第五章-機構(gòu)演化-變異原理與創(chuàng)新課件

3.4第五章機構(gòu)演化、變異原理與創(chuàng)新

第一節(jié)機構(gòu)的運動副演化與變異第二節(jié)機構(gòu)的構(gòu)件變異第三節(jié)機構(gòu)的機架變換與創(chuàng)新第四節(jié)機構(gòu)的等效變換與創(chuàng)新第五節(jié)機構(gòu)運動原理的仿效與創(chuàng)新3.4第五章機構(gòu)演化、變異原理與創(chuàng)新

第一節(jié)機構(gòu)的運1

機構(gòu)的演化或變異：

以某機構(gòu)為原始機構(gòu)，在其基礎(chǔ)上對組成機構(gòu)的各個元素進行的各種性質(zhì)的改變或變換，而形成一種功能不同或性能改進的機構(gòu)。

進行各種性質(zhì)的改變與變換主要包括：對機構(gòu)各個元素形狀和尺寸上的改變，運動形式的變換，運動等效的變換，組成原理的仿效。機構(gòu)的演化或變異：以某機構(gòu)為原始機構(gòu)，在其2演化與變異的主要方法有：運動副演化與變異；機構(gòu)的構(gòu)件變異；機構(gòu)的機架變換；機構(gòu)的等效變換；機構(gòu)運動原理的仿效；或以上方法同時運用。通過

通過演化與變異而獲得的新功能機構(gòu)稱為變異機構(gòu)。演化與變異的主要方法有：運動副演化與變異；通過通過演33.4.1§1機構(gòu)的運動副演化與變異主要目的：1）增強運動副元素的接觸強度2）減小運動副元素的摩擦、磨損3）改善機構(gòu)的受力狀態(tài)4）改善機構(gòu)的運動和動力效果5）開拓機構(gòu)的各種新功能6）尋求演化新機構(gòu)的有效途徑主要方法包括：1）改變運動副的尺寸2）改變運動副元素的接觸性質(zhì)3）改變運動副元素的形狀3.4.1§1機構(gòu)的運動副演化與變異主要目的：1）增強運4一：改變運動副的尺寸主要是指轉(zhuǎn)動副和移動副尺寸的增大1.轉(zhuǎn)動副的擴大主要指組成轉(zhuǎn)動副的銷軸和銷軸孔在直徑尺寸上的增大，但各構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系并沒有發(fā)生改變，這種變異機構(gòu)常用于泵和壓縮機等機械裝置中。一：改變運動副的尺寸主要是指轉(zhuǎn)動副和移動副尺寸的增大1.轉(zhuǎn)5轉(zhuǎn)動副B的直徑尺寸加大到將轉(zhuǎn)動副A包括在其中時，曲柄1就變成了偏心盤，而連桿2就設(shè)計成一個圓環(huán)狀構(gòu)件。曲柄搖桿機構(gòu)就轉(zhuǎn)變成一個旋轉(zhuǎn)泵。工作過程：偏心盤1繞中心A轉(zhuǎn)動，圓環(huán)狀構(gòu)件2沿機殼的內(nèi)表面滑動；2與構(gòu)件3用轉(zhuǎn)動副C連接。3繞固定軸D轉(zhuǎn)動，用于將吸入腔和輸出腔隔開。旋轉(zhuǎn)泵曲柄搖桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動副B的直工作過程：偏心盤1繞中心A轉(zhuǎn)動，圓環(huán)狀構(gòu)件2沿機6旋轉(zhuǎn)泵轉(zhuǎn)動副B的直徑尺寸加大到將轉(zhuǎn)動副A包括在其中時，曲柄1就變成了偏心盤1，而連桿2就設(shè)計成一端圓環(huán)狀，另一端為桿狀的套圈，桿狀端插入支撐塊3上，并沿支撐塊滑動，支撐塊3與殼體4組成轉(zhuǎn)動副，曲柄搖塊機構(gòu)就轉(zhuǎn)變成一個旋轉(zhuǎn)泵。工作過程：偏心盤1繞中心A轉(zhuǎn)動，圓環(huán)狀構(gòu)件2沿機殼的內(nèi)表面滑動；則液體按圖示箭頭方向流動，套圈2的葉片a用以把吸入腔與輸出腔隔開。曲柄搖塊機構(gòu)旋轉(zhuǎn)泵轉(zhuǎn)動副B的直徑尺工作過程：偏心盤1繞中心A轉(zhuǎn)動，圓環(huán)狀7偏心盤和圓環(huán)形連桿組成的轉(zhuǎn)動副使連桿緊貼固定的內(nèi)壁運動，形成一個不斷變化的腔體，有利于流體的吸入和壓出。特點：由于轉(zhuǎn)動副的擴大，構(gòu)件形狀分別由桿狀變換成圓盤狀和圓環(huán)狀。圓環(huán)狀連桿在固定的圓形腔體內(nèi)作平面運動，形成不斷變化的空間，以實現(xiàn)工作要求。曲柄滑塊機構(gòu)活塞泵偏心盤和圓環(huán)形連特點：由于轉(zhuǎn)動副的擴大，構(gòu)件形狀分別由桿狀變82.轉(zhuǎn)動副連續(xù)擴大后展直為移動副轉(zhuǎn)動副A與B原狀，構(gòu)件2作往復擺動。固定轉(zhuǎn)動副A擴大后的形狀。因2作擺動，在其擺角范圍內(nèi)把擺動盤和固定圓環(huán)改成扇形形狀。當2的擺動中A點落到無窮遠處時，就變成了移動副。2.轉(zhuǎn)動副連續(xù)擴大后展直為移動副轉(zhuǎn)動副A與B原狀，構(gòu)件2作93.移動副的擴大

主要指組成移動副的滑塊與導路尺寸的變大，并且增大到把機構(gòu)中其它運動副包含在其中。構(gòu)件間的相對運動關(guān)系并未改變。沖壓機構(gòu)：移動副C擴大，將轉(zhuǎn)動副A和移動副B包括在其中，因滑塊的質(zhì)量大，所以可產(chǎn)生很大的沖壓力。沖壓機構(gòu)正弦機構(gòu)3.移動副的擴大主要指組成移動副的滑塊與導路尺寸的沖10曲柄滑塊機構(gòu)沖壓機構(gòu)移動副擴大，將轉(zhuǎn)動副A、B和C均包括在其中。曲柄1通過連桿2帶動沖頭3作上下往復移動。曲柄滑塊機構(gòu)沖壓機構(gòu)移動副擴大，將轉(zhuǎn)動副A、B和C均包括11往復凸輪分度機構(gòu)：移動副B擴大，將轉(zhuǎn)動副A和凸輪高副C均包含在其中。該機構(gòu)工作時，構(gòu)件1往復移動，推動凸輪2間歇轉(zhuǎn)動。左圖為鎖緊位置，右圖為構(gòu)件1左移，推動凸輪順時針方向轉(zhuǎn)動的位置往復凸輪分度機構(gòu)：移動副B擴大，將轉(zhuǎn)動該機構(gòu)工作時，構(gòu)件12二：改變運動副元素的接觸性質(zhì)低副元素的接觸性質(zhì)：滑動接觸，使運動副元素的接觸表面產(chǎn)生磨損，降低了機械傳動效率和傳動精度。高副元素的接觸性質(zhì)：滾動接觸和滑動接觸減小磨損的方法：用滾動接觸代替滑動接觸二：改變運動副元素的接觸性質(zhì)低副元素的接觸性質(zhì)：滑動接觸，使131.移動副：把組成移動副元素之一的結(jié)構(gòu)形狀改變成滾子形，這樣使原始機構(gòu)中導路與滑塊的結(jié)構(gòu)形式演變?yōu)閷放c滾子結(jié)構(gòu)形式。1.移動副：把組成移動副元素之一的142.轉(zhuǎn)動副：把組成轉(zhuǎn)動副的銷軸和銷軸孔之間增設(shè)若干個滾動體，而構(gòu)成了滾動軸承。3.高副：把凸輪高副中從動件設(shè)計成滾子形的，槽輪高副中的撥銷也設(shè)計成滾子形，以用來改善摩擦磨損。2.轉(zhuǎn)動副：把組成轉(zhuǎn)動副的銷軸和銷3.高副：把凸輪高副中從動15三：改變運動副元素的形狀

因運動副的作用、性質(zhì)主要取決于運動副元素的形狀，所以改變其形狀是內(nèi)容最豐富的一種演化變異。1.展直

曲柄搖桿機構(gòu)中，搖稈3上點C的軌跡是以D為圓心，CD長為半徑的圓弧。三：改變運動副元素的形狀因運動副的作用、性質(zhì)16

若構(gòu)造一個弧形槽，將滑塊制成扇形機構(gòu)并置于槽中，機構(gòu)運動特性并未改變

若將弧形槽半徑增至無窮大，則弧形槽就演變?yōu)橹辈郏瑝K也變?yōu)殚L方形滑塊，轉(zhuǎn)動副也就演化為移動副，鉸鏈四桿機構(gòu)也就演化為偏置式曲柄滑塊機構(gòu)。

當圖中偏距e=0時，則成為對心式曲柄滑塊機構(gòu)。若構(gòu)造一個弧形槽，將滑塊制成扇形機構(gòu)并置于槽中，機構(gòu)運172.繞曲楔塊機構(gòu)的斜面接觸，若在移動平面上進行繞曲，就變成盤形凸輪機構(gòu)的平面高副；若在水平平面上繞曲就演化成螺旋機構(gòu)的螺旋副。2.繞曲楔塊機構(gòu)的斜面接觸，若在移動平面上進行繞曲，就變成盤183.重復再現(xiàn)

當運動副元素在機構(gòu)的一個運動周期內(nèi)重復再現(xiàn)時，原始機構(gòu)就可以演化為具有新功能的機構(gòu)。凸輪輪廓曲線是一個具有12個凸凹圓弧形的曲線，從動構(gòu)件是由兩個圓柱滾子擺桿構(gòu)成。機構(gòu)工作時，一個滾子位于凹曲線底部，另一個則位于頂部，或反之，由此完成鋸條往復運動的動作要求。電動鋸條的凸輪機構(gòu)具有輪廓曲線的重復和連續(xù)的特點：3.重復再現(xiàn)當運動副元素在機構(gòu)的一個運動周期內(nèi)重復再現(xiàn)19螺旋副用于傳動時，可以實現(xiàn)由轉(zhuǎn)動變移動的運動變換，若從螺旋副旋轉(zhuǎn)推進工作原理進行思維，將螺桿的形狀改成葉片狀放于密閉圓筒狀容器內(nèi)，而物料就相當于螺母，經(jīng)過這樣的替代就產(chǎn)生了螺旋輸送器。4.運動副的替代螺旋副用于傳動時，可以實現(xiàn)由轉(zhuǎn)動變移動的運動變換，若從螺旋副203.4.2§2機構(gòu)的構(gòu)件變異主要目的：1）改善機構(gòu)運動的不確定2）解決機構(gòu)由于結(jié)構(gòu)原因無法正確運動問題3）開發(fā)新功能4）開發(fā)新機構(gòu)5）改善機構(gòu)的受力狀態(tài)，主要演化變異方法：1）利用構(gòu)件的運動性質(zhì)進行演化變異2）改變構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸3）在構(gòu)件上增加輔助結(jié)構(gòu)4）改變構(gòu)件運動性質(zhì)3.4.2§2機構(gòu)的構(gòu)件變異主要目的：1）改善機構(gòu)運動的21一：利用構(gòu)件的運動性質(zhì)演化變異主要指某些構(gòu)件進行往復運動時，可以僅利用其單程的運動性質(zhì)，再進一步改變構(gòu)件的形狀以實現(xiàn)這個單程運動間歇地重復再現(xiàn)，從而演化出新的機構(gòu)。擺動導桿機構(gòu)：曲柄AB主動，輸入轉(zhuǎn)動，擺桿OB從動，輸出往復擺動。一：利用構(gòu)件的運動性質(zhì)演化變異主要指某些構(gòu)件進行往復22如果用滾滑移動副代替移動副B，成圖示機構(gòu)。當曲柄AB和擺桿OB的夾角為銳角即處于B′位置時，擺桿的擺動方向與曲柄同向；而夾角為鈍角即處于B″位置時，擺桿的擺動方向則與曲柄的轉(zhuǎn)動方向相反，為逆時針方向。方向改變的起始位置在AB和OB相垂直的B點。若以垂直位置即B點為分界線，可把滾滑副的槽分割成兩部分。如果用滾滑移動副代替當曲柄AB和擺桿OB的夾角為銳角即處于B23一部分如圖：當滾子位于槽內(nèi)時，曲柄AB轉(zhuǎn)動，導桿OB反向擺動。若滾子脫離擺槽，則運動就會中斷。

可改變擺桿的形狀，設(shè)計一個沿以O(shè)B為半徑的軌跡圓上開了四個均布相同槽的圓盤，使?jié)L子在脫離一個槽后，相隔一段時間進入了另一個槽，就把連續(xù)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成間歇的轉(zhuǎn)動，擺動導桿機構(gòu)就變成了外槽輪機構(gòu)。另一部分如圖：按同樣的做法，可變異成內(nèi)槽輪機構(gòu)。一部分如圖：當滾子位于槽內(nèi)時，曲柄AB轉(zhuǎn)動可改變24二：改變構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸

可以解決機構(gòu)運動不確定和機構(gòu)因結(jié)構(gòu)原因無法正常運動等問題。1.平行四邊形機構(gòu)

能傳遞勻速轉(zhuǎn)動，但死點位置時機構(gòu)運動不確定?？刹捎脙蓚€以上的相同機構(gòu)的組合，使其運動確定。圓盤式連軸器的演化變異過程：

二：改變構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸可以解決機構(gòu)運動不確定和25在此基礎(chǔ)上，將曲柄上的各活動銷軸鉸接在同一個圓盤上，并縮短機架，可用來傳遞轉(zhuǎn)動，成為一種平行四邊形連軸器。還可以進一步變異，把連桿2作成滾輪的結(jié)構(gòu)形式，把1盤上的A鉸位置全部作成以連桿2的長度為半徑的圓孔，孔的內(nèi)側(cè)曲柄3上的滾輪滾動接觸，成為孔銷式連軸器。在此基礎(chǔ)上，將曲柄還可以進一步變異，把連桿2作成滾輪的結(jié)構(gòu)形262.雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)的變異塊1轉(zhuǎn)動，通過連桿2將轉(zhuǎn)動傳遞給塊3。兩轉(zhuǎn)塊無法實現(xiàn)整周回轉(zhuǎn)?？煞謩e將1、2、3構(gòu)件的型狀改變成含有滑槽和凸榫的圓盤形狀，就構(gòu)造成一個十字滑塊連軸器。當1盤轉(zhuǎn)動時，3盤以同樣的速度轉(zhuǎn)動。2上的凸榫分別嵌入1和3相應(yīng)的凹槽內(nèi)。2.雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)的變異塊1轉(zhuǎn)動，通過連桿可分別將1、2、3構(gòu)273.擺動導桿的變異在擺動導桿機構(gòu)中，若將導桿2的導槽某一部分做成圓弧形，并且其槽中心線的圓弧半徑等于曲柄OA的長度。當曲柄的端部銷A轉(zhuǎn)入圓弧導槽時，導桿則停歇，實現(xiàn)了單側(cè)停歇的功能，并且結(jié)構(gòu)簡單。曲柄滑塊機構(gòu)中，可將滑塊設(shè)計成帶有導向槽的結(jié)構(gòu)形狀，直接驅(qū)動曲柄做旋轉(zhuǎn)運動，構(gòu)造出無死點的曲柄機構(gòu)。3.擺動導桿的變異在擺動導桿機構(gòu)中，若將導桿2的導槽某一部28三：增加輔助結(jié)構(gòu)可解決運動不確定問題、運動規(guī)律可調(diào)性問題等廓線可變凸輪機構(gòu)在輪1上裝有4片凸輪片，其上有槽，把凸輪片旋轉(zhuǎn)到合適位置，可獲得不同形狀的凸輪廓線，從而可改變推桿2的運動規(guī)律。廓線可調(diào)凸輪機構(gòu)三：增加輔助結(jié)構(gòu)可解決運動不確定問題、運動規(guī)律可調(diào)性問題等廓29推桿可換凸輪機構(gòu)組成：圓柱凸輪上制作有兩個凸輪溝槽a和b，它們是按不同的運動規(guī)律確定的，形狀是不同的。兩推桿和兩溝槽相互對應(yīng)。推桿上制有齒條與夾在其中的齒輪2相嚙合。工作過程：旋轉(zhuǎn)齒輪就可以實現(xiàn)滾子的變換，從而可以輸出不同運動規(guī)律的移動。推桿可換凸輪機構(gòu)組成：圓柱凸輪上制作有兩工作過程：旋轉(zhuǎn)齒輪30四：改變構(gòu)件的運動性質(zhì)主要針對凸輪機構(gòu)增大行程的問題推桿行程增大的凸輪機構(gòu)組成：凸輪軸1上套有一個可借助于導向鍵A沿軸向移動又可轉(zhuǎn)動的端面凸輪，其上端與從動桿4上的滾輪接觸，下端則與固定滾輪3接觸。工作過程：凸輪轉(zhuǎn)動時，從動桿的升程是兩項升程之和，一項是凸輪相對于固定滾子的升程，另一項是從動桿相對于凸輪的升程。四：改變構(gòu)件的運動性質(zhì)主要針對凸輪機構(gòu)增大行程的問題推桿行程31增程凸輪機構(gòu)組成：將凸輪設(shè)計成中間帶有滑道，并將轉(zhuǎn)動滑塊設(shè)在其中。工作過程：當凸輪轉(zhuǎn)動時，就可以實現(xiàn)凸輪相對于固定滾子的位移，而從動桿相對于凸輪又有位移，達到增大行程的效果。增程凸輪機構(gòu)組成：將凸輪設(shè)計成中間帶有滑工作過程：當凸輪轉(zhuǎn)動32畫出變異機構(gòu)的原始機構(gòu)說明其工作過程課堂練習畫出變異機構(gòu)的原始機構(gòu)課堂練習333.4.3§3機構(gòu)的機架變換與創(chuàng)新機構(gòu)的機架變換：是指機構(gòu)內(nèi)的運動構(gòu)件與機架的互相轉(zhuǎn)換，或稱作機構(gòu)的倒置。一：平面四桿機構(gòu)的機架變換1.全轉(zhuǎn)動副四桿機構(gòu)的機架變換曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)3.4.3§3機構(gòu)的機架變換與創(chuàng)新機構(gòu)的機架變換：342.含有一個移動副的四桿機構(gòu)的機架變換曲柄滑塊機構(gòu)轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)搖塊機構(gòu)移動導桿機構(gòu)3.含有二個移動副的四桿機構(gòu)的機架變換雙滑塊機構(gòu)雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)正弦機構(gòu)正切機構(gòu)2.含有一個移動副的四桿機構(gòu)的機架變換曲柄滑塊機構(gòu)轉(zhuǎn)動導桿機35二：凸輪機構(gòu)的機架變換二：凸輪機構(gòu)的機架變換36三：齒輪機構(gòu)及撓性件傳動機構(gòu)機架變換三：齒輪機構(gòu)及撓性件傳動機構(gòu)機架變換37四：間歇運動機構(gòu)的機架變換四：間歇運動機構(gòu)的機架變換383.4.4§4機構(gòu)的等效變換與創(chuàng)新

即機構(gòu)的同性異形變換，指輸入、輸出的運動特性相同或等效，但機構(gòu)不同的一組機構(gòu)。獲得同性異形機構(gòu)的途徑：一：利用運動副的等效代換創(chuàng)新同性異形機構(gòu)

是指組成機構(gòu)的各種運動副相互轉(zhuǎn)換和替代，而又不改變機構(gòu)運動的輸入和輸出特性。3.