机械原理电子教材第八章组合机构

第八章组合机构
§8-1机构的组合方式与组合机构
一、机构的组合方式
1.串联式组合：前一级子机构的输出构件为后一级子机构的输入构件
子机构1：构件1、2、5组成的凸轮机构
子机构2：构件2、3、4、5组成的曲柄滑块机构
构件2既是凸轮机构的从动件，又是曲柄滑块机构的主动件。

2.并联式组合：几个子机构共同用一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统。

子机构1：四杆机构ABCD（2、3、4和机架）
子机构2：四杆机构GHKM（6、7、8和机架）
子机构3：五杆机构DEFNM（4、5、8、9和机架）
主动件凸轮带动子机构1和子机构2运动，而子机构1和子机构2的输出运动又同时传给子机构3，从而使连杆9上的P点描绘出一条工作所要求的运动轨迹。

反馈式组合：多自由度子机构的一个输入运动是通过单自由度子机构从该多自由度机构的输出构件回授的。

子机构1：蜗杆1和蜗轮2组成的自由度为1的蜗轮蜗杆机构
子机构2：凸轮2ˊ和推杆3组成的自由度为1的移动滚子从动件盘形凸轮机构。

蜗杆1的一个输入运动（沿轴线方向的移动）是通过凸轮机构从蜗轮2回授的。

复合式组合：由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构。

子机构1：1、4、5组成的自由度为1的凸轮机构
子机构2：1、2、3、4、5组成的自由度为2的五杆机构
构件1为主动件，C点的运动是构件1和构件4运动的合成。

*与串联机构的区别与联系：子机构1和子机构2组成关系是串联，但子机构2的输入运动并不完全是子机构1的输出运动。

与并联机构的区别与联系：C点的输出运动是两个输入运动的合成，但这两个输入运动一个来自子机构1，而另一个来自主动件。

二、组合机构
概念
用一种机构去约束和影响另一个多自由度机构所形成的封闭式机构，或由几种基本机构有机联系、互相协调和配合所组成的机构系统。

子机构：组合机构中的单个基本机构称为组合机构的子机构
基础机构：在组合机构中，自由度大于1的差动机构称为组合机构的基础机构。

附加机构：自由度为1的基本机构称为组合机构的附加机构。

组合机构可以是同类基本机构的组合（如轮系一章中所介绍的封闭式差动轮系就是这种组合机构的特例），更多的是不同类型基本机构的组合。

§8-2机构的组合的类型和功能
一、凸轮-连杆组合机构
1、实现复杂运动轨迹的凸轮-连杆组合机构
例1：平板印刷机吸纸机构
基础机构：自由度为2的五杆机构
附加机构：两个自由度为1的摆动
从动件凸轮机构
固连在一起的凸轮1和1ˊ转
动时，推动从动件2、3分别按
和的运动规律运动，并将这两个
运动输入五杆机构的两个连架杆，从
而使固结在连杆5上的吸纸盘P 走出
一个矩形轨迹，完成吸纸和送纸动作。

例2刻字、成形机构
基础机构：自由度为2的四杆四移动副机构（构件2、3、4和机架组成，称为十字滑块机构）
附加机构：两个自由度为1的凸轮机构
槽凸轮1、杆件2和机架组成
槽凸轮1ˊ、杆件3和机架组成
槽凸轮1和1ˊ固结在一根轴
上，当凸轮转动时，其上的曲线凹
槽将通过滚子推动从动件2、3分别
在X轴、Y轴上移动，从而使杆2和
杆3组成移动副的十字滑块4上的M
点描绘出一条复杂的轨迹。

凸轮槽的形状决定了滑块M点的
运动轨迹。

2、实现复杂运动规律的凸轮-连杆组合机构
例1：
基础机构：自由度为2的五杆机构（构件1、2、3、4、5组成）
附加机构：槽凸轮机构（1、5、6）
只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，就能使从动滑块3按照预定的复杂规律运动。

例2：
基础机构：自由度为2的旋转四杆机构（构件1、2、3、4和机架组成）
附加机构：槽凸轮机构
当主动件1等速回转时，装在杆件2、3铰接点C处的滚子6将沿着固定凸轮5的凹
槽运动，迫使主动件1和杆件2之间的夹角发生变化。

因此，从动件4的运动将是主动件1的运动和因角变化而使从动件4获得的附加运动的叠加。

凸轮-连杆组合机构，既发挥了两种基本机构的特长，又克服了它们各自的局限性。

单一的连杆机构很难准确地实现任意复杂的预定运动规律，单一的凸轮机构也不能使从动件整周回转，组合后，既实现了从动件整周回转，又准确地实现了工作要求的预定运动规律，在工程实际中，获得了日益广泛的应用。

二、齿轮-连杆组合机构
实现复杂运动轨迹的齿轮-连杆组合机构
基础机构：自由度为2的连杆机构
附加机构：自由度为1的齿轮机构
例1：图8-9所示
基础机构：自由度为2的五杆机构（由构件1、2、3、4、5组成）
附加机构：定轴轮系1、4、5
改变两轮的传动比、相对相位角、和各杆长度时，连杆上M点可描绘出不同的轨迹。

例2：振摆式轧钢机轧辊驱动装置中的齿轮-连杆机构（图8-10）
基础机构：五杆机构ABCDE
附加机构：定轴轮系（由齿轮1、2、3组成）
主动轮1转动时，同时带动齿轮2、3转动，通过五杆机构ABCDE使连杆上的M 点描绘出复杂轨迹。

调节两曲柄AB、DE的相位角，可方便地改变M点的轨迹，以满足轧制工艺要求。

实现复杂运动规律的齿轮-连杆组合机构
基础机构：自由度为2的差动轮系
附加机构：自由度为1的连杆机构
**最具特色的是用曲柄摇杆机构来封闭自由度为2的差动轮系而形成的齿轮-连杆机构（图8-11），
有两轮式、三轮式和多轮式几种组合。

图8-11a)的基础机构是由齿轮5、2ˊ和系杆1组成的差动轮系，其附加机构为构件1、2、3、4组成的四杆机构。

由于
故
运动说明：当曲柄1匀速转动时，从动轮5作非匀速转动。

改变四杆机构各构件的尺寸和两轮齿数，可使从动轮5获得各种不同的运动规律，在某些条件下，从动轮可以实现瞬时停歇。

图c)所示的三轮式齿轮-连杆机构，其基础机构为齿轮5、6和杆3组成的自由度为2的差动轮系，附加机构为杆件1、2、3、4组成的自由度为1的四杆机构。

由图8-12可知，
则
瞬心的位置与A、D之间的位置有关。

当，在主动轮转一周时，先从AB延长线上某点逐渐移到A、D之间，然后再回到AD延长线上，从动轮6
改变两次转向，有两次停歇。

当时，在主动轮转一周时，总是落在AD
延长线上，从动轮转向不变，只作周期性的增、减速运动；当时，主动
轮转一周，先从AB延长线上某点逐渐移到A点，然后返回原处，从动轮只有一次瞬时停歇。

利用这一特性，可将其用作停歇时间很短的步进机构。

*实现复杂运动规律的行星式齿轮-连杆组合机构
当齿数比，时，C点运动为三条内摆线cc。

当AB杆转过，滑块3处于近似停歇状态。

三、凸轮-齿轮机构
例1
基础机构：自由度为2的差动轮系（齿轮1、行星轮2、系杆H）
附加机构：自由度为1的凸轮机构（摆动从动件凸轮机构）
当输入构件系杆H转动时，带动行星轮2的轴线作周转运动。

由于行星轮2上的滚子3置于固定凸轮4的槽中，凸轮廓线将迫使行星轮2相对于系杆H转动，则从动轮1输出运动就是系杆H的运动与行星轮相对于系杆的运动之合成。

故
当为常数时，改变凸轮4的廓线形状，即可改变行星轮2相对于系杆H的运动
，即可得到不同的输出运动，当凸轮的某段廓线满足
时，从动轮在这段时间内处于停歇状态。

因此，利用该组合机构可以实现具有任意停歇时间的间歇运动。

*凸轮-齿轮组合机构多用来使从动件产生多种复杂运动规律的转动，使输出轴按一定的运动规律作周期性的增速、减速、反转和步进运动；也可使从动件实现具
有任意停歇时间的间歇运动；还可实现机械传动校正装置中所要求的特殊的补偿运动。

例2图8-15所示的滚齿机工作台校正机构
基础机构：中心轮2ˊ、行星轮3和系杆H组成的差动轮系
附加机构：凸轮4和摆杆3ˊ组成的摆动从动件凸轮机构
输入构件：齿轮2
输出构件：蜗杆1
§8-3组合机构的设计
一、并联式组合机构
1、机构特点：
原动件的运动同时输入给个单自由度的附加机构，而这些附加机构的输出运动又同时输入给一个自由度为的基础机构，再合成为一个运动输出。

通常。

2、设计要点
根据工件要求实现的运动规律或轨迹，选择一合适的多自由度机构；分析该多自由度机构的输出运动与输入运动之间的关系；并根据该多自由度机构的特点，选择和设计合适的附加机构。

设计实例
铁板输送机构为例，说明这类组合机构的设计思路和方法。

基础机构：齿轮2、3、4及系杆H组成的自由度为2的差动轮系
附加机构：齿轮机构1、2和曲柄摇杆机构ABCD
齿轮1和杆AB固结在一起，杆CD与系杆H是一个构件。

在主动曲柄AB（齿轮1）等速转动一周的时间内，从动齿轮4按下述规律运动：当曲柄开始转过时，齿轮4停歇不动，以等待剪切机构将铁板剪断；在主
动曲柄转过一周中其余角度时，输出构件4转过，这时刚好将铁板输送到所要求的长度。

且为了提高传动的效率，要求四杆机构的最小传动角大于。

在齿轮2、3、4及系杆H组成的差动轮系中：
则
在齿轮1、2组成的定轴轮系中：
故
或
上式可见：齿轮4的输出运动为构件1和系杆H的运动之合成。

欲使主动齿轮1从某瞬时开始转过时构件4能产生停歇，则应令，
即满足：
此式反映了该组合机构中四杆机构的主、从动杆之间的传动关系。

欲使从动齿轮4能实现停歇，就必须设计出一个能满足上式的曲柄摇杆机构。

该组合机构的设计步骤如下：
确定齿数和
设主动轮1转一周的时间为T，将上式两边积分后得：
今要求当齿轮1转一周时，齿轮4转，因此：
选取则
确定齿数和
假定齿轮2固定不动，差动轮系就变成了以系杆H为输入构件，中心轮4为输出构件的行星轮系了。

则
得
确定曲柄摇杆机构的尺寸
今选取得
由同心条件得得
曲柄摇杆机构需同时满足三个条件：
曲柄AB转过期间内，每一瞬时主、从动件要满足公式
主动杆AB能做整周回转
最小传动角大于
本例中，取得到各构件相对于机架AD的尺寸为：
用运动分析方法进行校核
二、复合式组合机构的设计
机构特点
原动件的运动，一方面直接传给自由度为2的基础机构，另一方面又通过一个单自由度的附加机构传给该自由度为2的基础机构，该基础机构将这两个输入运动合成为一个输出运动。

设计要点
根据工件要求实现的运动规律或轨迹，恰当地选择一合适的2自由度机构作为基础机构；然后给定该基础机构一个原动件的运动规律，并使该机构的从动件按照工作要求实现的运动规律或轨迹运动，从而找出上述给定运动规律的原动件和另一原动件之间的运动关系；最后按此运动关系设计单自由度的附加机构，即可得到满足工作要求的组合机构。

设计实例
要求实现复杂运动轨迹的凸轮-连杆机构为例，说明这类组合机构的设计思路和方法。

基础机构：构件1、2、3、4、5组成的自由度为2的五杆机构
附加机构：构件1、4、5组成的单自由度的凸轮机构
输入运动：原动件1的转动
输出运动：C点的复杂运动轨迹S
设计步骤：
作出轨迹曲线S，根据机构总体布局，选定曲柄转轴A与预定轨迹S之间的相对位置。

确定构件1、2的尺寸
在曲线S上找出与转轴A最远点和最近点
确定构件3的尺寸
必须大于轨迹S上各点到导路的最大距离
绘制构件4相对于构件1的位移曲线
将曲柄圆等分若干等份，得到曲柄转一周期间B点的一系列位置，用作图法找出C、D两点对应于B点的各个位置，由此可绘制出从动件的位置曲线。

根据结构选定凸轮的基圆半径，按照位移曲线绘制盘形凸轮的轮廓线。