第五章--机构演化-变异原理与创新

机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院3.4第五章机构演化、变异原理与创新第一节机构的运动副演化与变异第二节机构的构件变异第三节机构的机架变换与创新第四节机构的等效变换与创新第五节机构运动原理的仿效与创新机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院机构的演化或变异：以某机构为原始机构，在其基础上对组成机构的各个元素进行的各种性质的改变或变换，而形成一种功能不同或性能改进的机构。进行各种性质的改变与变换主要包括：对机构各个元素形状和尺寸上的改变，运动形式的变换，运动等效的变换，组成原理的仿效。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院演化与变异的主要方法有：运动副演化与变异；机构的构件变异；机构的机架变换；机构的等效变换；机构运动原理的仿效；或以上方法同时运用。通过通过演化与变异而获得的新功能机构称为变异机构。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院3.4.1§1机构的运动副演化与变异主要目的：1）增强运动副元素的接触强度2）减小运动副元素的摩擦、磨损3）改善机构的受力状态4）改善机构的运动和动力效果5）开拓机构的各种新功能6）寻求演化新机构的有效途径主要方法包括：1）改变运动副的尺寸2）改变运动副元素的接触性质3）改变运动副元素的形状机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院一：改变运动副的尺寸主要是指转动副和移动副尺寸的增大1.转动副的扩大主要指组成转动副的销轴和销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对运动关系并没有发生改变，这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院转动副B的直径尺寸加大到将转动副A包括在其中时，曲柄1就变成了偏心盘，而连杆2就设计成一个圆环状构件。曲柄摇杆机构就转变成一个旋转泵。工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机壳的内表面滑动；2与构件3用转动副C连接。3绕固定轴D转动，用于将吸入腔和输出腔隔开。旋转泵曲柄摇杆机构机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院旋转泵转动副B的直径尺寸加大到将转动副A包括在其中时，曲柄1就变成了偏心盘1，而连杆2就设计成一端圆环状，另一端为杆状的套圈，杆状端插入支撑块3上，并沿支撑块滑动，支撑块3与壳体4组成转动副，曲柄摇块机构就转变成一个旋转泵。工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机壳的内表面滑动；则液体按图示箭头方向流动，套圈2的叶片a用以把吸入腔与输出腔隔开。曲柄摇块机构机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院偏心盘和圆环形连杆组成的转动副使连杆紧贴固定的内壁运动，形成一个不断变化的腔体，有利于流体的吸入和压出。特点：由于转动副的扩大，构件形状分别由杆状变换成圆盘状和圆环状。圆环状连杆在固定的圆形腔体内作平面运动，形成不断变化的空间，以实现工作要求。曲柄滑块机构活塞泵机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院2.转动副连续扩大后展直为移动副转动副A与B原状，构件2作往复摆动。固定转动副A扩大后的形状。因2作摆动，在其摆角范围内把摆动盘和固定圆环改成扇形形状。当2的摆动中A点落到无穷远处时，就变成了移动副。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院3.移动副的扩大主要指组成移动副的滑块与导路尺寸的变大，并且增大到把机构中其它运动副包含在其中。构件间的相对运动关系并未改变。冲压机构：移动副C扩大，将转动副A和移动副B包括在其中，因滑块的质量大，所以可产生很大的冲压力。冲压机构正弦机构机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院曲柄滑块机构冲压机构移动副扩大，将转动副A、B和C均包括在其中。曲柄1通过连杆2带动冲头3作上下往复移动。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院•往复凸轮分度机构：移动副B扩大，将转动副A和凸轮高副C均包含在其中。•该机构工作时，构件1往复移动，推动凸轮2间歇转动。•左图为锁紧位置，右图为构件1左移，推动凸轮顺时针方向转动的位置机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院二：改变运动副元素的接触性质低副元素的接触性质：滑动接触，使运动副元素的接触表面产生磨损，降低了机械传动效率和传动精度。高副元素的接触性质：滚动接触和滑动接触减小磨损的方法：用滚动接触代替滑动接触机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院1.移动副：把组成移动副元素之一的结构形状改变成滚子形，这样使原始机构中导路与滑块的结构形式演变为导路与滚子结构形式。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院2.转动副：把组成转动副的销轴和销轴孔之间增设若干个滚动体，而构成了滚动轴承。3.高副：把凸轮高副中从动件设计成滚子形的，槽轮高副中的拨销也设计成滚子形，以用来改善摩擦磨损。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院三：改变运动副元素的形状因运动副的作用、性质主要取决于运动副元素的形状，所以改变其形状是内容最丰富的一种演化变异。1.展直曲柄摇杆机构中，摇秆3上点C的轨迹是以D为圆心，CD长为半径的圆弧。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院若构造一个弧形槽，将滑块制成扇形机构并置于槽中，机构运动特性并未改变若将弧形槽半径增至无穷大，则弧形槽就演变为直槽，滑块也变为长方形滑块，转动副也就演化为移动副，铰链四杆机构也就演化为偏置式曲柄滑块机构。当图中偏距e=0时，则成为对心式曲柄滑块机构。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院2.绕曲楔块机构的斜面接触，若在移动平面上进行绕曲，就变成盘形凸轮机构的平面高副；若在水平平面上绕曲就演化成螺旋机构的螺旋副。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院3.重复再现当运动副元素在机构的一个运动周期内重复再现时，原始机构就可以演化为具有新功能的机构。凸轮轮廓曲线是一个具有12个凸凹圆弧形的曲线，从动构件是由两个圆柱滚子摆杆构成。机构工作时，一个滚子位于凹曲线底部，另一个则位于顶部，或反之，由此完成锯条往复运动的动作要求。电动锯条的凸轮机构具有轮廓曲线的重复和连续的特点：机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院螺旋副用于传动时，可以实现由转动变移动的运动变换，若从螺旋副旋转推进工作原理进行思维，将螺杆的形状改成叶片状放于密闭圆筒状容器内，而物料就相当于螺母，经过这样的替代就产生了螺旋输送器。4.运动副的替代机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院3.4.2§2机构的构件变异主要目的：1）改善机构运动的不确定2）解决机构由于结构原因无法正确运动问题3）开发新功能4）开发新机构5）改善机构的受力状态，主要演化变异方法：1）利用构件的运动性质进行演化变异2）改变构件的结构形状和尺寸3）在构件上增加辅助结构4）改变构件运动性质机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院一：利用构件的运动性质演化变异主要指某些构件进行往复运动时，可以仅利用其单程的运动性质，再进一步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：曲柄AB主动，输入转动，摆杆OB从动，输出往复摆动。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院如果用滚滑移动副代替移动副B，成图示机构。当曲柄AB和摆杆OB的夹角为锐角即处于B′位置时，摆杆的摆动方向与曲柄同向；而夹角为钝角即处于B″位置时，摆杆的摆动方向则与曲柄的转动方向相反，为逆时针方向。方向改变的起始位置在AB和OB相垂直的B点。若以垂直位置即B点为分界线，可把滚滑副的槽分割成两部分。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院一部分如图：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，则运动就会中断。可改变摆杆的形状，设计一个沿以OB为半径的轨迹圆上开了四个均布相同槽的圆盘，使滚子在脱离一个槽后，相隔一段时间进入了另一个槽，就把连续的转动转换成间歇的转动，摆动导杆机构就变成了外槽轮机构。另一部分如图：按同样的做法，可变异成内槽轮机构。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院二：改变构件的结构形状和尺寸可以解决机构运动不确定和机构因结构原因无法正常运动等问题。1.平行四边形机构能传递匀速转动，但死点位置时机构运动不确定。可采用两个以上的相同机构的组合，使其运动确定。圆盘式连轴器的演化变异过程：机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院在此基础上，将曲柄上的各活动销轴铰接在同一个圆盘上，并缩短机架，可用来传递转动，成为一种平行四边形连轴器。还可以进一步变异，把连杆2作成滚轮的结构形式，把1盘上的A铰位置全部作成以连杆2的长度为半径的圆孔，孔的内侧曲柄3上的滚轮滚动接触，成为孔销式连轴器。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院2.双转块机构的变异块1转动，通过连杆2将转动传递给块3。两转块无法实现整周回转。可分别将1、2、3构件的型状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘形状，就构造成一个十字滑块连轴器。当1盘转动时，3盘以同样的速度转动。2上的凸榫分别嵌入1和3相应的凹槽内。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院3.摆动导杆的变异在摆动导杆机构中，若将导杆2的导槽某一部分做成圆弧形，并且其槽中心线的圆弧半径等于曲柄OA的长度。当曲柄的端部销A转入圆弧导槽时，导杆则停歇，实现了单侧停歇的功能，并且结构简单。曲柄滑块机构中，可将滑块设计成带有导向槽的结构形状，直接驱动曲柄做旋转运动，构造出无死点的曲柄机构。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院三：增加辅助结构可解决运动不确定问题、运动规律可调性问题等廓线可变凸轮机构在轮1上装有4片凸轮片，其上有槽，把凸轮片旋转到合适位置，可获得不同形状的凸轮廓线，从而可改变推杆2的运动规律。廓线可调凸轮机构机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院推杆可换凸轮机构组成：圆柱凸轮上制作有两个凸轮沟槽a和b，它们是按不同的运动规律确定的，形状是不同的。两推杆和两沟槽相互对应。推杆上制有齿条与夹在其中的齿轮2相啮合。工作过程：旋转齿轮就可以实现滚子的变换，从而可以输出不同运动规律的移动。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院四：改变构件的运动性质主要针对凸轮机构增大行程的问题推杆行程增大的凸轮机构组成：凸轮轴1上套有一个可借助于导向键A沿轴向移动又可转动的端面凸轮，其上端与从动杆4上的滚轮接触，下端则与固定滚轮3接触。工作过程：凸轮转动时，从动杆的升程是两项升程之和，一项是凸轮相对于固定滚子的升程，另一项是从动杆相对于凸轮的升程。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院增程凸轮机构组成：将凸轮设计成中间带有滑道，并将转动滑块设在其中。工作过程：当凸轮转动时，就可以实现凸轮相对于固定滚子的位移，而从动杆相对于凸轮又有位移，达到增大行程的效果。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院画出变异机构的原始机构说明其工作过程课堂练习机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院3.4.3§3机构的机架变换与创新机构的机架变换：是指机构内的运动构件与机架的互相转换，或称作机构的倒置。一：平面四杆机构的机架变换1.全转动副四杆机构的机架变换曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院2.含有一个移动副的四杆机构的机架变换曲柄滑块机构转动导杆机构摇块机构移动导杆机构3.含有二个移动副的四杆机构的机架变换双滑块机构双转块机构正弦机构正切机构机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院二：凸轮机构的机架变换机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院三：齿轮机构及挠性件传动机构机架变换机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院四：间歇运动机构的机架变换机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院3.4.4§4机构的等效变换与创新即机构的同性异形变换，指输入、输出的运动特性相同或等效，但机构不同的一组机构。获得同性异形机构的途径：一：利用运动副的等效代换创新同性异形机构是指组成机构的各种运动副相互转换和替代，而又不改变机构运动的输入和输出特性。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械工程学院1.空间运动副与平面运动副的等效代换球面副S可由汇交于球心的三个转动副R-R-R等效代换。圆柱副C可由转动轴线与移动导路重合的转动副R与移动副P等效代换。机械创新设计课件内蒙古科技大学机械