第十二章 机构组合与创新设计 第一节 基本机构及其运动特性 一、基本机构的概念 二、基本机构的运动特点分析 一、基本机构的概念 （一）连杆机构的基本型 （二）齿轮类机构的基本型 （三）凸轮类机构的基本型 （四）间歇运动机构的基本型 （五）其它常用机构的基本型 （六）挠性传动机构 （一）连杆机构的基本型 1、曲柄摇杆机构 2、双曲柄机构 3、双摇杆机构 4、曲柄滑块机构 5、正弦机构 6、正切机构 1、曲柄摇杆机构 2、双曲柄机构 双曲柄机构的基本型 3、双摇杆机构 4、曲柄滑块机构 5、正弦机构 6、正切机构 7、转动导杆机构 转动导杆机构的基本型 8、曲柄摇块机构 9、摆动导杆机构 10、移动导杆机构 11、双转块机构 12、双滑块机构 （二）齿轮类机构的基本型 1、单级圆柱齿轮机构 2、单级圆锥齿轮机构 3、单级蜗杆机构 1、单级圆柱齿轮机构 外啮合圆柱齿轮机构示意图 2、单级圆锥齿轮机构 外啮合圆锥齿轮机构示意图 3、单级蜗杆机构 用于垂直不相交轴之间的等速转动到等速转动的运动变换，实现机构的大速比减速传动。 一般情况下蜗杆传动机构具有自锁性。 图12-11c为蜗杆传动机构示意图。 （三）凸轮类机构的基本型 1、直动从动件盘形凸轮机构及其运动变换 2、摆动从动件盘形凸轮机构 3、直动从动件圆柱凸轮机构 4、摆动从动件圆柱凸轮机构 1、直动从动件盘形凸轮机构及其运动变换 2、摆动从动件盘形凸轮机构 3、直动从动件圆柱凸轮机构 4、摆动从动件圆柱凸轮机构 （四）间歇运动机构的基本型 1、棘轮机构 2、槽轮机构 3、不完全齿轮机构 4、分度凸轮机构 1、棘轮机构 2、槽轮机构 3、不完全齿轮机构 4、分度凸轮机构 （五）其它常用机构的基本型 1、螺旋机构及其运动变换 2、万向机构及其运动变换 2、万向机构及其运动变换 （六）挠性传动机构 主、从动件之间靠挠性构件连接起来，常称为挠性传动机构。典型的挠性传动机构有带传动机构、链传动机构和绳索传动机构。 二、基本机构的运动特点分析 （一）转动到转动的运动特性分析 （二）转动到往复摆动的运动特性分析 （三）转动到往复移动的运动特性分析 （四）转动到间歇转动的运动特性分析 （五）摆动到连续转动的运动特性分析 （六）移动到连续转动的运动特性分析 （一）转动到转动的运动特性分析 1、齿轮机构 2、带传动机构 3、链传动机构 4、摩擦轮机构 5、双曲柄机构与转动导杆机构 6、双转块机构 7、万向机构 1、齿轮机构 用于速度或方向的运动变换，即可实现减速也可增速传动。结构紧凑，运转平稳，传动比大，机械效率高，使用寿命长，可靠性好。是最常用的转动到转动的速度变换机构。特别是组成各种轮系后，其应用更加广泛。 2、带传动机构 常用于两转动轴中心距较大时的运动速度的变换，即可实现减速也可增速传动。运转平稳，传动比较大，但传动比不准确，过载时发生打滑。是最常用的大中心距时转动到转动的速度变换机构。 3、链传动机构 常用于两转动轴中心距较大时的运动速度的变换，即可实现减速也可增速传动。传动比较大，压轴力较小，但瞬时传动比不准确，不适合在高速场合应用。也是在低速时最常用的大中心距转动到转动的速度变换机构。 4、摩擦轮机构 用于速度或方向的运动变换，即可实现减速也可增速传动。结构紧凑简单，运转平稳，但传动比不准确，只能在小功率且传动比要求不是很准确的场合应用。 5、双曲柄机构与转动导杆机构 利用主动件等速转动、从动件的不等速转动的特点实现特殊工作要求。 6、双转块机构 主动转块与从动转块同速转动，但它们的转动轴线平行。可用于轴线不重合且要求平行传动的场合。 7、万向机构 单万向机构的输入与输出速度不相等，采用双万向机构可实现同速输出，双万向机构常用于汽车发动机到后桥之间的传动轴。 （二）转动到往复摆动的运动特性分析 1、曲柄摇杆机构 2、摆动导杆机构 3、曲柄摇块机构 4、摆动从动件凸轮机构 1、曲柄摇杆机构 曲柄摇杆机构中的曲柄等速转动可实现摇杆的往复摆动，其摆动角度大小与各构件尺寸有关，往复摆动速度的差异与行程速比系数有关。 2、摆动导杆机构 摆动导杆机构也能实现摆杆的往复摆动，其运动特点与曲柄摇杆机构相似，但其结构紧凑，故在工程中的应用广泛。 3、曲柄摇块机构 与上述机构的运动特点相似，但作往复摆动的是块状构件，用在特定的工作环境中。 4、摆动从动件凸轮机构 摆动从动件凸轮机构的特点是从动件的运动规律具有多样性。按给定的摆动规律设计凸轮后，既可实现该运动要求。 （三）转动到往复移动的运动特性分析 曲柄滑块机构、正弦机构、移动导杆机构、齿轮齿条机构、直动从动件凸轮机构、螺旋传动机构均可实现转动到往复移动的运动变换。它们的运动变换相同，但运动特性却存在很大的差别。 其中，曲柄滑块机构、正弦机构、移动导杆机构中的移动构件作往复变速移动；直动从动件凸轮机构中的移动杆的运动规律可实现运动特性的多样化；齿轮齿条机构和螺旋传动机构可实现移动件的等速运动。 （四）转动到间歇转动的运动特性分析 槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构都能实现等速转动到间歇转动的运动要求。 （五）摆动到连续转动的运动特性分析 曲柄摇杆机构、摆动导杆机构中的摇杆和摆杆为主动件时，可实现曲柄的连续转动。这种运动变换过程中，要注意克服机构运动中的死点位置。 （六）移动到连续转动的运动特性分析 曲柄滑块机构 齿轮齿条机构 不自锁的螺旋传动机构 第二节 基本机构及其组合的概念 机构是机器中执行机械运动的主体装置，机构的类型与复杂程度与机器的性能、成本、制造工艺、使用寿命、工作可靠性等有密切关系。因此机构的设计在机械设计的全过程中占有极其重要的地位。工程中的实用机械，很少由一个简单的基本机构组成，大都由若干个基本机构通过各种连接方法组合而成的一个机构系统组成。 常用的机构组合方法如下: 1、利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，可得到复杂的机构系统。 2、按照串联规则组合基本机构，可得到复杂的机构系统。 3、按照并联规则组合基本机构，可得到复杂的机构系统。 4、按照叠加规则组合基本机构，可得到复杂的机构系统。 5、按照封闭规则组合基本机构，可得到复杂的机构系统。 第三节 机构组成原理与机构创新设计 一、Ⅱ级杆组的类型 二、III级杆组的类型 三、机构组成原理与机构创新设计 一、Ⅱ级杆组的类型 二、Ⅲ级杆组的类型 3R内接副类III级杆组 二、Ⅲ级杆组的类型 二、Ⅲ级杆组的类型 二、Ⅲ级杆组的类型 三个内接副均为移动副时，对应有四种杆组类型； 三、机构组成原理与机构创新设计 （一）连接II级杆组 （二）连接III级杆组 （一）连接II级杆组 1、连接RRR杆组 （一）连接II级杆组 2、连接RRP型杆组 （一）连接II级杆组 3、RRR与RRP杆组的混合连接 （二）连接III级杆组 图12-31所示机构为原动件和机架连接3R3R和3R2RP型III级杆组组成机构的示意图。 四、利用机构组合原理进行机构创新设计的基本思路 可遵循下列原则。 1、II级机构的综合方法、分析方法已经成熟，可优先考虑II级杆组进行机构的组合设计。 2、掌握II级杆组的6种基本形式，学会II级杆组的变异设计。 3、II级杆组的一个外接副连接活动构件，另一个外接副连接机架。 4、根据机构输出运动的方式选择杆组类型。输出运动为转动或摆动时，可优先选择带有两个转动副的杆组，如RRR、RPR、PRR等杆组；输出运动为移动时，可优先选择带有移动副的杆组。 5、连接杆组法只能实现机构运动方案的创新设计，实现具体的机构功能要求还需进行机构的尺度综合。综合过程与杆组的连接位置的确定有时需要反复进行，才能得到满意的设计结果。 6、连接杆组法也适合齿轮、凸轮等其它机构的组合设计。 第四节 机构的串联组合与创新设计 一、机构的串联组合方法 二、串联组合的基本思路 一、机构的串联组合方法 1、基本概念 2、分类 3、组合示例 1、基本概念 2、分类 3、组合示例 二、串联组合的基本思路 1、实现后置机构的速度变换 2 、实现后置机构的运动变换 3、在满足运动要求的前提下，运动链尽量短 1、实现后置机构的速度变换 图12-35为实现连杆机构、凸轮机构等后置机构速度变换的串联组合示意图。 2 实现后置机构的运动变换 图12－36所示机构为改变后置机构运动规律的组合示意图。 3、在满足运动要求的前提下，运动链尽量短 串联组合系统的总机械效率等于各机构的机械效率连乘积，运动链过长会降低系统的机械效率，同时也会导致传动误差的增大。在进行机构的串联组合时应力求运动链最短。 §12-5 机构的并联组合与创新设计 一、机构的并联组合方法 二、并联组合的基本思路 一、机构的并联组合方法 1、基本概念 2、分类 3、组合示例 1、基本概念 2、分类 3、组合示例 图12-38 a为两个曲柄滑块机构的并联组合 图12-38 b为两个曲柄摇杆机构的并联组合 II型并联组合机构 图12-39所示机构为III型并联组合示意图。 二、并联组合的基本思路 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、同类机构可以并联组合，不同类机构也可以并联组合 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。 3、改善机构受力状态 图b所示平动齿轮机构中，采用三组机构并联组合后，可得到图12-40所示的三环减速器机构。 4、不同类机构也可以并联组合 并联组合中的分路机构可以是同类机构，也可以是不同类机构，这为并联组合的设计提供了广泛的应用前景。 §12-6机构的叠加组合与创新设计 一、 机构的叠加组合方法 二、 机构叠加组合的关键问题 一、 机构的叠加组合方法 1、基本概念 2、分类 3、组合示例 1、基本概念 机构叠加组合是指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。 2、分类 图12-41所示框图为机构的叠加组合示意图。 3、组合示例 轮系系杆上叠加蜗杆机构 常用电风扇的机构简图。 3、组合示例 II型叠加机构 附加机构和基础机构分别有各自的动力源，或有各自的运动输入构件，最后由附加机构输出运动。 二、 机构叠加组合的关键问题 1. 附加机构与基础机构之间的运动传递及连接构件 2. 动力源安装位置 3. 连接方式 附加机构向基础机构的运动传递。 12-7 机构的封闭组合与创新设计 一、机构的封闭组合方法 三、 封闭组合的基本思路 一、机构的封闭组合方法 1、基本概念 2、分类 3、封闭组合示例 1、基本概念 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，称为封闭式连接。 其特征是基础机构为二自由度机构，附加机构为单自由度机构。 2、分类 Ⅰ型封闭机构 Ⅱ型封闭机构 Ⅲ型封闭组合机构 3、封闭组合示例 3、封闭组合示例 3、封闭组合示例 Ⅲ型封闭组合机构。 三、 封闭组合的基本思路 1、任意两个自由度的机构均可作为基础机构，而单自由度的机构则可作为附加封闭机构。 2、附加封闭机构封闭基础机构的两个输入运动或两个输出运动简便易行，应用最为广泛。 3、附加封闭机构封闭基础机构的一个输入构件和一个输出构件，把输出运动再反馈回输入构件。 12-8 其它类型的机构组合与创新设计 一、机构的混合组合方法 二、附加约束组合法 一、机构的混合组合方法 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，从而达到机构创新设计的目的。 第十二章 机构组合与创新设计 第十二章 机构组合与创新设计 第十二章 机构组合与创新设计 附加机构 基础机构 附加机构 基础机构 a) I型叠加机构 b) II型叠加机构 图12-41 机构的叠加组合 第十二章 机构组合与创新设计 第十二章 机构组合与创新设计 3、组合示例 第十二章 机构组合与创新设计 按Ⅰ型叠加原理设计的双重轮系机构。 第十二章 机构组合与创新设计 附加机构 基础机构 第十二章 机构组合与创新设计 户外摄影车机构 第十二章 机构组合与创新设计 第十二章 机构组合与创新设计 第十二章 机构

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