1、第四章 机构的演化、变异与创新设计,本章内容:第一节 机构演化与变异的概念第二节 机架变换与创新设计第三节 运动副的形状变异与创新设计第四节 构件形状变异与创新设计第五节 运动副的等效代替与创新设计,本章要求 要熟悉各种常见结构方案的变异，掌握结构设计方案的分析方法，以便找到合适的结构方案来满足功能要求。 熟练掌握机构的运动副、构件和机架的演化和变异，以开发出比基本机构性能更优异的新机构，或改善、扩大基本机构的功能和性能，达到机械结构创新的目的。,一、机构演化与变异的概念1、机构的演化 以某一基本机构为原始机构，对其机架、运动副和构件尺寸等进行变换，从而设计出新机构的过程，称为机构的演化。,第
2、一节 机构的演化与变异的概念,2、机构的变异 以某一基本机构为原始机构，对其运动副性质、形状或尺寸进行变换，在不改变机构类型的前提下达到改善或提高机构传力性能的机构设计过程，称为机构的变异。,3、机构演化与变异的示例说明,以曲柄滑块机构为基本机构,演化,变异,转动导杆机构,曲柄滑块机构,机架变换,转动副B扩大,曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,演化,二、机构演化、变异与机构创新设计,1、机构演化方法：（1）改变机构中的机架（以不同的构件作为机 架）（2）改变机构中运动副的性质（高副与低副的 演化）（3）改变机构中构件的尺寸,2、机构变异方法：（1）改变机构中运动副的尺寸（2）改变机构中运动副的形状（
3、3）改变机构中运动副的性质,3、机构演化与的变异的差别相同点：都是首先选定以某一基本机构为原始机 构。不相同点：机构演化变换后可得到具有不同性 质的新机构；机构变异后得到的机构 类型不改变。,1、连杆机构的机架变换,第二节 机架变换与创新设计,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,双曲柄机构,(1)铰链四杆机构,(2)曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,转动导杆机构,曲柄摇块机构,移动导杆机构,(3)含有两个移动副的四杆机构,双滑块机构,双转块机构,正弦机构,四杆 机构种类繁多，但是都可看作由铰链四杆机构通过机架变换、运动副变换和尺寸变换演化而出的。 上述转换方法也可应用到其他机构的演化中。,2、齿轮机构的机架变
4、换,定轴齿轮机构,行星齿轮机构,A,3、凸轮机构的机架变换,直动从动件盘形凸轮机构,转动直动从动件盘形凸轮机构,凸轮转动导杆机构 反凸轮机构浮动凸轮机构 固定凸轮机构,反凸轮机构的应用,推杆1主动,做往复移动,凸轮2从动,做间歇转动.1左移,凸轮逆时针转动;1左极限位置,凸轮左侧齿尖越过左侧滚子.1右移,左侧滚子进入齿间继续推动凸轮逆时针转动.,固定凸轮机构,3转动,2转动的同时移动.,4、带传动机构的机架变换,带传动机构,差动带传动机构,5、间歇运动机构的机架变换,B:槽轮随系杆公转,又做间歇性自转,A:拨盘自转,槽轮间歇自转,A,B,6、创新实例分析,Z1、Z2、Z3为定轴轮系，,固定齿轮
5、Z1，得到一个行星轮系,固定齿轮Z3，又可得到一个行星轮系，这时可得到三种不同的传动比。这是行星传动变速的基本原理。,运动构件与机架的互相转换，或称作机构的倒置。 平面四杆机构的机架变换 图示卡当机构，若令杆OO1为机架，则原机构的机架成为转子3，曲柄1每转一周，转子3亦同步转动一周，同时两滑块2及4在转子3的十字槽内往复运动，将流体从入口A送往出口B，从而得到一种泵机构。,第三节 运动副的演化、变异与创新设计,一、转动副的尺寸变化 二、转动副的结构变化 三、移动副的尺寸变化 四、移动副的结构变化 五、运动副性质的等效变换,一、转动副的尺寸变化,偏心盘机构,铰链四杆机构ABCD的转动副尺寸扩大
6、,转动副B的尺寸扩大包括A,转动副C的尺寸扩大包括B,转动副D的尺寸扩大包括C,旋转泵环状杆件2沿机壳内表面做无间隙的平面运动,它们之间形成了变化的空间,用于液体的吸入与压出,连杆3将输入腔与输出腔隔开。,旋转泵,转动，液体按图示箭头方向流动，的叶片a用以把输入腔与输出腔隔开。,二、转动副的结构变化,滑动轴承,滚动轴承,铰链四杆 机构向含有移动副的四杆机构的转换,减小偏距e的尺寸,曲柄滑块机构ABC的变化,B处转动副尺寸扩大,C处转动副尺寸扩大。,滑块尺寸与形状变化（中空）,三、移动副的尺寸变化,冲压机构,顶锻机构,四、移动副的结构变化,一、杆状构件的尺寸演化与变异二、轮状构件的演化与变异三、
7、盘状构件的演化与变异四、块状构件的演化与变异,第四节 构件的演化、变异与创新设计,一、杆状构件的尺寸演化与变异,转动导杆机构机架AB尺寸加大,得到摆动导杆机构,摆块机构ABC，块3作成杆状，杆状构件2作成块状，得到图示摆动导杆机构。,二、轮状构件的演化与变异,齿轮、飞轮,三、盘状构件的演化与变异,凸轮、曲柄等,四、块状构件的演化与变异,滑块等,平面高副平面高副元素的形状变换，是为了演化变异出具有不同功能的平面高副，此外还可改善高副机构的各种性能，如受力状态、接触强度、运动及动力特性等。平面高副元素的各种形状可看作是由凸轮高副变异而来，而凸轮机构又可以看成是由楔块机构变异而来的。,组成凸轮高副的
8、两个运动副元素，一个是凸轮轮廓曲线，另一个是从动构件与凸轮接触的工作面。凸轮的形状是向径变化的曲线，而从动构件的形状通常是圆柱滚子或平面、球面等单一曲线形状。图示电动锯条的凸轮机构，凸轮轮廓曲线是一个具有12个凸凹圆弧形的曲线，从动构件是两个圆柱滚子摆杆。由这种形状的凸轮就可以联想到若主、从动构件的轮廓曲线都具备这种形状重复，并沿圆周连续、再现，就可以传递连续转动。由此也就产生了图示的齿轮机构。如将渐开线齿轮的基圆半径变得无穷大时，齿轮就展直成齿条。,螺旋副由互相旋合的螺杆和螺母组成。若从螺旋副旋转推进工作原理考虑，把组成螺旋副的两个运动副元素之一，螺杆的剖面形状设计成一个有利于推进流体或粉状
9、物料的叶片形状，将其放在密闭圆筒状容器内，这样就构造了一种旋转推进的螺旋输送器（物料相当于螺母），用于各种螺杆泵、挤出机等机械设备中。,利用构件的运动性质演化变异 作往复运动的构件，可利用其单程的运动性质，改变构件的形状以实现这个单程运动间歇地重复再现，从而演化出新的机构。,摆动导杆机构，用滚滑移动副代替移动副就变成了图b机构。如果以B点位置为分界线，把滚滑副的槽分割成两部分，当滚子位于槽内时，曲柄AB转动，导杆OB反向摆动。若滚子脱离摆槽，则运动中断。设计一个沿OB为半径的轨迹圆上开了四个均布相同槽的圆盘，摆动导杆机构也就变成外槽轮机构了。,双转块机构的变异图示双转块机构，块1转动，通过连杆
10、2将转动传递给块3，按机构原形的结构形状，两个转块是无法实现整周回转的。若分别将构件1、2、3的形状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘形状，则构造了一个十字滑块联轴器(图b)，其中连杆2变成了图c所示的两面各有矩形条状凸榫的圆盘，且两凸榫的中心线互相垂直，并通过圆盘中心。转盘1和3上各开一个凹槽，2,上的凸榫分别嵌入1和3相应的凹槽内。机架支承两个固定转轴A和B，此时，当圆盘1转动时，圆盘3以同样的速度转动。,凸轮机构 图示一种廓线可变的凸轮机构。凸轮1绕固定轴A转动，推杆2在导轨B中实现一定运动规律的往复移动。为改变推杆2的运动规律，在轮1上装有四片凸轮片，凸轮片上开有圆弧槽，把凸轮片旋转到合适位置
11、，然后用螺钉紧固，就可获得不同形状的凸轮廓线。,把AD和BC改变为二个圆盘,并进一步缩小机架的尺寸,转动导杆机构,1,3变为二个圆盘,减小偏距,构成联轴器。,钢珠尺寸分检包装盒自动封盖机构,第五节 运动副的等效变换与创新设计,一、空间运动副与平面运动副的等效变换二、高副与低副的等效变换三、滑动摩擦副与滚动摩擦副的等效变换四、利用瞬心线构造等效机构,一、空间运动副与平面运动副的等效变换,空间机构原动件与机架连接为球面副S时,三自由度运动很难控制，采用三个互成垂直布置的转动副R可代替球面副。,二、高副与低副的等效变换,平面高副与平面低副的等效代换图a中平面高副用一个曲柄摇杆机构OABD替代，则该机
12、构与原凸轮机构就成为一组同性异形机构。图b中平面高副用一个曲柄滑块机构OACB替代，则该,机构与原凸轮机构就成为一组同性异构机构。图c中平面高副用一个摆动导杆机构OACB替代，则该机构与原凸轮机构是一组同性异形机构。,三、滑动摩擦与滚动摩擦副的等效变换,四、利用瞬心线构造等效机构,连杆2的瞬心线(定瞬心线),连杆4的瞬心线(原机构的动瞬心线),附着在连杆2上的动瞬心线与附着在机架4上的定瞬心线在图示位置时正好相切,因此,完全可以将杆2和杆4加工成瞬心线所构成的形状,使动瞬心线在定瞬心线上实现无滑动的纯滚动,拆掉杆1或杆3,那么构件2的运动与原构件中连杆2的运动完全等效,原铰链四杆机构可被三构件
13、三副机构代替。,例：反平行四边形机构,当从动曲柄和连杆两次处于共线位置时，从动曲柄将出现运动不确定情况，影响了这种机构的工作性能。要实现相对于的运动效果代换，分别以和为机架，去掉连杆，构造出反平行四边形机构的等效机构为椭圆形高副机构，该高副机构可设计成椭圆齿轮机构。,例：正置曲柄滑块机构,是对心式曲柄滑块机构的一个特例，该机构的特点是，当曲柄回转一周时，滑块的行程是曲柄长的倍，可以在结构尺寸较小的情况下实现较大的位移。,当曲柄运动到现机架垂直的位置时，滑块的运动将不确定，需要构造一个等效机构。,习题,1.画出下面变异机构的原始机构。2.运用瞬心线构造等效机构的原理,构造图示等腰梯形的双摇杆机构的等效机构。3.试说明图示机构的变异过程。,本章结束,
