《機械創(chuàng)新設(shè)計實踐》課件 第三章 機構(gòu)創(chuàng)新方法與實例分析

第三章機構(gòu)創(chuàng)新方法

與實例分析目錄3.1機構(gòu)功能及表達

3.2機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計方法

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法

3.3機構(gòu)綜合3.3.1機構(gòu)型綜合3.3.2機構(gòu)尺度綜合?3.1機構(gòu)功能及表達1.執(zhí)行構(gòu)件的基本運動形式常用機構(gòu)構(gòu)件的運動形式有回轉(zhuǎn)運動、

直線運動和曲線運動三種,回轉(zhuǎn)運動和直線運動是最簡單的機械運動形式。

按運動有無往復性和間歇性區(qū)分,執(zhí)行構(gòu)件的基本運動形式見表3-1。3.1

機構(gòu)功能與表達?3.1機構(gòu)功能及表達2.機構(gòu)的功能機構(gòu)的功能是指機構(gòu)實現(xiàn)運動變換和完成某種功能的能力。

常用機構(gòu)的基本功能如下。3.1

機構(gòu)功能與表達?3.1機構(gòu)功能及表達3.機構(gòu)的分類為了使所選用的機構(gòu)能實現(xiàn)某種動作或有關(guān)功能,還可以將各種機構(gòu)按運動轉(zhuǎn)換的種類和實現(xiàn)的功能進行分類。

按功能進行機構(gòu)分類如下。3.1

機構(gòu)功能與表達?3.1機構(gòu)功能及表達3.1

機構(gòu)功能與表達?3.1機構(gòu)功能及表達

4.繪制機構(gòu)運動簡圖在機構(gòu)設(shè)計時,選擇執(zhí)行機構(gòu)并不僅僅是簡單地挑選,而是包含著創(chuàng)新。

因為要得到科學的運動方案,必須構(gòu)思出新穎、

靈巧的機構(gòu)系統(tǒng)。

這一系統(tǒng)的各執(zhí)行機構(gòu)不一定是現(xiàn)有的機構(gòu),為此,應根據(jù)創(chuàng)造性的基本原理和法則,積極運用創(chuàng)造性思維,靈活使用創(chuàng)新技術(shù)進行機構(gòu)構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計。3.1

機構(gòu)功能與表達?

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計方法1.機構(gòu)的擴展以現(xiàn)有機構(gòu)為基礎(chǔ),改變構(gòu)件的形式或者增加新的構(gòu)件,可以應用在不同的設(shè)計中。如圖3-1所示的齒輪-曲柄擺塊機構(gòu),在曲柄擺塊機構(gòu)的基礎(chǔ)上進一步擴展,增加了齒輪機構(gòu),擴展后的機構(gòu)由齒輪機構(gòu)和曲柄擺塊機構(gòu)組成。為了滿足一定的工藝動作要求,或為了使機構(gòu)具有某些性能與特點,需改變已知機構(gòu)的結(jié)構(gòu),在原有機構(gòu)的基礎(chǔ)上,演變發(fā)展出新的機構(gòu),稱此種新機構(gòu)為變異機構(gòu)。

常用的變異方法有以下幾類。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計方法2.機構(gòu)的倒置機構(gòu)內(nèi)運動構(gòu)件與機架的轉(zhuǎn)換,稱為機構(gòu)的倒置。

按照運動的相對性原理,機構(gòu)倒置后構(gòu)件間的相對運動關(guān)系不變,但可以得到不同的機構(gòu)。如圖3-2所示,如果將圖3-2a中曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄作為原動件,可以表示往復式壓縮機的基本工作原理,滑塊作為執(zhí)行機構(gòu)(也就是壓縮機活塞),輸出往復直線運動;如果將該機構(gòu)的輸入、輸出關(guān)系倒置,就得到了如圖3-2b所示的機構(gòu),可以表示內(nèi)燃機的基本工作原理,也就是內(nèi)燃機活塞作為原動件,帶動曲柄旋轉(zhuǎn),輸出旋轉(zhuǎn)運動。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計方法3.機構(gòu)局部結(jié)構(gòu)的改變改變機構(gòu)局部結(jié)構(gòu)(包括構(gòu)件運動結(jié)構(gòu)和機構(gòu)組成結(jié)構(gòu)),可以獲得有特殊運動性能的機構(gòu)。

運動結(jié)構(gòu)主要指構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系,而組成結(jié)構(gòu)時指機構(gòu)中各構(gòu)件的配置和連接方式。如圖3-3所示,將圖3-3a曲柄搖桿機構(gòu)中的同性運動副進行替換,可以得到如圖3-3b所示的曲柄滑塊機構(gòu),滑塊在曲面滑道里同樣是擺動形式,進一步將曲面滑道替換成圖3-3c中所示的直線滑道,即得到偏心曲柄滑塊機構(gòu)。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計方法4.機構(gòu)結(jié)構(gòu)的移植與模仿將一機構(gòu)中的某些結(jié)構(gòu)應用于另一種機構(gòu)中,稱為結(jié)構(gòu)的移植。

利用某一結(jié)構(gòu)特點設(shè)計新的機構(gòu),稱為結(jié)構(gòu)的模仿。

機構(gòu)模仿舉例如圖3-4所示。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法1.利用機構(gòu)運動特點創(chuàng)新機構(gòu)利用現(xiàn)有機構(gòu)工作原理,充分考慮機構(gòu)運動特點、

各構(gòu)件相對運動關(guān)系及特殊的構(gòu)件形狀等,創(chuàng)新設(shè)計出新的機構(gòu)。(1)利用連架桿或連桿運動特點設(shè)計新機構(gòu)連桿的運動特點包括運動規(guī)律、

運動速度、運動幅度等。

分析連桿機構(gòu)的特性,可為機構(gòu)設(shè)計提供有力依據(jù)。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法如圖3-5所示的多桿行程放大機構(gòu),由曲柄搖桿機構(gòu)1-2-3與導桿滑塊機構(gòu)4-5-6串聯(lián)組成。

曲柄1為主動件,從動件5往復移動。

主動件1的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為從動件5的往復移動。

如果采用曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn),則滑塊的行程會受到曲柄長度的限制,而該機構(gòu)在同樣曲柄長度的條件下能實現(xiàn)滑塊的較大行程。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法(2)利用兩構(gòu)件相對運動關(guān)系設(shè)計新機構(gòu)兩構(gòu)件的相對運動關(guān)系體現(xiàn)在構(gòu)件之間的相對位置、

速度、

加速度等方面。

通過改變這些相對運動關(guān)系,可以調(diào)節(jié)機構(gòu)的輸出性能,從而滿足不同的工作需求。如圖3-6所示的篩料機構(gòu),該機構(gòu)由曲柄搖桿機構(gòu)和搖桿滑塊機構(gòu)構(gòu)成,曲柄1勻速轉(zhuǎn)動,通過搖桿3和連桿4帶動滑塊5作往復直線運動。

曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性,使得滑塊5的速度、

加速度變化較大,從而更好地完成篩料工作。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法(3)利用成形固定構(gòu)件實現(xiàn)復雜動作過程利用成形固定構(gòu)件來實現(xiàn)所需要的復雜動作過程,例如凸輪、

棘輪和多桿機構(gòu)等。

在機構(gòu)設(shè)計過程中,要充分挖掘機構(gòu)運動特點、

構(gòu)件相對運動關(guān)系和特殊構(gòu)件形狀等運動規(guī)律,以實現(xiàn)新機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。如圖3-7所示的機床進給機構(gòu),采用帶有凹槽的圓柱凸輪1帶動扇形齒輪(不完全齒輪)2實現(xiàn)往復擺動,從而能帶動齒條3及刀架進行往復直線移動,實現(xiàn)刀架所需要的切削速度和行程。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法2.基于組成原理的機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計根據(jù)機構(gòu)組成原理,將零自由度的桿組依次連接到原動件和機架上,或者在原有機構(gòu)的基礎(chǔ)上,搭接不同級別的桿組,均可設(shè)計出新機構(gòu)。如圖3-8所示的桿組組合過程,凸輪構(gòu)件1為原動件;構(gòu)件4和5組成的Ⅱ級桿組,一端通過鉸鏈F與構(gòu)件6和7連接,另一端與構(gòu)件8組成單構(gòu)件高副桿組;構(gòu)件3和2組成的兩個Ⅱ級桿組一端通過構(gòu)件3與構(gòu)件4形成移動副,另一端與凸輪進行剛性連接。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法3.基于組合原理的機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計把一些基本機構(gòu)按照某種方式結(jié)合起來,創(chuàng)新設(shè)計出一種與原有機構(gòu)特點不同的新的復合機構(gòu)。(1)機構(gòu)的串聯(lián)組合(2)機構(gòu)的并聯(lián)組合(3)機構(gòu)的聯(lián)式組合(4)反饋式組合機構(gòu)(5)疊聯(lián)式組合機構(gòu)3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法(1)機構(gòu)的串聯(lián)組合將兩個或兩個以上的單一機構(gòu)按順序連接,每一個前置機構(gòu)的輸出運動是后續(xù)機構(gòu)的輸入運動,這樣的組合方式稱為機構(gòu)的串聯(lián)組合。

例如,三個機構(gòu)Ⅰ、

Ⅱ、

Ⅲ的串聯(lián)組合框圖如圖3-9所示(表示機構(gòu)參數(shù))。1)固接式串聯(lián)。2)軌跡點串聯(lián)。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法(2)機構(gòu)的并聯(lián)組合以一個多自由度機構(gòu)作為基礎(chǔ)機構(gòu),將一個或多個自由度為1的機構(gòu)(可稱為附加機構(gòu))的輸出構(gòu)件接入基礎(chǔ)機構(gòu),這種組合方式稱為并聯(lián)組合。

圖3-11所示為并聯(lián)組合的幾種常見連接方式框圖。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法如圖3-12所示的沖壓機構(gòu)由兩組對稱布置的齒輪機構(gòu)與對稱配置的兩套曲柄滑塊機構(gòu)組合而成。AD連桿與齒輪1固連,BC連

桿

與

齒

輪2固

連。

組

成

要

求:z1=z2;AD=BC;α=β。

齒輪1勻速轉(zhuǎn)動,帶動齒輪2回轉(zhuǎn),從而通過連桿3、4驅(qū)動桿5上下直線運動完成預定功能。

此機構(gòu)可用于沖壓機、

充氣泵、

自動送料機。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法(3)機構(gòu)的聯(lián)式組合綜合運用串聯(lián)-并聯(lián)組合方式可組成更為復雜的機構(gòu),此種組合方式稱為機構(gòu)的混聯(lián)組合,圖3-13所示為混聯(lián)組合的幾種常見連接方式框圖。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法如圖3-14所示的精壓機機構(gòu)由曲柄滑塊機構(gòu)和兩個對稱的搖桿

滑

塊

機

構(gòu)

組

成,對

稱

部

分

由

連

桿4-5-6-7和

連

桿8-9-10-7兩部分并聯(lián)構(gòu)成,當曲柄1連續(xù)轉(zhuǎn)動時,滑塊3上下移動,通過連桿4-5-6使滑塊7上下移動,完成物料的壓緊。

3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法(4)反饋式組合機構(gòu)以一個多自由度機構(gòu)作為基礎(chǔ)機構(gòu),而以另一單自由度機構(gòu)作為附加機構(gòu),且基礎(chǔ)機構(gòu)的某一輸入運動是通過附加機構(gòu)從該基礎(chǔ)機構(gòu)的輸出件反饋而得到,這樣的機構(gòu)系統(tǒng)稱為反饋式組合機構(gòu)。該系統(tǒng)的輸入運動是通過本組合系統(tǒng)的輸出構(gòu)件反饋的。

圖3-15所示為反饋式常見連接方式框圖。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法圖3-16所示為滾齒機工作臺誤差校正機構(gòu)。因蝸桿1具有轉(zhuǎn)動和移動兩個自由度,故該誤差校正機構(gòu)是以兩自由度的蝸桿蝸輪機構(gòu)1-2-4為基礎(chǔ)機構(gòu),以單自由度的凸輪機構(gòu)2′-3-4為反饋的附加機構(gòu)組合而成。。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法(5)疊聯(lián)式組合機構(gòu)將基本機構(gòu)裝于另一基本機構(gòu)的輸出件上,各有自己的動力源并各自完成自己的運動,其疊加運動是所要求的輸出運動,以這種方式連接而成的機構(gòu)系統(tǒng)稱作疊聯(lián)式組合機構(gòu),也稱運載式組合機構(gòu)。

圖3-17所示為疊聯(lián)式常見連接方式框圖。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法?

3.2.2機構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計方法圖3-18所示為液壓挖掘機機構(gòu)。

第一套擺缸機構(gòu)1-2-3-4以挖掘機機身4為機架,它由三套液壓擺缸機構(gòu)組成,輸出件為大轉(zhuǎn)臂3;第二套擺缸機構(gòu)5-6-7-3以大轉(zhuǎn)臂3為相對機架,輸出件為小轉(zhuǎn)臂7;第三套擺缸機構(gòu)8-9-10-7以小轉(zhuǎn)臂7為相對機架,輸出件為鏟斗10。

以上三套擺缸機構(gòu)各有自己的動力源,均為液壓缸,運動的疊加便組成了鏟斗10的復雜挖掘動作。3.2

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法3.3機構(gòu)綜合

?

3.3.1機構(gòu)型綜合在機械系統(tǒng)運動方案設(shè)計過程中,確定執(zhí)行動作和選擇執(zhí)行機構(gòu)是創(chuàng)造性的設(shè)計環(huán)節(jié)。選擇恰當?shù)膱?zhí)行機構(gòu)及其組合以實現(xiàn)所需工藝動作,即機構(gòu)選型與組合。機構(gòu)選型有多種機構(gòu)可選時,設(shè)計者必須綜合考慮工藝動作要求、

受力情況、

使用維護便利性、制造成本、加工難度等因素,進行比較以選出最佳方案。(1)工藝動作和運動要求(2)結(jié)構(gòu)簡短(3)性能佳(4)高效率(5)性價比?

3.3.2機構(gòu)尺度綜合在機械設(shè)計過程中,根據(jù)已經(jīng)選定的機構(gòu)類型,如四桿機構(gòu)、

凸輪機構(gòu)或其他類型的機械裝置,需要進一步考慮給定的運動條件或動力條件,如速度、

加速度、

力的傳遞等。

尺度綜合是指通過精確計算和設(shè)計,確定各個構(gòu)件的具體幾何尺寸,這些尺寸共同決定了機構(gòu)的運動特性。以連桿機構(gòu)為例,其尺度綜合可分為三大類型。(1)剛體導引機構(gòu)的尺度綜合(2)函數(shù)發(fā)生機構(gòu)的綜合(3)軌跡發(fā)生機構(gòu)的綜合