北理工机械原理讲义第12章 机构组合与创新设计

第十二章机构组合与创新设计

一、基本要求（1）掌握基本机构的概念、类型及其运动特性。（2）了解机构的组成原理。（3）理解机构的各种组合方法（串联组合、并联组合、叠加组合、封闭组合）。二、基本概念和基础知识1.

基本机构的类型及其运动特点分析（1）常用基本机构

连杆机构的基本型主要有曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构、曲柄滑块机构、正弦机构、正切机构、转动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构、移动导杆机构、双转块机构、双滑块机构。齿轮类机构的基本型：单级圆柱齿轮机构、单级圆锥齿轮机构、单级蜗杆机构。凸轮类机构的基本型：直动从动件盘形凸轮机构、摆动从动件盘形凸轮机构、直动从动件圆柱凸轮机构、摆动从动件圆柱凸轮机构。间歇运动机构的基本型：棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构。挠性传动机构：带传动机构、链传动机构和绳索传动机构。其它常用机构的基本型：螺旋机构、万向机构。（2）基本机构的运动特性

由于完成相同运动变换的机构类型往往不止一种，因此必须充分了解它们的运动与动力特性，才能更好地选择基本机构的类型。可实现转动到转动运动变换的机构：齿轮机构、带传动机构、链传动机构、摩擦轮机构、双曲柄机构与转动导杆机构、双转块机构、万向机构。可实现转动到往复摆动运动变换的机构：曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动从动件凸轮机构。可实现转动到往复移动运动变换的机构：曲柄滑块机构、正弦机构、移动导杆机构、齿轮齿条机构、直动从动件凸轮机构、螺旋传动机构。其中，曲柄滑块机构、正弦机构、移动导杆机构中的移动构件作往复变速移动；直动从动件凸轮机构中的移动杆的运动规律可实现运动特性的多样化；齿轮齿条机构和螺旋传动机构可实现移动件的等速运动。可实现转动到间歇转动运动变换的机构：槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构都能实现等速转动到间歇转动的运动要求。槽轮机构中槽轮作变速间歇转动。当圆销进入和退出槽轮时，角加速度有突变，影响其动力性能，因而不能在高速状况下使用；不完全齿轮机构也有类似缺点，在从动轮开始运动和终止运动阶段，也会产生较大的冲击。故也不能实现高速传动。分度凸轮机构是一种新型的间歇运动机构，其承载能力和运动平稳性得到很大改善，目前已应用在高速分度转位机构中。可实现摆动到连续转动运动变换的机构：曲柄摇杆机构、摆动导杆机构中的摇杆和摆杆为主动件时，可实现曲柄的连续转动。这种运动变换过程中，要注意克服机构运动中的死点位置。可实现移动到连续转动运动变换的机构：曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、不自锁的螺旋传动机构。其中利用曲柄滑块机构实现这种运动变换时，机构存在死点位置，可采用机构的错位排列或通过安装飞轮的方法通过机构死点位置。由于曲柄转动的不等速，还可利用飞轮进行速度波动的调节。齿轮齿条机构和不自锁的螺旋传动机构均可实现等速的移动。2.

机构组成原理与创新设计把基本杆组依次连接到原动件和机架上，可以组成新机构。或者说，任何机构都是通过把基本杆组依次连接到原动件和机架上组成的，这就是机构的组成原理。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。把各种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，可以组成复杂的机构。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。利用机构的组成原理进行机构创新设计，概念清楚、方法简单、可操作性好。3.

机构的组合与创新设计机构的组合是指把相同或不同类型的机构通过一定的连接方法，按照一定规则组合而成一个机构系统，从而实现既定的功能目标。机构的串联组合：前一个机构的输出构件与后一个机构的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。前一个机构称为前置机构，后一个机构称为后置机构。其特征是前置机构和后置机构都是单自由度机构。机构串联组合的目的主要是改变后置机构的运动速度或运动规律。机构的并联组合：若干个单自由度的基本机构的输入构件连接在一起，保留各自的输出运动；或若干个单自由度机构的输出构件连接在一起，保留各自的输入运动；或有共同的输入构件与输出构件的连接，称为并行连接。其特征是各基本机构均是单自由度机构。并联组合的目的主要是改变机构的动力性能，有时也用于实现运动的分解或运动的合成。机构的叠加组合：在一个机构的可动构件上再安装一个以上的机构的组合方式。把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。机构的封闭组合：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构件和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，称为封闭式组合。其特征是基础机构为二自由度机构，附加机构为单自由度机构。任何复杂的机构系统都是由基本机构组合而成的，掌握机构组合的方法，就为创造新机构提供了明确的途径。所以机构组合是机构创新设计的重要手段之一。三、学习重点及难点本章重点是掌握各种基本机构的类型及其运动特性。机构的运动特性是进行机构选型的重要依据。难点是利用机构组成原理和机构的各种组合方法创新设计出新的机构。四、例题精选例题12-1

试对图12-1所示的双曲柄－槽轮机构进行分析。图12-1

双曲柄－槽轮机构解：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。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。图12-2为双曲柄槽轮机构与普通槽轮机构的角速度曲线的对照线图，其中，横坐标α是槽轮动程时的转角，纵坐标i是从动槽轮与其主动构件的角度比。可以看出，经此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。见图12-3～12-6。

1曲柄

2导杆

3主动拨盘

4拨销

5槽轮图12－2

槽轮角速度变化曲线

图12－3

转动导杆槽轮机构

1主动拨盘

2槽轮

3固定凸轮

4弹簧

A拨销图12-4

凸轮槽轮机构

1主动椭圆齿轮

2带有转臂的椭圆齿轮

3槽轮

A拨销

图12－5

椭圆凸轮槽轮机构1前至槽轮机构的主动拨盘

2前置槽轮

3后置槽轮

A、B拨销图12－6双槽轮机构的串联

例题12－2

试对图12－7所示冲压机凸轮连杆机构进行机构分析。图12-7

冲压机凸轮连杆机构解：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。例题12-3

试对图12－8所示液压挖掘机进行机构分析。图

12－8

液压挖掘机解：图示液压挖掘机机构为机构的叠加组合。由三套液压缸机构叠加组成。第一套液压缸机构1-2-3-4以挖掘机机身1为机架，输出构件是大转臂4，该机构的运动可以使大转臂4实现俯仰动作。第二套液压缸机构是4-5-6-7，叠加在第一套机构的大转臂4上，该机构的输出构件是小转臂7，其运动结果可使小转臂7实现伸缩摇摆。第三套机构是由7-8-9-10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。五、试题自测及答案12-1

试对图12－9所示牛头刨床导杆机构的组合方式进行分析。图12－9

牛头刨床导杆机构12-2

试对图12－10所示V形发动机的双曲柄滑块机构进行分析。图12－10

双曲柄滑块机构

12-3

试对图12－11所示活塞机的齿轮连杆机构进行分析。图12－11

齿轮连杆机构12-4试对图12－12所示电动玩具马的传动机构进行分析。图12－12

电动玩具马

参

考

答

案12－1

图示牛头刨床的导杆机构为机构的串联组合方式，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。12－2

图示V形发动机的双曲柄滑块机构为机构的并联组合形式，是由两个曲柄滑块机构并联组合而成。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。12－3

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