机械原理：第12章 机构组合与创新设计
机械原理组合机构
机械原理组合机构机械原理是研究和分析机械工作原理和运动规律的学科，它是机械设计的基础课。
而组合机构是由若干个副动件与主动件相联结构成的，用于实现机械运动传递或者转换的装置。
组合机构可以实现各种不同的运动传递和转换，广泛应用于工业生产和日常生活中。
组合机构的分类有很多种，常见的有平面机构、空间机构、连杆机构等。
平面机构是在同一平面内运动的机构，常见的有曲柄滑块机构、摩擦滑块机构等；空间机构是在三维空间内运动的机构，常见的有球面机构、凸轮机构等；连杆机构是由若干个连杆构成的机构，根据连杆连接方式的不同，可以分为平面连杆机构和空间连杆机构。
在机械原理中，组合机构的设计和分析都离不开运动分析和力学分析。
运动分析主要是分析机构的运动学特性，包括机构的自由度、运动链、滞环以及运动规律等；力学分析主要是分析机构的力学特性，包括受力分析、力传递和传动比等。
这两个方面的分析对于组合机构的设计和优化都具有重要的意义。
组合机构的设计需要考虑诸多因素，如机构的传动比、运动速度、精确度、布置紧凑度、稳定性等。
传动比是指输入输出转速之比，决定了机构的运动规律和运动速度；运动速度是指机构中各副动件的运动速度，要满足机构的工作要求；精确度是指机构计算值和实际值之间的误差，要求精密度高；布置紧凑度是指机构结构的紧凑程度，要占用空间小；稳定性是指机构的稳定性和可靠性，要考虑机构的振动和噪声问题。
在组合机构的设计中，常见的机构有摩擦滑块机构、曲柄滑块机构、摩擦轮机构等。
摩擦滑块机构是利用摩擦力传递运动的机构，广泛应用于制动器、离合器等装置中；曲柄滑块机构是利用转动运动和滑动运动综合传递运动的机构，常见于往复运动的工作装置中；摩擦轮机构是利用摩擦轮与工件接触产生转动运动的机构，常用于升降装置和传送带等。
总之，机械原理中的组合机构是一种用于实现机械运动传递和转换的装置，通过运动分析和力学分析可以设计和分析各种组合机构。
在设计组合机构时需要考虑传动比、运动速度、精确度、布置紧凑度和稳定性等因素，常见的机构有摩擦滑块机构、曲柄滑块机构和摩擦轮机构等。
机械原理第12章机械运动方案设计精品PPT课件
机械运动方案设计是对机械进行设计的最为重要的 环节。运动方案设计的优劣，决定了这部机械的性 能、造价、市场前景。所谓运动方案的设计，是设 计者从多种原动机、基本机构和组合机构中选择出 合适的组合成为一部完成指定工作任务的机械系统 的全面构思。在设计之初，这种构思往往是最为艰 难的。因为完成同一工作任务，可以有多种不同工 作原理，即使工作原理相同，而设计方案也可能迥 然不同。经过认真详细地分析比较，会发现各种不 同的方案各有利弊，然后根据主要的评价原则，舍 其余而选其一。这种淘汰过程往往也是非常艰苦的。 运动方案设计的结果常常是绘出一张由线条和符号 组成的机械运动简图。
从对牛头刨床的分析可以看出，不同执行构件的运动可由不同或相同的机构去分别完成，但由 于各机构间紧密的传动配合关系，使其运动必然相互协调一致或有序，这是因为所有的运动都 服务于工件表面刨削这同一任务。
图12.1 牛头刨床
对于一部机械或机器的设计，一般应遵循以下步骤： (1) 确定其所要完成的工作任务。如进行工件的切削加工、锻压钢坯、搬运工
第12章 机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ运动方案设计
● 12.1 概 述 ● 12.2 组 合 机 构 ● 12.3 原动机类型与机构选型 ● 12.4 执行机构间运动的协调配合及运动循环图 ● 12.5 机械运动方案设计
第12章 机械运动方案设计
内容提要 ：主要介绍机械系统运动方案设计的任务 及主要设计步骤；原动机的类型、执行构件的运动 类型、执行机构和传动机构类型和选择；执行构件 的协调配合关系和运动循环图及其绘制方法；机构 组合的基本知识及常用的拟订机械传动系统方案的 方法。
件等，不同的工作任务应设计不同的机械完成。 (2) 根据机器的工作任务要求进行功能分解。对需要采取的加工工艺方法或工
在机械创新设计课程中机构组合的教学实践
示例 ：在 图３ 前置机构ＡＢ Ｄ中输出构件ＤＣ 中， Ｃ 与 后置机 构ＤＥ 中输入构件ＤＥ Ｆ 固结， 形成 串联机构 。合 理进行机 构尺度综合后， 可获得滑块 的特定运动规律 。
而产生轴 向移动 。这样传输给蜗轮的运动是转动 与移 动两个运动的合成 。这种机构 常用于机床 ， 作为运动误
Ｉ ＳＳＮ１ ７２ １ ８ ６ — ４３
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中 观代黼 装 国 备
２ １期 ０第２７ 总 第期 １ ９ １ １ 年
在机械创新设计课程中机构组合的教学实践
潘金坤
南京工程学院 江苏南京 ２ １５ １１７
摘 要 ：机械创新设计 是培养机械类 专业 学生创 新能力的重要课程，机构组合创新设计是该课程 的一项核心 内容 。介绍 了
叠加组合是指在一个基本机构 的可动构件上再安 装 １ 以上 基本机构 的组合方式 。支撑 机构称 为基 础 个 机 构， 安装 在基础机 构可 动构件上 的机构 称为 附加 机
构 。有２ 形式 ， 图８ 示 。 种 如 所
图４并联 组合
示例 ：如 图５ 所示为 Ｉ型并联机构， Ｉ ４ 个主动滑块的 移 动共 同驱动一个 曲柄的输 出， 以实现 运动 的合成， 这 类组合方式是设计 多缸发动机 的理论依据 。
构创 意 组 合 实 验 台（ 图 １所 示 ） 学 生做 实验 时， 用 如 １ 。 应
所学的机构创新设计知识， 进行创意构思， 拼装 出各种机 构模型， 然后利用实验台的可视化参数分析功能进行模 拟演示， 分析构件 的运动规律并利用计算机显示相 关运 动曲线， 据此修正 、完善 自己的设计。通过机构创新拼 装实验， 可大大提高学生的创新意识和实践动手能力 。
机构组合设计与创新教材课件
培养观察和思考能力
引导学生观察生活和工程实践中的问 题，思考解决方案，提高创新能力。
实践创新项目
组织学生参加创新项目，实践创新思 维和机构组合设计，培养创新能力和 团队合作精神。
机构组合设计的未来发展趋势
01
智能化设计
利用人工智能、机器学习等技术 ，实现机构组合设计的智能化，
功能的装置。
机构的分类
按照不同的分类标准，机构可以分 为很多种，如按照运动形式分类、 按照功能分类等。
机构的基本元素
机构的基本元素包括构件、运动副 和约束。
机构的组合方式
01
02
03
04
基本机构的组合
将基本机构按照一定的方式进 行组合，可以形成复杂的机构
。
串联式组合
将多个基本机构首尾串联连接 ，每个机构都是独立运动的。
挑战
随着科技的不断进步，对机构组合设计的要求也越来越高， 需要不断探索新的设计方法和思路。同时，机构组合设计需 要综合考虑机械、电子、控制等多个领域的知识和技术，对 设计师的综合素质要求较高。
机遇
随着机器人、航空航天、智能制造等领域的快速发展，对机 构组合设计的需求越来越大，为设计师提供了更多的机会和 挑战。同时，新技术的发展也为机构组合设计带来了更多的 可能性，设计师可以不断创新和尝试。
卫星姿态控制系统
机构组合设计在卫星姿态控制系统领域的应用， 能够实现卫星的精确姿态控制和稳定运行，提高 卫星的工作效率和可靠性。
机构组合设计在汽车制造领域的应用
底盘系统
01
机构组合设计在汽车底盘系统领域的应用，能够实现底盘的轻
量化、高效化和可靠性，提高汽车性能。
机械原理其它常用机构
外啮合式
20
铣刀 8
9
2
球拍 6
靠模凸轮
作者：潘存云教授
7
不完全齿轮1
不完全齿轮1 5
1
34
乒乓球拍专用靠模铣床
15.10.2020
21
退煤饼
压制
作者：潘存云教授
不完全齿轮 锁止弧
填料
填料
15.10.2020
锁止弧
蜂窝煤饼压制机
使运动平稳
瞬心线附加杆
22
§12－7 非圆齿轮机构
s / rφ =l /r2π s=lφ/2π
3
12
K
作者：潘存云教授
K向
15.10.2020
s
l
rφ
r2π
27
图示螺旋机构中，螺母A固 定，螺母2可沿轴向移动，
且: lA≠lB
当A、B段螺纹旋向相同时， 螺杆1相对于机架3的位移为：
s1=lAφ/2π
lA
A
作者：潘作存者云：教潘授存云教授
3 2B
B
工作原理：外套筒逆时针转 动时，滚子楔紧→内套筒 随之转动,当外套筒顺时针 转动 时，滚子松开 →内套筒不动。
特点：传递运动较平稳、无噪声，
从动件的转角可作无级调整。
易出现打滑现象，运动准确性较差，
不15.1适0.2020合用于精确传递运动的场合
9
摩擦自锁式 棘轮机构
15.10.2020
滚子楔紧式
15.10.2020
2'
2
1
2
3
3
6
特点及应用
结构简单、转角 可调、转向可变。 但只能有级调节动 程, 且棘爪在齿背 滑行会引起噪音、 冲击和磨损→高速 时不宜采用。
机构的组合与创新设计
C B
A
D
B
C
A
z1
o2
H
z2
o1
3、基本机构的应用 1） 基本机构的单独使用
基本机构可以直接应用在机械装置中，只有一些简单机械中才包含一个基本机构，如空气压 缩机中包含一个曲柄滑块机构。
2 ）互不连接的基本机构的组合
若干个互不连接、单独工作的基本机构可以组成复杂的机械系统。各基本机构之间进行运动协调 设计。
C
A B
I 型封闭组合机构
D
F
III 型封闭组合机构
封闭组合实例
第七节 其他类型的机构组合与创新 设计
一、机构的混合组合方法 工程中的实用机构系统中，经常联合使用上述组合方法，称为混合组合法。如串联组合后再并
联组合，串联组合后再叠加杆组组合等。
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，从而达到创新设计的目的。
连接级杆组 RRP杆组连接到原动件和机架上
B +
C A
D B
E
A
C
B C
A
+ D
E
RRR杆组连接到原动件和机架上
+B A
C
B
=
D A
RRR杆组连接机构的从动件 和机架上
B =
A
CE D
C
D+
E
F G
F E
B
A
F G
G C D
连接级杆组到一个原动件和机架上
D
E
F
+
=
C
B
A
G
D F
B
A
E
C G
3R3R杆组连接到三个原动件(并联机构)
机构的并联组合与创新设计
与创新设计1基本概念若干个单自由度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。
根据并联机构输入与输出特性的不同，分为三种并联组合方法。
分类2各机构有共同的输入件，保留各自的输出运动的连接方式，称为Ⅰ型并联；I型并联机构并联组合框图各机构有各自的输入件，保留相同输出运动的连接方式，称为Ⅱ型并联分类2各机构有共同的输入运动和共同的输出运动的连接方式，称为Ⅲ型并联。
Ⅱ型并联机构并联组合框图Ⅲ型并联机构并联组合框图3组合示例Ⅰ型并联组合3组合示例Ⅰ型并联组合组合示例3Ⅱ型并联组合Ⅲ型并联组合示意图串联机构组合的目的主要是改变后置机构的运动速度或运动规律并联机构的组合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。
并联组合的基本原则1.对称并联相同机构实现机构的平衡2.实现运动的分解与合成3.改善机构受力状态4.同类机构或不同类机构都可以并联组合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。
改善机构受力状态(1/2)3III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。
插入动画改善机构受力状态(2/2)3三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。
4同类机构也可以并联组合，不同类机构也可以并联组合为并联组合的设计提供了广泛的应用前景。
机械原理（第七版）孙桓主编第12章
八、其他常用机构1.将连续回转运动转换为单向间歇转动的机构有、、。
2.当原动件作等速转动时，为了使从动件获得间歇的转动，则可以采用机构。
(写出三种机构名称。
)3.欲将一匀速回转运动转变成单向间歇回转运动，采用的机构有、、等，其中间歇时间可调的机构是机构。
4.齿式棘轮机构制动爪的作用是。
5.径向槽均布的槽轮机构槽轮的最少槽数为。
6.槽数z=4的外啮合槽轮机构，主动销数最多应为。
7.不完全齿轮机构在运动过程中传动比是，而槽轮机构在运动过程中传动比则是。
8.单万向联轴节的转动不均匀系数随两轴夹角β的增大而。
9.传动两相交轴间的运动而又要求两轴间夹角经常变化时可以采用机构。
10.能实现间歇运动的机构有、、。
11.在棘轮机构中，为使棘爪能自动啮紧棘轮齿根不滑脱的条件是。
12.在齿式棘轮机构中，棘轮的模数m是与之比；槽轮的运动系数k是指在主动拨盘的内，时间t与时间t之比。
13.图示棘轮机构棘爪自动啮入的条件是。
14.四槽单销的外槽轮机构的运动系数为。
15.轮齿式棘轮机构的转角可以调整。
(A)有级；(B)无级16.在单销四槽的外槽轮机构中，槽轮转动的时间与静止的时间之比为。
17.有一外槽轮机构，已知槽轮的槽数z=4，转臂上装有一个圆销，则该槽轮机构的运动系k，静止系数k=。
数18.径向槽均布的外槽轮机构，其径向槽数最少数为，利用槽轮上的作为槽轮机构中的定位装置，齿式棘轮机构棘齿齿面的偏角φ应棘爪与棘齿间的摩擦角。
19.槽轮机构是由、、组成的。
对于原动件转一周槽轮只运动一次的单销外槽轮机构来说，槽轮的槽数应不小于；机构的运动特性系数总小于。
20.主动盘单圆销、径向槽均布的槽轮机构中，槽轮的最少槽数为个，槽数愈多柔性冲击将；在一个运动周期中，其时间与之比称为槽轮机构的运动特性系数k。
21.用单万向节传递相交轴之间的运动时，其瞬时角速比，平均角速比。
22.双万向节传递相交轴之间的运动，在满足下列条件时其主、从动轴角速比为1：193(1)；(2)。
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解
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。
3.图示机构为活塞机的齿轮杠杆机构，试对该机构进行分析。
第十二章 机构组合与创新设计
一、基本要求 二、基本概念和基础知识 三、学习重点及难点 四、例题精选 五、试题自测及答案
一、基本要求
1 . 了解基本机构的概念、类型及其运动特性。 2 . 了解机构组成原理与机构创新设计。 3 . 了解机构组合方法（串联组合、并联组合、叠
加组合、封闭组合）与创新设计。
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。
2. 试对图示V形发动机的双曲柄滑块机构进行分析。
转动导杆槽轮机构
凸轮槽轮机构
椭圆齿轮槽轮机构
双槽轮机构
例2 试对图示冲压机凸轮连杆机构进行机构分析。
分析
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1’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1’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
二、基本概念和基础知识
1. 基本机构 2. 机ห้องสมุดไป่ตู้组成原理 3. 机构组合方法（串联组合、并联组合、 叠加组合、封闭组合）
1 基本机构
常用基本机构
连杆机构的基本型 齿轮类机构的基本型 凸轮类机构的基本型 间歇运动机构的基本型 挠性传动机构 其他常用机构的基本型
2 机构组成原理
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。
例3 试对图示液压挖掘机进行机构分析。
分析
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。
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。
图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。
特征： 基础机构为二自由度机构，附加机构为单自 由度机构。
三、学习重点及难点
基本机构的类型及其运动特性
学习重点 学习难点
利用机构的组成原理和机构的各种组 合方法进行创新设计
四、例题精选(例1、例2、例3）
例1 对图示机构进行分析。
分析
槽轮机构常用于转位和分度的机械装置中，但其运动和动力 特性不理想，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。
解
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。
原因： 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。
分析
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。
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。
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（1、2、3、4）
1. 试对图示牛头刨床导杆机构的组合方式进行分析。
解
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。
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。
3 机构组合方法
➢机构的串联组合 ➢机构的并联组合 ➢机构的叠加组合 ➢机构的封闭组合