第六章 机构构型方案的创新设计

二 、 机 v形双缸发动机 构 并 联 组 合 的 示 例
襟翼操纵机构
第一节 机构的组合与创新
二 缝纫机针杆传动
、
机
构
并
联
组
合
的
示
例
摆动凸轮
曲柄滑块
钉扣机针杆传动
摆动导杆 曲柄滑块
第一节 机构的组合与创新
丝织机构开口机机构
冲压机的凸轮连杆机构
曲柄摇杆
摇杆滑块 摇杆滑块
移动从动件盘形凸轮 摆动从动件… 摆动滑块
第一节 机构的组合与创新
1.1 基本机构的应用：
（1）基本机构单独应用
（2）互不连接的基本机构 的组合
A 4 1B
2
3C
压片机
第一节 机构的组合与创新
1.1基本机构的应用：
（3）各基本机构互相连接的组合 串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合等。
基本机构的串联组合
基本机构的并联组合
第一节 机构的组合与创新
基础机构：支撑其它机构的基本机构。 附加机构：安装在基础机构可动构件上的机构。
分类一：叠加组合的运动关系有两种情况，一种是各机 构的运动关系是相互独立的称为运动独立式，常见于各 种机械手；另一种则是各机构之间的运动有一定的影响 称为运动相关式，如摇头电扇的传动机构。
第一节 机构的组合与创新
1.2.3 机构的叠加
第二节 机构演化与变异
1．机构的演化：以某机构为原始机构，对组成机构的各 元素（运动副，构件）进行各种性质的改变或变换，而形成 一种功能不同的机构。
2．各种性质的改变或变换：机构各元素形状和尺寸上的 改变，运动形式的变换，运动等效变换，组成原理的仿效。
3．机构演化与变异的主要方法：运动副及构件形状尺寸 的改变，机架变换，机构的等效变换，机构结构的仿效。
1.1基本机构的应用：
（3）各基本机构互相连接的组合 串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合等。
第一节 机构的组合与创新
1.2 常用机构组合方法
常用的机构组合方式如下：
1. 利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，组成复杂的 机构系统。
2. 按照串联规则组合基本机构，组成复杂的串联机构系统。 3. 按照并联规则组合基本机构，组成复杂的并联机构系统。 4. 按照叠加规则组合基本机构，组成复杂的叠加机构系统。 5. 按照封闭规则组合基本机构，组成复杂的封闭机构系统。 6. 上述方法的混合连接，可得复杂的机构系统。
实现惯性力的部分或完全平衡。 2. 实现运动的分解与合成。I型并联组合可实现分流，II型并
联组合可实现运动的合成。 3. 改善受力状态。 4. 同类机构可以并联，不同类机构也可以并联。
第一节 机构的组合与创新
1.2.3. 机构的叠加
基本概念：
将一个或多个机构安装在另一个机构的某个 运动构件上的组合形式为叠加式机构组合，其 输出的运动是若干个机构输出运动的合成。
后置机构 前置机构
连杆机构 凸轮机构 齿轮机构 槽轮机构
连杆机构 凸轮机构 齿轮机构
后置机构
前置机构
后置机构
双曲柄机构与槽轮机构的串联组合
后置机构 前置机构
前置机构
后置机构
牛头刨床导杆机构
毛纺针梳机导条机构
前置机构
后置机构
后置机构 前置机构
使位移增加的凸轮—连杆机构
凸轮—连杆糖果 包装机剪切机构
大家好
第五章 机构构型方案的创新设计
目录
第一节 新 第二节 异 第三节 设计
机构的组合与创 机构的演化与变 广义机构的创新
第一节 机构的组合与创新
为了实现复杂的运动与动作，机械常由简单的基 本机构组合而成。
机构的组合原理是指将几个基本机构按一定的 原则或规律组合成一个复杂的机构，这个复杂的 机构一般有两种形式，一种是几种基本机构融合 成性能更加完善、运动形式更加多样化的新机 构，被称为组合机构；另一种则是几种基本机构 组合在一起，组合体的各基本机构还保持各自特 性，但需要各个机构的运动或动作协调配合，以 实现组合的目的，这种形式被称作为机构组合。
2.1.3凸轮机构的机架变换
普通凸轮机构 图 a) 固定凸轮机构：凸轮固定，从动件作复合运动。图 b) 应用举例：图 c) 凸轮-行星机构 图 d) e)
2.1.4 间歇运动机构的 机架变换
棘轮机构
普通间 歇运动 机构
槽轮机构 不完全齿轮机构 凸轮机构
组合机构
范例： 外槽轮机构的机架变换：外槽轮机构的机架变换后与一 个行星齿轮机构串联，1为主动件，1与2啮合，2上固接着拨盘， 当拨盘上的圆销进入槽轮的槽子时，系杆转动输出运动，当圆销 退出槽子时，拨盘的锁止弧与槽轮5的锁止弧（凸对凹）锁止， 系杆4停歇。因为串联了行星齿轮机构，则可改善普通槽轮机构 的动力特性。
2.2 运动副形状变异与创新设计
2.2.1 转动副的变异设计 C
B D
A
转动副B的尺寸扩大包括A 转动副C的尺寸扩大包括B 转动副D的尺寸扩大包括C
曲柄滑块机构扩大转动副B
2.2.2 移动副的变异设计 滑块扩大将回转副包含
2.2.2 移动副的变异设计 滑块形状变异和组合
2.3 运动副的等效代换与创新设计
A
4
1 B
2
3C
3．含有两个移动副四杆机构的机架变换
双滑块机构 双转块机构 正弦机构 椭园规 数学运算器
2.1.2 齿轮机构及挠性件 传动机构的机架变换
普通齿轮传动机构→行星 齿轮机构
普通链传动或齿形带传动 →行星传动机构
机架的变换
挠性传动机构只有具有啮合性质的链传动或齿形带传动才 能进行这种变换。各种履带运输车辆的行走机构就可看成 是将链传动机构倒置而设计制成的。另外，将链传动中的 链固定成为机架，可代替造价昂贵的齿轮齿条机构。
分类：根据参与组合的前后机构连接点的不同 进行划分。联接点可以设在前置机构中作简单 运动的连架杆上，称其为Ⅰ型串联；联接点也 可以设在前置机构中作平面复杂运动的构件上， 称作Ⅱ型串联。
连杆或行星轮
Ⅰ型串联
Ⅱ型串联
串联机构组合的示例 (一)I型串联组合
连杆机构
前置机构
连杆机构 凸轮机构 凸轮机构 齿轮机构 槽轮机构 棘轮机构 齿轮机构
第一节 机构的组合与创新
➢ 串联组合的基本思路 串联组合的基本原则：
3、在满足运动要求的前提下， 运动链尽可能短。
第一节 机构的组合与创新
1.2.2 机构的并联组合 两个或多个基本机构并列布置，称为机构的并联组合。
Ⅰ型并联
Ⅱ型并联
Ⅲ型并联
并联式机构组合按输出运动性质可分为简单型和复杂型。
第一节 机构的组合与创新
二、附加约束组合法
指在多自由度机构中，人为地增加约束条件，从而达到创 新的目的。
第一节 机构的组合与创新
二、附加约束组合法
指在多自由度机构中，人为地增加约束条件，从而达到创 新的目的。
改变凸轮轮廓曲线， 可以改变滑块的预期 运动。
凸轮-连杆 机构印刷机 械和纺织机 械中常用。
五杆机构中c点 增加凸轮约束
分类二：I型叠加组合和II型叠加组合
动力源
动力源
附加机构
基础机构
I型叠加机构
附加机构
基础机构
动力源
II型叠加机构
第一节 机构的组合与创新
主要功能：实现特定的输出，完成复杂的工艺动作。
设计的主要问题是根据所要求的运动和动作如何选择各个 附加机构的类型，如何解决输入运动的控制（借助于机械、 液、气压、电磁等控制系统解决，使输出的复杂工艺动作 适度，符合工作要求。） 选择附加机构的一般原则：将附加机构设计成单自由度，使 其运动的 输入输出形式简单，以达到容易控制的目的。
4．变异机构：通过演化与变异而获得新功能的机构
曲柄摇杆机构：具有急回运动特征 双曲柄机构：例如平行四边形机构 双摇杆机构：例如等腰梯形机构，车辆转向。
转动副变为滑动副
2.1 机构的机架变换与创新设计
机构的机架变换称作机构的倒置，机架变换 后，机构内各构件的相对运动关系不变，但绝对 运动发生了改变。
2.2 运动副形状变异与创新设计
机构的运动副演化与变异
1．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）改变机构的受力状态 （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 2．主要方法： （1）改变运动副的尺寸 （2）改变运动副的接触性质 （3）改变运动副的形状
2.1.1 平面四杆机构的机架变换 1．铰链四杆机构的机架变化
曲柄摇杆机构：具有急回运动特征 双曲柄机构：例如平行四边形机构 双摇杆机构：例如等腰梯形机构，车辆转向。
2．含有一个移动副的四杆机构的机架变换
①曲柄滑块机构 ②导杆机构 （转动导杆，摆动导杆） ③摇块机构 液压机构 ④移动导杆机构（定块机构） 手动水压机
—
连 杆 齿 轮 机 构
飞 机 高 度 表
(一) Ⅱ型串联式组合
具有停歇的六杆机构 实现从动件两次动程的六杆机构
行星齿轮连杆机构
一般直线轨迹或圆弧曲线轨迹可使后置 子机构的输出构件实现运动的停歇，自交的 曲线轨迹可使后置于机械的输出构件实现两 个行程。
第一节 机构的组合与创新
➢ 串联组合的基本思路 串联组合的基本原则：
第一节 机构的组合与创新
双棘爪机构
活塞机的齿轮杠杆机构
曲柄滑块 曲柄滑块
曲柄滑块 曲柄滑块
第一节 机构的组合与创新
➢ 并联组合的基本思路
串联机构组合的目的：改变后置机构的运动速度或运 动规律。 并联机构组合的目的：用于实现运动的分解或运动的 合成，也可改变机构的动力性能。 并联组合的基本原则： 1. 对称并联相同的机构可实现机构的平衡。I型并联组合可
球面副 汇交于球心的三个转动副 万向联轴器就是球面副 由三个转动副等效代换的例子。
b图为圆柱副 平面移动副、转动副
2.3.2 高副与低副的等效代换
AB、AC、A至切点等之间的距离保持不变，故附加一个长为AB、AC并使其在A、B、C 处分别与原机构的构件1与2组成转动副和移动副，这样就构造出各自的同性异形机构。
1、实现后置机构的速度变换。
第一节 机构的组合与创新
➢ 串联组合的基本思路 串联组合的基本原则：
1、实现后置机构的速度变换。
第一节 机构的组合与创新
➢ 串联组合的基本思路 串联组合的基本原则：
2、实现后置机构的运动变换。 获得预期的运动轨迹。
曲柄滑块机构没有急回特性 串联了曲柄摇杆机构后有急回特性
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 升降机构
第三节 广义机构的创新设计
液压夹紧机构
第三节 广义机构的创新设计
铸锭供料机构
第三节 广义机构的创新设计
高副低代必须满足的条件：
①替代前后机构的自由度相同；②替代前后机构的运动特 性相同。
α
C
β
ο1
ο2
ο1
ο2
α

β
当过高副接触点的二曲线曲率半径之和为常数时，可用 低副机构代替高副机构。若曲率半径之和不为常数，只 能瞬时代替。
C
ο1
ο2
β
第三节 广义机构的创新设计
3.1 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
运动副的等效代换是指组成机构的各种运动副 相互转换或替代，而又不改变机构运动的输入相输 出特性，这些特性主要指机构的自由度、机构中各 相应构件的运动特征等。
2.3.1 空间运动副与平面运动副的等效代换 （1）球面副与转动副的等效代换 （2）圆柱副与转动副加移动副的等效代换
2.3.1 空间运动副与平面运动副的等效代换
第一节 机构的组合与创新
机构是机器中执行机械运动的主体装置
机
构
机器的性能
的
机器的成本
类
机器的制造工艺
型 和
机器的使用寿命 机器的工作可靠性
复
杂
机构的设计在机械设
程
计的整个过程中占有
度
举足轻重的地位
第一节 机构的组合与创新
任何复杂的机构都是由基本机构组合而成的
基本机构：
1. 各类连杆机构 2. 凸轮机构 3. 齿轮机构 4. 间歇运动机构 5. 螺旋机构 6. 带传动机构 7. 摩擦轮机构
机构叠加组合的示例 1．运动独立式叠加机构
附加机构 基础机构
基础机构
电动玩具马
II型叠加 机构
2. 运动相关式叠加机构
液压挖掘机机构
I型叠加机构
电风扇摇头机构
第一节 机构的组合与创新
1.2.4 其它类型的机构组合与创新设计
一、机构的混合组合方式
工程中，串联组合、并联组合、叠加组合以及封闭组合等 方法经常联合应用，称为混合组合法，如串联后再并联， 串联后再叠加等。
实际工作中，是上述方式的组合。
第一节 机构的组合与创新
1.2.1机构的串联组合
概念：机构的串联组合是指若干个单自由度的 基本机构顺序联接在一起。前一个机构称为前 置机构，后一个机构称为后置机构。每一个前 置机构的输出运动是后置机构的输入。
第一节 机构的组合与创新
1.2.1 机构的串联组合
做往复直线运动或 定轴转动的构件