機械創(chuàng)新設(shè)計(第九章)

機械創(chuàng)新設(shè)計(第九章)第一頁，共47頁。第九章機械創(chuàng)新設(shè)計實例分析

第一節(jié)平動齒輪傳動機構(gòu)一、平動齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動原理1．平動齒輪機構(gòu)的基本型平動齒輪機構(gòu)的基本型由外平動齒輪機構(gòu)和內(nèi)平動齒輪機構(gòu)兩種基本型組成。外平動齒輪機構(gòu)的基本型：外平動齒輪機構(gòu)是指一個齒輪在另一個齒輪的外部作平動，驅(qū)動另一個齒輪作定軸轉(zhuǎn)動。圖9-1a所示為內(nèi)嚙合平動齒輪機構(gòu)；圖9-1b所示為外嚙合平動齒輪機構(gòu)?？梢匝莼蓤D9-2所示的二環(huán)減速器和三環(huán)減速器。第二頁，共47頁。第三頁，共47頁。第四頁，共47頁。2．傳動原理運動和動力輸入時，支承在兩高速軸上的內(nèi)齒輪G作平面平動，并驅(qū)動與之嚙合的定軸外齒中心輪K，使運動和動力從與其固聯(lián)的從動軸輸出，從而實現(xiàn)了大速比減速。當(dāng)單軸輸入時，每一片行星輪在0°和180°位置時，是不能傳遞運動和扭矩的，所以必須要用三片以上的內(nèi)齒輪才能正常地工作。3．運動學(xué)分析4．外平動齒輪傳動的特點（1）傳動比大、分級密集，單級傳動比在11~99之間，雙級傳動比可達9801。（2）承載能力大嚙合時幾乎是面接觸，齒面赫茲應(yīng)力小。單個轉(zhuǎn)臂軸承變換為多個轉(zhuǎn)臂軸承分擔(dān)載荷，轉(zhuǎn)臂軸承的壽命可達兩萬小時，且轉(zhuǎn)臂軸承等基本構(gòu)件不受內(nèi)齒輪尺寸的限制，可以按強度要求確定，利于按強度進行優(yōu)化設(shè)計。第五頁，共47頁。第六頁，共47頁。（3）傳動效率高同K-H-V型少齒差行星傳動相比，因省去了W輸出機構(gòu)，單級傳動效率可達92%~96%。（4）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕（5）制造簡單、維修拆裝方便（6）能單軸或多軸傳輸動力5．外平動齒輪傳動存在的問題：1）為避免傳動發(fā)生漸開線齒廓重迭干涉，內(nèi)齒輪副應(yīng)采用角變位齒輪傳動中的正傳動（x1+x2>0），并降低齒高，形成非標(biāo)準(zhǔn)的短齒。嚙合角α′增加，使傳動機構(gòu)的動力學(xué)性能變差。2）必須滿足一定的裝配條件能裝配起來。同時也為精度設(shè)計增加了限制條件。3）傳動機構(gòu)的振動大、噪聲高，并隨著轉(zhuǎn)速的提高迅速增加。上述存在的問題是這種傳動的基本原理所決定的，改進傳動原理，開發(fā)新的傳動類型是平動齒行星輪傳動發(fā)展的重要途徑。第七頁，共47頁。外平動齒輪機構(gòu)的A、D兩軸之距離受結(jié)構(gòu)的限制式中d0——內(nèi)齒輪根圓直徑；d2e——偏心軸距。外平動齒輪機構(gòu)的尺寸難以縮小，而且提供內(nèi)齒輪作平動的曲柄軸只能有兩個，限制了輸入功率的分流，不利于傳遞過大的功率。6．內(nèi)平動齒輪機構(gòu)的基本型及其演化圖9-4所示為內(nèi)平動齒輪機構(gòu)的基本型。圖9-5所示的內(nèi)二環(huán)減速器和內(nèi)三環(huán)減速器。內(nèi)平動齒輪機構(gòu)可獲得較小尺寸和重量，其整機性能優(yōu)于外平動齒輪機構(gòu)。第八頁，共47頁。第九頁，共47頁。第十頁，共47頁。二、平動齒輪傳動的關(guān)鍵技術(shù)使齒輪實現(xiàn)圓平動運動的機構(gòu)為圓平動機構(gòu)。常用的圓平動機構(gòu)有：1．用平行四邊形機構(gòu)實現(xiàn)齒輪圓平動應(yīng)用“機構(gòu)同性異形變換原理”，以平行四邊形機構(gòu)為原始機構(gòu)，可以演化出多種性能相同而結(jié)構(gòu)不同的圓平動機構(gòu)。

第十一頁，共47頁。2．用正弦機構(gòu)實現(xiàn)齒輪圓平動3．用孔銷機構(gòu)實現(xiàn)齒輪圓平動應(yīng)用“機構(gòu)同性異形變換原理”，還可以演化出多種圓平動機構(gòu)。它的性能決定了平動齒輪傳動的性能，所以每綜合出一種圓平動機構(gòu)，就得到一種新型平動齒輪傳動。第十二頁，共47頁。第十三頁，共47頁。三、平動齒輪機構(gòu)的演化

平動發(fā)生器是平動齒輪機構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。不同的平動發(fā)生器，會演化出結(jié)構(gòu)不同的平動齒輪機構(gòu)，相同的平動發(fā)生器，結(jié)構(gòu)不同，也會演化出性能差異很大的平動齒輪傳動裝置。1．浮動盤式平動齒輪機構(gòu)

根據(jù)“機構(gòu)同性異形變換原理”，用浮動盤式W機構(gòu)去替代孔銷式W機構(gòu)，就形成了圖9-9所示圓平動齒輪機構(gòu)運動簡圖。2．平動齒輪減速滾筒圖9-10所示為平動齒輪減速滾筒結(jié)構(gòu)簡圖，由電動機1、滾筒2和孔銷式平動齒輪機構(gòu)3串聯(lián)組成。電動機1、平動發(fā)生器銷軸與機架固聯(lián)，內(nèi)齒中心輪與卷筒固聯(lián)為輸出件，形成卷揚機型減速裝置。平動齒輪減速滾筒具有：傳動比大、機械效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸和重量輕、均載性能好等優(yōu)點。第十四頁，共47頁。第十五頁，共47頁。第十六頁，共47頁。3．雙曲柄平動齒輪機構(gòu)多曲柄平動齒輪機構(gòu)。如圖9-11所示。多曲柄平動齒輪機構(gòu)的傳動原理：輸入軸的轉(zhuǎn)速經(jīng)第一級減速后，由平動發(fā)生器傳遞給平動齒輪ZG，同時限制了平動齒輪ZG的自轉(zhuǎn)，再經(jīng)第二級減速后，由內(nèi)齒中心輪Zb輸出。其傳動比統(tǒng)一表達式為式中i1——第一級減速傳動比；

i2——第二級傳動比。第十七頁，共47頁。第二節(jié)活齒減速帶輪機構(gòu)一、概述

將帶傳動和行星傳動組合起來，在不增加帶輪外廓尺寸的條件下，研制出具有兩種傳動綜合優(yōu)良性能的行星減速帶輪。如：擺線針齒減速帶輪、2K-H行星減速帶輪、變速傳動軸承減速帶輪、鋼球行星摩擦減速帶輪等。研制出傳動性能優(yōu)越的行星減速帶輪主要取決于兩個方面：1）選擇好原始機構(gòu)——帶傳動和行星傳動的類型；2）解決好帶輪與行星傳動的結(jié)合。行星減速帶輪機構(gòu)以全滾動擺動活齒傳動為基礎(chǔ)，利用外激波活齒傳動的結(jié)構(gòu)特點，使帶輪與外激波器合二為一，擺動活齒減速帶輪。第十八頁，共47頁。二、原始機構(gòu)選擇1．行星傳動的選擇——外激波擺動活齒傳動（1）組成結(jié)構(gòu)及傳動原理圖9-12所示外激波擺動活齒傳動的傳動原理；當(dāng)驅(qū)動力輸入后，輸入軸以等角速度帶動外激波器H繞固定主軸線轉(zhuǎn)動，由于外激波器內(nèi)輪廓徑向尺寸的變化，產(chǎn)生向心的推力，推動擺動活齒繞其在活齒架上的鉸鏈點擺動，通過擺動活齒中心輪高副嚙合運動，擺動活齒推動外齒中心輪K以等角速度繞主軸線轉(zhuǎn)動，使與其固聯(lián)的輸出軸獲得輸出轉(zhuǎn)速，于是外激波擺動活齒傳動完成了轉(zhuǎn)速變換運動。第十九頁，共47頁。（2）傳動比的計算活齒傳動傳動比通用方程式為式中，下角標(biāo)A、B、C代表活齒傳動中的三個基本構(gòu)件。第一種類型：擺動活齒輪G固定第二種類型：外齒中心輪K固定，擺動活齒輪G從動，外激器H主動。（3）外齒中心輪的齒形綜合（4）外激波擺動活齒傳動的優(yōu)缺點第二十頁，共47頁。第二十一頁，共47頁。

1）省掉了少齒差傳動中的W輸出機構(gòu)2）提高了擺動活齒與激波器高副的接觸強度3）外齒中心輪K的特點4）外激波器的尺寸大，動平衡性能差2．帶傳動的選擇圖9-14a所示為帶傳動的一種從動帶輪結(jié)構(gòu)。如圖9-14b所示，齒輪副合狀態(tài)和軸承4的受力狀態(tài)都得到改善，取得極好效果。稱這種結(jié)構(gòu)的帶輪為卸荷帶輪。帶傳動的從動帶輪仍采用卸荷結(jié)構(gòu)。第二十二頁，共47頁。第二十三頁，共47頁。三、活齒減速帶輪的形成1．帶輪與外激波器的組合（1）電動機轉(zhuǎn)速ne是通過一級帶傳動減速后才輸送給帶輪激波器的，所以外激波擺動活齒傳動的輸入轉(zhuǎn)速大幅度降低，外激波擺動活齒輪的轉(zhuǎn)速nH為：

式中id——帶傳動的傳動比。（2）帶輪激波器使繞固定軸轉(zhuǎn)動的帶輪成為外激波器的一部分，這就為外激波器調(diào)整質(zhì)量布置創(chuàng)造了極好條件，使帶輪激波器靠自身質(zhì)量分布即可實現(xiàn)動平衡。2．卸荷帶輪設(shè)計3．帶輪外激波器的平衡設(shè)計四、應(yīng)用實例——游梁式抽油機減速器的改進設(shè)計第二十四頁，共47頁。第二十五頁，共47頁。第三節(jié)變速凸輪機構(gòu)變凸輪機構(gòu)的“等速驅(qū)動”為“變速驅(qū)動”，形成變速凸輪機構(gòu)。其效果是提高了凸輪機構(gòu)的運動和動力性能，為凸輪機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件。一、機構(gòu)的傳動函數(shù)機構(gòu)的輸入輸出特性。如圖9-16所示。用函數(shù)表示為傳動函數(shù)：第二十六頁，共47頁。根據(jù)傳動函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)，將機構(gòu)劃分為“線性機構(gòu)”與“非線性機構(gòu)”兩種類型。線性機構(gòu)和非線性機構(gòu)分別對應(yīng)于傳統(tǒng)概念中的定傳動比機構(gòu)和變傳動比機構(gòu)。機構(gòu)的類型如表9-1所示。表9-1根據(jù)傳動函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)劃分機構(gòu)的類型機構(gòu)類型傳動函數(shù)機構(gòu)舉例線性機構(gòu)線性函數(shù)齒輪機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、帶傳動、鏈傳動非線性機構(gòu)非線性函數(shù)凸輪傳動、連桿機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、非圓齒輪機構(gòu)“機構(gòu)的驅(qū)動方式”用于描述機構(gòu)原動件的運動狀態(tài)，包括“等速驅(qū)動”和“變速驅(qū)動”兩種類型?！暗人衮?qū)動”指機構(gòu)輸入運動的位移是以時間為自變量的線性函數(shù)；“變速驅(qū)動”指機構(gòu)輸入運動的位移是以時間為自變量的非線性函數(shù)。如表9-2所示。第二十七頁，共47頁。表9-2根據(jù)輸入運動函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)劃分機構(gòu)的驅(qū)動方式機構(gòu)的驅(qū)動方式輸入運動的位移函數(shù)等速驅(qū)動非線性函數(shù)變速驅(qū)動非線性函數(shù)原動機是把某種形式的能量轉(zhuǎn)化為機構(gòu)運動的裝置，如圖9-17所示。根據(jù)輸出運動函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)可將原動機劃分為“線性原動機”與“非線性原動機”兩種類型：如表9-3所示：第二十八頁，共47頁。表9-3根據(jù)輸出運動函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)劃分原動機的類型原動機類型輸出運動的位移函數(shù)舉例線性原動機線性函數(shù)普通直流馬達，普通交流馬達非線性原動機非線性函數(shù)步進馬達，伺服馬達二、凸輪機構(gòu)的主動控制

將控制系統(tǒng)與凸輪機構(gòu)結(jié)合起來，融合其優(yōu)點，改善凸輪機構(gòu)的動態(tài)特性，并使凸輪機構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，為凸輪機構(gòu)的發(fā)展開辟出新的途徑。

因此，通過運動控制，可以在不改變凸輪廓線的前提下，根據(jù)要求改變從動件的運動學(xué)性能，從而使凸輪機構(gòu)具有了一定程度的通用性，為凸輪機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化提出了一個可能的實現(xiàn)途徑。進而，通過振動控制的研究，有望改善凸輪機構(gòu)的動態(tài)性能，并使之具有一定程度的自適應(yīng)性及智能性。第二十九頁，共47頁。三、反凸輪機構(gòu)的主動控制以基本凸輪機構(gòu)為原始機構(gòu)，應(yīng)用“機構(gòu)運動變換原理”，將其主動件和從動件對換，即推桿為主動件，凸輪為從動件，所形成的新機構(gòu)是原始機構(gòu)的轉(zhuǎn)化機構(gòu)，通常稱其為倒置凸輪機構(gòu)或反凸輪機構(gòu)。以主動件推桿為刀具，以從動件凸輪為毛坯，用來形成凸輪輪廓線的方法，是一種成熟的凸輪制造技術(shù)。凸輪機構(gòu)主動控制技術(shù)應(yīng)用到其轉(zhuǎn)化機構(gòu)——反凸輪機構(gòu)中來，就可以形成反凸輪機構(gòu)主動控制技術(shù)，由此可獲得一種高精度的加工技術(shù)。四、變速凸輪機構(gòu)的性能1）對于具有固定凸輪廓線的凸輪——從動件系統(tǒng)，可以通過控制凸輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律來改變從動件的運動學(xué)特性，如降低從動件的理論最大速度與理論最大加速度。2）可以使具有對稱凸輪廓線的凸輪系統(tǒng)，生成非對稱的從動件運動規(guī)律。為凸輪機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件。第三十頁，共47頁。3）通過控制凸輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，可以顯著地降低凸輪系統(tǒng)中的殘余振動，提高了凸輪機構(gòu)的動態(tài)性能。第四節(jié)同軌跡連桿機構(gòu)同軌跡連桿機構(gòu)是指機構(gòu)的自由度數(shù)F相同、輸入構(gòu)件的運動規(guī)律相同、輸出構(gòu)件上的一點軌跡相同的一組連桿機構(gòu)，但這組連桿機構(gòu)的運動學(xué)尺寸不同，所以其受力狀態(tài)、動態(tài)性能有巨大差異。羅伯特——契貝謝夫定理：由一個四桿鉸鏈機構(gòu)發(fā)生的一條連桿曲線，還可以由另外兩個四桿鉸鏈機構(gòu)發(fā)生出來?；虮磉_為同一連桿曲線，可以用三個不同的四桿機構(gòu)來實現(xiàn)。一、連桿點K位于連桿兩鉸鏈連線上的同跡連桿機構(gòu)圖形縮放原理：圖9-18a所示為一平行四邊形導(dǎo)引機構(gòu)，當(dāng)A點沿任意給定軌跡運動時，C點將繪出與A點相似但縮小了的軌跡。第三十一頁，共47頁。第三十二頁，共47頁。1）A在直線KB的任何位置都有：2）當(dāng)此四邊形作為一剛體繞O轉(zhuǎn)動一角度φ時，A點轉(zhuǎn)到A′，按射線定理：第一個同跡連桿機構(gòu)設(shè)計：曲線搖桿機構(gòu)C0CDO為所求的第一個同跡連桿機構(gòu)，K為連桿CD延長線上的點。所求曲柄搖桿機構(gòu)的尺寸：第三十三頁，共47頁。

第二個同跡連桿機構(gòu)設(shè)計：A0EFC0為所求的第二個同跡連桿機構(gòu)。K為連桿EF上的點。所求雙搖桿機構(gòu)的尺寸：C0是兩個同跡連桿機構(gòu)中共同的新機架的固定鉸鏈點，機架的三個固定鉸鏈點A0、O、C0組成了三種可能的組合：A0與O，A0與C0，O與C0。如圖9-18d所示。K點在這三個機構(gòu)中描繪出同一條連桿曲線。二、任一連桿點K的同跡連桿機構(gòu)

平面導(dǎo)引機構(gòu)：是一種在參考平面上引導(dǎo)一個物體順序通過給定位置的裝置。當(dāng)采用連桿機構(gòu)作導(dǎo)引機構(gòu)時，連桿一般用作導(dǎo)引桿，常要求連桿相對機架作導(dǎo)引。第三十四頁，共47頁。第三十五頁，共47頁。第三十六頁，共47頁。第三十七頁，共47頁。第三十八頁，共47頁。第三十九頁，共47頁。第四十頁，共47頁。第五節(jié)自適應(yīng)機構(gòu)

在改造現(xiàn)有設(shè)備或設(shè)計新機構(gòu)時，通過選用自位軸承、基本構(gòu)件浮動、運動副合理選配及組合等方法，消除機構(gòu)中存在的多余約束，使機構(gòu)成為一個無多余約束的靜定系統(tǒng)，即具有“自適應(yīng)性”的系統(tǒng)，稱為機構(gòu)自適應(yīng)變換。無多余約束的機構(gòu)稱自適應(yīng)機構(gòu)。一、機構(gòu)中的多余約束及其計算

運動副自由度F是運動副中可能發(fā)生的彼此獨立的相對簡單運動的數(shù)目。被運動副限制了的相對簡單運動稱為約束μ（Unfreiheit）。提供一個約束的運動副稱為I級副，提供兩個約束的運動副稱為Ⅱ級副，則空間機構(gòu)自由度計算公式可以寫成第四十一頁，共47頁。式中F——機構(gòu)的自由度；n——活動構(gòu)件數(shù)；K——運動副的級別（即運動副的約束數(shù)）；PK——級別為K的運動副數(shù)目。這就是著名的馬雷舍夫公式。該公式適用于一般空間機構(gòu)。在機構(gòu)中，有些運動副的約束可能與其他運動副的約束重復(fù)，這種對機構(gòu)的相對運動不起獨立限制作用的約束稱為多余約束。機構(gòu)中的多余約束常發(fā)生在下述情況：（1）在特定幾何條件下出現(xiàn)的多余約束軌跡重合：在圖9-25所示的雙滑塊機構(gòu)中關(guān)聯(lián)移動副和轉(zhuǎn)動副：幾個移動副，導(dǎo)路互相平行，轉(zhuǎn)動副的軸線互相重合。假構(gòu)件的添置：（2）運動副選擇不當(dāng)出現(xiàn)的多余約束運動副組合的元素往往具有多個接觸面，這些接觸面必