《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐》課件 第三章 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方法與實(shí)例分析

第三章機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方法

與實(shí)例分析目錄3.1機(jī)構(gòu)功能及表達(dá)

3.2機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

3.3機(jī)構(gòu)綜合3.3.1機(jī)構(gòu)型綜合3.3.2機(jī)構(gòu)尺度綜合?3.1機(jī)構(gòu)功能及表達(dá)1.執(zhí)行構(gòu)件的基本運(yùn)動(dòng)形式常用機(jī)構(gòu)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、

直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)三種,回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式。

按運(yùn)動(dòng)有無(wú)往復(fù)性和間歇性區(qū)分,執(zhí)行構(gòu)件的基本運(yùn)動(dòng)形式見(jiàn)表3-1。3.1

機(jī)構(gòu)功能與表達(dá)?3.1機(jī)構(gòu)功能及表達(dá)2.機(jī)構(gòu)的功能機(jī)構(gòu)的功能是指機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)變換和完成某種功能的能力。

常用機(jī)構(gòu)的基本功能如下。3.1

機(jī)構(gòu)功能與表達(dá)?3.1機(jī)構(gòu)功能及表達(dá)3.機(jī)構(gòu)的分類(lèi)為了使所選用的機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)某種動(dòng)作或有關(guān)功能,還可以將各種機(jī)構(gòu)按運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的種類(lèi)和實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分類(lèi)。

按功能進(jìn)行機(jī)構(gòu)分類(lèi)如下。3.1

機(jī)構(gòu)功能與表達(dá)?3.1機(jī)構(gòu)功能及表達(dá)3.1

機(jī)構(gòu)功能與表達(dá)?3.1機(jī)構(gòu)功能及表達(dá)

4.繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)并不僅僅是簡(jiǎn)單地挑選,而是包含著創(chuàng)新。

因?yàn)橐玫娇茖W(xué)的運(yùn)動(dòng)方案,必須構(gòu)思出新穎、

靈巧的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。

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

機(jī)構(gòu)功能與表達(dá)?

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法1.機(jī)構(gòu)的擴(kuò)展以現(xiàn)有機(jī)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(yīng)用在不同的設(shè)計(jì)中。如圖3-1所示的齒輪-曲柄擺塊機(jī)構(gòu),在曲柄擺塊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展,增加了齒輪機(jī)構(gòu),擴(kuò)展后的機(jī)構(gòu)由齒輪機(jī)構(gòu)和曲柄擺塊機(jī)構(gòu)組成。為了滿足一定的工藝動(dòng)作要求,或?yàn)榱耸箼C(jī)構(gòu)具有某些性能與特點(diǎn),需改變已知機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu),在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,演變發(fā)展出新的機(jī)構(gòu),稱(chēng)此種新機(jī)構(gòu)為變異機(jī)構(gòu)。

常用的變異方法有以下幾類(lèi)。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法2.機(jī)構(gòu)的倒置機(jī)構(gòu)內(nèi)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與機(jī)架的轉(zhuǎn)換,稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的倒置。

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

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法3.機(jī)構(gòu)局部結(jié)構(gòu)的改變改變機(jī)構(gòu)局部結(jié)構(gòu)(包括構(gòu)件運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)),可以獲得有特殊運(yùn)動(dòng)性能的機(jī)構(gòu)。

運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要指構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,而組成結(jié)構(gòu)時(shí)指機(jī)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(jī)構(gòu)中的同性運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行替換,可以得到如圖3-3b所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu),滑塊在曲面滑道里同樣是擺動(dòng)形式,進(jìn)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(jī)構(gòu)。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.1構(gòu)型變異的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法4.機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的移植與模仿將一機(jī)構(gòu)中的某些結(jié)構(gòu)應(yīng)用于另一種機(jī)構(gòu)中,稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的移植。

利用某一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的機(jī)構(gòu),稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的模仿。

機(jī)構(gòu)模仿舉例如圖3-4所示。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法1.利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)利用現(xiàn)有機(jī)構(gòu)工作原理,充分考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、

各構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系及特殊的構(gòu)件形狀等,創(chuàng)新設(shè)計(jì)出新的機(jī)構(gòu)。(1)利用連架桿或連桿運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)連桿的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)包括運(yùn)動(dòng)規(guī)律、

運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)幅度等。

分析連桿機(jī)構(gòu)的特性,可為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

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

曲柄1為主動(dòng)件,從動(dòng)件5往復(fù)移動(dòng)。

主動(dòng)件1的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)件5的往復(fù)移動(dòng)。

如果采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),則滑塊的行程會(huì)受到曲柄長(zhǎng)度的限制,而該機(jī)構(gòu)在同樣曲柄長(zhǎng)度的條件下能實(shí)現(xiàn)滑塊的較大行程。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法(2)利用兩構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)兩構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系體現(xiàn)在構(gòu)件之間的相對(duì)位置、

速度、

加速度等方面。

通過(guò)改變這些相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,可以調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成,曲柄1勻速轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)搖桿3和連桿4帶動(dòng)滑塊5作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

曲柄搖桿機(jī)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(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法(3)利用成形固定構(gòu)件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作過(guò)程利用成形固定構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的復(fù)雜動(dòng)作過(guò)程,例如凸輪、

棘輪和多桿機(jī)構(gòu)等。

在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,要充分挖掘機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、

構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和特殊構(gòu)件形狀等運(yùn)動(dòng)規(guī)律,以實(shí)現(xiàn)新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。如圖3-7所示的機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu),采用帶有凹槽的圓柱凸輪1帶動(dòng)扇形齒輪(不完全齒輪)2實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng),從而能帶動(dòng)齒條3及刀架進(jìn)行往復(fù)直線移動(dòng),實(shí)現(xiàn)刀架所需要的切削速度和行程。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法2.基于組成原理的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)構(gòu)組成原理,將零自由度的桿組依次連接到原動(dòng)件和機(jī)架上,或者在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,搭接不同級(jí)別的桿組,均可設(shè)計(jì)出新機(jī)構(gòu)。如圖3-8所示的桿組組合過(guò)程,凸輪構(gòu)件1為原動(dòng)件;構(gòu)件4和5組成的Ⅱ級(jí)桿組,一端通過(guò)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(gè)Ⅱ級(jí)桿組一端通過(guò)構(gòu)件3與構(gòu)件4形成移動(dòng)副,另一端與凸輪進(jìn)行剛性連接。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

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

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法(1)機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合將兩個(gè)或兩個(gè)以上的單一機(jī)構(gòu)按順序連接,每一個(gè)前置機(jī)構(gòu)的輸出運(yùn)動(dòng)是后續(xù)機(jī)構(gòu)的輸入運(yùn)動(dòng),這樣的組合方式稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合。

例如,三個(gè)機(jī)構(gòu)Ⅰ、

Ⅱ、

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

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法(2)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)組合以一個(gè)多自由度機(jī)構(gòu)作為基礎(chǔ)機(jī)構(gòu),將一個(gè)或多個(gè)自由度為1的機(jī)構(gòu)(可稱(chēng)為附加機(jī)構(gòu))的輸出構(gòu)件接入基礎(chǔ)機(jī)構(gòu),這種組合方式稱(chēng)為并聯(lián)組合。

圖3-11所示為并聯(lián)組合的幾種常見(jiàn)連接方式框圖。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法如圖3-12所示的沖壓機(jī)構(gòu)由兩組對(duì)稱(chēng)布置的齒輪機(jī)構(gòu)與對(duì)稱(chēng)配置的兩套曲柄滑塊機(jī)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(dòng),帶動(dòng)齒輪2回轉(zhuǎn),從而通過(guò)連桿3、4驅(qū)動(dòng)桿5上下直線運(yùn)動(dòng)完成預(yù)定功能。

此機(jī)構(gòu)可用于沖壓機(jī)、

充氣泵、

自動(dòng)送料機(jī)。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法(3)機(jī)構(gòu)的聯(lián)式組合綜合運(yùn)用串聯(lián)-并聯(lián)組合方式可組成更為復(fù)雜的機(jī)構(gòu),此種組合方式稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的混聯(lián)組合,圖3-13所示為混聯(lián)組合的幾種常見(jiàn)連接方式框圖。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法如圖3-14所示的精壓機(jī)機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的搖桿

滑

塊

機(jī)

構(gòu)

組

成,對(duì)

稱(chēng)

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(dāng)曲柄1連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),滑塊3上下移動(dòng),通過(guò)連桿4-5-6使滑塊7上下移動(dòng),完成物料的壓緊。

3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法(4)反饋式組合機(jī)構(gòu)以一個(gè)多自由度機(jī)構(gòu)作為基礎(chǔ)機(jī)構(gòu),而以另一單自由度機(jī)構(gòu)作為附加機(jī)構(gòu),且基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的某一輸入運(yùn)動(dòng)是通過(guò)附加機(jī)構(gòu)從該基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的輸出件反饋而得到,這樣的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)稱(chēng)為反饋式組合機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)的輸入運(yùn)動(dòng)是通過(guò)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(jiàn)連接方式框圖。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

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

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法(5)疊聯(lián)式組合機(jī)構(gòu)將基本機(jī)構(gòu)裝于另一基本機(jī)構(gòu)的輸出件上,各有自己的動(dòng)力源并各自完成自己的運(yùn)動(dòng),其疊加運(yùn)動(dòng)是所要求的輸出運(yùn)動(dòng),以這種方式連接而成的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)稱(chēng)作疊聯(lián)式組合機(jī)構(gòu),也稱(chēng)運(yùn)載式組合機(jī)構(gòu)。

圖3-17所示為疊聯(lián)式常見(jiàn)連接方式框圖。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法?

3.2.2機(jī)構(gòu)原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法圖3-18所示為液壓挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)。

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

以上三套擺缸機(jī)構(gòu)各有自己的動(dòng)力源,均為液壓缸,運(yùn)動(dòng)的疊加便組成了鏟斗10的復(fù)雜挖掘動(dòng)作。3.2

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法3.3機(jī)構(gòu)綜合

?

3.3.1機(jī)構(gòu)型綜合在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中,確定執(zhí)行動(dòng)作和選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)是創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。選擇恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)及其組合以實(shí)現(xiàn)所需工藝動(dòng)作,即機(jī)構(gòu)選型與組合。機(jī)構(gòu)選型有多種機(jī)構(gòu)可選時(shí),設(shè)計(jì)者必須綜合考慮工藝動(dòng)作要求、

受力情況、

使用維護(hù)便利性、制造成本、加工難度等因素,進(jìn)行比較以選出最佳方案。(1)工藝動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)要求(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)短(3)性能佳(4)高效率(5)性價(jià)比?

3.3.2機(jī)構(gòu)尺度綜合在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中,根據(jù)已經(jīng)選定的機(jī)構(gòu)類(lèi)型,如四桿機(jī)構(gòu)、

凸輪機(jī)構(gòu)或其他類(lèi)型的機(jī)械裝置,需要進(jìn)一步考慮給定的運(yùn)動(dòng)條件或動(dòng)力條件,如速度、

加速度、

力的傳遞等。

尺度綜合是指通過(guò)精確計(jì)算和設(shè)計(jì),確定各個(gè)構(gòu)件的具體幾何尺寸,這些尺寸共同決定了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。以連桿機(jī)構(gòu)為例,其尺度綜合可分為三大類(lèi)型。(1)剛體導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的尺度綜合(2)函數(shù)發(fā)生機(jī)構(gòu)的綜合(3)軌跡發(fā)生機(jī)構(gòu)的綜合