机构创新实例-9机械系统创新实例
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• 机构运动惯性力大，因此增大轴承惯性载荷，使系统 不平衡产生振动，也限制了输出轴转速的提高。
• 曲轴回转两周才又一次动力输出，效率低。
2.无曲轴式活塞发动机
结构创新：利用机构等效代换原理。以反凸轮机构代还 原发动机的曲柄滑块机构。使零件减少，结构简单，成 本降低。 运动原理：活塞往复运动，由推杆端部的滑块在凸轮槽 中滑动致使凸轮转动，再经输出轴输出转矩。 性能特点：系统中不需要飞轮，转动平稳；通过改变凸 轮轮廓形状可以改变输出轴转速，达到减速增矩的目的。 应用：重型机械、船舶、建筑机械等。
3.活齿减速带轮的形成 由外激波摆动活齿传动与带传动机构的从动带轮合二为
一形成的行星减速带轮，是一种新型减速装置。它具有带传 动可靠性高、减振能力强等优点，又保持了摆动活齿传动无 W输出机构带来的一系列优点，并成功地克服了外激波摆动 活齿传动外激波器尺寸大带来的动平衡性能差的缺点。 ⑴带轮与外激波器的组合 ⑵带轮激波器使绕固定轴传动的带轮成为外激波器的一部分 ⑶卸荷带轮设计
第二节 同轨迹连杆机构
同轨迹四连杆机构是指自由度 F相同、输入构件 的运动规律相同、输出构件上的一点轨迹相同的一组 连杆机构，但这组连杆机构的运动学尺寸不同，所以 其受力状态、动态性能有巨大差异。因而，同轨迹连 杆机构的形成方法是机构创新设计的重要方法之一。
形成同轨迹连杆机构的罗伯特－契贝谢夫定理是 由美国数学家萨姆尔·罗伯特于1875年和俄国学者契 贝谢夫于1878年分别发现的，因此称为“罗伯特－契 贝谢夫定理”。该定理的内容是：由一个四杆铰链机 构发生的一条连杆曲线，还可以由另外两个四杆铰链 机构发生出来。或表述为同一连杆曲线，可以用三个 不同的机构来实现。
第一个同迹连杆机构设计如图7 －2b所示，在原始机构上作平行四边 形导引机构BODK。曲柄C0CDO为所 示的第一个同迹连杆机构，K为连杆 CD延长线上的点。所示曲柄拉摇杆机 构的尺寸，如图中下面的公式。
第二个同迹连杆机构设计如图7 －2c所示，在原始机构上作平行四边 形导引机构A0AKE。双摇杆机构 A0EFCO为所求的第二个同迹连杆机 构。
图7－4的左上的a、b两图是描绘同一连杆曲线的 四杆机构和六杆机构。还可求出另两个同迹六杆机构， 如图7－4的下面两图。
图7－4
3.应用实例
图7－5是车轮六杆悬挂装置。
第三节 新型内燃机的开发
1.往复式内燃机的技术矛盾：
• 工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多。曲轴等 零件结构复杂、工艺性差。
2.原始机构选择
⑴行星传动的选择－外激波摆动活齿传动。 ①组成结构及传动原理
如图7－1所示为外激波摆动活齿传动的结构模型和 传动原理图。外激波摆动活齿传动是由三部分组成：外 激波器H由内轮廓偏心套和转臂滚针轴承组成；活齿轮G 是由活齿架和一组摆动活齿组成，相当于内齿行星轮， 活齿架为具有等分驻齿槽的筒状构件，与机架固联或与 输出轴固联；中心轮K为外齿轮，齿形为摆动活齿几何中 心运动轨迹的内等距线，与输出轴固联或与机架固联。
1.连杆点K位于连杆两铰链连线Biblioteka Baidu的同迹连杆机构
图形缩放原理如下图7－2a所示为一平行四边形机构， 由平行四边形OBKD与机架在O点铰接而成。A点为BK杆延长 线上的一点。连接AO得交点C。当A点沿任意给定轨迹运动 时，C点将给出与A点相似但缩小了的轨迹。⑴AO除以CO与 AB除以KB的值是相等的为常数m（射线定理）。⑵当此四边 形作为一刚体绕O转动一角度时，A点转到A'，按射线定理 有AA'与CC'的比值与AO与CO的比例等于常数m。A点的一切 运动都是这两部分运动的合成。因此C点的运动是以缩小的 比例模拟A点的运动，反之亦然。
第三个同迹连杆机构设计如图7 －2d所示，CO是两具同迹连杆机构 中共同的新机架的固定铰链点，机架 的三个固定铰链点A0与O，A0与CO， O与CO。
2.任意连杆点 K的同迹连杆机构
在图7－3a中，四杆机构A0A1B1B0为A1B1上有附 加连杆点K的原始机构。由罗伯特－契贝谢夫定理决定的 另两个四杆机构为A0A2C2C0和B0B3C3C0。在这3个同 迹连杆机构中有四个相似三角形；有三个不同的平行四 边形。
获得两个同迹连杆机构尺寸的A·凯莱作图法：想象7 －3a中机架铰链A0、B0、C0没有结牢，随后拉动A0、 B0、C0互相脱开，直到各个连杆机构的曲柄、连杆和从 动件形成一条直线，便得到图7－3b，后者的机架距离 不等于前者，但两图中所有活动构件的长度是正确的， 所有的角度也是正确的。对于任一给定的带连杆点的铰 链四杆机构，都可以作出如图7－3b这样一个图形而获 得它的另外两个同迹连杆机构的尺寸。
图7－1外激波摆动活齿传动的结构模型和传动原理图
② 传动比计算。 ③ 外齿中心轮的齿形综合。 ④ 外激波摆动活齿传动的优缺点。
⑵带传动的选择 带传动由带轮、带和支承件组成。利用张紧在带轮上的
带和带轮间的摩擦力来传递运动和动力。带传动的优点是结 构简单、传动平稳、能缓和冲击和过载打滑，缺点是传动比 较小且不准确，且在结构上从动带轮占据的空间没有充分利 用。
3.旋转式内燃发动机
（直接将燃料的动力转化为回转运动输出）
组成情况：椭圆形汽缸，三角形转子（转子的内孔上有齿），外齿轮，吸 气口，排气口，火花塞。 工作原理：吸气、压缩、燃爆、排气。随着这四个物理功能致使三角形转 子与椭圆汽缸之间的空腔体积发生变化，则转子进行转动。 性能特点：结构简单，零件数量比往复发动机少40%，体积减少50%， 重量下降1/2到2/3；但存在汽缸上产生振纹的问题。其原因是与密封片 的材料与形状有关。 运动设计：三角转子相当于行星内齿轮2，系杆H是发动机的输出轴，1为 中心轮，并且：z2/z1=1.5,则：nH/n2=3 。见下页图。
图7－3
图7－4的左上图就不能用A·凯莱作图法，因为三 个连杆机构压缩成一条直线。把O1ABO2作为一个原 始机构，为了找到连杆AB延长线上K点的同轨迹机构， 在机架O1O2 的延长线上作O3，使O1O2：O2O3＝ AB：BK，然后，依次作三个平行四边形。于是得到了 同迹四杆机构 O2O3B2C2，C2B2延长线上点K与原始 机构中的K点轨迹相同。
• 曲轴回转两周才又一次动力输出，效率低。
2.无曲轴式活塞发动机
结构创新：利用机构等效代换原理。以反凸轮机构代还 原发动机的曲柄滑块机构。使零件减少，结构简单，成 本降低。 运动原理：活塞往复运动，由推杆端部的滑块在凸轮槽 中滑动致使凸轮转动，再经输出轴输出转矩。 性能特点：系统中不需要飞轮，转动平稳；通过改变凸 轮轮廓形状可以改变输出轴转速，达到减速增矩的目的。 应用：重型机械、船舶、建筑机械等。
3.活齿减速带轮的形成 由外激波摆动活齿传动与带传动机构的从动带轮合二为
一形成的行星减速带轮，是一种新型减速装置。它具有带传 动可靠性高、减振能力强等优点，又保持了摆动活齿传动无 W输出机构带来的一系列优点，并成功地克服了外激波摆动 活齿传动外激波器尺寸大带来的动平衡性能差的缺点。 ⑴带轮与外激波器的组合 ⑵带轮激波器使绕固定轴传动的带轮成为外激波器的一部分 ⑶卸荷带轮设计
第二节 同轨迹连杆机构
同轨迹四连杆机构是指自由度 F相同、输入构件 的运动规律相同、输出构件上的一点轨迹相同的一组 连杆机构，但这组连杆机构的运动学尺寸不同，所以 其受力状态、动态性能有巨大差异。因而，同轨迹连 杆机构的形成方法是机构创新设计的重要方法之一。
形成同轨迹连杆机构的罗伯特－契贝谢夫定理是 由美国数学家萨姆尔·罗伯特于1875年和俄国学者契 贝谢夫于1878年分别发现的，因此称为“罗伯特－契 贝谢夫定理”。该定理的内容是：由一个四杆铰链机 构发生的一条连杆曲线，还可以由另外两个四杆铰链 机构发生出来。或表述为同一连杆曲线，可以用三个 不同的机构来实现。
第一个同迹连杆机构设计如图7 －2b所示，在原始机构上作平行四边 形导引机构BODK。曲柄C0CDO为所 示的第一个同迹连杆机构，K为连杆 CD延长线上的点。所示曲柄拉摇杆机 构的尺寸，如图中下面的公式。
第二个同迹连杆机构设计如图7 －2c所示，在原始机构上作平行四边 形导引机构A0AKE。双摇杆机构 A0EFCO为所求的第二个同迹连杆机 构。
图7－4的左上的a、b两图是描绘同一连杆曲线的 四杆机构和六杆机构。还可求出另两个同迹六杆机构， 如图7－4的下面两图。
图7－4
3.应用实例
图7－5是车轮六杆悬挂装置。
第三节 新型内燃机的开发
1.往复式内燃机的技术矛盾：
• 工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多。曲轴等 零件结构复杂、工艺性差。
2.原始机构选择
⑴行星传动的选择－外激波摆动活齿传动。 ①组成结构及传动原理
如图7－1所示为外激波摆动活齿传动的结构模型和 传动原理图。外激波摆动活齿传动是由三部分组成：外 激波器H由内轮廓偏心套和转臂滚针轴承组成；活齿轮G 是由活齿架和一组摆动活齿组成，相当于内齿行星轮， 活齿架为具有等分驻齿槽的筒状构件，与机架固联或与 输出轴固联；中心轮K为外齿轮，齿形为摆动活齿几何中 心运动轨迹的内等距线，与输出轴固联或与机架固联。
1.连杆点K位于连杆两铰链连线Biblioteka Baidu的同迹连杆机构
图形缩放原理如下图7－2a所示为一平行四边形机构， 由平行四边形OBKD与机架在O点铰接而成。A点为BK杆延长 线上的一点。连接AO得交点C。当A点沿任意给定轨迹运动 时，C点将给出与A点相似但缩小了的轨迹。⑴AO除以CO与 AB除以KB的值是相等的为常数m（射线定理）。⑵当此四边 形作为一刚体绕O转动一角度时，A点转到A'，按射线定理 有AA'与CC'的比值与AO与CO的比例等于常数m。A点的一切 运动都是这两部分运动的合成。因此C点的运动是以缩小的 比例模拟A点的运动，反之亦然。
第三个同迹连杆机构设计如图7 －2d所示，CO是两具同迹连杆机构 中共同的新机架的固定铰链点，机架 的三个固定铰链点A0与O，A0与CO， O与CO。
2.任意连杆点 K的同迹连杆机构
在图7－3a中，四杆机构A0A1B1B0为A1B1上有附 加连杆点K的原始机构。由罗伯特－契贝谢夫定理决定的 另两个四杆机构为A0A2C2C0和B0B3C3C0。在这3个同 迹连杆机构中有四个相似三角形；有三个不同的平行四 边形。
获得两个同迹连杆机构尺寸的A·凯莱作图法：想象7 －3a中机架铰链A0、B0、C0没有结牢，随后拉动A0、 B0、C0互相脱开，直到各个连杆机构的曲柄、连杆和从 动件形成一条直线，便得到图7－3b，后者的机架距离 不等于前者，但两图中所有活动构件的长度是正确的， 所有的角度也是正确的。对于任一给定的带连杆点的铰 链四杆机构，都可以作出如图7－3b这样一个图形而获 得它的另外两个同迹连杆机构的尺寸。
图7－1外激波摆动活齿传动的结构模型和传动原理图
② 传动比计算。 ③ 外齿中心轮的齿形综合。 ④ 外激波摆动活齿传动的优缺点。
⑵带传动的选择 带传动由带轮、带和支承件组成。利用张紧在带轮上的
带和带轮间的摩擦力来传递运动和动力。带传动的优点是结 构简单、传动平稳、能缓和冲击和过载打滑，缺点是传动比 较小且不准确，且在结构上从动带轮占据的空间没有充分利 用。
3.旋转式内燃发动机
（直接将燃料的动力转化为回转运动输出）
组成情况：椭圆形汽缸，三角形转子（转子的内孔上有齿），外齿轮，吸 气口，排气口，火花塞。 工作原理：吸气、压缩、燃爆、排气。随着这四个物理功能致使三角形转 子与椭圆汽缸之间的空腔体积发生变化，则转子进行转动。 性能特点：结构简单，零件数量比往复发动机少40%，体积减少50%， 重量下降1/2到2/3；但存在汽缸上产生振纹的问题。其原因是与密封片 的材料与形状有关。 运动设计：三角转子相当于行星内齿轮2，系杆H是发动机的输出轴，1为 中心轮，并且：z2/z1=1.5,则：nH/n2=3 。见下页图。
图7－3
图7－4的左上图就不能用A·凯莱作图法，因为三 个连杆机构压缩成一条直线。把O1ABO2作为一个原 始机构，为了找到连杆AB延长线上K点的同轨迹机构， 在机架O1O2 的延长线上作O3，使O1O2：O2O3＝ AB：BK，然后，依次作三个平行四边形。于是得到了 同迹四杆机构 O2O3B2C2，C2B2延长线上点K与原始 机构中的K点轨迹相同。