。依此类推，可以组成各种各样的、能实现不同功能目标的新机构。利用机构组成原理进行机构创新设计(属于机构运动方案的创新设计范畴,原动件以作定轴转动力主)，概念清楚，方法简单，可操作性好。但要真正满足功能要求，还必须通过尺度综合，确定待连接杆组与基本机构输出构件的连接点位置。（一）连接II级杆组1.连接RRR杆组2.连接RRP型杆组3.RRR与RRP杆组的混合连接（二）连接III级杆组图示机构为原动件和机架连接3R3R和3R2RP型III级杆组组成机构的示意图。四、利用机构组合原理进行机构创新设计的基本思路

利用机构组合原理进行机构创新设计可遵循下列原则。1.II级机构的综合方法、分析方法已经成熟，可优先考虑II级杆组进行机构的组合设计。2.掌握II级杆组的6种基本形式，学会II级杆组的变异设计。3.II级杆组的一个外接副连接活动构件，另一个外接副连接机架。4.根据机构输出运动的方式选择杆组类型。输出运动为转动或摆动时，可优先选择带有两个转动副的杆组，如RRR、RPR、PRR等杆组；输出运动为移动时，可优先选择带有移动副的杆组。5.连接杆组法只能实现机构运动方案的创新设计，实现具体的机构功能要求还需进行机构的尺度综合。综合过程与杆组的连接位置的确定有时需要反复进行，才能得到满意的设计结果。6.连接杆组法也适合齿轮、凸轮等其它机构的组合设计。合理选择齿数z1、z2，可生成任意行星曲线。本例中的行星曲线为三段近似圆弧，连接一RRP杆组，可得到滑块具有三个停顿位置的输出运动。行星轮系RRP杆组+

一、机构的串联组合方法1.基本概念

前一个机构(称为前置机构)的输出构件与后一个机构(称为后置机构)的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。特征:前置机构和后置机构都是单自由度机构。2.分类机构1机构2前置机构后置机构机构1机构2前置机构后置机构(a)I型串联(b)II型串联机构的串联组合框图串联在简单运动构件上串联在平面运动构件上§5-4机构的串联组合与创新设计3.组合示例满足O1O2=AB=CD

铰链四杆机构ABCD滑块机构DEF前置机构后置机构ω1ω3v5123456ω1平行四边形机构ABCD齿轮机构z1、z2前置机构后置机构ω1v2ω11ω12345二、串联组合的基本思路1、I型串联连杆机构连杆机构凸轮机构齿轮机构槽轮机构棘轮机构不改变传动角的情况下实现增程增力变速凸轮、移动凸轮获得大行程摆动或移动/增减速减小槽轮速度波动拨动棘轮机构运动凸轮机构连杆机构凸轮机构齿轮机构槽轮机构运用前置凸轮从动件的任意运动规律，改善后置机构的运动特性或通过后置机构增大运动行程可以演化为固定凸轮的凸轮机构齿轮机构连杆机构凸轮机构齿轮机构槽轮机构棘轮机构自动上料机（1）实现后置机构的速度变换实现连杆机构/凸轮机构等后置机构速度变换的串联组合示意图工程中应用的原动机大都采用输出转速较高的电动机或内燃机。为满足后置机构低速或变速的工作要求，前置机构常采用各种齿轮机构、齿轮机构与V带传动或链传动机构。其中齿轮机构已经标准化、系列化，是应用最为广泛的实现速度变换的前置机构。（1）实现后置机构的速度变换图5-5锉刀剁齿机构例5-4图5-5所示为一锉刀剁齿机构。通过分析可知，这是由一个凸轮机构和摇杆滑块机构串联组合而成的机构，该组合机构的设计有两大特点：一是充分地利用凸轮机构设计的灵活性，使弹簧被逐渐压缩储存能量后，弹力势能能得到快速释放；其二是后置摇杆滑块机构的传动角大，在弹力的迅速作用下，对锉刀坯的冲击力大，这种冲击效果是很难由单一基本机构所能实现的。（2）实现后置机构的运动变换改变后置机构运动规律的组合示意图单一机构的运动规律受到机构类型的限制，如曲柄滑块机构的滑块或曲柄摇杆机构的摇杆很难获得等速运动。串联一个前置连杆机构，并通过适当的尺度综合，可使后置连杆机构获得预期的运动规律。（3）增力图5-2连杆增力机构它是由一个前置子机构即曲柄滑块机构ABCD和后置子机构即摇杆滑块机构DCE串联组合而成。在基本机构DCE中，连杆CE上受有P力的作用，致使滑块E产生向下的冲压力Q，则Q=Pcosα。随着滑块E的下移，α减小，压力Q增大。若串联一个铰链四杆机构ABCD作为前置机构，设连杆受力为F，则后置机构的执行构件滑块E所受的冲压力为Q=Pcosα=(FL/S)cosα，此时，随着滑块E的下移，在α减小的同时，L增大，S减小。在F不增大的条件下，冲击力Q增大了L/S倍。设计时可根据要求确定α、S和L。（4）扩大行程图5-3连杆齿轮齿条机构

1—主动曲柄2—连杆3—齿轮

4—固定齿条5—移动齿条例5-2图5-3所示为连杆齿轮齿条行程倍增机构，前置子机构为连杆机构，后置子机构为齿轮齿条机构。主动曲柄1转动，推动齿轮3与上下齿条4、5啮合传动，上齿条4固定，下齿条5作往复移动，其行程H＝4R，即把连杆机构的输出行程扩大了一倍。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可缩小一半，从而可缩小整个机构尺寸。若将齿轮3改为双联齿轮3—3′，节圆半径分别为r3、r3′，齿轮3与固定齿条4啮合，齿轮3′与移动齿条5啮合，其行程为（4）扩大行程图5-6使运动行程增大的凸轮—连杆机构图5-6为使运动行程增大的凸轮—连杆机构示意图，前置子机构为摆动从动件凸轮机构，后置子机构为摇杆滑块机构。凸轮机构的从动件与摇杆滑块机构的主动件联为一体，该机构利用一个输出端半径r2大于输入半径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。I型串联式机构常用于改善输出机构的运动和动力特性，常见于后置子机构输出的运动性能不很满意的情况，此外I型串联还用于运动或力的放大。2、II型串联

II型串联机构一般利用连杆机构中的连杆或周转轮系中的行星齿轮作为前置机构的输出构件，利用联接处的特殊轨迹，使输出件实现所需要的运动规律。3、II型串联举例图5-8实现从动件两次行程的六杆机构

1—曲柄2—连杆3—摇杆4—构件5—滑块例5-7图5-8所示的六杆机构，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点的运动轨迹为一个具有自交点的横向8字形的曲线(如图中双点画线所示)，构件4与连杆2在A点铰接、与滑块5在F点铰接、滑块5可沿固定导路移动，这样，当曲柄1回转一周时，滑块5可往复移动两次。这就是利用连杆机构中连杆上某点的特殊轨迹串联一个后置子机构，实现特殊的运动要求。3、II型串联举例例5-8图5-9所示的行星齿轮连杆机构，系杆1为输入构件，行星齿轮2与固定内齿轮5相啮合。当两齿轮齿数满足z5＝3z2时，齿轮2节圆上点的轨迹是3段近似圆弧的摆线，其圆弧半径近似等于8r2′(r2′为齿轮2的节圆半径)，输出件行星齿轮2在节圆处与连杆3铰接，当连杆3的长度等于8r2′时，滑块4与连杆3的铰接点近似位于圆心处，则当系杆转动一周时，滑块4有三分之一的时间处于停歇状态。这就是利用行星轮系中行星齿轮的平面复合运动输出特殊的运动规律，串联组合后置子机构，使输出构件满足特殊的运动要求。图5-9行星齿轮连杆机构

1—系杆2—行星齿轮3—连杆

4—滑块5—固定内齿轮

在满足运动要求的前提下，运动链尽量短

串联组合系统的总机械效率等于各机构的机械效率连乘积，运动链过长会降低系统的机械效率，同时也会导致传动误差的增大。在进行机构的串联组合时应力求运动链最短。注意：一、机构的并联组合方法1.基本概念

若干个单自由度的基本机构的输入(或输出)构件连接在一起，保留各自的输出(或输入)运动；或有共同的输入构件与输出构件的连接，称为并行连接。特征：各基本机构均是单自由度机构。2.分类机构1机构i机构1机构i机构1机构i(a)I型并联(b)II型并联(c)III型并联

(并行联接)

机构并联组合框图

§5-5机构的并联组合与创新设计3.组合示例两曲柄摇杆机构的并联组合两曲柄滑块机构的并联组合I型并联组合机构可实现机构的惯性力完全平衡或部分平衡，还可实现运动的分流。I型并联组合机构II型并联组合机构Ⅱ型并联组合机构可实现运动的合成，这类组合方法是设计多缸发动机的理论依据。四个主动滑块的移动共同驱动一个曲柄的输出图示压床机构为III型并联组合机构。图中，共同的输入构件为以O为圆心的小带轮，共同的输出构件为滑块KF。III型并联组合机构III型并联组合机构常应用在压力机中。

二、并联组合的基本思路1.对称并联相同机构，实现机构的平衡

通过对称并联同类机构，可以实现机构惯性力的部分平衡与完全平衡。利用I型并联组合可实现此类目的。2.实现运动的分解与合成I型并联组合可以实现运动的分解，II型并联组合可以实现运动的合成。

图5-13所示为平板印刷机上吸纸机构的运动示意图，由两个摆动从动件凸轮机构和一个五杆机构组成，两盘形凸轮固接在同一转轴上，五杆机构的两连架杆分别与凸轮机构的从动件联为一体。当凸轮转动时，推动从动件2、3分别按要求的运动规律运动，并带动五杆机构的两连架杆，使固接在连杆5上的吸纸盘P按要求的矩形轨迹运动，以此来完成吸纸和送进等动作。该并联式机构组合，可使连杆的输出运动实现指定的运动轨迹。图5-13平板印刷机上的吸纸机构

1—凸轮2、3—从动件4、5—连杆2.实现运动的分解与合成例5-13图5-15所示的丝织机的开口机构，输入机构为曲柄摇杆机构，两个摇杆滑块机构并联组合分别输出，当主动件曲柄1转动时，通过摇杆3将运动传给两个摇杆滑块机构，使两个从动件滑块5和7分别实现上下往复移动，完成丝织机织平纹丝织物的开图5-15丝织机开口机构

1—曲柄2、4、6—连杆

3—摇杆5、7—滑块3.改善机构受力状态(1/2)III型并联组合机构可使机构的受力状况大大改善，因而在冲床、压床机构中得到广泛的应用。曲柄驱动两套相同的串联机构，再通过滑块输出动力，不但减小了边路机构的受力，而且使滑块受力均衡。3.改善机构受力状态(2/2)将三组图3-34b所示的平动齿轮机构并联组合后，可得到图3-40所示的三环减速器机构。三个平动齿轮共同驱动一个外齿轮减速输出，不但增加了运动平稳性，而且改善了传力性能。平动齿轮机构4.不同类机构也可以并联组合

这为并联组合的设计提供了广泛的应用前景。4.不同类机构也可以并联组合

这为并联组合的设计提供了广泛的应用前景。图5-12钉扣机针杆传动

1、6—曲柄2—连杆3—针杆

4—导杆5—滑块图5-12是可以实现从动件作复杂平面运动的两自由度机构，用于钉扣机中的针杆传动，由曲柄滑块机构和摆动导杆机构并联组合而成，原动件分别为曲柄1和曲柄6，从动件是针杆3，通过主动件的运动可实现平面复杂运动，用以完成钉扣动作。三、并联机构应用

三、并联机构应用

一、机构的叠加组合方法1.基本概念机构叠加组合是指在一个机构的可动构件上再安装一个以上机构的组合方式。其中，支撑其它机构的机构称为基础机构，安装在基础机构可动构件上面的机构称为附加机构。机构的叠加组合(运动独立式)是机构组合理论的重要组成部分，是机构创新设计的重要途径。§5-6机构的叠加组合与创新设计2.分类附加机构基础机构附加机构基础机构(a)I型叠加机构(b)II型叠加机构

机构的叠加组合

此组合中，驱动力作用在附加机构上(或者说主动机构为附加机构/或由附加机构输入运动)。附加机构在驱动基础机构运动的同时，也可以有自己的运动输出。附加机构安装在基础机构的可动构件上，同时附加机构的输出构件驱动基础机构的某个构件。

此组合中，附加机构和基础机构分别有各自的动力源(或有各自的运动输入构件)，最后由附加机构输出运动。

特点:

附加机构安装在基础机构的可动构件上，再由设置在基础机构可动构件上的动力源驱动附加机构运动。进行多次叠加时，前一个机构即为后一个机构的基础机构。

3.组合示例(I型)蜗杆传动机构安装在行星轮系机构的系杆H上，由蜗轮给行星轮提供输入运动，带动系杆缓慢转动。附加机构驱动扇叶转动，并通过基础机构的运动实现附加机构360°全方位慢速转动。I型叠加机构

附加机构基础机构蜗杆传动机构行星轮系机构轮系系杆上叠加蜗杆机构该机构可设计出理想的电风扇，扇叶转数可通过电动机调速调整。附加机构的机架(基础机构的系杆)转动速度为调整齿轮的齿数可改变附加机构机架的转数。

n1:电动机转数nH:系杆转数3.组合示例(I型)附加机构基础机构齿轮机构连杆机构附加机构基础机构齿轮机构齿轮机构常用电风扇的机构简图双重轮系机构附加机构:齿轮l/2/3/系杆h组成的轮系。基础机构:齿轮4/5/系杆H组成的行星轮系。附加机构的系杆h与基础机构的齿轮4连接，实现附加机构向基础机构的运动传递。户外摄影车机构3.组合示例(II型)机械手机构附加机构基础机构ABCDCDEF缸1缸2AD3.组合示例(II型)附加机构基础机构ABCDCDEF缸1缸2AD图5-23圆柱坐标型工业机械手

二、机构叠加组合的关键问题1.确定附加机构与基础机构之间的运动传递，或者附加机构的输出构件与基础机构的哪一个构件连接。2.动力源安装位置。3.连接方式Ⅱ型：动力源在基础机构的可动构件上，驱动附加机构一可动构件，按附加机构数量依次连接即可。Ⅱ型叠加机构间的连接方式较为简单，且规律性强，应用最为普遍。Ⅰ型:较复杂，但有规可循。如齿轮(附加)+连杆(基础)时，连接点:在输出齿轮和输入连杆上。如齿轮(附加)+行星轮系(基础)时，可把附加机构安置在基础轮系机构的系杆上，附加机构的齿轮或系杆与基础机构的齿轮连接即可。

机构叠加组合成的新机构具有很多优点，可实现复杂的运动要求，机构的传力性能较好，减小了传动功率，但设计构思难度较大。叠加组合方法为创建叠加机构提供了理论基础。一、机构的封闭组合方法1.基本概念一个两自由度机构中的两个输入构件(或两个输出构件或一个输入一个输出构件)用单自由度的机构连接起来，形成一个单自由度的机构系统，称为封闭式连接。特征:基础机构为二自由度机构，附加机构为单自由度机构。两自由度的基础机构共有3个运动(2输入1输出)。当附加机构连接了二自由度基础机构中两构件的运动后，限制了被连接构件的1个独立运动，使组合机构系统的自由度减少1个。因此，封闭组合机构的自由度为1。设计时，不能分别单独设计基础机构和附加机构，必须把基础机构和附加机构看作一个整体考虑其设计方法。§5-7机构的封闭组合与创新设计2.分类

基础机构和附加机构的种类不同，所得到的组合机构不同，其设计方法也有所不同。根据封闭式机构输入与输出特性的不同，共有3种封闭组合方法。附加机构基础机构附加机构基础机构附加机构附加机构基础机构单自由度2自由度III型封闭组合机构(1个单自由度附加机构封闭基础机构的I/O各1个)Ⅰ型封闭组合机构(1个单自由度附加机构封闭基础机构的两个IorO)II型封闭组合机构(2个单自由度附加机构封闭基础机构的两个IorO)3.封闭组合示例(a)差动轮系(b)I型封闭机构(c)III型封闭组合机构2自由度差动轮系给定任何两个输入运动(如齿轮1、3)可实现系杆的预期输出运动。在齿轮1、3间组合附加定轴轮系(齿轮4/5/6组成)后，可获得Ⅰ型封闭组合机构。调整定轴轮系传动比，可得任意预期系杆转数。把系杆H的输出运动通过定轴轮系(齿轮4/5/6)反馈到输入构件(齿轮3)后，可到Ⅲ型封闭组合机构。差动轮系(由齿轮1/2/3/系杆H组成)为基础机构，差动轮系的系杆和齿轮1经连杆机构ABCD和齿轮机构z1、z4封闭，四杆机构和定轴齿轮机构组成两个附加机构，形成Ⅱ型齿轮连杆封闭组合机构。2自由度五杆机构OABCD为基础机构，凸轮机构为封闭机构。五杆机构的两个连架杆分别与凸轮和推杆固接，形成Ⅰ型凸轮连杆封闭组合机构。其中具有两个自由度的五杆机构ABCDE为基础机构，四杆机构AFGE为附加机构。基础机构中的连架杆AB与附加机构中的连架杆AF并接，基础机构中的连架杆DE与附加机构中的连架杆GE并接，输出构件为基础机构中的连杆。当给整个机构一个输入时，由四杆机构带动五杆机构连架杆运动，合成后使基础机构中连杆按指定运动规律输出。I型图5-19IHI摆式飞剪机剪切机构凸轮机构封闭了2自由度蜗杆机构的蜗轮转动(基础机构的输出运动)和蜗杆的移动(基础机构的一个输入运动)，是典型的III型封闭组合机构。III型封闭组合机构注意：机构的封闭式组合将产生组合机构，组合机构可实现优良的运动特性，但是有时会产生机构内部的封闭功率流，降低了机械效率。所以，传力封闭组合机构要进行封闭功率的判别。

二、封闭组合的基本思路1.任意两个自由度的机构均可作为基础机构，而单自由度的机构则可作为附加封闭机构。常见的基础机构主要有五杆机构和差动轮系机构，附加封闭机构可以是齿轮机构、凸轮机构和四杆机构，有时也用间歇运动机构作为封闭机构。如基础机构为连杆机构，封闭机构可为连杆机构、齿轮机构、凸轮机构和间歇运动机构等，这时可组成连杆-连杆组合机构、连杆-齿轮组合机构、连杆-凸轮组合机构、连杆-槽轮组合机构等。

2.附加封闭机构封闭基础机构的两个输入运动或两个输出运动简便易行，应用最为广泛。3.附加封闭机构封闭基础机构的一个输入构件和一个输出构件，把输出运动再反馈回输入构件。组合机构与机构组合

叠加杆组法、串联机构法、并联机构法和叠加机构法形成的机构系统是机构的组合系统，在该系统中，各基本机构均保持原有特性，其分析与综合方法也与原基本机构相同。

机构的封闭式组合将导致形成组合机构。组合机构中的各基本机构不能单独进行分析与综合，必须在一个整体机构系统的环境中考虑基本机构的分析与综合。这是组合机构与机构组合的不同点。一、机构的混合组合方法

牛头刨床机构

可看作齿轮机构与导杆机构串联后，再连接Ⅱ级杆组DE。

冲(压)床机构带传动机构、齿轮机构和连杆机构串联后，再连接Ⅱ级杆组CE组成的机构系统。§5-8其它类型的机构组合与创新设计二、附加约束组合法

附加约束组合法是指在多自由度机构中，人为地增加约束条件(工程中的附加约束一般采用具有复杂曲线结构的高副)，从而达到机构创新设计的目的。

五杆机构ABCDE为一2自由度机构，用一个凸轮高副(凸轮固定)约束C点的运动。改变凸轮的轮廓线形状，可实现滑块的预期运动。凸轮-连杆组合机构

广泛应用于纺织和印刷机械中例题

1.试对下图所示的双曲柄－槽轮机构进行分析。

原因是主动拨盘一般作匀速转动，并且回转半径不变。当运动传递给槽轮时，由于主动拨盘的滚销在槽轮的传动槽内沿径向相对滚移，致使槽轮受力作用点也沿径向发生变化。若滚销以不变的圆周速度传递运动时，导致槽轮在一次转位过程中，角速度由小变大，又由大变小。

图例中，采用双曲柄机构与槽轮机构的串联式组合方式。槽轮机构的主动拨盘固接在双曲柄机构ABCD的从动曲柄上，从动曲柄上E点的变化速度能够中和槽轮的转速变化，使槽轮能近似等速转位。解:串联(双曲柄+槽轮机构)

槽轮机构常用于转位和分度的机械装置中，但它的运动和动力特性不太理想，尤其在槽数较少的外槽轮机构中，其角速度和角加速度的波动均达到很大数值，造成工作台转位不稳定。双曲柄槽轮机构与普通槽轮机构的角速度曲线α:槽轮动程时的转角

i:从动槽轮与其主动构件的角度比

串联组合的槽轮机构的运动特性和动力特性能有较大改善类似改变槽轮运动和动力特性的机构串联组合形式还有转动导杆槽轮机构、凸轮槽轮机构、椭圆齿轮槽轮机构，以及双槽轮机构的串联等1曲柄2导杆3主动拨盘4拨销5槽轮凸轮槽轮机构1主动拨盘2槽轮3固定凸轮4弹簧A拨销转动导杆槽轮机构1主动椭圆齿轮2带有转臂的椭圆齿轮3槽轮A拨销1主动拨盘(前置槽轮机构)2前置槽轮3后置槽轮A/B拨销椭圆凸轮槽轮机构双槽轮机构的串联2试对图示冲压机凸轮连杆机构进行机构分析解：图示冲压机凸轮连杆机构，由一个凸轮机构和一个凸轮连杆机构并联组合而成。两个盘状凸轮固接在一起，凸轮1和推杆2组成移动从动件盘状凸轮机构。凸轮和摆杆3组成摆动从动件盘状凸轮机构。当机构的主动件凸轮1和转动时，推杆2实现左右移动；同时摆杆3实现摆动，并由摆杆的摆动带动连杆4运动，使从动件滑块5实现上下移动。根据所设计的凸轮，推杆2与滑块5可实现对应的时序关系。3.试对图示液压挖掘机进行机构分析第一套液压缸机构1~4以挖掘机机身1为机架，机构的运动可以使大转臂4(输出构件)实现俯仰动作。第二套液压缸机构是4~7，叠加在第一套机构的大转臂4上，机构运动结果可使小转臂7(输出构件)实现伸缩摇摆。第三套机构是由7~10组成的液压缸机构，叠加在第二套机构的小转臂7上，最终使铲斗10完成复杂的挖掘动作。解：机构的叠加组合。由三套液压缸机构叠加组成。4.试分析图示牛头刨床导杆机构的组合方式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。其中转动导杆机构ABD为前置子机构，曲柄1为主动件，绕固定轴A匀速转动，使该机构的从动件2输出非匀速转动。六杆机构BCEFG为后置子机构，主动构件为BE，即前置子机构的输出构件2，因2构件输入的是非匀速运动，所以中和了后续机构的转速变化。故当曲柄1匀速转动时，滑块4在某区段内实现近似匀速往复移动。解：机构为串联组合方式(导杆机构+六杆机构)。5.试对图示V形发动机的双曲柄滑块机构进行分析

两个汽缸作V形布置，它们的轴线通过曲柄回转的固定轴线，当分别向两个活塞输入运动时，曲柄可实现无死点的定轴回转运动，并且还具有良好的平衡、减振作用。解：机构为并联组合方式。(曲柄滑块+曲柄滑块机构)6.试对图示活塞机的齿轮连杆机构进行分析

图示机构是两个曲柄滑块机构ABE和CDE的并联组合，同时与相啮合的齿轮机构进行连接。机构构件长度满足AB=CD,BE=DE,同时两齿轮的分度圆直径相等。AB和CD与气缸的轴线形成的夹角相等且对称分布。齿轮转动时，活塞将沿气缸内壁作往复移动。若机构中的两齿轮和两连杆的质量分别相等，则气缸壁上将不会受到因构件的惯性力而引起的动压力。解：机构为II型并联方式。(曲柄滑块+曲柄滑块机构)7.试对图示电动玩具马的传动机构进行分析机构由曲柄摇块机构ABC安装在两杆机构的转动构件4上组合而成。机构工作时分别由转动构件4和曲柄1输入转动，致使马的运动轨迹M是旋转运动和平面运动的叠加(实现马的俯仰和升降即跳跃)，以两杆机构作为基础机构使马作前进运动，三种运动形态合成马飞奔前进的运动形态。解：机构为叠加组合方式。(曲柄滑块+两杆机构)ABC41

机构的演化或变异：

以某机构为原始机构，在其基础上对组成机构的各个元素进行的各种性质的改变或变换，而形成一种功能不同或性能改进的机构。

进行各种性质的改变与变换主要包括：

对机构各个元素形状和尺寸上的改变，运动形式的变换，运动等效的变换，组成原理的仿效。第二节机构的演化与变异演化与变异的主要方法有：运动副演化与变异；机构的构件变异；机构的机架变换；机构的等效变换；机构运动原理的仿效；或以上方法同时运用。

通过演化与变异而获得的新功能机构称为变异机构。2.1机构的运动副演化与变异主要目的：1）增强运动副元素的接触强度2）减小运动副元素的摩擦、磨损3）改善机构的受力状态4）改善机构的运动和动力效果5）开拓机构的各种新功能6）寻求演化新机构的有效途径主要方法包括：1）改变运动副的尺寸2）改变运动副元素的接触性质3）改变运动副元素的形状一、改变运动副的尺寸主要是指转动副和移动副尺寸的增大1.转动副的扩大

主要指组成转动副的销轴和销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对运动关系并没有发生改变，这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。转动副B的直径尺寸加大到将转动副A包括在其中时，曲柄1就变成了偏心盘，而连杆2就设计成一个圆环状构件。曲柄摇杆机构就转变成一个旋转泵。工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机

壳的内表面滑动；2与构件3用转动副C连

接。3绕固定轴D转动，用于将吸入腔和输

出腔隔开。旋转泵曲柄摇杆机构旋转泵转动副B的直径尺寸加大到将转动副A包括在其中时，曲柄1就变成了偏心盘1，而连杆2就设计成一端圆环状，另一端为杆状的套圈，杆状端插入支撑块3上，并沿支撑块滑动，支撑块3与壳体4组成转动副，曲柄摇块机构就转变成一个旋转泵。工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机

壳的内表面滑动；则液体按图示箭头方向

流动，套圈2的叶片a用以把吸入腔与输出

腔隔开。曲柄摇块机构偏心盘和圆环形连杆组成的转动副使连杆紧贴固定的内壁运动，形成一个不断变化的腔体，有利于流体的吸入和压出。特点：由于转动副的扩大，构件形状分别由杆状变

换成圆盘状和圆环状。圆环状连杆在固定的

圆形腔体内作平面运动，形成不断变化的空

间，以实现工作要求。曲柄滑块机构活塞泵2.转动副连续扩大后展直为移动副转动副A与B原状，构件2作往复摆动。固定转动副A扩大后的形状。因2作摆动，在其摆角范围内把摆动盘和固定圆环改成扇形形状。当2的摆动中A点落到无穷远处时，就变成了移动副。3.移动副的扩大

主要指组成移动副的滑块与导路尺寸的变大，并且增大到把机构中其它运动副包含在其中。构件间的相对运动关系并未改变。冲压机构：移动副C扩大，将转动副A和移动

副B包括在其中，因滑块的质量

大，所以可产生很大的冲压力。冲压机构正弦机构曲柄滑块机构冲压机构移动副扩大，将转动副A、B和C均包括在其中。曲柄1通过连杆2带动冲头3作上下往复移动。

往复凸轮分度机构：移动副B扩大，将转动

副A和凸轮高副C均包含在其中。

该机构工作时，构件1往复移动，推动凸轮2间歇转动。

左图为锁紧位置，右图为构件1左移，推动

凸轮顺时针方向转动的位置二、改变运动副元素的接触性质低副元素的接触性质：滑动接触，使运动副元素的接触表面产生磨损，降低了机械传动效率和传动精度。高副元素的接触性质：滚动接触和滑动接触减小磨损的方法：用滚动接触代替滑动接触图5-29移动副变异为滚滑副

1—滑块2—导路1.移动副把组成移动副元素之一的结构形状改变成滚子形，这样使原始机构中导路与滑块的结构形式演变为导路与滚子结构形式。

2.转动副在组成转动副的销轴和销轴孔之间增设若干个滚动体，构成滚动轴承。

3.高副把凸轮高副中从动件设计成滚子形，槽轮高副中的拨销也设计成滚子形，则可减小摩擦磨损。三、改变运动副元素的形状

因运动副的作用、性质主要取决于运动副元素的形状，所以改变其形状是内容最丰富的一种演化变异。1.展直

曲柄摇杆机构中，摇秆3上点C的轨迹是以D为圆心，CD长为半径的圆弧。

若构造一个弧形槽，将滑块制成扇形机构并置于槽中，机构运动特性并未改变

若将弧形槽半径增至无穷大，则弧形槽就演变为直槽，滑块也变为长方形滑块，转动副也就演化为移动副，铰链四杆机构也就演化为偏置式曲柄滑块机构。

当图中偏距e=0时，则成为对心式曲柄滑块机构。图5-33移动式槽轮图5-34棘轮副的展直2.绕曲楔块机构的斜面接触，若在移动平面上进行绕曲，就变成盘形凸轮机构的平面高副；若在水平平面上绕曲就演化成螺旋机构的螺旋副。图5-31楔块机构变异

1—楔块2—导杆3.重复再现

当运动副元素在机构的一个运动周期内重复再现时，原始机构就可以演化为具有新功能的机构。

凸轮轮廓曲线是一个具有12个凸凹圆弧形的曲线，从动构件是由两个圆柱滚子摆杆构成。机构工作时，一个滚子位于凹曲线底部，另一个则位于顶部，或反之，由此完成锯条往复运动的动作要求。电动锯条的凸轮机构具有轮廓曲线的重复和连续的特点：螺旋副用于传动时，可以实现由转动变移动的运动变换，若从螺旋副旋转推进工作原理进行思维，将螺杆的形状改成叶片状放于密闭圆筒状容器内，而物料就相当于螺母，经过这样的替代就产生了螺旋输送器。4.运动副的替代2.2机构的构件变异主要目的：1）改善机构运动的不确定2）解决机构由于结构原因无法正确运动问题3）开发新功能4）开发新机构5）改善机构的受力状态，主要演化变异方法：1）利用构件的运动性质进行演化变异2）改变构件的结构形状和尺寸3）在构件上增加辅助结构4）改变构件运动性质一、利用构件的运动性质演化变异

主要指某些构件进行往复运动时，可以仅利用其单程的运动性质，再进一步改变构件的形状以实现这个单程运动间歇地重复再现，从而演化出新的机构。摆动导杆机构：曲柄AB主动，输入转动，摆杆OB从动，输出往复摆动。如果用滚滑移动副代替移动副B，成图示机构。当曲柄AB和摆杆OB的夹角为锐角即处于B′位置时，摆杆的摆动方向与曲柄同向；而夹角为钝角即处于B″位置时，摆杆的摆动方向则与曲柄的转动方向相反，为逆时针方向。方向改变的起始位置在AB和OB相垂直的B点。

若以垂直位置即B点为分界线，可把滚滑副的槽分割成两部分。一部分如图：

当滚子位于槽内时，曲柄AB转动，导杆OB反向摆动。若滚子脱离摆槽，则运动就会中断。

可改变摆杆的形状，设计一个沿以OB为半径的轨迹圆上开了四个均布相同槽的圆盘，使滚子在脱离一个槽后，相隔一段时间进入了另一个槽，就把连续的转动转换成间歇的转动，摆动导杆机构就变成了外槽轮机构。另一部分如图：按同样的做法，可变异成内槽轮机构。图5-36摆动导杆机构变异为槽轮机构二、改变构件的结构形状和尺寸

可以解决机构运动不确定和机构因结构原因无法正常运动等问题。1.平行四边形机构

能传递匀速转动，但死点位置时机构运动不确定。可采用两个以上的相同机构的组合，使其运动确定。圆盘式连轴器的演化变异过程：

在此基础上，将曲柄上的各活动销轴铰接在同一个圆盘上，并缩短机架，可用来传递转动，成为一种平行四边形连轴器。还可以进一步变异，把连杆2作成滚轮的结构形式，把1盘上的A铰位置全部作成以连杆2的长度为半径的圆孔，孔的内侧曲柄3上的滚轮滚动接触，成为孔销式连轴器。2.双转块机构的变异块1转动，通过连杆2将转动传递给块3。两转块无法实现整周回转。可分别将1、2、3构件的型状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘形状，就构造成一个十字滑块连轴器。当1盘转动时，3盘以同样的速度转动。2上的凸榫分别嵌入1和3相应的凹槽内。图5-38双转块机构的变异3.摆动导杆的变异在摆动导杆机构中，若将导杆2的导槽某一部分做成圆弧形，并且其槽中心线的圆弧半径等于曲柄OA的长度。当曲柄的端部销A转入圆弧导槽时，导杆则停歇，实现了单侧停歇的功能，并且结构简单。曲柄滑块机构中，可将滑块设计成带有导向槽的结构形状，直接驱动曲柄做旋转运动，构造出无死点的曲柄机构。图5-40转动导杆机构的变异1.转动导杆机构

图5-40a是一个转动导杆机构，可以传递非匀速转动。三、增加辅助结构可解决运动不确定问题、运动规律可调性问题等图5-41廓线可变的凸轮机构

1—凸轮2—推杆2.凸轮机构凸轮机构结构简单，可实现任意运动规律，但当凸轮廓线确定后，从动件的运动规律则不能变换和调节。

图5-42推杆可换的凸轮机构

1—圆柱凸轮2—齿轮四、改变构件的运动性质组成：将凸轮设计成中间带有滑道，并将转动滑块设在其中。工作过程：当凸轮转动时，就可以实现凸轮相对于固定滚子的位移，而从动杆相对于凸轮又有位移，达到增大行程的效果。增程凸轮机构组成：凸轮轴1上套有一个可借助于导向键A沿轴向移动又可转动的端面凸轮，其上端与从动杆4上的滚轮接触，下端则与固定滚轮3接触。工作过程：凸轮转动时，从动杆的升程是两项升程之和，一项是凸轮相对于固定滚子的升程，另一项是从动杆相对于凸轮的升程。2.3机构的机架变换与创新

机构的机架变换是指机构的运动构件与机架的互相转换，或称作机构的倒置。按照相对运动原理，机架变换后,机构内各构件的相对运动关系不变，而绝对运动则发生了改变,因此，用这种方法可以得到不同特性的机构，进一步拓宽了机构的应用范围。一、平面四杆机构的机架变换1.全转动副四杆机构的机架变换曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构2.含有一个移动副的四杆机构的机架变换曲柄滑块机构转动导杆机构摇块机构移动导杆机构3.含有二个移动副的四杆机构的机架变换双滑块机构双转块机构正弦机构正切机构图5-44卡当机构及其机架变换第二节机构的演化与变异图5-45凸轮机构的机架变换二、凸轮机构的机架变换第二节机构的演化与变异三、齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换图5-46齿轮机构与挠性件传动机构的机架变换

a)机架变换前b)机架变换后第二节机构的演化与变异四、间歇运动机构的机架变换图5-47间歇运动机构的机架变换

a)外槽轮机构的机架变换b)不完全齿轮机构的机架变换2.4机构的等效变换与创新

即机构的同性异形变换，指输入、输出的运动特性相同或等效，但机构不同的一组机构。获得同性异形机构的途径：一、利用运动副的等效代换创新同性异形机构

是指组成机构的各种运动副相互转换和替代，而又不改变机构运动的输入和输出特性。第二节机构的演化与变异图5-48运动副的等效代换(一)

a)球面副与转动副的等效代换b)圆柱副与转动副加移动副的等效代换1.空间运动副与平面运动副的等效代换

第二节机构的演化与变异图5-49万向联轴器2.平面高副与平面低副的等效代换图5-50运动副的等效代换(二)凸轮机构

曲柄摇杆机构凸轮机构

曲柄滑块机构凸轮机构

摆动导杆机构第二节机构的演化与变异二、利用周转轮系的不同结构创新同性异形机构图5-51卡当运动机构及其创新图5-52齿轮差动机构2.5机构运动原理的仿效与创新

是指一些相同的运动原理可以用到不同的机构中去。一、差动运动原理的仿效第二节机构的演化与变异图5-53凸轮差动机构

1、3—凸轮2—推杆二、谐波传动原理的仿效图5-54谐波齿轮传动

1—柔轮2—刚轮H—波发生器第二节机构的演化与变异图5-55谐波螺旋传动

1—螺杆2—螺母H—波发生器三、啮合传动原理的仿效齿形带传动四、滚动传动原理的仿效滚珠螺旋、钢球活齿传动第三节广义机构的创新设计一、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，广泛应用于冶金、矿山、建筑和交通运输等行业。

1.液动机构图5-56升降机构图5-57液压夹紧机构第三节广义机构的创新设计图5-58铸锭供料机构第三节广义机构的创新设计图5-59挖掘机第三节广义机构的创新设计图5-60通用机械手结构

1—真空吸头2—水平气缸

3—垂直气缸4—齿轮齿条副

5—回转缸6—小车2.气动机构第三节广义机构的创新设计图5-61商标自动粘贴机第三节广义机构的创新设计图5-62光电动机二、利用光电、电磁物理效应

1.光电动机

2.电磁机构图5-63电磁机构

1—电磁铁2—杆3—电路4—复位弹簧第三节广义机构的创新设计图5-64磁性滚轮钢板运送机构第三节广义机构的创新设计图5-65压电式间歇移动机构

1—压电元件2—右电磁体3—左电磁体3.压电机构第三节广义机构的创新设计三、利用力学原理

1.利用重力作用图5-66螺钉整列机构第三节广义机构的创新设计图5-67子弹整列机构第三节广义机构的创新设计图5-68自动装卸矿车第三节广义机构的创新设计图5-69应用平衡重锤作用的平移机构

1—工件2—工件座3—摆杆

4—平衡重锤5—挡块第三节广义机构的创新设计图5-70工件夹紧切断机构第三节广义机构的创新设计图5-71送料机构

1—曲柄2—连杆3—摇杆

4—滑块5—机架3′—推爪

a′、a″—挡销第三节广义机构的创新设计图5-72机车车轮制动机构第三节广义机构的创新设计图5-73振动送料机构

1—槽体2—激振板簧3—底座

4—橡胶减振弹簧5—铁心线圈

6—衔铁7—工件2.利用振动及惯性作用

(1)振动机构利用振动产生运动和动力的机构称为振动机构，广泛应用于散装物料的捣实、装卸、输送、筛选、研磨、粉碎及混合等工艺。第三节广义机构的创新设计图5-74振动式锚头安装机

1—电动机2—带轮3—钻座4