梦泽赤子 / DIY机械坊 / 机构创新设计参考图例

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机构创新设计参考图例

2014-04-12  梦泽赤子

第一节 机构设计的一般原则

  机构的形式设计要解决的关键问题是:构造什么样的机构去实现原理方案所提出来的运动要求。这是机构设计中最富有创造性、最直接影响方案的可靠性和经济性的重要环节。因此,机构形式设计,在保证机构能满足基本运动要求的同时,还应满足机构设计的一些一般性原则,这些原则也是评价机构性能好坏的重要标准之一。这些一般性的原则是:

   1、机构应尽可能的简单

    机构越简单越好。所谓简单指机构的构件与运动副数量最少,即机构的运动链最短。运动链知的机构有如下特点:⑴构件、运动副少,可降低生产成本、减轻产品的质量。⑵构件数量少,有利于提高产品的刚度,减少产生扰动的环节,提高产品的可靠性。⑶运动副少,有利于减少运动副摩擦带来的功率损耗,提高机械传动效率及使用寿命。⑷运动副少,能有效地减少运动副的累。          

               :如图4-1所示,三种能够实现直线轨迹运动的机构,其中图4-1a中 ab=bc=be,e点能精确实现直线轨迹。图b为e点能实现近似直线轨迹的曲柄摇杆机构。图c为有e点能精确实现直线轨迹的八杆机构。由于八杆机构运动副较多,运动累积误差大,在同一制造条件下,八杆机构的实际运动误差大约为机构的2-3倍。 

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图4-1三种能够实现直线轨迹运动的机构 a)曲柄小滑块机构;b)曲柄摇杆机构;c)八杆机构 


  2、机构尺寸应尽可能地小   在满足相同工作要求的前提下,不同的机构,其尺寸、质量和结构的紧凑性是大不相同的。例如,在传递相同功率并且设计合理的条件下,行星轮系的外形尺寸比定轴轮系小;在从动件要求作较大行程的直线移动的条件下,齿轮齿条机构比凸轮机构更容易实现体积小,质量轻的目标。 

  3、注意运动副的选择类型   运动副元素的相对运动是产生摩擦和磨损的主要原因。运动副的数量和类型对机构运动、传动效率和机构的使用寿命起着十分重要的作用。 

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图4-2 三种曲柄长度相同的滑块行程为四倍曲柄长的机构 a)连杆齿轮齿条机构 b)六杆机构 c)等腰对心式柄滑块机构 
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图4-3 减少移动副或代替移动副的措施 a)用转动副代替移动副 b)不用移动副的直线导向机构

   4、选择合适的原动机,尽可能减少运动转换机构的数量   目前工程上使用的原动机主要有三类:⑴内燃机 这类原动机主要有汽油机和柴油机。内燃机不适合于在低速状态下工作,用内燃机来驱动低速执行机构必须要受用减速设备。内燃机主要用于没有电力供应或需在远距离运动中提供动力且对运动精度要求不高的场合。⑵气、液马达,活塞气、液缸,摆动式气、液缸 这些原动机可对外输出转动、往复直线运动、往复摆动,借助控制设备也能实现间歇运动。⑶电动机 电动机的类型不同机械特性也不相同,电动机的转速变化范围大,输出功率从零点几瓦到上万千瓦。因此,电动机是工程设计中最常用的原动机。

   5、应使机构具有良好的传力条件和动力特性   在进行机构形式设计时,应选择效率高的机构类型,并保证机构具有较大的传动角和较大的机械增益,从而可以减小机构中构件的截面尺寸和质量,减小原动机的功率。机构形式设计要注意运动副组合带来的过约束。过约束会造成机械装配困难,增大运动副中的摩擦与磨损。图4-4显示了几种构型,其过约束数计算如下:   图4-4a中,由于导轨由三个平面副组成,每个平面副的约束数为3,而导轨只能保留一个移动自由度,即约束只能为5,故其过约束数为3×3-5=4。   图4-4b中,由于导轨由两个圆柱副组成,每个圆柱副的约束数为2,故其过约束数为4×2-5=3。   图4-4c中,由于导轨由三个圆柱平面副组成,每个圆柱平面副的约束数为2,故其过约束数为3×2-5=1。   图4-4d中,由于导轨由一个圆柱副和一个球体平面副组成,每个圆柱副的约束数为2,球体平面副的约束为1,故其过约束数为4+1-5=0。 

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图4-4 运动副组合的过约束 a)三平面副的组合;b)两圆柱副的组合;c)三个圆柱平面副的组合;d)圆柱副和球体平面副的组合 
例如图4-5a所示机构将滑块与导杆位置互换后,虽然作用力的位置相同,大小也未变,但各物体的受力却发生了改变。图4-5b所示的复合铰链,将中空构件与插入构件互换可以得到另外不同的结构形式,原来构件1为多位置对移动副受力的影响副杆,而构件2、3、4为单副杆。经变化后,构件1、4为单副杆,而构件2、3变为多副杆。显然,从制造、安装和构件受力的角度看,将单副杆2、3变为多副杆并不是一个好的选择。因此,应尽可能地减少多副杆数量,并让强度好、刚性高的构件作为多副杆,而且最好使其作为机架,这样有利于提高机构的刚度和机构的运动精度,改善构件的受力。
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图4-5 低副元素位置互异对受力的影响
a)滑块与导杆位置互异 b)复合铰键结构变化     对于有转动副的移动副,转动副在移动副上的位置也是一个应当认真注意的问题。如图4-6所示的滑块,转动副在移动构件上的位置的改变将直接影响到移动副中摩擦力的大小。因此,应尽量使转动副位于两移动副元素的直线上,从而可以减少移动副中摩擦,提高机构的传动效率。
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图4-6 移动副上的转动副



  第二节 常用基本机构的特性及评价

  机械产品的动作功能总是通过机构将原动机的输出运动经过必要的转换来实现的。在目前的条件下,尽管有这样那样类型的原动机,绝大多数的机构产品仍然愿意采用运动特性好、能量转换率高的笼型异步电动机。因此,能将连续转动转换为其他运动形式的机构仍然是设计者最常采用的机构。掌握好这些常用机构的运动特性,熟悉它们所能实现的功能,了解它们的特点,对于设计者正确地选用或从中获得启示来创新机构都是十分必要的。表4-1给出了原动件是转动的常用机构功能表,可供设计者设计时选用参考。



1
一、 机构创新的组合原理 
  
机构的组合是指基本机构以不同的方式联结生成复杂机构的过程。组合的目的是改善基本机构无法实现的运动和动力要求。按技术来分,创新可分为两大类:一类是采用全新的技术,称为突破性创新;另一类是采用已有的技术进行重组,称为组合性创新。将一个基本机构与另一个或几个基本机构或基本杆组按一定方式有目的地进行组合,构建成一个新机构的设计过程称为机构的组合创新。所获得的新机构称为组合机构。 


  常用的组合方式有:



  
1.
串联组合两个及两个以上基本机构顺序连接,每一个前置机构的输出为后置机构的输入,用以满足工作要求。 
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图4-7 串联式组合机构组合方式
a)ⅰ型串联 b)ⅱ型串联
     图4-8a所示为一双曲柄机构与槽轮机构的串联式组合。其中前置双曲柄机构abcd的运动输出构件cde同时也是后置槽轮机构的运动输入构件。该方案之所以选用这两种基本机构进行串联组合,其创意的主要出发点是希望借串联的前置机构来改善后置槽轮机构的运动输出特性。单一的槽轮机构当销轮匀速转动时,槽轮转动的速度与加速度波动较大,冲击和振动比较历害。设计者采用一双曲柄机构与之串联,借主动曲柄匀速转动时从动曲柄(即销轮)作变速转动的特点,使槽轮的运动输出特性得以改善。正确地综合前置机构的几何尺寸,可以使槽轮实现作近似匀速的转位运动,从而降低销与槽轮的冲击和由此而引起的振动。图4-8b示出了图4-8a组合机构经优化设计后的槽轮输出角速度变化曲线,与单一槽轮机构槽轮角速度变化曲线比较,可以看出:组合机构的运动与动力输出特性较单一槽轮机构有了较大的改观。按照上述创新思维方法,我们也可以用转动导杆机构、凸轮机构、椭圆齿轮机构或槽轮机构分别与槽轮机构进行串联组合(图4-8c、d、e、f),它们同样能达到改善后置槽轮机构运动和动力输出特性的目的。
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图4-8 不同前置机构与槽轮机构的串联组合
a)双曲柄机构与槽轮机构的串联组合 b)槽轮角速度变化曲线比较
c)转动导杆与槽轮机构的串联组合 d)凸轮机构与槽轮机构的串联组合
e)椭圆齿轮机构与槽轮机构的串联组合 f)槽轮机构与槽轮机构的串联组合
1—曲柄 2—导杆 3、8—主动拨盘 4、7、13、16、17、19—拨销 5、10、14—槽轮
6—弹簧 9—固定凸轮 11—主动椭圆齿轮 12—带有拨销的椭圆齿轮 15—前置槽
轮机构的主动拨盘 17—前置槽轮 18—后置槽轮
     图4-9所示为一锉刀剁齿机构。分析后不难看出:这是一个摇杆滑块机构和凸轮机构串联组成的组合机构。该组合机构的设计有两大特点:一是充分地利用凸轮机构设计的灵活性,使弹簧被逐渐压缩储存能量后,弹力势能能得到快速释放;其二是后置摇杆滑块机构的传动角大、机械增益高,在弹力的迅速作用下,对锉刀坯的冲击力大,这种冲击效果是很难由单一基本机构所能实现的。
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图4-9 锉刀剁齿机构
     用两个齿轮齿条机构串联,若驱动其中一根齿条,另一根齿条可以放大或缩小主动齿条的位移量。根据这一设想可以设计一个如图4-10a所示的放大行程的串联式组合机构。设图中双联齿轮的节圆半径分别为r′1和r′2。当气缸推动齿条1向右移动位移量为s1时,齿条2向左的位移量s2=r′2/r′ 1*s1。
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图4-10 两个齿条机构串联组合的大行程机构
a)齿条主动 b)齿轮主动     图4-11a、b所示是将后置ⅱ级基本杆组的一个外接铰链与前置机构连杆上的点连接,利用前置机构连杆上某些点能实现特殊轨迹运动,而使后置ⅱ级基本杆组的运动输出构件能作长时间停留的间歇运动。
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图4-11 具有停歇运动的组合机构
a)六杆机构 b)行星齿轮连杆机构


  ⑴连杆机构为前置机构
    图4-12左图中:q=ml cosα/(sy) ,? 当α↓,l↑,s↓,? y↓,时q↑。具有增力效果。工程上一般称其为肘杆机构。? 右机构具有增大摆角的效果。 
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图4-12肘杆机构   图4-13a,机构可实现特殊的运动规律; 图4-13b机构可改善槽轮机构的运动与动力特性
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a)                       b)
图4-13 实现特殊的运动规律和可改善槽轮机构的运动与动力特性的机构


  ⑵
凸轮机构为前置机构 图4-14所示,机构为机床分度补偿机构,a,b为圆柱副
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a)                     

       
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b)
图4-14 机床分度补偿机构  
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图4-15机床分度机构                      图4-16 前置机构 


  ⑶齿轮机构为前置机构
,如图4-16。实现大行程的输出的齿轮齿条机构如图4-17所示。 
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图4-17齿轮齿条机构


  ⑷利用前置机构浮动杆上谋点轨迹特征串联一个杆组形成组合机构,如图4-18
  *利用连赶上e点某段轨迹为直线,实现从动件运动停歇
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图4-18 利用连赶上e点某段轨迹为直线
     
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图4-19 利用行星轮上c点的轨迹为圆弧  *利用行星轮上c点的轨迹为圆弧,如图4-19所示(当r1= r3时)该圆弧曲率半径近似为8 r3 ,当取r4=8 r3时,滑块在系杆2转过180o是停歇,转过其余240o时,滑块5的行程为4 r3   *利用挠性构件,是从动件实现大行程。 

图4-20 利用挠性构件,是从动件实现大行程



  2. 并联组合
两个或多个基本机构并列布置,具有共同的输入或输出,或两者兼有之,主要用于实现运动的合成或分解 
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图4-21 并联式组合方式
a)ⅰ型并联 b)ⅱ型并联 c)ⅲ型并联
     图4-22所示为某型飞机上采用的襟翼操纵机构,它由两个尺寸相同的齿轮齿条机构并联组合而成,两个可移动的齿条分别用两台直移电动机驱动。这种设计的创意特点是:两台电动机共同控制襟翼,襟翼的运动反应速度快;其次,当其中一台电动机发生故障时,仍可以用另一台电动机单独驱动襟翼,增大了操纵系统的可靠性与安全系数。
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图4-22 襟翼操纵机构

     大多数的工业机器人和传统的机床从结构上看都是由开链机构组成,因此,系统的刚度低,当系统速度高、工件大时,这个弱点更显突出。1956 年dstewart设计出图4-23a所示空间六自由度的并联机构的操纵臂后,人们又相继创造出各种并联操纵机构并大量地应用于机床、精密仪器和机器人中。图4-23b是瑞士新近开发的“六滑台”机床。图中三条并列的导轨上各有两个滑台,借助六个滑台的独立运动改变六条腿的参数,从而改变主轴和刀具姿态对工件进行加工。图4-23c是德国斯图加特大学研制的三条腿的机床示意图。每一条腿为一套运动机构,三套并联机构运动共同控制刀具的主轴姿态对工件进行加工。这些由并联机构构成的机床刚度高;每条腿只受拉力或压力,不承受弯矩或扭矩;移动部件质量小,动力特性好,结构简单;相同零件数量多,制造方便,成本低廉,使这种并联机构有着广泛的应用前景。
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图 4-23 并列机构的应用
a)空间六自由度操纵臂 b)“六滑台”机床 c)三套并联机构床
1 - 滑台 2 - 杆 3- 刀具主轴 4-刀具 5-工件
     图4-24a所示为两种钉扣机的针杆传动机构。其中,左图为一个曲柄滑块机构与摆动从动杆凸轮机构按闯4-21a所示形式并联组成:右图为将左图中的凸轮高副低代后得到的变异机构,它由一个曲柄滑块机构和摆动手杆机构按图4-21a所示形成并联组合而成。当两机构的曲柄ab和0c运动时,针杆来回向两进针点作进针运动,从而完成钉钮扣的进针动作;但应当注意的是;由于曲柄沿块机构只完成进针运动,而导杆机构只完成来回移动针杆的运动,要准确地将针来四引导到扣眼亡再将针插入扣眼,则需要两机构的曲柄运动配合十分协调而淮确,在这种情况下用齿轮、带、链传动机构将两曲柄ab和oc的运动约束起米,用一台原动机驱动,形成图4-21b所示的结构形式是比较合理的。
     图4-24b所示双棘爪机构是按图4-21b所示形式组合而成。该机构由两个连杆上带爪的曲柄滑块机构与棘轮并联对称布置而成。在图示的位置情况下,当组合机构的原动滑块向下运动时,右边的棘爪在曲柄的带动下推动棘轮沿顺时针方向转过45°角。与此同时,左边的棘爪都沿逆时针方向转过45°角与棘轮轮齿接触:当滑块向上运动时,情况正好相反,左边的棘爪推动棘轮继续沿顺时销方向转动,而右边的棘爪沿逆时针力'向转回45°角与棘轮接触。滑块周而复始地上下住复运动,棘轮则连续地沿顺时针方向转动。该组合机构充分利用了两个对称布置的曲柄滑块机构,当滑块为主动时,两曲柄会按相反方向运动的特点,使滑块在完成一个方向的运动过程中实现了使一个棘爪推动棘轮转动而另一个棘爪复他的两个运动,是一个很有创意的构思。
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2

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图4-24 钉扣机针杆传动机构和双棘爪机构
a)钉扣机 b)双葡爪机构
     图4-25所示小型冲床及送料机构是按图4-21c所示形式组合的。该组合机构由摆动从动杆凸轮机构与移动从动杆凸轮机构的并联组合而成,当原动凸轮转动时,便可得到对上件的冲压动作和移动工件的送料动作。该设计将驱动摆杆的品轮与驱动移动从动杆的凸轮合并为一个,将凸轮ae廓线设计为一段以o为圆心的圆弧,从而保证了当冲头在冲压工件时,工件不功。如果用两只凸轮分别推动两从动杆,为了保证冲头在冲压工件时送料推杆不动作,而在冲压完成并离开工件一定距离后推杆才动作,设计者必须先根据冲头与推杆的时序关系设计好工作循环图,再根据工作循环图来确定两只凸轮在驱动轴上的安装位置。
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图4-25 小型冲床及送料机构
     并联式组合机构的创意出发点,一类是巧妙地利用机构的对称并列布置达到改善机构受力的目的。例如图4-26a中由于采用了两个曲柄沿块机构按曲轴中心对称并联布置,机构的惯性力实现了完全平衡;图b所示活塞发动机,由于采用两个曲柄滑块机构对称并联,井在两曲柄上对称地安装了相同的惯性力平衡配重,使活塞运动时产生的一阶惯性力得到平衡,机构运动平面内的惯性力矩得到了完全平衡,从而减轻了机器的振动和噪声,气缸壁亡的动压力大大降低,减少了气缸壁与活塞环的磨损,提高了机器的使用寿命。
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图 4-26 利用并联组合改善机构受力
a)对称并联布置的曲柄滑块机构 b)对称并联曲柄活塞洼杆机构

       ⑴
结构对称 

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图4-27机翼操纵机构
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图4-28双棘爪棘轮机构


  ⑵结构不对称

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图4-29凸轮输送机构          图4-30双滑块输送机构



  3.复合式组合
一个具有两个自由度的基础机构与一个辅助机构并接所组成的机构。 
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图4-31 复合式组合的连接方式 
     图4-32所示的组合机构为按固4—31a所示复合方式组合而成。在图43-2a中,l—2—h是一个自由度为2的差动齿轮机构,3—4为附加的以凸轮为机架的摆动从动杆凸轮机构。当以系秆h为主动件运动时,行星轮2的运动规律由沿凸轮廓线运动的摆动从动杆惟一地确定,于是太阳轮将系杆和行星轮的运动合成为一个确定的输出运动。改变凸轮廓线可获得极其多样的运动输出规律:在图4-32b所示的差动链传动机构中,运动输入结链轮5和凸轮k,链轮9为运动输出构件,链轮8和杆7构成链条长度自动补偿装置。当差动杠杆6上的滚子g在门轮上滚动时,链轮10的位置会随凸轮廓线的变化而发生改变,使链轮9得到附加转动,从而使链轮9完成复杂的运动。 
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图4-32 凸轮一行星齿轮机构和凸轮—链传动机构
a)凸轮—行星齿轮机构 b)凸轮—链传动机构
1一太阳轮 2一行星轮 3-滚子 4一日定凸轮
5、8、9、10—链轮 6—差动杠杆 7、12—链长自动补偿装置
11—链 k—凸轮 g-滚子 
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图4-33 传动误差补偿机构 1-蜗杆 2-涡轮 3-传动误差补偿凸轮 
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图4-34 齿轮-连杆组合机构 a)复合式及机构简图 b)i61与ad杆长的函数关系曲线 
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图4-35齿轮连杆机构

  图4-36 凸轮连杆机构  

图4-37齿轮凸轮机构 

  4.叠加式组合机构
 将某个机构安装在另一个机构的输出构件上,最总输出的运动则是若干个叠加机构的多个自由度的复合运动。 
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图4-38 叠加式组合机构 
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图4-39 圆柱坐标型工业机械手 
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图4-40摇头电扇(叠加后再回接)


5.机构组合创新的功能——技术矩阵法


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图4-41 基本运动功能符号及部分目录解法
a) 基本运动功能符号 b)解法目录 
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图4-42 基本运动功能组合图
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图4-43 锻压机组合机构方案



  机构组合创新的主要功能:

  ⑴可使执行构件实现增程、增速、增力;
  ⑵可改善执行构件的运动和动力特性;
  ⑶可使执行构件实现特定的运动规律;
  ⑷可实现运动的合成与分解;
  ⑸可实现多自由度的复合运动。


 
 二、 机构创新的变性原理
  以已知机构为基础,通过对构成机构的结构元素进行变化或改造,使机构产生出新的运动特性和使用功能的设计称为机构的变异设计。机构变异设计是变性创造原理在机构创新设计中的具体应用。
  机构由构件和运动副组成,构件与运动副的结构组成形成决定了机构的性质与用途。机构的变异设计就是要通过对构件和运动副的改造来创造具有新特点和新功能的“新”机构。


  1.
运动副的演化与变异

  ⑴改变运动副的尺寸 

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图4-44改变转动副的尺寸
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图4-45改变移动副的尺寸


  ⑵改变运动副的形状

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 图4-46运动副展直 
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4-47、48运动副绕曲
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图4-49运动副重复再现(凸轮机构—齿轮机构; 
摆动从动件圆柱凸轮机构——蜗杆凸轮间歇机构)
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图4-50运动副重复再现(移动从动件圆柱凸轮机构—圆柱凸轮间歇机构)

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机构的创新设计 

图4-51 运动副的扩大
a)曲柄滑块机构 b)偏心圆盘曲柄滑块机构
c)b、c转动副和移动副均扩大的曲柄滑块机构
机构的创新设计 
图4-52 加滚动体的低副
a)填入滚珠式轴承 b)滚珠移动副 c)滚针移动副
机构的创新设计 
图4-53 移动轴承的结构
a) 三油楔和四油楔轴承 b)多摆动瓦推力轴承 c)气体润滑轴承 
机构的创新设计 

图 4-54静压力轴承的结构和运动副
机构的创新设计 

图4-55 高速平面电磁式绘图机
a)总体外行 b)吸顶式驱动头 c)线性电机工作原理
1-驱动头 2- 带磁极的工作台
机构的创新设计 
图4-56球面副的结构变化
a)运动件为实心体 b)运动件为空心体 
机构的创新设计 
图4-57螺旋机构的结构变化
机构的创新设计 
图4-58差动螺旋机构
机构的创新设计 
图4-59螺旋机构结构分析及设计
1-微调螺旋 2-与镗杆固结的旋母 3-镗杆 4-镗刀 
机构的创新设计 
图4-60特殊形状凸轮机构
1-滑块 2- 凸轮
机构的创新设计 
图4-61 特殊运动的槽轮机构
机构的创新设计 
图4-62 变廓线凸轮机构 
机构的创新设计 
图4-63 转度为180°的槽轮机构
机构的创新设计 
图4-64 插秧机的机构简图
1-主动手柄 2-凹槽凸轮 3-活动导向板 4-秧盒
5-机械手臂 6-拉簧 m-分秧、插秧机械手 
机构的创新设计 
图4-65 双摆线一齿差行星减速器示意图 


  ⑶改善运动副的性能



  ①减少摩擦磨损,如图4-66。
  *用滚动代替滑动(凸轮磙子从动件,滚动轴承,滚动导轨,滚动螺旋等);
  *用线接触代替点接触(蜗轮传动)。并且在代替过程中有时会产生新机构。


  ②提高运动副的接触强度,如图4-67
  *增大高副的点接触的曲率半径(正变位齿轮);
  *增长高副的线接触长度(斜齿轮传动);
  *采用内凹高副接触(内齿轮啮合,内凹凸轮从动件)
机构的创新设计                               
机构的创新设计 
图4-66反凸轮机构                  图4-67凸轮机构 

图4-68 销槽副及其应用
a)销槽副 b)单向转动齿轮机构 
机构的创新设计 
图4-69 销槽副在编织机上的应用
1-主动连杆 2- 摆杆 3- 从动杆
机构的创新设计 
图4-70 电气开关
机构的创新设计 
图4-71 附加约束运动副
a)附加重力约束转动副
b)附加弹力约束移动副
机构的创新设计
图4-72两位置定位装置
a)两位置凸轮定位机构 b) 两位置弹簧定位机构 c)两位置连杆定位机构 
机构的创新设计 
图4-73 带有附加约束运动副的七杆机构
机构的创新设计 
图4-74 干草打捆机构
机构的创新设计 
图4-75 工件夹紧、切断机构
机构的创新设计 
图4-76 五杆二自由度机构
机构的创新设计 
图4-77 无声有齿棘轮机构
1-摆杆 b-摩擦制动器 2-主动连杆 a-挡销 
机构的创新设计 
图4-78 机车车轮制动机构
机构的创新设计 
图4-79 低副的替换
a)两转动副机构(a=5) b)一转动副一圆柱副机构(a=4) 
c)一转动副一球面机构(a=3) d)一圆柱副一球面副机构(a=2)
e)两球面副机构(a=1)f)一球面副一组合运动副机构(a=0) 
机构的创新设计 
图4-80 平底直动从动杆凸轮机构反而创新设计
机构的创新设计 
图4-81 曾程凸轮机构
a)圆柱凸轮机构 b)盘行凸轮机构 
机构的创新设计 
图4-82 转动副的替代
机构的创新设计 
图4-83 移动副的替代
a)十字滑块联轴器 b)十字滑环联轴器 
机构的创新设计
图4-84 机器人的关节运动形式
a)直角坐标式 b)圆柱坐标式 c)球坐标式 d)关节坐标式 
机构的创新设计
图4-85 高副低代和低副高代
a)偏心圆盘形凸轮机构 b)曲柄摇杆机构 c)同性异形凸轮机构 
机构的创新设计 
图4-86 无死点曲柄滑块机构设计
a)有死点曲柄滑块机构 b)无死点曲柄滑块机构 
机构的创新设计 
图4-87 滚动轴承的改进
1-内圈 2-外圈 3-钢球 4-保持器 
机构的创新设计 
图4-88 摇架加压机构
a)原机构 b)改进后的机构

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机构的创新设计

机构的创新设计

3

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图4-89 双销式、孔销式等速输机构 
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图4-90 浮动盘式等速输机构
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图4-91 瞬心及瞬心线
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图4-92 反平行四边形机构与椭圆机构的替代
a)反平行四边形的瞬心线及椭圆齿轮机构 b)替代机构的应用 
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图4-93 双锥销式、锥销孔式等速输出机构 
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图4-94 钢球环槽式等速输出机构
4.96.jpg 
图4-95 钢球直槽式等速输出机构
1- 行星轮盘 2- 中间圆盘 3- 输出圆盘
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图4-96 摇转齿轮联轴器
a)普通齿轮联轴器 b)摇转齿轮联轴器   ③改善运动和动力性能:
  *齿轮副:斜齿轮传动—增大重合度—传动平稳
  *凸轮副:组合式运动规律—运动性能良好
  *螺旋副:梯形螺纹—对中性好—传动平稳 



  2.构件的演化与变异 
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图 4-97 刚体导引机构
a) 行星轮刚体导引机构 b) 双滑块刚体导引机构
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图4-98线圈绕制机构的灵敏排线机构
a - 主动轮 m1、m2- 电磁铁 e、f -微动开关 
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图4-99 链的应用
a) 链式联轴器 b) 链式摆杆(滑块)机构 c) 链式槽轮机构
1-销 2-链 3-槽轮 4、5、6、7-链轮 
4.31.jpg 
图 4-100 机构倒置
a)定轴圆柱齿轮机构倒置 b)摆动从动杆凸轮机构倒置 c)链传动机构的倒置
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图4-101 仿腿步行机构足部相对与身体的轨迹曲线
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图4-102 六杆仿腿步行机构
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图4-103 自行卸料小车
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图4-104 包装盒自动封盖机构
1、2-固定模板 3、4、5-包装盒翻盖 6-滚轮 
4.36.jpg 
图4-105 自行包装机
1-薄膜卷 2- 漏斗状靠模 3-热压辊 4-间歇运动人压辊 5-剪切机构 
4.37.jpg 
图4-106 移动导杆机构的用途
a)手动抽水唧筒 b)抓斗
1-机架 2-连架杆 3-连杆 4-移动导杆 
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图4-109 摩擦式棘轮机构及其应用
a)摩擦式棘轮机构 b)脉动无极变速器的运动输出
1-外环 2-钢球 3-星轮 4-偏心圆曲柄 5-转滑运动副 6、7、8-超越
离合器外环 9-星轮轴 10-构件8位置条节手柄 11-滑块 
4.39.jpg 
图4-110加工方块的刀具设计
a)几何封闭等三曲边凸轮机构 b)三曲边凸轮的形状
c)等宽凸轮机构 d)加工方孔的刀具 
4.40.jpg 
图4-111 差动无极变速器  



  ⑴构件的拆分与合并 

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  图4-112 构件的拆分  
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图4-113构件的合并 
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图4-114 平行分度凸轮机构



  ⑵改变构件的形状与尺寸
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32-2.jpg 
图4-115
4.41.jpg 
图4-116 增力杆机构
a)增力杠杆 b)钢丝剪 
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图4-117 钳的创意
a)鱼尾钳 b)链式大力钳 
4.43.jpg 
图4-118 端面齿轮传动
a)定传动比机构 b)变传动比机构 
4.44.jpg 
图4-119 希里威斯特机构及罗伯特-契贝谢夫定理的证明
a)希里威斯特机构 b)罗伯特-契贝谢夫十杆机构 
4.45.jpg 
图4-120 剪和钳形状的变异
a)理发剪 b)梳发剪 c)布料剪 d)枝剪 e)止血剪 
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图4-121 正弦机构变异
a)两导轨垂直 b)两导轨不垂直 c)圆弧导杆 
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图4-122 链节的变异图
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图4-123 蜗杆的变异
a)弧面蜗杆 b)圆柱蜗杆 
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图4-124 可调廓线凸轮
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图4-125 阶梯上行驶的小车及车轮
a)在阶梯上行驶的小车的车轮方案一
b)新型阶梯上行驶的小车
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图4-126 泵机构
a) 齿轮泵 b)凸轮泵 c)螺旋泵 d)旋转泵、叶片泵 e)柱塞泵 
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图4-127 旋转活塞式内燃机
a)排气 b)吸气 c)爆炸 d)压缩
1-行星内齿轮 2- 定轴外齿轮 3- 转子 4-缸体 5- 火花塞  凸轮的形状:盘状、圆柱状、圆锥状、平板状等
  齿轮的形状:圆柱形、圆锥形、扇形、非圆形等



  ⑶改变构件的材料性能
  可改变的构件包括:刚性构件、挠性构件、弹性构件、流体构件、电器构件(电磁式齿轮传动)
 
33.机构的倒置(机架变换)

  ⑴连杆机构
  
全转动副四杆机构,如图4-128。含一个移动副的副四杆机构,如图4-129。含二个移动副的副四杆机构,如图4-130。
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图4-128全转动副四杆机构 图4-129含一个移动副的副四杆机构
 
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图4-130含二个移动副的副四杆机构



  ⑵凸轮机构
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图4-131



  ⑶齿轮机构,如图4-132左图。 


  ⑷挠性机构,如图4-132右图。
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图4-132 齿轮、挠性机构



 4.机构的等效代换


  ⑴运动副的等效代换   
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38-2.jpg 
图4-133 平面低副与平面高副的等效代换
球面副与三个转动副的等效代换     圆柱副等效于转动副加移动


  ⑵机构功能的等效代
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39-1.jpg 

图4-134 


 ⑶利用瞬心线构造等效机构
  基本原理:两构件的相对运动可用与这两构件相固连的一对相对瞬心线的纯滚动来实现。
  瞬心线在创造新机构中的应用
  反平行四边形机构—椭圆齿轮机构(可改善反平行四边性机构的死点位置)如图4-135。正曲柄滑块机构-卡当机构
(可改善机构的死点位置),如图4-136。
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图4-135                   图4-136



  ⑷利用周转轮系的不同结构进行等效代换 
  如图4-137,i241=(n2- n1)/( n4- n1)=z4/ z2=2。图4-138为卡当机构的同性异构机构。 
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图4-137  
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图4-138卡当机构的同性异构


    三、机构创新的移植原理


 ⑴差动原理:差动齿轮、差动凸轮、差动螺旋
 ⑵谐波原理:谐波齿轮、谐波螺旋 
 ⑶啮合原理:齿轮啮合、齿形带、齿形链
 ⑷滚滑原理
4.98.jpg 
图4-139 蜗杆传动
a)圆柱滚子齿蜗杆传动 b)圆锥滚子齿蜗杆传动
c)循环钢球单头圆柱蜗杆传动 d)简易蜗杆传动 e)柔性齿条传动 
4.99.jpg 
图4-140 轧机的创新
a)传统轧制原理 b)振摆式轧机工作原理 c)行星式轧机工作原理
1、2、3-齿轮 4-送料辊 5-轧辊 6-固定板 7-原料板材
8-工作轧辊 9-传动轧辊 10- 支承用轴承瓦
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图4-141 梯形齿同步带
4.101.jpg 
图4-142 柔性构件传动机构
a)柔性构件传动机构 b)起重机水平运动补偿机构 c)绳轮升降机构
d)绳梯式柔性螺旋机构 e)空间肘杆压榨机构
1-主动摆杆 2- 凸轮 3-绕性带 
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图4-143 摩擦式送进机构和锲形抓取器
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图4-144 差动螺旋千斤顶
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图4-145 活齿传动
a)谐波传动 b)活齿传动
1-内齿钢轮 2-外齿柔轮 3-波发生器 4- 偏心圆
激波器 5-活齿 6-固定齿轮 7-活齿盘 
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图4-146 谐波螺旋传动
1-柔性螺杆 2- 刚性螺母
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图4-147 三环传动
a)传动原理图 b)结构示意图 
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图4-148 往复直线运动机构
a)不完全齿轮齿条机构 b)移动槽轮机构 c)双曲柄针轮摆线机构 
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图4-149 机械手创新
a)二指机械手 b)顺应机械手 
4.109.jpg 
图4-150 气动管道爬行器
a)爬行原理 b)柔性微制动体
1-腿 2-连杆 3-铝片 4-铰链 



 四、机械创新的还原原理
        一切机械产品的基本功能都是通过机械的运动实现的,这是机械产品与其他类型产品最显著的区别。在机械设计中,设计者必须根据设计任务要求拟定出相应的机械运动方案,综合各方面的因素选择动力、机构和控制方式,使之构成一个机械传动系统,最终通过动力使机械系统运动来实现产品的功能。机械传动系统设计中,机构设计是一项极富创造性的工作。因为机构种类繁多,性能相同的机构数量也不少,能够实现相同运动的机构并不是唯一的。这就为设计者提出了一个问题:当机构所要求的运动及功能确定以后,怎样去寻找和创造能实现这些运动和功能尽可能多的同性异形机构,为提高机构的性能创造条件,为创造新机构提供可能。  
  还原创造原理认为:产品创造的原点是实现产品的功能,在保证实现功能的前提下,可以采用各种原理、方法和结构。既然机构最基本的功能是实现机械运动,设计者在对某一设计目标创造机构时,应当努力排开已有机械的工作原理和结构形式对设计思维的束缚,突破传统,开阔思路,围绕既定的设计目标,综合运用机、光、电、磁、热、生、化等各种物理效应,搜寻实现机械运动的各种可能的工作原理。设计者在构思运动方案时,应当追溯源,从运动产生的最基本原理入手去探索标新立异的新机构和新结构。 
  长期以来,尽管有这样那样一些机械设计方法,但机构创新大多主要依靠设计者的知识积累、经验和灵感,创造的效率不高。由颜鸿森等人提出的“再生运动链法”是运用还原创造原理创新机构的一种高效设计方法。它能有效地避免创新设计的盲目性,也不易因设计具有多解性而遗漏设计方案。正确地使用这种方法可能创造出性能超过已有设计的更好的新机构。 
   再生运动链法创造机构的基本思路是:⑴选择一个满足设计基本要求又具有开发潜力的已知机构作为创新设计的原始机构。⑵应用“颜式”创造的特定方法将已知机构中的功能构件的功能构件和构件组演化为一般化构件,根据设计的约束条件将原始机构抽象为一般化运动链,还原出这一类机构共同的“根”。⑶从一般运动链发散,运动数综合方法推衍出众多的再生运动链。⑷根据众多的再生运动链还原出相应的机构,通过比较寻找功能相同但性能更优的新机构。
 
4

4.110.jpg 

图4-151 压电式间歇运动机构
1-压电原件 2-右电磁体 3-左电磁体 
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图4-152 惯性运动机器人
a)不加电压 b)加正电压 c)加负电压
1-质量快 2-双模压电块 3-行走本体 4-支承爪 
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图4-153压电陶瓷夹持机构
1-压电陶瓷 2-弹性关节杆 
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图4-154 无转动副的连杆机构 
4.114.jpg 
图4-155 电动锤机构
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图4-156 电磁平面行走机器人
1-磁铁 2-挡铁 3- 连接杆 4- 螺旋弹簧 5- 导线
6- 前腿 7-金属片腿 8- 线圈 9-电磁铁 10-后腿 
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图4-157 电磁振动供料机构
4.117.jpg 
图4-158 磁性材料的应用
a)磁性滚扎钢板运送机构 b)往复直线运动(振动)输出机构
c)磁场连接转动输出机构
1-磁滚 2-电动机 3-电线 
4.118.jpg 
图4-159 记忆合金致动机器人
1-tini合金线圈 2-tini合金丝 3-偏动弹簧 
4.119.jpg 
图4-160 温控摆杆机构及其应用
4.120.jpg 
图4-161 光电动机
1-定子 2- 转子轴 3- 太阳能电池 4- 集电环



图4-162 小鸭饮水玩具

4.122.jpg 
图4-163 船用自动排水机构
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图4-164 抓取机构
4.124.jpg 
图4-165 谷粒草杆自动分离机
4.125.jpg 
图4-166 车用液力变矩器
1-输入轴 2-涡轮 3-泵轮 4-导轮 5- 驱动轴
4.126.jpg 
图4-167 重力分流、分选机构
a)流体分流机构 b)固体工作分流机构 c)钢球分选机构 
4.127.jpg 
图4-168 整列机构
a)螺栓整列 b)子弹型零件整列
1-固定嵌入槽 2- 上下运动槽 3-滑块 4-待整列物 
4.128.jpg 
图 4-169 机构创新设计程序1、原始运动链一般化转化原则:
  ⑴将非刚性构件转化成刚性构件;⑵将非连杆形式的构件转化为连杆;⑶将高副转化为低副;⑸解除固定杆(即机架)的约束;⑹运动链的自由度应保持不变。 表4- 一般化图例

   
4.3.1.jpg 


2、运动链再生实例

 

    ⑴原始机构:两种机构比较,四杆机构(图4-170左图)位移量小,减振功能差,确定六杆机构(图4-44右图)为原始机构。 
43.jpg 
 图4-170
表4- 六杆运动链的连杆类配方案表
4.4.jpg
4.129.jpg 
图4-171 六杆运动链连杆类配
a)la(4/2) b)la(5/0/1)
4.130.jpg 
图4-172 la(4/2)的组合方案
4.131.jpg 
图4-173 la(5/0/1)组成的运动链
  分析图4-44右图其结构组成: 自由度数:f=1; 杆数:6,其中固定杆1,连架杆2,摆杆3,浮动杆4。活塞杆与汽缸组成的减振器s-s。
  运动副数:7,其中6个转动副,1个移动副。

   ⑵一般化运动链(一般化运动副:转动副(无复合铰))如图4-171。

           一般化杆
(杆型:二副杆与多副杆),如图4-172。 
45.jpg 
  
47.jpg 
图4-174
 
46.jpg 
图4-175 
4.132.jpg 
图4-176 五十铃摩托车后轮悬挂机构及简图
4.133.jpg 
图4-177 满足机架设置要求的再生运动链
4.134.jpg 
图4-178 满足吸振器设置要求的再生运动链
4.135.jpg 
图4-179 可行性运动链
4.136.jpg 
图4-180 可行性运动链反推出的实例机构简图


 ⑶一般化运动链图谱(数综合)
  已知条件:自由度数f,副数p,杆数n。确定环数l:l=p-n+1
  确定杆型:           因    n2+ n3+ n4+……+ nn=n
       2n2+ 3n3+ 4n4+……+ nnn=2p
  两式联立得出确定多副杆的数量及其组合形式的公式:
            2(p-n)=n3+ 2n4+ ……+(n-2)nn
  并且   nmax=nl+1
  以及确定二副杆的数量公式: 
  n2=n- n3-n4-…… nn?
  各种杆型进行组合,生成一系列运动链,即运动链图谱,组合方法有矩阵法或拓扑图法。
  图谱实例
  
已知:f=1,n=6,p=7
  则:l=p-n+1=7-6+1=2
    n3+ n4+ ……=2(p-n)=2(7-6)=2
  因:nmax=nl+1=n3
  故:n3=2 , n2=n- n3=4

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4.3.jpg

 
4 利用拓扑图进行组合:


  运动链中的杆为图中的点;运动链中的副为图中的线;则运动链中的二副杆就为图中的二度点(即该点与两条线相关联);运动链中的三副杆就为图中的三度点(即该点与三条线相关联),以此类推。
  组合时要注意:每个环内至少含有4个点,组图时先组合多度点的图,即缩图,在缩图的基础上再按不同的排列添加上二度点。
  六杆七副的拓扑图与运动链


48.jpg 

图4-181


  ⑷特定化运动链图谱(一般化的逆过程):指在一般化的基础上指定杆和副的具体类型以满足功能要求的过程。
  具体过程:先将运动链中的杆与副编号;指定固定杆,(指定固定杆时注意同类杆的问题);再按功能要求逐一确定其余杆与副的类型。司蒂芬森型如图4-49,1、3为同类杆,2、4为同类杆,5、6为同类杆。瓦特型如图4-50:1、2、5、6为同类杆;3、4为同类杆。  
 
49.jpg 
图4-182 
   
50.jpg 
图4-183
  特定化图谱实例 以摩托车后轮悬挂机构为例规定特征符号如下:gr—表示机架;s-s—表示减振器(2个二副杆以移动副连接);sw—表示后轮摆杆(连架杆)。注意:gr,s-s,sw为不同杆。
     司蒂芬森型:获得2种特定化运动链,如图4-184左图;

     瓦特型:获得4种特定化运动链,如图4-184右图。
   
51.jpg 
 
51-1.jpg 
 
图4-184   


⑸特定化机构:将特定化运动链中的符号变为简图,各构件、运动副的位置按其各自的功能要求进行安置。   
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52-1.jpg 
52-2.jpg 
   
图4-185
  关于八杆十副运动链图谱及相关拓扑图       
  环数 :l=p-n+1=10-8+1=3  杆型 :因  nmax=n4
  故  2(p-n)=n3+2n4=4
  则: n3=4, n4=0, n2=4
  或 n3=2, n4=1, n2= 5
  或 n3=0, n4=2; n2= 6      
  n4=0,n3=4,n2=4的拓扑图,如图4-186左图;n4=1,n3=2,n2=5? 的拓扑图,图4-53中图;n4=2,n3=0,n2=6?的拓扑图,图4-186右图。      
53.jpg 
  
53-1.jpg 
   
   左                  中
   
53-2.jpg 

右    
图4-186   
ii型结构的运动链,图4-187。y型结构的运动链,图4-188。   
54.jpg 
   
55.jpg 
    
图4-187
 
55-1.jpg 
      图4-188       
  v型结构的运动链,如图4-189。
56.jpg 
  
56-1.jpg 
   
图4-189
  o型结构的运动链   
57.jpg 
   
图4-190 
4.137.jpg 
图4-191 近似匀速摆动的六杆机构
a)机构简图 b)摆杆运动线圈 
4.138.jpg 
图4-192 用逆反原理创新机构
a)曲柄滑块机构惯性力完全和部分平衡方案 b)内燃机活塞的布置方案
c)双万向联轴器 d)消除蜗杆轴向力的传动机构
e)消除涡轮轴的传动机构 
4.139.jpg 
图4-193 消隙齿轮
a)可调拉簧式 b)轴向压簧式 
4.140.jpg 
图4-194 周转轮系消除过约束的措施
a)行星轮弹簧支承式 b)行星轮安装中间浮环方式
c)内齿轮用弹簧销与机架相联方式 d)偏心行星轮
1-行星轮 2-油契 3-中间浮环
4-机架 5-尼龙销 6-内齿轮
 
 
 

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