1、第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計第四章第四章 機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新前言前言 機構(gòu)演化與變異的概念機構(gòu)演化與變異的概念第一節(jié)第一節(jié) 機架變換與創(chuàng)新設(shè)計機架變換與創(chuàng)新設(shè)計第二節(jié)第二節(jié) 構(gòu)件形狀變異與創(chuàng)新設(shè)計構(gòu)件形狀變異與創(chuàng)新設(shè)計第三節(jié)第三節(jié) 運動副形狀變異與創(chuàng)新設(shè)計運動副形狀變異與創(chuàng)新設(shè)計第四節(jié)第四節(jié) 運動副等效代換與創(chuàng)新設(shè)計運動副等效代換與創(chuàng)新設(shè)計第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計一、機構(gòu)演化與變異的概念一、機構(gòu)演化與變異的概念1 1、機構(gòu)的演化、機構(gòu)的演化 以某一基本機構(gòu)為原始機構(gòu)，對其機架、以某一基本機構(gòu)為原始機構(gòu)，對其機架、運動副和構(gòu)件尺寸等進行變換，從而設(shè)計出具運動

2、副和構(gòu)件尺寸等進行變換，從而設(shè)計出具有不同功用的新機構(gòu)的過程，稱為機構(gòu)的演化。有不同功用的新機構(gòu)的過程，稱為機構(gòu)的演化。前言前言 機構(gòu)的演化與變異的概念機構(gòu)的演化與變異的概念第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計2 2、機構(gòu)的變異、機構(gòu)的變異 以某一基本機構(gòu)為原始機構(gòu)，對其運以某一基本機構(gòu)為原始機構(gòu)，對其運動副性質(zhì)、形狀或尺寸進行變換，在不動副性質(zhì)、形狀或尺寸進行變換，在不改變機構(gòu)類型的前提下達到改善或提高改變機構(gòu)類型的前提下達到改善或提高機構(gòu)傳力性能的機構(gòu)設(shè)計過程，稱為機機構(gòu)傳力性能的機構(gòu)設(shè)計過程，稱為機構(gòu)的變異。構(gòu)的變異。 第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計3 3、機構(gòu)演化與變異的示例說明、機構(gòu)演

3、化與變異的示例說明 以曲柄滑塊機構(gòu)為基本機構(gòu)以曲柄滑塊機構(gòu)為基本機構(gòu)演演化化變異變異 轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu) 機架變換機架變換 轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副B B擴大擴大曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)演化演化CABCABCAB第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計二、機構(gòu)演化、變異與機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計二、機構(gòu)演化、變異與機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計1 1、機構(gòu)演化方法：、機構(gòu)演化方法：（1 1）改變機構(gòu)中的機架（以不同的構(gòu)件作為機架）改變機構(gòu)中的機架（以不同的構(gòu)件作為機架）（2 2）改變機構(gòu)中運動副的性質(zhì)（高副與低副的演化）改變機構(gòu)中運動副的性質(zhì)（高副與低副的演化）（3 3）改變機構(gòu)中構(gòu)件的尺

4、寸）改變機構(gòu)中構(gòu)件的尺寸ABCD3214ABCD3214曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計2 2、機構(gòu)變異方法：、機構(gòu)變異方法：（1 1）改變機構(gòu)中運動副的尺寸）改變機構(gòu)中運動副的尺寸（2 2）改變機構(gòu)中運動副的形狀）改變機構(gòu)中運動副的形狀CAB還是曲柄滑塊機構(gòu)還是曲柄滑塊機構(gòu)第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計3 3、機構(gòu)演化與變異的差別、機構(gòu)演化與變異的差別相同點：都是首先選定以某一基本機構(gòu)為原始機相同點：都是首先選定以某一基本機構(gòu)為原始機 構(gòu)。構(gòu)。區(qū)別：區(qū)別： 機構(gòu)演化變換后可得到具有不同性質(zhì)的機構(gòu)演化變換后可得到具有不同性質(zhì)的 新機構(gòu)；機構(gòu)變異后得

5、到的機構(gòu)類型不新機構(gòu)；機構(gòu)變異后得到的機構(gòu)類型不 改變。改變。第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計一、低副機構(gòu)的機架變化1、四桿機構(gòu)的機架變換2、一個移動副四桿機構(gòu)的機架變換（曲柄滑塊）3、兩個移動副四桿機構(gòu)的機架變換二、高副機構(gòu)的機架變化第一節(jié)第一節(jié) 機架變換與創(chuàng)新設(shè)計機架變換與創(chuàng)新設(shè)計第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計一、低副機構(gòu)的機架變換一、低副機構(gòu)的機架變換曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)(1)(1)鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)BCDAAADDCCBB第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計CABCABCABCAB(2)(2)曲曲柄柄滑滑塊塊機機構(gòu)構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機

6、構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)曲柄搖塊機構(gòu)曲柄搖塊機構(gòu)移動導(dǎo)桿機構(gòu)移動導(dǎo)桿機構(gòu)第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計BAABABAB(3)(3)含有兩個移動副的四桿機構(gòu)含有兩個移動副的四桿機構(gòu)雙滑塊機構(gòu)雙滑塊機構(gòu)雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)正弦機構(gòu)正弦機構(gòu)第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計四桿四桿 機構(gòu)種類繁多，但是都可看作由鉸鏈四桿機構(gòu)種類繁多，但是都可看作由鉸鏈四桿通過機架變換、運動副變換和尺寸變換演化而通過機架變換、運動副變換和尺寸變換演化而出的。出的。上述轉(zhuǎn)換方法也可應(yīng)用到其他機構(gòu)的演化中。上述轉(zhuǎn)換方法也可應(yīng)用到其他機構(gòu)的演化中。第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計（4 4）齒輪機構(gòu)的機架變換）齒輪機構(gòu)的機架

7、變換定軸齒輪機構(gòu)定軸齒輪機構(gòu)行星齒輪機構(gòu)行星齒輪機構(gòu)z1z2o1o2Hz1z2o1o2H第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計（5 5）凸輪機構(gòu)的機架變換）凸輪機構(gòu)的機架變換直動從動件盤形凸輪機構(gòu)直動從動件盤形凸輪機構(gòu)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動直直動動從從動動件件盤盤形形凸凸輪輪機機構(gòu)構(gòu)第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計（6 6）帶傳動機構(gòu)的機架變換）帶傳動機構(gòu)的機架變換帶傳動機構(gòu)帶傳動機構(gòu)差動帶傳動機構(gòu)差動帶傳動機構(gòu)第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計（6 6）間歇運動機構(gòu)的機架變換）間歇運動機構(gòu)的機架變換槽輪撥盤撥盤固定槽輪B:槽輪隨系桿公轉(zhuǎn)槽輪隨系桿公轉(zhuǎn),又做間歇性自轉(zhuǎn)又做間歇性自轉(zhuǎn)A:撥盤自轉(zhuǎn)撥盤自轉(zhuǎn),槽輪間歇自轉(zhuǎn)

8、槽輪間歇自轉(zhuǎn)AB第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計6 6、創(chuàng)新實例分析、創(chuàng)新實例分析Z1、Z2、Z3為定軸輪系，為定軸輪系，固定齒輪固定齒輪Z1，得到一個行星輪系得到一個行星輪系固定齒輪固定齒輪Z3，又可得到一個行星輪系，這時可得到三種不又可得到一個行星輪系，這時可得到三種不同的傳動比。這是行星傳動變速的基本原理。同的傳動比。這是行星傳動變速的基本原理。第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計一、桿狀構(gòu)件的尺寸演化與變異一、桿狀構(gòu)件的尺寸演化與變異二、塊狀構(gòu)件的演化與變異二、塊狀構(gòu)件的演化與變異三、避免構(gòu)件之間的運動干涉三、避免構(gòu)件之間的運動干涉四、滿足特定的工作要求四、滿足特定的工作要求第二節(jié)第二節(jié)

9、構(gòu)件形狀變異與創(chuàng)新設(shè)計構(gòu)件形狀變異與創(chuàng)新設(shè)計第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計一、桿狀構(gòu)件的尺寸演化與變異一、桿狀構(gòu)件的尺寸演化與變異轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)機架轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)機架ABAB尺寸加大尺寸加大, ,得到擺動導(dǎo)桿機構(gòu)得到擺動導(dǎo)桿機構(gòu)第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計二、塊狀構(gòu)件的演化與變異二、塊狀構(gòu)件的演化與變異雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)十字滑塊連軸器第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計三、避免構(gòu)件之間的運動干涉三、避免構(gòu)件之間的運動干涉ABC啟閉公交車門的曲柄滑塊機構(gòu)中，為避免曲柄啟閉公交車門的曲柄滑塊機構(gòu)中，為避免曲柄與啟閉機構(gòu)箱體發(fā)生碰撞，把曲柄做成彎臂狀與啟閉機構(gòu)箱體發(fā)生碰撞，把曲柄做成彎臂狀第4章機構(gòu)的演化、變

10、異與創(chuàng)新設(shè)計四、滿足特定的工作要求四、滿足特定的工作要求擺塊機構(gòu)擺塊機構(gòu)ABCABC，塊，塊3 3作成桿狀，桿狀構(gòu)件作成桿狀，桿狀構(gòu)件2 2作成作成塊狀，得到圖示擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。塊狀，得到圖示擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。插齒機插齒機牛頭刨床牛頭刨床桿塊形狀變異桿塊形狀變異第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu)中構(gòu)件形狀變異曲柄滑塊機構(gòu)中構(gòu)件形狀變異第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計第三節(jié)第三節(jié) 運動副的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計運動副的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計 一、轉(zhuǎn)動副的變異設(shè)計一、轉(zhuǎn)動副的變異設(shè)計 二、移動副的變異設(shè)計二、移動副的變異設(shè)計 第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計 一、轉(zhuǎn)動副的變異設(shè)計一、轉(zhuǎn)動副的變異設(shè)

11、計 偏心盤機構(gòu)偏心盤機構(gòu)轉(zhuǎn)動副的尺寸變化轉(zhuǎn)動副的尺寸變化第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)ABCDABCD的轉(zhuǎn)動副尺寸擴大的轉(zhuǎn)動副尺寸擴大轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副B B的尺寸擴大包括的尺寸擴大包括A A , ,轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副C C的尺寸擴大包括的尺寸擴大包括B B轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副D D的尺寸擴大包括的尺寸擴大包括C C該變異增強了強度和剛度第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計旋轉(zhuǎn)式水泵由相位依次相差90的四個雙曲柄機構(gòu)組成。當(dāng)原動曲柄1作等角速度轉(zhuǎn)動時，連桿2帶動從動曲柄3作周期性變速轉(zhuǎn)動，因此相鄰兩從動曲柄（隔板）間的夾角也周期性變化。轉(zhuǎn)到右邊時，相鄰二隔板間的夾角及容積增大，形成真空，于是

12、從進水口吸水；轉(zhuǎn)到左邊時，相鄰二隔板的夾角及容積變小，壓力升高，從出水口排水，從而起到泵水的作用 旋轉(zhuǎn)式水泵機構(gòu)演化實例圖4-12 c第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計機構(gòu)演化實例曲柄滑塊泵圖4-12 d第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)ABC的變異的變異B處轉(zhuǎn)動副尺寸擴大處轉(zhuǎn)動副尺寸擴大,C處轉(zhuǎn)動副尺寸擴大。處轉(zhuǎn)動副尺寸擴大?；瑝K尺寸與形狀變化（中空）滑塊尺寸與形狀變化（中空） 二、移動副的變異設(shè)計二、移動副的變異設(shè)計移動滑塊的擴大第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計 四、移動副的結(jié)構(gòu)變化四、移動副的結(jié)構(gòu)變化滾動導(dǎo)軌代替滑動導(dǎo)軌是常見的移動副變異設(shè)計第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)

13、新設(shè)計第四節(jié)第四節(jié) 運動副的等效變換與創(chuàng)新設(shè)計運動副的等效變換與創(chuàng)新設(shè)計一、空間運動副與平面運動副的等效變換一、空間運動副與平面運動副的等效變換二、高副與低副的等效變換二、高副與低副的等效變換三、滑動摩擦副與滾動摩擦副的等效變換三、滑動摩擦副與滾動摩擦副的等效變換第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計一、空間運動副與平面運動副的等效變換一、空間運動副與平面運動副的等效變換球面副球銷副圓柱副常用的空間機構(gòu)有球面副、球銷副和圓柱副。其中圓柱副主要用于從動件的連接，對機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計來說，不需要替換球面副出現(xiàn)在主動件連接處，機構(gòu)的運動控制難以控制。利用三個軸線相交的轉(zhuǎn)動副代替一個球面副第4章機構(gòu)的演化、變異與

14、創(chuàng)新設(shè)計一、空間運動副與平面運動副等效變換一、空間運動副與平面運動副等效變換x電機電機1y電機電機2z電機電機3SSRR1234空間機構(gòu)原動件與機架連接為球面副空間機構(gòu)原動件與機架連接為球面副S時時,三自三自由度運動很難控制，采用三個互成垂直布置的由度運動很難控制，采用三個互成垂直布置的轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副R可代替球面副。可代替球面副。第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計二、高副與低副的等效變換二、高副與低副的等效變換1）低副： 兩構(gòu)件以面接觸組成的運動副2）高副： 兩構(gòu)件點、線接觸組成的運動副。 自由度數(shù) 約束數(shù) 每個活動件 3 0 每個低副 1 2 每個高副 2 1第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計高副

15、低代應(yīng)滿足的條件：代替前后機構(gòu)的自由度完全相同代替前后機構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度完全相同二、高副與低副的等效變換二、高副與低副的等效變換 替代方法: 為滿足條件為滿足條件1):用用1個構(gòu)件、個構(gòu)件、2個低副替代個低副替代1個高副個高副; 為滿足條件為滿足條件2):以上以上2個低副在機構(gòu)中的位置唯一確定個低副在機構(gòu)中的位置唯一確定. 結(jié)論: 在平面機構(gòu)中進行高副低代時在平面機構(gòu)中進行高副低代時,為滿足條件為滿足條件1)和和2),只要只要用用1個虛擬構(gòu)件分別與兩高副構(gòu)件在過接觸點的曲率中心個虛擬構(gòu)件分別與兩高副構(gòu)件在過接觸點的曲率中心處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)即可處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)即可.第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)

16、新設(shè)計O12r1A31nO2r2nBa)32A1B4b) 高副低代的幾種情況高副低代的幾種情況(舉例舉例) : 1)高副元素為兩圓時高副元素為兩圓時:第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計b)32A1B4O1O2任意曲線輪廓高副機構(gòu)任意曲線輪廓高副機構(gòu)O12r1A31nO2r2nBa)C曲率圓曲率圓2)高副元素為兩任意曲線時高副元素為兩任意曲線時:第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計123BO1AO2a)Cb)23BAC41c)23BO1AC41 若高副兩元素之一為一直線若高副兩元素之一為一直線(如圖如圖a)，則因其曲率中心在無窮，則因其曲率中心在無窮遠處，所以這一端的轉(zhuǎn)動副將轉(zhuǎn)遠處，所以這一端的轉(zhuǎn)動副

17、將轉(zhuǎn)化為移動副，其瞬時代替機構(gòu)如化為移動副，其瞬時代替機構(gòu)如圖圖b或圖或圖c：3)高副元素為直線和任意曲線時高副元素為直線和任意曲線時:第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計a)123ACBO1n(O2)nb)AO1O22413B 若高副兩元素之一為一點若高副兩元素之一為一點(如下圖如下圖a)，則因其曲率半徑為零，所以曲率中，則因其曲率半徑為零，所以曲率中心與兩構(gòu)件的接觸點心與兩構(gòu)件的接觸點C重合，其瞬時代替機構(gòu)如圖重合，其瞬時代替機構(gòu)如圖b：4）高副元素為點和任意曲線時）高副元素為點和任意曲線時:第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計書中例子：圖書中例子：圖4-174-17O1ABO2O1ABO2O1ABO2 O1ABO2 第4章機構(gòu)的演化、變異與創(chuàng)新設(shè)計三、滑動摩擦與滾動摩擦副的等效變換三、滑動摩擦與滾動摩擦副的等效變換滑動導(dǎo)