《机械原理（英汉双语）（第2版）》课件-第11章机构系统设计

第11章机构系统设计1.简单机构组成的机构系统

11.1机构系统设计概述使用简单机构进行机械系统运动方案设计时，利用机构的演化与变异原理，可提高机械的力学性能和使用寿命。图11-1a所示的剪床机构中，扩大转动副B和移动副C，得到图11-1b所示的剪床机构，可提高曲柄强度并提高剪刀的力学性能。Fig.11-1Shearingmachine

(剪床机构)2.多个独立工作的简单机构组成的机构系统Fig.11-2Motionharmonizationofmechanism

(机构运动的协调)图11-2所示液压机构系统中，液压缸1和液压缸2是两个独立的简单机构。液压缸1把工件送到位置2，触动液压缸2的开关后，即刻返回原位。液压缸2再把工件送到位置3。两个液压缸的协调运动才能完成即定的工作要求，其运动协调依靠行程开关控制液压换向油路即可实现。3.简单机构连接组成的机构系统

各种简单机构通过连接杆组、串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合，可形成的一系列的复杂机构系统。实际机械中，这类机构系统应用最为广泛。图11-3所示的机构是由带传动机构、蜗杆机构、凸轮机构、铰链四杆机构和正切机构串联组成的，实现零件的自动夹取与送料运动。Fig.11-3Automaticfeedingmachine

(自动送料机)1.机构系统的运动协调Fig.11-4Punchingmechanism

(压力机机构)11.2机构系统的运动协调设计图11-4所示压力机机构简图中，机构ABC为冲压机构，机构FGH为送料机构。要求在冲压结束后，冲压头回升过程中开始送料，到冲压头下降过程的某一时刻完成送料并返回原位。冲压机构与送料机构的动作必须协调。冲压机构ABC的设计可按冲压要求设计，送料机构FGH不但要满足送料位移要求，其尺寸与位置必须满足运动协调的条件。设计时可通过连杆DE连接两个机构。2.运动循环图的设计

图11-5所示的压力机机构的运动循环图中，AB为工作行程，BC为回程，其中GF为冲压过程。送料机构的运动循环图中，EC为开始送料阶段，AD为退出送料阶段。在冲压阶段，送料机构在DE阶段不动，使其运动不发生干涉，其条件必须满足T5＞T2。根据拟定的运动循环图，设计送料机构的尺寸和位置。Fig.11-5Motioncirculationdiagramofapunchingmachine

(压力机机构的运动循环图)3.机构系统设计要点1)按机械功能目标选择各简单机构。

2)拟定运动循环图。

3)进行各简单机构的尺度综合，确定各机构尺寸。

4)确定各机构的连接方法与连接件尺寸。

5)进行计算机仿真，检验运动协调的可靠性。

6)反复进行机构尺寸与位置的修订，直到满意为止。1.连接基本杆组Fig.11-6Connectingbasiclinkgroups(基本杆组)11.3机构系统的组合方法图11-6a所示，Ⅱ级杆组BCD的外接副B、D连接到原动件AB和机架上，组成四杆机构ABCD。再把一个Ⅱ级杆组中的外接副E、F连接到四杆机构ABCD的杆DC和机架上，组成了一个机构系统。以此类推，可设计出更复杂的机构系统。各连接点的位置可通过机构综合方法求取。如果把II级杆组中的外接副B、D连接到两个原动件上，组成了图11-6b所示的2自由度并联机构。2.简单机构串联Fig.11-7Mechanismsintandemconnection1(机构的串联组合1)图11-7a所示齿轮机构的从动轮与连杆机构的主动曲柄刚性连接，形成了齿轮连杆机构组合系统。该系统可降低连杆机构运转速度；图11-7b中，平行四边形机构ABCD的连杆与齿轮机构的内齿轮刚性连接，形成了连杆机构和齿轮机构的组合系统。由于内齿轮z1作平动。当满足O1O2=AB=CD，且互相平行时，该系统的外齿轮z2作大速比减速输出。Fig.11-8Mechanismsintandemconnection2(机构的串联组合2)图11-8a中，摆动导杆机构的输出摆杆与曲柄滑块机构的曲柄连接，可得到滑块的特殊运动规律。图11-8b是齿轮机构与凸轮机构串联而成的机构系统。3.简单机构并联并联组合也是最为常见的机构组合方法。图11-9a为两个并联的导杆机构共同驱动汽车翻斗的示意图；图11-9b为将主轴运动分流到轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的并联齿轮机构示意图。Fig.11-9Mechanismsinparallelconnection1(机构并联组合1)图11-10a所示机构系统为轴向并联布置的内燃机。连杆机构的活塞为主动件，8套呈Ⅴ型布置的曲柄滑块机构共同驱动曲轴转动。实现了动力的合成。图11-10b所示为径向并联布置的内燃机简图。4套曲柄滑块机构共同驱动曲轴转动，实现动力的合成。Fig.11-10Mechanismsinparallelconnection2(机构并联组合2)Fig.11-11Mechanismsinparallel

connection3(机构并联组合3)图11-11所示的机构系统把电动机的运动分解为两路传动，然后再合成一个蜗杆运动，形成并联机构组合系统。这种并联组合系统可提高蜗轮的输出动力。4.简单机构叠加Fig.11-12Mechanismsinsuperposedconnection1(机构叠加组合1)图11-12a所示的液压挖掘机中，转塔1上安装摆杆机构。通过液压缸2、驱动杆3，再驱动大臂4摆动。大臂4上又安装一套同类液压机构，通过液压缸5、杆6驱动小臂7摆动；小臂7上还安装一套液压缸机构，通过铰链机构驱动铲斗工作。图11-12b所示的升降机构中，在一个平行四边形机构上叠加另外一个平行四边形机构，工作平台在升降过程中保持一个稳定姿态。Fig.11-13Mechanismsinsuperposed

connection2(机构叠加组合2)图11-13所示机构是在周转轮系系杆上安装一个单头蜗杆机构，由蜗轮给行星轮提供输入运动，带动系杆缓慢转动。蜗杆驱动扇叶转动，又可驱动系杆作360°的慢速转动，实现风扇的全方位运动。5.简单机构封闭连接Fig.11-14Mechanismsinclosedconnection(机构封闭组合)如果用一个单自由度的机构连接其中两个独立运动，就形成新的自由度为1的机构系统。称之为封闭连接机构系统。图11-14所示机构中，蜗杆传动为一个2自由度的机构，即蜗杆绕轴线的转动和沿轴线的移动。Chapter11DesignofMechanismSystems1.SimpleMechanismSystemConsistingofaSingleMechanism11.1IntroductionofMechanismSystems

Whendesigningasimplemechanismsystem,methodsofevolutionandmutationcouldprovideanapproachforcreatingnewmachines.Forexample,Fig11-1ashowsthesketchdiagramofashearingmachine.ThepinoftherevolutepairBandthedimensionoftheprismaticpairCareenlargedenoughtoobtainashearingmachineshowedinFig11-1b.Fig.11-1Shearingmachine

(剪床机构)2.ComplexMechanismSystemConsistingofIndependentMechanismsFig.11-2Motionharmonizationofmechanism

(机构运动的协调)Fig.11-2showsahydraulicmechanismsysteminwhichthehydrocylinder1and2willoperateindependently.Thehydrocylinder1willtransferaworkpiecefromposition1toposition2,thenhydrocylinder2willtransfertheworkpiecetoposition3.Atthistimehydrocylinder1mustgobacktoitsinitialposition.3.ComplexMechanismSystemConsistingofMechanismsConnectedbyEachOther

Fig11-3showsacomplexmechanismsystem,inwhichbeltmechanism,wormmechanism,cammechanism,linkagemechanismareconnectedinseries.Itcouldclipandfeedautomatically.

Fig.11-3Automaticfeedingmachine

(自动送料机)1.MotionHarmonizationofaMechanismSystemFig.11-4Punchingmechanism

(压力机机构)11.2HarmonizationDesignofMechanismMotions

Fig.11-4showsapunchingmachineinwhichtheactionoftheslidercrankmechanismABCisusedtopunchandtheslidercrankmechanismFGHisusedtofeed.Whenthepunchingheadgoesupafterfinishingapunchingprocess,thefeedingmechanismstartstofeed.Besides,thefeedingmechanismmustcompletefeedingandreturntoitsinitialposition,andthenthepunchingheadwillbegintopunch.2.DesignofMotionCirculationDiagram

Fig.11-5showsthemotioncirculationdiagramofapunchingmechanism.Inthefigure,theabscissaaxisindicatesthemotioncycleoftheactuatorsandtheordinateaxisindicatesthemotionstatusoftheactuators.Everymotionstatusofmechanismscanbeexpressedinthismotioncirculationdiagram.

Fig.11-5Motioncirculationdiagramofapunchingmachine

(压力机机构的运动循环图)3.KeyPointsforDesigningMechanismSystems1)Choosesimplemechanismstosatisfythemechanicalfunctions.2)Sketchupthemotioncirculationdiagram.3)Synthesizethesimplemechanisms,anddeterminetheirdimensions.4)Determinetheconnectionmethodsandsizesofallmechanisms.5)Simulateandinspectthereliabilityofmotionharmonization.6)Optimizethesizesandthepositionsofthemechanismsrepeatedly,untiltheycansatisfytherequirements.1.ConnectionBasicLinkGroupsFig.11-6Connectingbasiclinkgroups(基本杆组)11.3CombinedMethodsofMechanismSystemsInFig11-6a,theoutsidepairsBandDoftheclassⅡlinkgroupBCDareconnectedtothedrivinglinkABandtheframe,andweobtainafourbarlinkageABCD.IftheoutsidepairsEandFofanotherclassⅡlinkgroupareconnectedtothelinkDCandtheframe,asixlinkmechanismwouldbeobtainedshowedinFig11-6a.IftheoutsidepairsBandDareconnectedtotwodrivinglinks,wecangetaparallelmechanismwithtwodegreesoffreedomshowninFig11-6b.

2.TandemConnectionofSimpleMechanismsFig.11-7Mechanismsintandemconnection1(机构的串联组合1)

Fig11-7ashowsagearlinkagesystem,inwhichthedrivengearisconnectedrigidlytothedrivingcrankofthecrankrockermechanism.Thismechanismsystemcanreducethespeedofthelinkagemechanism.Fig11-7bshowsanothergearlinkagesystem,inwhichtheinternalgearofthegearsisconnectedrigidlytothecoupleroftheparallelogrammechanismABCD.Fig.11-8Mechanismsintandemconnection2(机构的串联组合2)

Fig11-8ashowsatandemmechanismsysteminwhichtheguiderofthecrankguiderbarmechanismisconnectedtothecrankoftheslidercrankmechanism.Thesliderwouldhaveaspecialmotioncharacteristic.Fig.11-8bshowsatandemsystemconsistingofagearmechanismandacammechanism.3.ParallelConnectionofSimpleMechanismsParallelconnectionsarewidelyusedinengineering.InFig.11-9a,twoparallelhydrauliccylindermechanismsdriveadumpbucketofatrucktogether.Fig.11-9bshowsaparallelgearmechanisminwhichthemotionofdrivingshaftisresolvedintothemotionsofshaftsⅠ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,ⅤandⅥ.

Fig.11-9Mechanismsinparallelconnection1(机构并联组合1)Fig.11-10ashowsaninternalcombustionengine,inwhichtheslidercrankmechanismsareinlinearrangementtoV.Thepistonsaredrivinglinksanddrivethecrankshafttorotate.Fig.11-10bshowsanothercombustionengine,inwhichtheslidercrankmechanismsareradialarrangement.Fourslidercrankmechanismsdrivethecrankshafttorotate.Fig.11-10Mechanismsinparallelconnection2(机构并联组合2)Fig.11-11Mechanismsinparallel

connection3(机构并联组合3)InFig.11-11,themotionoftheelectricmotorisseparatedintotwobranches;intheendtheywillbesynthesizedtobeonerotationofthewormgearagain.Thisparallelmechanismcanenhancetheoutputcapacityofthewormgear.Inengineering,weusuallytaketandemmechanismsasthebranchesofparallelmechanismsystems.Fig.11-11showsanexamplethatbothgearmechanismsaretandemconnections.Combinationsoftandemconnectionsandparallelmechanismsareverycommoninmechanismsystems.4.SuperpositionofSimpleMechanismsFig.11-12Mechanismsinsuperposedconnection1(机构叠加组合1)Fig.11-12ashowsahydraulicexcavator,inwhichaguiderbarmechanismislocatedontheturntable1.Arm4isdrivenbyhydrauliccylinder2androd3.Anotherhydraulicmechanismissuperposedonthearm4,anditdrivestheupperarm7byusinghydrauliccylinder5androd6.11-12bshowsahydrauliclifterinwhichaparallelogramlinkageDCEFissuperposedonthecoupleroftheparallelogramlinkageABCD,sothattheplatformcanmoveupanddown