機械創(chuàng)新設計(第五章)

1、第五章第五章 機構演化、變異原理與創(chuàng)新機構演化、變異原理與創(chuàng)新 1以某機構為原始機構，對組成機構的各元素（運動副，以某機構為原始機構，對組成機構的各元素（運動副，構件）進行各種性質的改變或變換，而形成一種功能不同的構件）進行各種性質的改變或變換，而形成一種功能不同的機構。機構。 2各種性質的改變或變換：機構各元素形狀和尺寸上的各種性質的改變或變換：機構各元素形狀和尺寸上的改變，運動形式的變換，運動等效變換，組成原理的仿效。改變，運動形式的變換，運動等效變換，組成原理的仿效。 3機構演化與變異的主要方法：運動副及構件形狀尺寸機構演化與變異的主要方法：運動副及構件形狀尺寸的改變，機架變換，機構的等

2、效變換，機構結構的仿效。的改變，機架變換，機構的等效變換，機構結構的仿效。 4變異機構：通過演化與變異而獲得新功能的機構變異機構：通過演化與變異而獲得新功能的機構第一節(jié)第一節(jié) 機構的運動副演化與變異機構的運動副演化與變異 1主要目的：主要目的：（1）增強運動副元素的接觸強度）增強運動副元素的接觸強度（2）減小運動副元素的摩擦、磨損）減小運動副元素的摩擦、磨損（3）改變機構的受力狀態(tài)）改變機構的受力狀態(tài)（4）改善機構的運動和動力效果）改善機構的運動和動力效果（5）開拓機構的各種新功能）開拓機構的各種新功能（6）尋求演化新機構的有效途徑）尋求演化新機構的有效途徑2主要方法：主要方法：（1）改變運動

3、副的尺寸）改變運動副的尺寸（2）改變運動副的接觸性質）改變運動副的接觸性質（3）改變運動副的形狀）改變運動副的形狀一、改變運動副的尺寸一、改變運動副的尺寸轉動副和移動副尺寸的增大轉動副和移動副尺寸的增大1轉動副的擴大：轉動副銷軸和銷軸孔直徑增大，機構轉動副的擴大：轉動副銷軸和銷軸孔直徑增大，機構相對運動關系沒有改變相對運動關系沒有改變實例：圖實例：圖5-1 旋轉泵機構：曲柄搖桿機構擴大轉動副旋轉泵機構：曲柄搖桿機構擴大轉動副B 圖圖5-2 活塞泵：曲柄滑塊機構擴大轉動副活塞泵：曲柄滑塊機構擴大轉動副B以上兩種變異的特點：轉動副擴大，構件形狀發(fā)生變異，形以上兩種變異的特點：轉動副擴大，構件形狀發(fā)

4、生變異，形成體積變化的腔。成體積變化的腔。2轉動副連續(xù)擴大后展直為移動副轉動副連續(xù)擴大后展直為移動副當轉動副的轉動半徑增大至無窮時，轉動副即演化為移動副當轉動副的轉動半徑增大至無窮時，轉動副即演化為移動副 AB2AB2223移動副的擴大移動副的擴大移動副的滑塊與導路尺寸變化，把機構中其它運動副包含移動副的滑塊與導路尺寸變化，把機構中其它運動副包含在其中，構件間的相對運動關系并未改變。在其中，構件間的相對運動關系并未改變。圖圖5-4為一沖壓機構：正弦機構擴大移動副為一沖壓機構：正弦機構擴大移動副圖圖5-5所示沖壓機構：曲柄滑塊機構擴大移動副所示沖壓機構：曲柄滑塊機構擴大移動副圖圖5-6所示為往復

5、凸輪分度機構：移動副擴大將凸輪包含其所示為往復凸輪分度機構：移動副擴大將凸輪包含其中中構件構件1為主動件往復運動，從動件凸輪為主動件往復運動，從動件凸輪2間歇轉動。間歇轉動。二、改變運動副元素的接觸性質二、改變運動副元素的接觸性質低副元素的接觸性質為滑動接觸，摩擦大、易磨損低副元素的接觸性質為滑動接觸，摩擦大、易磨損高副元素的接觸性質為滑動和滾動接觸。高副元素的接觸性質為滑動和滾動接觸。用滾動接觸代替滑動接觸可減小磨損。用滾動接觸代替滑動接觸可減小磨損。（1）移動副：）移動副：滾滑副滾滑副 圖圖5-7（2）轉動副：）轉動副：滾動軸承滾動軸承（3）高副：凸輪從動件設計為滾子，槽輪的撥銷設計為滾子

6、）高副：凸輪從動件設計為滾子，槽輪的撥銷設計為滾子三、改變運動副的形狀三、改變運動副的形狀運動副的性質主要取決于運動副元素的形狀運動副的性質主要取決于運動副元素的形狀改變運動副的形狀改變運動副的形狀改變運動副的性質改變運動副的性質演化出不同機構演化出不同機構1平面低副運動副元素形狀的改變平面低副運動副元素形狀的改變轉動副轉動副 可演變?yōu)榭裳葑優(yōu)?移動副移動副 滾子替代滑塊變滑動接觸為滾子替代滑塊變滑動接觸為滾動接觸，滾動接觸， 滾滑副滾滑副, 改變移動副元素的形狀，如導軌改變移動副元素的形狀，如導軌的形狀的形狀 直線變曲線并讓帶有小滾子的轉動構件為主動件直線變曲線并讓帶有小滾子的轉動構件為主動

7、件 反凸輪機構（擺桿為主動件）反凸輪機構（擺桿為主動件） 應用：圖應用：圖5-8 擺桿為主動件的反凸輪機構實現運動的暫停擺桿為主動件的反凸輪機構實現運動的暫停圖圖5-9 無死點位置機構（移動凸輪機構，擺動從動件）無死點位置機構（移動凸輪機構，擺動從動件）2平面高副運動副元素的改變平面高副運動副元素的改變目的：目的： 演化變異出不同功能的平面高副演化變異出不同功能的平面高副 改善高副機構的性能：受力狀態(tài)，接觸強度，運改善高副機構的性能：受力狀態(tài)，接觸強度，運動及動力特性等。動及動力特性等。（1）改變高副元素形狀可演化變異出不同功能的高副）改變高副元素形狀可演化變異出不同功能的高副基本的高副機構為

8、凸輪機構，凸輪機構可看成由楔塊機基本的高副機構為凸輪機構，凸輪機構可看成由楔塊機構變異而來，見圖構變異而來，見圖5-10，圖，圖5-11演化范例演化范例1：楔塊機構：楔塊機構 普通凸輪機構普通凸輪機構鋸條凸輪機構鋸條凸輪機構齒齒輪機構。輪機構。演化范例演化范例2：擺動件為主動件的反凸輪機構（若從動件凸輪為：擺動件為主動件的反凸輪機構（若從動件凸輪為輪廓向徑有規(guī)律變化的圓盤狀構件輪廓向徑有規(guī)律變化的圓盤狀構件 棘輪機構棘輪機構演化范例演化范例3 齒輪機構齒輪機構 半徑半徑 齒輪齒條機構齒輪齒條機構 演化范例演化范例4 間歇轉動機構間歇轉動機構半徑半徑 間歇移動機構間歇移動機構圖圖5-16 移動式

9、槽輪移動式槽輪 圖圖5-17 移動式棘輪移動式棘輪（2）改變高副元素形狀以改善機構性能）改變高副元素形狀以改善機構性能齒輪機構：齒輪機構： 改變齒廓曲線的形狀改變齒廓曲線的形狀 提高接觸強度，改善齒面摩擦以及提高接觸強度，改善齒面摩擦以及機構的受力狀態(tài)，常用齒廓有漸開線，擺線，圓弧曲線，螺機構的受力狀態(tài)，常用齒廓有漸開線，擺線，圓弧曲線，螺旋漸開線，球面漸開線，齒廓（面）修形。旋漸開線，球面漸開線，齒廓（面）修形。凸輪機構：凸輪機構： 改變輪廓曲線，滿足運動及動力要求，圖改變輪廓曲線，滿足運動及動力要求，圖5-6為實現分度為實現分度功能的凸輪機構功能的凸輪機構 改變從動件與凸輪的接觸方式，以增

10、強接觸強度，減小磨改變從動件與凸輪的接觸方式，以增強接觸強度，減小磨損。損。槽輪機構：將徑向槽分布變?yōu)閭认蚍植?，改善傳動平穩(wěn)性。槽輪機構：將徑向槽分布變?yōu)閭认蚍植?，改善傳動平穩(wěn)性。3螺旋副螺旋副組成：由互相旋合的螺桿和螺母組成。組成：由互相旋合的螺桿和螺母組成。 矩形矩形螺紋的類型螺紋的類型 梯形梯形 用于傳動用于傳動 鋸齒形鋸齒形 三角形三角形 聯接聯接螺旋傳動螺旋傳動將組成螺旋副的兩個運動副元素之將組成螺旋副的兩個運動副元素之一，螺桿的剖面形狀設計成一個有利于推進流一，螺桿的剖面形狀設計成一個有利于推進流體或粉狀物料的葉片形狀，將其密閉圓筒狀容體或粉狀物料的葉片形狀，將其密閉圓筒狀容器內，

11、器內， 螺旋輸送器，若將葉片上制成刃螺旋輸送器，若將葉片上制成刃 食食物攪碎機構。（物料相當于螺母）物攪碎機構。（物料相當于螺母）第二節(jié)第二節(jié) 機構的構件變異機構的構件變異機構構件變異的主要目的：（機構構件變異的主要目的：（1）改善機構運動）改善機構運動的不確定；（的不確定；（2）解決機構由于結構原因無法正）解決機構由于結構原因無法正確運動問題；（確運動問題；（3）開發(fā)新功能；（）開發(fā)新功能；（4）開發(fā)新機）開發(fā)新機構；（構；（5）改善機構的受力狀態(tài)，提高構件強度）改善機構的受力狀態(tài)，提高構件強度或剛度?；騽偠?。主要的演化變異方法：主要的演化變異方法：（1）利用構件的運動性質進行演化變異；）利

12、用構件的運動性質進行演化變異；（2）改變構件的結構形狀和尺寸；）改變構件的結構形狀和尺寸；（3）在構件上增加輔助結構；）在構件上增加輔助結構；（4）改變構件運動性質。）改變構件運動性質。一、利用構件的運動性質演化變異一、利用構件的運動性質演化變異對某些往復運動的構件，利用其單程的運動性質，改變構對某些往復運動的構件，利用其單程的運動性質，改變構件的形狀以實現單程運動間歇地重復，從而演化出新機構。件的形狀以實現單程運動間歇地重復，從而演化出新機構。范例：擺動導桿機構變異為槽輪機構范例：擺動導桿機構變異為槽輪機構二、改變構件的結構形狀和尺寸二、改變構件的結構形狀和尺寸解決機構運動不確定和機構因結構

13、原因無法正常運動等問題解決機構運動不確定和機構因結構原因無法正常運動等問題BB（下曲柄與導路成鈍角）導路擺動方向與曲柄轉動方向（下曲柄與導路成鈍角）導路擺動方向與曲柄轉動方向相反。相反。B B （上（上曲柄與導路成銳角曲柄與導路成銳角）導路擺動方向與曲柄轉動方向相導路擺動方向與曲柄轉動方向相同。同。若以若以B B點位置即以點位置即以ABOBABOB的位置為分界線，把滾滑副的槽分的位置為分界線，把滾滑副的槽分割成兩部分，一部分如割成兩部分，一部分如C C圖所示，即使導路與曲柄的夾角成圖所示，即使導路與曲柄的夾角成鈍角，得到轉動方向與曲柄的轉動方向相反的運動。為使鈍角，得到轉動方向與曲柄的轉動方向

14、相反的運動。為使傳動連續(xù)，將擺桿的形狀設計成一個沿以傳動連續(xù)，將擺桿的形狀設計成一個沿以OBOB為半徑的軌跡為半徑的軌跡圓上開了四個均布相同槽的圓盤，使?jié)L子在脫離一個槽后圓上開了四個均布相同槽的圓盤，使?jié)L子在脫離一個槽后相隔一段時間又進入了另一個槽，將連續(xù)的轉動轉換成間相隔一段時間又進入了另一個槽，將連續(xù)的轉動轉換成間歇的反向轉動，歇的反向轉動，擺動導桿機構擺動導桿機構 外槽輪機構。外槽輪機構。同理，被分割的另一部分則變異成了內槽輪機構。同理，被分割的另一部分則變異成了內槽輪機構。1平行四邊形機構的變異平行四邊形機構的變異機構運動到運動副呈一直線位置時，機構運動不確定機構運動到運動副呈一直線位

15、置時，機構運動不確定改變連架桿的形狀改變連架桿的形狀 圖圖5-20 a) b)平行四邊形聯軸器平行四邊形聯軸器 圖圖5-20 c)孔銷式聯軸器孔銷式聯軸器 2雙轉塊機構的變異雙轉塊機構的變異雙轉塊機構雙轉塊機構十字滑塊聯軸器十字滑塊聯軸器二、改變構件的結構形狀和尺寸二、改變構件的結構形狀和尺寸解決機構運動不確定和機構因結構原因無法正常運動等解決機構運動不確定和機構因結構原因無法正常運動等問題問題平行四邊形機構（雙曲柄機構的一個特例，具有相對構平行四邊形機構（雙曲柄機構的一個特例，具有相對構件平行且相等，傳遞勻速轉動，但有死點位置）克服死件平行且相等，傳遞勻速轉動，但有死點位置）克服死點可采用圖

16、點可采用圖b b所示的所示的兩個以上相同機構的組合。兩個以上相同機構的組合。 若將連若將連架桿設計成圓盤，將鉸鏈架桿設計成圓盤，將鉸鏈A A和和D D、B B和和E E分別鉸接在圓盤分別鉸接在圓盤1 1和和3 3上，圓盤的轉動中心分別為固定鉸上，圓盤的轉動中心分別為固定鉸O O和和C C，采用多個連桿，采用多個連桿對稱布置在兩圓盤之間對稱布置在兩圓盤之間 平行四邊形聯軸器平行四邊形聯軸器 把連桿把連桿2 2全部作成滾輪，全部作成滾輪， 將將1 1盤上的盤上的A A和和D D鉸位置全部作成鉸位置全部作成以連桿以連桿2 2的長度為半徑的圓孔，孔的內側與曲柄的長度為半徑的圓孔，孔的內側與曲柄3 3上

17、的滾上的滾輪滾動接觸輪滾動接觸 孔銷式聯軸器孔銷式聯軸器 滑塊滑塊1 圓盤圓盤1（帶有凹槽）滑塊（帶有凹槽）滑塊3 圓盤圓盤3（帶有凹槽，（帶有凹槽，與滑塊與滑塊1上的凹槽呈垂直方向），連桿上的凹槽呈垂直方向），連桿2 兩邊帶有中心兩邊帶有中心線互相垂直的凸榫的圓盤線互相垂直的凸榫的圓盤2，四構件組成十字滑塊聯軸器。，四構件組成十字滑塊聯軸器。能傳遞等速運動。能傳遞等速運動。 浮動盤式等速聯軸器。浮動盤式等速聯軸器。三、增加輔助結構三、增加輔助結構輔助結構可解決機構運動不確定問題，運動規(guī)律可調性問題輔助結構可解決機構運動不確定問題，運動規(guī)律可調性問題1轉動導桿機構轉動導桿機構傳遞非勻速轉動，若

18、將導桿的中心線置于曲柄的活動鉸傳遞非勻速轉動，若將導桿的中心線置于曲柄的活動鉸B B的軌的軌跡圓上，如圖，則導桿的轉速為曲柄的一半。但當跡圓上，如圖，則導桿的轉速為曲柄的一半。但當與導桿的與導桿的回轉中心重合時，則機構的運動將會不確定，為消除這一現回轉中心重合時，則機構的運動將會不確定，為消除這一現象，采取加入第二個滑塊的辦法。象，采取加入第二個滑塊的辦法。增加一個滑塊可解決導桿運動不確定問題，并實現大載荷傳動增加一個滑塊可解決導桿運動不確定問題，并實現大載荷傳動 2凸輪機構凸輪機構增加輔助結構可調節(jié)凸輪機構從動件的運動規(guī)律增加輔助結構可調節(jié)凸輪機構從動件的運動規(guī)律（1）廓線可變的凸輪機構）廓

19、線可變的凸輪機構 圖圖5-23，圖，圖5-24（2）推桿可調的凸輪機構）推桿可調的凸輪機構 圖圖5-25，圖，圖5-263連桿機構：改變構件的長度以實現不同的運動規(guī)律。連桿機構：改變構件的長度以實現不同的運動規(guī)律。四、改變構件的運動性質四、改變構件的運動性質凸輪機構增大行程：改變凸輪作定軸轉動的運動性質，使凸輪凸輪機構增大行程：改變凸輪作定軸轉動的運動性質，使凸輪既轉又移，實現行程的增大。既轉又移，實現行程的增大。圖圖5-27， 圖圖5-28， 圖圖5-29 機構的機架變換稱作機構的位置，機架變換后，機構機構的機架變換稱作機構的位置，機架變換后，機構內各構件的相對運動關系不變，但絕對運動發(fā)生了

20、改變。內各構件的相對運動關系不變，但絕對運動發(fā)生了改變。一、平面四桿機構的機架變換一、平面四桿機構的機架變換1鉸鏈四桿機構的機架變化鉸鏈四桿機構的機架變化 圖圖5-30第三節(jié)第三節(jié) 機構的機架變換與創(chuàng)新機構的機架變換與創(chuàng)新曲柄搖桿機構：具有急回運動特征曲柄搖桿機構：具有急回運動特征雙曲柄機構：例如平行四邊形機構雙曲柄機構：例如平行四邊形機構雙搖桿機構：例如等腰梯形機構，車輛轉向。雙搖桿機構：例如等腰梯形機構，車輛轉向。2含有一個移動副的四桿機構的機架變換含有一個移動副的四桿機構的機架變換 圖圖5-31曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構導桿機構導桿機構 （轉動導桿，擺動導桿）（轉動導桿，擺動導桿）搖塊機構

21、搖塊機構 液壓缸機構液壓缸機構移動導桿機構移動導桿機構 手動水壓機手動水壓機3含有兩個移動副四桿機構的機架變換含有兩個移動副四桿機構的機架變換 圖圖5-32雙滑塊機構雙滑塊機構 橢園規(guī)橢園規(guī) 雙轉塊機構雙轉塊機構 十字滑塊聯軸器十字滑塊聯軸器正弦機構正弦機構 正切機構正切機構 數學運算器數學運算器二、凸輪機構的機架變換二、凸輪機構的機架變換普通凸輪機構普通凸輪機構 圖圖5-33 a)固定凸輪機構：凸輪固定，從動件作復合運動。圖固定凸輪機構：凸輪固定，從動件作復合運動。圖5-33 b)應用舉例：圖應用舉例：圖5-33 c) 凸輪凸輪-行星機構行星機構圖圖5-33 d) e)三、齒輪機構及撓性件傳

22、動機構的機架變換三、齒輪機構及撓性件傳動機構的機架變換普通齒輪傳動機構普通齒輪傳動機構行星齒輪機構行星齒輪機構普通鏈傳動或齒形帶傳動普通鏈傳動或齒形帶傳動行星傳動機構行星傳動機構撓性傳動機構只有具有嚙合性質的鏈傳動或齒形帶傳動才撓性傳動機構只有具有嚙合性質的鏈傳動或齒形帶傳動才能進行這種變換。各種履帶運輸車輛的行走機構就可看成能進行這種變換。各種履帶運輸車輛的行走機構就可看成是將鏈傳動機構倒置而設計制成的。另外，將鏈傳動中的是將鏈傳動機構倒置而設計制成的。另外，將鏈傳動中的鏈固定成為機架，可代替造價昂貴的齒輪齒條機構。鏈固定成為機架，可代替造價昂貴的齒輪齒條機構。 范例：范例： 外槽輪機構的機

23、架變換：外槽輪機構的機架變換后與一外槽輪機構的機架變換：外槽輪機構的機架變換后與一個行星齒輪機構串聯，個行星齒輪機構串聯，1為主動件，為主動件，1與與2嚙合，嚙合，2上固接著撥盤，上固接著撥盤，當撥盤上的圓銷進入槽輪的槽子時，系桿轉動輸出運動，當圓銷當撥盤上的圓銷進入槽輪的槽子時，系桿轉動輸出運動，當圓銷退出槽子時，撥盤的鎖止弧與槽輪退出槽子時，撥盤的鎖止弧與槽輪5的鎖止?。ㄍ箤Π迹╂i止，的鎖止弧（凸對凹）鎖止，系桿系桿2停歇。因為串聯了行星齒輪機構，則可改善普通槽輪機構停歇。因為串聯了行星齒輪機構，則可改善普通槽輪機構的動力特性。的動力特性。普通間歇運動機構普通間歇運動機構四、間歇運動機構的

24、機架變換四、間歇運動機構的機架變換棘輪機構棘輪機構槽輪機構槽輪機構不完全齒輪機構不完全齒輪機構凸輪機構凸輪機構組合機構組合機構不完全齒輪機構的機架變換不完全齒輪機構的機架變換不完全齒輪機構的機架變換后串聯一行星齒輪機構，系桿只不完全齒輪機構的機架變換后串聯一行星齒輪機構，系桿只有在具有一個齒的齒輪有在具有一個齒的齒輪3與固定的不完全齒輪與固定的不完全齒輪5相嚙合期間才相嚙合期間才輸出轉動，當進入所止弧嚙合期間，系桿停止回轉。輸出轉動，當進入所止弧嚙合期間，系桿停止回轉。第四節(jié)第四節(jié) 機構的等效變換與創(chuàng)新機構的等效變換與創(chuàng)新機構的等效變換可稱作機構的同性異形變換。指輸入、輸機構的等效變換可稱作機

25、構的同性異形變換。指輸入、輸出的運動特性相同或等效，但結構不同的一組機構。出的運動特性相同或等效，但結構不同的一組機構。獲得同性異性機構的三種途徑獲得同性異性機構的三種途徑一、利用運動副的等效代換創(chuàng)新同性異形機構一、利用運動副的等效代換創(chuàng)新同性異形機構組成機構的各種運動副相互轉換或替代，而又不改變機構組成機構的各種運動副相互轉換或替代，而又不改變機構運動的輸入和輸出特性，如機構的自由度、相應構件的運動運動的輸入和輸出特性，如機構的自由度、相應構件的運動特征特征。常見的運動副的等效代換的形式如下：常見的運動副的等效代換的形式如下：1空間運動副與平面運動副的等效代換空間運動副與平面運動副的等效代換

26、（1）球面副與轉動副的等效代換）球面副與轉動副的等效代換 圖圖5-36 a)（2）圓柱副與轉動副加移動副的等效代換）圓柱副與轉動副加移動副的等效代換 圖圖5-36 b)球面副球面副 匯交于球心的三個轉動副匯交于球心的三個轉動副萬向聯軸器就是球面副萬向聯軸器就是球面副 由三個轉動副等效代換的例子。由三個轉動副等效代換的例子。b圖為圓柱副圖為圓柱副 平面移動副、轉動副平面移動副、轉動副 2平面高副與平面低副的等效代換（參見機械原理）平面高副與平面低副的等效代換（參見機械原理）平面機構的高副低代法平面機構的高副低代法高副低代的目的高副低代的目的高副低代必須滿足的條件：高副低代必須滿足的條件：替代前后

27、機構的自由度相同；替代前后機構的自由度相同；替代前后機構的運動特替代前后機構的運動特性相同。性相同。平面機構中兩構件的高副約束作用是限制沿接觸點的公法線平面機構中兩構件的高副約束作用是限制沿接觸點的公法線方向的相對移動其約束數為方向的相對移動其約束數為1，即，即F=-1F=-1，如果用一個低副運動，如果用一個低副運動鏈來代替鏈來代替約束數為約束數為1的作用，則該低副運動鏈須滿足下列條件：的作用，則該低副運動鏈須滿足下列條件： F=-1=3n-2PL=-1-1 n=1 PL=2 n=1 PL=2 是最簡單的運動鏈是最簡單的運動鏈1212CAB、ACAC、A A至切點等之間的距離保持不變，故附加一

28、個長為至切點等之間的距離保持不變，故附加一個長為AB、AC并使其在并使其在A、B、C處分別與原機構的構件處分別與原機構的構件1與與2組成轉動副和移動副，這樣就構造出各自的同性異形機構。組成轉動副和移動副，這樣就構造出各自的同性異形機構。當過高副接觸點的二曲線曲率半徑之和為常數時，可用當過高副接觸點的二曲線曲率半徑之和為常數時，可用低副機構代替高副機構。若曲率半徑之和不為常數，只低副機構代替高副機構。若曲率半徑之和不為常數，只能瞬時代替。能瞬時代替。12C二、利用瞬心軌線創(chuàng)新同性異形機構二、利用瞬心軌線創(chuàng)新同性異形機構1鉸鏈四桿機構的瞬心線同性異形結構鉸鏈四桿機構的瞬心線同性異形結構 圖圖5-3

29、9 a)定瞬心線，動瞬心線定瞬心線，動瞬心線2反平行四邊形機構的同性異形結構反平行四邊形機構的同性異形結構 圖圖5-403曲柄與連桿等長的曲柄滑塊機構的同性異形機構曲柄與連桿等長的曲柄滑塊機構的同性異形機構 圖圖5-41 三、利用周轉輪系的不同結構創(chuàng)新同性異構（形）機構三、利用周轉輪系的不同結構創(chuàng)新同性異構（形）機構若有兩個周轉輪系，他們的轉化機構傳動比的大小和方若有兩個周轉輪系，他們的轉化機構傳動比的大小和方向均相同，則這兩個周轉輪系是一組同性異構機構。向均相同，則這兩個周轉輪系是一組同性異構機構。兩個互作平面平行運動的構件上瞬時速度相同的重合點稱兩個互作平面平行運動的構件上瞬時速度相同的重

30、合點稱為瞬心。瞬心在與運動構件固結的平面上的軌跡稱為瞬心為瞬心。瞬心在與運動構件固結的平面上的軌跡稱為瞬心線。線。瞬心在固定平面上的軌跡稱為定瞬心線，在與運動構件固結平瞬心在固定平面上的軌跡稱為定瞬心線，在與運動構件固結平面上的軌跡稱為動瞬心線。面上的軌跡稱為動瞬心線。P12P12S1動瞬心線動瞬心線S2靜瞬心線靜瞬心線S2與與s1兩條瞬心線稱為相對瞬心線兩條瞬心線稱為相對瞬心線兩構件的相對瞬心線必隨著兩構件兩構件的相對瞬心線必隨著兩構件的相對運動作無滑動的純滾動。反的相對運動作無滑動的純滾動。反之，兩瞬心線純滾動，必然得到兩之，兩瞬心線純滾動，必然得到兩構件原來的相對運動。構件原來的相對運動

31、。瞬心和瞬心線的概念：瞬心和瞬心線的概念：圖圖c c表示了附著在連桿表示了附著在連桿2 2上的動瞬心線與上的動瞬心線與附著在機架附著在機架4上的定瞬心線上的定瞬心線在四桿機構的圖示位置上正好相切，如果把桿在四桿機構的圖示位置上正好相切，如果把桿4和桿和桿2各自加工成瞬各自加工成瞬心線的實際形狀，使動瞬心線在定瞬心線上實現無滑動的純滾動，心線的實際形狀，使動瞬心線在定瞬心線上實現無滑動的純滾動，并拆掉并拆掉1和和2，則，則2的運動與原來的運動完全等效。的運動與原來的運動完全等效。1、鉸鏈四桿機構的瞬心線同性異形結構、鉸鏈四桿機構的瞬心線同性異形結構 反平行四邊形機構反平行四邊形機構：兩兩對桿長度

32、相等，但不平行。：兩兩對桿長度相等，但不平行。當以長邊為機架時，兩曲柄等速反向轉動。用于車門開閉機當以長邊為機架時，兩曲柄等速反向轉動。用于車門開閉機構，如圖所示。構，如圖所示。當以短邊為機架時，其性能和一般雙曲柄機構相似。如圖所當以短邊為機架時，其性能和一般雙曲柄機構相似。如圖所示。示。2、反平行四邊形機構的同性異形結構、反平行四邊形機構的同性異形結構 P14ABCD1234P12P43P23P131234P13P12P23P14P43P13P12P23P14P43根據三心定理，根據三心定理，AC和和BD的交點即為瞬心的交點即為瞬心 ，按機構倒置的方法，按機構倒置的方法，可分別以桿可分別以桿

33、1和桿和桿3作機架，作出桿作機架，作出桿1和桿和桿3的相對瞬心線，使其相對的相對瞬心線，使其相對瞬心線作純滾動，便可得到兩構件原來的運動，從而可得到反平行瞬心線作純滾動，便可得到兩構件原來的運動，從而可得到反平行四邊形機構的同性異形機構四邊形機構的同性異形機構 橢圓齒輪機構。橢圓齒輪機構。P13當當1桿固定時，則連桿桿固定時，則連桿3的瞬心的瞬心 P13如圖，當如圖，當1桿固定時，則連桿桿固定時，則連桿3的瞬心的瞬心 P13位于位于2桿和桿和4桿的交桿的交點處。點處。常數且BDACBPCPBPCDPABPCDABDABCDABC131313131313AP,P14ABCD1234P12P43P

34、23P13即動點即動點P P1313到兩定點的距離之和為常數，到兩定點的距離之和為常數，所以瞬心所以瞬心P13的軌跡為一以的軌跡為一以、B B為焦點為焦點的橢圓。同理，可得另一以的橢圓。同理，可得另一以C C、D D為焦為焦點的點的橢圓，把這兩個橢圓瞬心線作為橢圓，把這兩個橢圓瞬心線作為兩個兩個橢圓齒輪的節(jié)線，兩橢圓齒輪分橢圓齒輪的節(jié)線，兩橢圓齒輪分別以繞別以繞、C C回轉，則此回轉，則此橢圓齒輪機構橢圓齒輪機構為反平行四邊形機構的同性異形機構。為反平行四邊形機構的同性異形機構。3、曲柄與連桿等長的曲柄滑塊機構的同性異形機構、曲柄與連桿等長的曲柄滑塊機構的同性異形機構 特點：曲柄若能轉一周，則

35、滑塊的位移是曲柄長度的特點：曲柄若能轉一周，則滑塊的位移是曲柄長度的4倍。但當倍。但當曲柄轉至鉛垂位置曲柄轉至鉛垂位置 時，時，B B與點重合，機構處于死點位置，利與點重合，機構處于死點位置，利用瞬心線來構造用瞬心線來構造同性異形機構同性異形機構可改變此狀態(tài)?？筛淖兇藸顟B(tài)。作作2 2的定瞬心線，由圖中幾何關系得的定瞬心線，由圖中幾何關系得 ，且，且P P2424至定點的距離為一至定點的距離為一常數常數2 2，故，故2 2的定瞬心線為一圓（圓的定瞬心線為一圓（圓心是，半徑為心是，半徑為2 2 。）24APoA 作作2的動瞬心線。利用原機構的的動瞬心線。利用原機構的倒置機構即倒置機構即2相對固定，

36、相對固定，4運動，描運動，描繪繪P P2424的軌跡，得到一個以的軌跡，得到一個以為圓心，為圓心，長為半徑的圓。長為半徑的圓。當動圓在定圓內作純滾動時，動圓上的當動圓在定圓內作純滾動時，動圓上的B B點為一直線。（與點為一直線。（與原機構一致。）原機構一致。）該瞬心線機構與正置曲柄滑塊該瞬心線機構與正置曲柄滑塊機構為同性異形機構機構為同性異形機構 。也稱卡。也稱卡當圓機構。當圓機構。若把兩個瞬心線圓看作是兩齒輪若把兩個瞬心線圓看作是兩齒輪的節(jié)圓，的節(jié)圓，4為固定內齒輪，圓心為固定內齒輪，圓心是，是，2為行星輪，軸心為為行星輪，軸心為，并且并且 而原曲柄而原曲柄1 1作作224zz系桿，當系桿，

37、當1轉動時，轉動時，2上的任一點的軌跡均為通過定點的上的任一點的軌跡均為通過定點的直線。如圖，在直線。如圖，在B B、C C、D D處分別鉸接直移桿，就可把系桿的處分別鉸接直移桿，就可把系桿的轉動轉換成任意方向的移動，此卡當運動機構與轉動轉換成任意方向的移動，此卡當運動機構與正置曲柄正置曲柄滑塊機構為同性異形機構滑塊機構為同性異形機構 。瞬心線為卡當圓（瞬心線為卡當圓（ardankreis）的機構稱為卡當圓機構的機構稱為卡當圓機構若將固定齒輪若將固定齒輪4拆掉，拆掉，在通過的直線方向上在通過的直線方向上安置固定導路，則機構安置固定導路，則機構就演化成卡當運動機構就演化成卡當運動機構的同性異形機

38、構。的同性異形機構。三、利用周轉輪系的不同結構創(chuàng)新同性異形機構三、利用周轉輪系的不同結構創(chuàng)新同性異形機構用用同性異形的周轉輪系創(chuàng)新同性異形機構同性異形的周轉輪系創(chuàng)新同性異形機構 為結構緊湊，將內嚙合為結構緊湊，將內嚙合 外嚙合，并加一惰輪，外嚙合，并加一惰輪， 確保方向不變。內嚙合確保方向不變。內嚙合 的的 外嚙合外嚙合2241412124zznnnni22422421412124zzzzzznnnni外嚙合的外嚙合的周轉輪系與內嚙合周轉輪系與內嚙合 的周轉輪系是同性異形機構，的周轉輪系是同性異形機構，若在若在2上固接一桿，并使上固接一桿，并使=B=B，如圖，當系桿轉動時，如圖，當系桿轉動時，

39、B B點輸出移動，則該機構為點輸出移動，則該機構為卡當運動機構的另一同性異形機構?？ó斶\動機構的另一同性異形機構。用撓性機構代換齒輪機構創(chuàng)新同性異形機構用撓性機構代換齒輪機構創(chuàng)新同性異形機構如圖所示的撓性件周轉輪系在如圖所示的撓性件周轉輪系在2上固接一桿，同樣上固接一桿，同樣使使=B ， B點輸出移動且行程為點輸出移動且行程為1的桿長的的桿長的4倍，這個卡當運動機構的一同性異形機構常用于擴倍，這個卡當運動機構的一同性異形機構常用于擴大行程的運動中。大行程的運動中。第五節(jié)第五節(jié) 機構運動原理的仿效與創(chuàng)新機構運動原理的仿效與創(chuàng)新機構運動原理仿效：一些相同的運動原理可以用到不同的機構運動原理仿效：一

40、些相同的運動原理可以用到不同的機構中去，例如運動的差動原理，諧波傳動原理等。機構中去，例如運動的差動原理，諧波傳動原理等。一、差動原理的仿效一、差動原理的仿效差動原理常用在齒輪機構中組成差動輪系，還可以用于凸差動原理常用在齒輪機構中組成差動輪系，還可以用于凸輪機構、螺旋機構、棘輪機構以及槽輪機構等。輪機構、螺旋機構、棘輪機構以及槽輪機構等。圖圖5-46 齒輪差動機構齒輪差動機構圖圖5-47 凸輪差動機構凸輪差動機構圖圖5-48 螺旋差動機構螺旋差動機構 同軸單螺旋同軸單螺旋 同軸雙螺旋，螺母固定同軸雙螺旋，螺母固定 同軸雙螺旋，螺母移動同軸雙螺旋，螺母移動差動原理常用于齒輪系中，被稱作差動輪系

41、用于運動的分解差動原理常用于齒輪系中，被稱作差動輪系用于運動的分解或合成。或合成。如圖：汽車差速機構把發(fā)動機輸出的運動分解給兩個車輪，使如圖：汽車差速機構把發(fā)動機輸出的運動分解給兩個車輪，使車輪的轉動與直行車輪的轉動與直行或拐彎運動相適應或拐彎運動相適應。差動原理還可用于差動原理還可用于凸輪機構凸輪機構螺旋機構螺旋機構棘輪機構棘輪機構槽輪機構槽輪機構差動輪系的基本型如圖所示，凸輪差動機構由外凸輪如圖所示，凸輪差動機構由外凸輪1、內凸輪、內凸輪3、推桿、推桿2、機架組、機架組成外凸輪輪緣上均布有成外凸輪輪緣上均布有11個齒槽，內凸輪輪緣上均布有個齒槽，內凸輪輪緣上均布有13個齒槽，個齒槽，推桿沿

42、內外凸輪之間圓周布置，一般布置偶數個帶有滾子的推桿推桿沿內外凸輪之間圓周布置，一般布置偶數個帶有滾子的推桿推桿的個數為兩凸輪齒推桿的個數為兩凸輪齒槽數量之和的約數：槽數量之和的約數：831113機構工作時，沿圓周連機構工作時，沿圓周連在一起的推桿和兩個凸在一起的推桿和兩個凸輪之一輸出轉動，另一輪之一輸出轉動，另一凸輪則輸出轉動。凸輪則輸出轉動。差動螺旋機構差動螺旋機構同軸單螺旋機構同軸單螺旋機構同軸雙螺旋機構同軸雙螺旋機構同軸雙螺旋機構同軸雙螺旋機構兩個螺母，分別固定、移動兩個螺母，分別固定、移動兩個螺母，兩個移動兩個螺母，兩個移動螺桿轉動，螺母也轉動，結果螺母實現差螺桿轉動，螺母也轉動，結果

43、螺母實現差動移動，即螺桿轉動移動，即螺桿轉nn周，則螺母移距大周，則螺母移距大小為小為s sss，s-導程，正號表示兩構件轉導程，正號表示兩構件轉向相同，則移距為二者移距之和，負號表向相同，則移距為二者移距之和，負號表示兩構件轉向相反，則移距為二者移距之示兩構件轉向相反，則移距為二者移距之差，該機構結構簡單，可實現微動和快速差，該機構結構簡單，可實現微動和快速移動。移動。兩個螺母一個移動，一個固定。兩個螺母一個移動，一個固定。當螺桿轉動時，移動螺母可實現當螺桿轉動時，移動螺母可實現快速或慢速移動，即螺桿轉一周，快速或慢速移動，即螺桿轉一周，移動螺母移動移動螺母移動s1s1s2s2（s1、s2為

44、兩螺旋的導程，旋向相同時為為兩螺旋的導程，旋向相同時為正，螺母快速移動，反之，螺母正，螺母快速移動，反之，螺母慢速移動。慢速移動。）同軸雙螺旋傳動，兩螺母同時同軸雙螺旋傳動，兩螺母同時與機架組成移動副，工作時螺與機架組成移動副，工作時螺桿轉動，兩螺母實現移動，兩桿轉動，兩螺母實現移動，兩段螺旋線螺距相同，單懸想相段螺旋線螺距相同，單懸想相反，該機構常用于車輛之間的反，該機構常用于車輛之間的聯接，可使車鉤較快的聯結和聯接，可使車鉤較快的聯結和脫開脫開二、諧波傳動原理的仿效二、諧波傳動原理的仿效諧波傳動是一種靠中間撓性構件（柔輪）的彈性變形來實現運動和動力的傳遞。常用于齒輪傳動和動力的傳遞。常用于齒輪傳動中，也可用于螺旋及摩擦傳動中。1諧波齒輪傳動 圖5-49基本構件：柔輪1，剛輪2，波發(fā)生器H傳動比： ，速比范圍50500)/(1211zzziH基本構件：柔輪基本構件：柔輪1，剛輪，剛輪2，波發(fā)生器，波發(fā)生器H主動構件為