創(chuàng)新設(shè)計(jì)課件第六講

第五章機(jī)構(gòu)演化、變異原理與創(chuàng)新第一節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副演化與變異第二節(jié)機(jī)構(gòu)的構(gòu)件變異第三節(jié)機(jī)構(gòu)的機(jī)架演化與創(chuàng)新第四節(jié)機(jī)構(gòu)的等效變換與創(chuàng)新第一節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副演化與變異機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副演化與變異的主要目的是:(1)增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)副元素的接觸強(qiáng)度;(2)減小運(yùn)動(dòng)副元素的摩擦、磨損;(3)改善機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài);(4)改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力效果;(5)開拓機(jī)構(gòu)的各種新功能;(6)尋求演化新機(jī)構(gòu)的有效途徑。為實(shí)現(xiàn)上述目的運(yùn)動(dòng)副演化與變異的主要方法包括:(1)改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸;(2)改變運(yùn)動(dòng)副元素的接觸性質(zhì);(3)改變運(yùn)動(dòng)副元素的形狀。

一、改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸

改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸主要是指轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副尺寸的增大。1.轉(zhuǎn)動(dòng)副的擴(kuò)大

轉(zhuǎn)動(dòng)副的擴(kuò)大主要指組成轉(zhuǎn)魂豇盥鐺縋和銷軸孔在直徑尺寸的增大,但各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系沒有發(fā)生改變,這種變異機(jī)構(gòu)常用于泵和壓縮機(jī)等機(jī)械裝置中。圖5.1a是一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)副B的直徑尺寸加大到將轉(zhuǎn)動(dòng)副A包括在其中時(shí),曲柄1就變成了一個(gè)偏心盤,而連桿2就設(shè)計(jì)成一個(gè)圓環(huán)狀構(gòu)件,見圖b,曲柄搖桿機(jī)構(gòu)就轉(zhuǎn)變成一個(gè)旋轉(zhuǎn)泵。該泵的工作過程是,偏心盤1主動(dòng),繞機(jī)殼的固定幾何中心A轉(zhuǎn)動(dòng),圓環(huán)狀構(gòu)件2沿機(jī)殼的內(nèi)表面滑動(dòng);圓環(huán)2與構(gòu)件3用轉(zhuǎn)動(dòng)副C連接。構(gòu)件3繞固定軸D轉(zhuǎn)動(dòng),它用于將吸入腔和輸出腔隔開。

圖5.2所示是一個(gè)活塞泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。圖b是變異后的活塞泵?？梢钥闯?變異后機(jī)構(gòu)與原始機(jī)構(gòu)在組成上完全相同,只是構(gòu)件的形狀不一樣。偏心盤和圓環(huán)形連桿組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副使連桿緊貼固定的內(nèi)壁運(yùn)動(dòng),形成一個(gè)不斷變化的腔體,這有利于流體的吸入和壓出。這種演化與變異的特點(diǎn)是,隨著轉(zhuǎn)動(dòng)副的擴(kuò)大,構(gòu)件形狀也發(fā)生了變異,分別由桿狀變成圓盤狀和圓環(huán)狀。圓環(huán)狀連桿在固定的圓形腔體內(nèi)作平面運(yùn)動(dòng),形成不斷變化的空間,以實(shí)現(xiàn)工作要求。2轉(zhuǎn)動(dòng)副連續(xù)擴(kuò)大后展直為移動(dòng)副

圖5.3示出轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)變成移動(dòng)副的過程。圖a是轉(zhuǎn)動(dòng)副A和B的原狀.構(gòu)件2作往復(fù)擺動(dòng)，擴(kuò)大固定轉(zhuǎn)動(dòng)副A后就變成圖b的形狀；因構(gòu)件2作擺動(dòng),故可以在2桿的擺角范圍內(nèi)乏偏心盤和固定圓環(huán)改變成扇形形狀,見圖c。把運(yùn)動(dòng)副展直,即當(dāng)2桿的嘗動(dòng)中心⒕點(diǎn)落到無窮遠(yuǎn)處時(shí),扇形滑塊和扇形滑槽就轉(zhuǎn)變成了直移滑塊和滑槽,即轉(zhuǎn)動(dòng)副變成移動(dòng)副,此時(shí)2構(gòu)件就作往復(fù)移動(dòng),如圖d所示。當(dāng)構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件變化到一定程度時(shí),則它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系也發(fā)生了變化,由此可以演化出新機(jī)構(gòu)。3移動(dòng)副的擴(kuò)大與轉(zhuǎn)動(dòng)副的擴(kuò)大相同,移動(dòng)副的擴(kuò)大主要指組成移動(dòng)副的滑塊與導(dǎo)路尺寸的變大,并且尺寸增大到把機(jī)構(gòu)中其它運(yùn)動(dòng)副包含在其中。構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系并未改變。圖5-4所示是一個(gè)沖壓機(jī)構(gòu),其中移動(dòng)副C擴(kuò)大,將轉(zhuǎn)動(dòng)副A和移動(dòng)副B包括在其中,可產(chǎn)生很大的沖擊力。

圖5.5a也是一個(gè)沖壓機(jī)構(gòu),其中移動(dòng)副擴(kuò)大,將轉(zhuǎn)動(dòng)副A、B及C均包括在其中。曲柄1通過連桿2帶動(dòng)沖頭3作上下往復(fù)移動(dòng),實(shí)現(xiàn)沖壓動(dòng)作。將連桿頭處設(shè)計(jì)成曲面形,使其與滑塊內(nèi)空間的勿胡段圓弧形狀相吻合,用于提高機(jī)構(gòu)的剛度與穩(wěn)定性。圖5.6所示為一往復(fù)凸輪分度機(jī)構(gòu),其中移動(dòng)副B擴(kuò)大,將轉(zhuǎn)動(dòng)副⒕和凸輪高副C均包含在其中。該機(jī)構(gòu)工作時(shí),構(gòu)件1往復(fù)移動(dòng),推動(dòng)凸輪2間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。圖a為鎖緊位置,圖b為構(gòu)件1左移,推動(dòng)凸輪順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的位置。凸輪每次轉(zhuǎn)位角為60°,若需要不同的轉(zhuǎn)位角,可利用不同的正多邊形凸輪形狀來實(shí)現(xiàn)?？梢钥闯?改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸不僅改善了機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力效果,還開拓了機(jī)構(gòu)的新功能,演化出新機(jī)構(gòu)。二、改變運(yùn)動(dòng)副元素的接觸性質(zhì)

低副元素的接觸性質(zhì)為滑動(dòng)接觸,高副元素包含有滾動(dòng)和滑動(dòng)兩種接觸性質(zhì)。滑動(dòng)接觸使運(yùn)動(dòng)副元素的接觸表面產(chǎn)生磨損,降低了機(jī)械傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度。為減小磨損的方法是用滾動(dòng)接觸代替滑動(dòng)接觸。(1)移動(dòng)副把組成移動(dòng)副元素之一的結(jié)構(gòu)形狀改變成滾子形,這樣使原始機(jī)構(gòu)中導(dǎo)路與滑塊的結(jié)構(gòu)形式演變?yōu)閷?dǎo)路與滾子結(jié)構(gòu)形式,見圖5.7a、b、c。(2)轉(zhuǎn)動(dòng)副把組成轉(zhuǎn)動(dòng)副的銷軸和銷軸孔之間增設(shè)若干個(gè)滾動(dòng)體,而構(gòu)成了滾動(dòng)軸承。(3)高副把凸輪高副中從動(dòng)件設(shè)計(jì)成滾子形的,槽輪高副中的撥銷也設(shè)計(jì)成滾子形,改善摩擦磨損。三、改變運(yùn)動(dòng)副元素的形狀1?平面低副

移動(dòng)副經(jīng)滑動(dòng)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)接觸后,進(jìn)一步改變移動(dòng)副元素的形狀,如導(dǎo)軌的形狀。把直線型的移動(dòng)導(dǎo)路變成曲線型的,并讓帶有小滾子的轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)仵為主動(dòng)構(gòu)件,如圖5-7C所示,則就構(gòu)造了一個(gè)凸輪為從動(dòng)件,擺桿為主動(dòng)構(gòu)件的反凸輪機(jī)構(gòu)。移動(dòng)副元素形狀的改變用途很多,可以實(shí)現(xiàn)特殊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,且能解決原始機(jī)構(gòu)難以解決的問題。圖5-8是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)構(gòu)件4運(yùn)動(dòng)暫停的機(jī)構(gòu)。圖5-9是一個(gè)能克服死點(diǎn)的機(jī)構(gòu)。2?平面高副

改變平面高副元素的形狀主要目的是為了演化變異出具有不同功能的平面高副和改善高副機(jī)構(gòu)的各種性能,如受力狀態(tài)、接觸強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)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平面高副元素的各種形狀可看作是由凸輪高副變異而來,而凸輪機(jī)構(gòu)又可以看成是由楔塊機(jī)構(gòu)變異而來的。如圖5-10、圖5-11、圖5-12所示。圖5-13齒輪機(jī)構(gòu)圖，5-14棘輪機(jī)構(gòu)圖，5-15齒輪齒條機(jī)構(gòu)。(2)改變高副元素形狀可改善機(jī)構(gòu)性能

齒輪高副的變異一般指改變齒廓曲線的形狀,以提高齒面接觸強(qiáng)度,改善齒面間的摩擦磨,以及機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)。為此,齒廓曲線的形狀很多,一般常采用的有漸開線,擺線,圓弧曲線等,而漸開線形的還包括螺旋漸開線,球面漸開線等等,有時(shí)還需要對(duì)現(xiàn)有齒廓曲線進(jìn)行修形。

對(duì)于凸輪高副,可從凸輪輪廓曲線和從動(dòng)件與凸輪接觸的工作平面兩個(gè)方面考慮。從凸輪廓線考慮,凸輪輪廓曲線應(yīng)滿足從動(dòng)件各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律,如圖5-6所示,將凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)成對(duì)稱正三角形形狀以實(shí)現(xiàn)分度功能。從從動(dòng)件方面考慮,可將從動(dòng)件的工作平面設(shè)計(jì)成平面的,凸曲面的,或凹曲面的。以增強(qiáng)接觸強(qiáng)度,減小磨損。對(duì)于槽輪高副,可改變槽輪的槽徑向分布為側(cè)向分布,使撥銷在槽內(nèi)每一位置相對(duì)于槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心沿徑向的尺寸變化不大,致使槽輪轉(zhuǎn)位時(shí)比普通槽輪平穩(wěn)些。3.螺旋副螺旋副一般是由互相旋合的螺桿和螺母組成。從其剖面看螺紋形狀有矩形、梯形、鋸齒形、圓形和三角形等,可用于傳動(dòng)、微調(diào)、增力、聯(lián)接等,既簡單又可靠。若從螺旋副旋轉(zhuǎn)推進(jìn)工作原理思維,把組成螺旋副的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素之一,螺桿的剖面形狀設(shè)計(jì)成一個(gè)有利于推進(jìn)流體或粉狀物料的葉片形狀,將其密閉圓筒狀容器內(nèi),這樣就構(gòu)造了一種旋轉(zhuǎn)推進(jìn)的螺旋輸送器(物料相當(dāng)于螺母),用于各種螺桿泵、擠出機(jī)等機(jī)械設(shè)備中。圖5-18就是一種螺旋推進(jìn)器的示意簡圖。第二節(jié)機(jī)構(gòu)的構(gòu)件變異機(jī)構(gòu)構(gòu)件變異的主要目的:(1)改善機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的不確定;(2)解決機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)原因無法正確運(yùn)動(dòng)問題;(3)開發(fā)新功能;(4)開發(fā)新杌構(gòu);r(5)改善機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài),提高構(gòu)件強(qiáng)度或剛度;為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的演化變異方法有:(1)利用構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行演化變異;(2)改變構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸;(3)在構(gòu)件上增加輔助結(jié)構(gòu);(4)改變構(gòu)件運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。一、構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)演化變異這里主要指某些構(gòu)件進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),可以僅利用其單程的運(yùn)動(dòng)性質(zhì),再進(jìn)-步改變構(gòu)件的形狀以實(shí)現(xiàn)這個(gè)單程運(yùn)動(dòng)間歇地重復(fù)再現(xiàn),從而演化出新的機(jī)構(gòu)。圖⒌19a是一個(gè)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如果用滾滑移動(dòng)副代替移動(dòng)副,則就變成了圖b所表示的機(jī)構(gòu)。

如果以B點(diǎn)位置,即垂直位置為分界線,把滾滑副的槽分割成兩部分。一部分如圖c所示,當(dāng)滾子位于槽內(nèi)時(shí),曲柄AB轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)桿OB反向擺動(dòng)。若滾子脫離擺槽,則運(yùn)動(dòng)就中斷。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生,可改變擺桿的形狀,即設(shè)計(jì)一個(gè)沿以O(shè)B為半徑的軌跡圓上開了四個(gè)均布相同槽的圓盤,使得滾子在脫離一個(gè)槽后,相隔一段時(shí)間又進(jìn)入了另一個(gè)槽,就把連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成間歇的轉(zhuǎn)動(dòng),擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)也就變異成外槽輪機(jī)構(gòu)。被分割的另一部分如圖d所示。按照前面同樣的作法,也可以變異成內(nèi)槽輪機(jī)構(gòu)。二、改變構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸1.平行四邊形機(jī)構(gòu)的變異圖5-20a是平行四邊形機(jī)構(gòu),是雙曲柄機(jī)構(gòu)的一特例。但當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到四個(gè)構(gòu)件為一直線位置時(shí),機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置,致使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不確定。改變這種狀態(tài)須對(duì)機(jī)構(gòu)加以適當(dāng)?shù)募s束,使其運(yùn)動(dòng)確定。采用兩個(gè)以上相同機(jī)構(gòu)的組合,如圖b所示。若曲柄上的各活動(dòng)銷軸鉸接在同一個(gè)圓盤上,如A和D點(diǎn),B和E點(diǎn)分別鉸接在圓盤1和3上,并且進(jìn)一步的縮短機(jī)架4的尺寸,則變成了圖c的形狀。這是一種平行四邊形聯(lián)軸器。2.雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)的變異圖5-21a是雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)的示意圖,塊1轉(zhuǎn)動(dòng),通過連桿2將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給塊3,4為機(jī)架,A、B為兩個(gè)固定轉(zhuǎn)動(dòng)副。按機(jī)構(gòu)原形的結(jié)構(gòu)形狀,兩個(gè)轉(zhuǎn)塊是無法實(shí)現(xiàn)整周回轉(zhuǎn)的。若分別將1、2、3構(gòu)件的形狀改變成含有滑槽和凸榫的圓盤形狀,則構(gòu)造了一個(gè)十字滑塊聯(lián)軸器。如圖b所示。其中連桿2變成了圖c所示的兩面各有矩形條狀凸榫的圓盤,且兩凸榫的中心線互相垂直,并通過圓盤中心。轉(zhuǎn)盤1和3上各開一個(gè)凹槽,2上的凸榫分別嵌入1和3相應(yīng)的凹槽內(nèi)。機(jī)架支承兩個(gè)固定轉(zhuǎn)軸⒕和B,此時(shí),當(dāng)1盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),3盤以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng)?！只瑝K聯(lián)軸器。三、增加輔助結(jié)構(gòu)

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),往往會(huì)產(chǎn)生一些機(jī)構(gòu)的各個(gè)組成元素本身無法解決的問題,如運(yùn)動(dòng)不確定問題,運(yùn)動(dòng)規(guī)律可調(diào)性問題等,一般采用輔助結(jié)構(gòu)解決之。1.轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

圖5-22a是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),可以傳遞非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。若將導(dǎo)桿的中心線置于曲柄的活動(dòng)鉸B的軌跡圓上,見圖b,則導(dǎo)桿將以曲柄速度的一半等速轉(zhuǎn)動(dòng)。但當(dāng)活動(dòng)鉸B的中心與導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合時(shí),則圖b所示機(jī)構(gòu)的位置將會(huì)不確定。為了消除圖b導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定性,采取加入第二個(gè)滑塊的辦法,并將導(dǎo)桿作成十字槽的圓盤，雙臂曲柄兩端滑塊就在十字槽中運(yùn)動(dòng)。

圓盤和轉(zhuǎn)臂各圍繞各自的固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),圓盤槽數(shù)為任何數(shù)目時(shí),均以曲柄轉(zhuǎn)數(shù)的一半速度旋轉(zhuǎn)。這樣的機(jī)構(gòu)可用來傳遞大載荷。串聯(lián)兩種這樣的機(jī)構(gòu)就可以獲得1:4的無聲傳動(dòng)。2.凸輪機(jī)構(gòu)

凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,可實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律,但當(dāng)凸輪輪廓確定后,從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律則不能變換和調(diào)節(jié),為改變從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可采用增加輔助結(jié)構(gòu)的辦法。圖5-23是一種廓線可變的凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪1繞固定軸A轉(zhuǎn)動(dòng),推桿2在導(dǎo)軌B中實(shí)現(xiàn)一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的往復(fù)移動(dòng)。為改變推桿2的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在輪1上裝有四片凸輪片,凸輪片上