3D打印應用技術與創(chuàng)新 第2版 課件 項目十五 機械結構的創(chuàng)新設計

項目十五機械結構的創(chuàng)新設計17世紀初人們開始研究用人力驅動車輪的交通工具，1816年至1818年在法國出現(xiàn)了兩輪間用木梁聯(lián)接的雙輪車，騎車者騎坐在梁上，用兩腳交替蹬地來推動車子前進，這種車稱為“趣馬”。1879年英格蘭人勞森考慮采用后輪驅動，設計了鏈傳動的自行車，采用較大的傳動比，排除了大輪子的必要性，使騎行者安全地騎坐在合適高度的座位上，稱為安全自行車。隨著科學技術的發(fā)展，自行車結構做了不少改進，1888年鄧洛普引入充氣輪胎，使自行車行走更加平穩(wěn)。經過種種改革，使自行車的功能和結構逐步完善起來，而從開始研究到定型差不多經過了80年，而現(xiàn)在隨著人們生活水平的不斷提高，在原有自行車的基礎上開發(fā)研制了多種新型自行車。小小普通的自行車可以有多種新型原理和結構，而且還會不斷改進，可見處處有創(chuàng)新之物，創(chuàng)新設計是大有可為的。

15.1機構的結構分析與設計15.2機構的組合與創(chuàng)新15.3機構的選型與創(chuàng)新15.4機械機構創(chuàng)新設計實例機械機構設計機構的結構分析與設計

機械結構設計實際上就是確定產品、零部件的材料、形狀、尺寸及相互配置關系，它是原理方案設計的具體化，以滿足產品的功能要求。結構設計是一個從抽象到具體、從粗略精確的過程，它根據既定的原理方案，確定總體空間布局、選擇材料和加工方法，通過計算確定尺寸、檢查空間相容性等，由主到次逐步進行結構的細化。結構設計也具有多解性特征，因此需反復、交叉進行分析計算和修改，尋求最好的設計方案，最后完成總體方案結構設計。

機構形式設計具有多樣性和復雜性、滿足同一原理方案的要求可采用或創(chuàng)造不同的機構類型。在進行機構形式設計時，除滿足運動形式、運動規(guī)律或運動軌跡要求外，還應遵循以下幾項原則。機構的結構分析與設計

1.機構盡可能簡化（1）機構運動鏈盡量簡短完成同樣的運動要求，應優(yōu)先選用構件數和運動副數較少的機構，這樣可以簡化機器的構造，從而減小質量、降低成本：同時也可減少由于零件的制造誤差而形成的運動鏈的累積誤差，提高零件加工工藝性，增強機構工作可靠性。

（2）適當選擇運動副在基本機構中，高副機構只有3個構件和3個運動副，低副機構則至少有4個構件和4個運動副。（3）適當選擇原動機執(zhí)行機構的形式與原動機的形式密切相關，不要僅局限于選擇電動機驅動形式。機構的結構分析與設計實現(xiàn)位置變換的機構

（4）選用廣義機構不要僅限于剛性機構，還可選用柔性機構和利用光、電、磁以及摩擦、重力、慣性等原理的機構，許多場合選用此類機構可使機構更加簡單、實用。機構的結構分析與設計2.盡量縮小機構尺寸機械的尺寸和質量隨所選用的機構類型不同而有很大差別。眾所周知，在相同的傳動比情況下，周轉輪系減速器的尺寸和質量比普通定軸輪系減速器要小得多。在連桿機構和齒輪機構中，可利用齒輪傳動時節(jié)圓作純滾動的原理及杠桿放大或縮小的原理等來縮小機構尺寸。

3.應使機構具有較好的動力學特性機構在機械系統(tǒng)中不僅起到傳遞運動的作用，而還要起到傳遞和承受力或力矩的作用，因此要選擇有較好的動力學特性的機構。機構的結構分析與設計（1）采用傳動角較大的機構（2）采用增力機構壓力機主操作機構

（3）采用對稱布置的機構對于高速運轉的機構，不論是往復運動和平面一般運動的構件，還是偏心的回轉構件，它們的慣性力和慣性力矩較大，在選擇機構時應盡可能考慮機構的對稱性，以減小運轉過程中的動負荷和振動。機構的結構分析與設計對稱布置的連桿機構

機構的組合與創(chuàng)新基本機構主要是指機械中最常用的、最簡單的一些機構，如工程技術人員較熟悉的四連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、間歇運動機構等。機構的組合方式很多，主要有串聯(lián)式機構組合、并聯(lián)式機構組合、復合式機構組合和疊加式機構組合。機構的組合與創(chuàng)新1.串聯(lián)式機構組合與創(chuàng)新串聯(lián)式機構組合是指若干個單自由度的基本機構順序聯(lián)接，以前一個機構的輸出構件作為后一個機構的輸入構件的機構組合方式。

串聯(lián)式機構組合的主要功能分析第一種前置子機構為連桿機構。連桿機構的輸出構件一般是連架桿，它能實現(xiàn)往復擺動、往復移動及變速轉動輸出，可具有急回特性。機構的組合與創(chuàng)新縫紉機梭心擺動機構

第二種前置子機構為凸輪機構。凸輪機構的輸出通常為移動或擺動，可實現(xiàn)任意的運動規(guī)律，但行程太小，通常后置子機構利用凸輪機構輸出構件的運動規(guī)律，改善后置子機構的運動特性，使其運動行程增大。后置子機構可以是連桿機構、齒輪機構、槽輪機構等。機構的組合與創(chuàng)新使運動行程增大的凸輪—連桿機構

第三種前置子機構為齒輪機構。齒輪機構的輸出通常為轉動或移動。后置子機構可以是各種類型的基本機構，可獲得各種減速、增速以及其他的功能要求。機構的組合與創(chuàng)新齒輪—圓柱凸輪組合機構

2.并聯(lián)式機構組合與創(chuàng)新兩個或多個基本機構并列布置、稱為并聯(lián)式機構組合。每個基本機構具有各自的輸入構件，而共有一個輸出構件，稱為Ⅰ型并聯(lián)，Ⅰ型并聯(lián)一般是多自由度的；各個基本機構有共同的輸入和輸出構件，稱為Ⅱ型并聯(lián)，Ⅱ型并聯(lián)是將一個運動分解為多個輸出構件，稱為Ⅲ型并聯(lián)。機構的組合與創(chuàng)新并聯(lián)機構的組合

3.復合式機構組合與創(chuàng)新一個具有兩個或兩個以上自由度的基礎機構和一個附加機構并接在一起的組合形式稱為復合式機構組合。這是一種比較復雜的組合形式，基礎機構的輸入運動除來自自身的主動構件外，必有一個來自附加機構。機構的組合與創(chuàng)新4.疊加式機構組合與創(chuàng)新將一個機構安裝在另一機構的某個運動構件上的組合形式，稱為疊加式機構組合，其輸出運動是若干個機構輸出運動的合成，疊加式機構組合的主要功能，是實現(xiàn)特定的輸出，完成復雜動作。

所謂機構的選型，是指利用發(fā)散思維的方法，將前人創(chuàng)造發(fā)明出的各種機構按照運動特性或實現(xiàn)的功能進行分類，然后根據原理方案確定的執(zhí)行構件所需要的運動特性或實現(xiàn)功能進行搜索、選擇、比較和評價，選出合適的機構形式。機構的選型與創(chuàng)新機構選型時應考慮的主要條件：（1）運動規(guī)律（2）運動精度（3）承載能力與工作速度（4）總體布局（5）使用條件與工作條件

機構選型的具體方法：1．按運動形式要求選擇機構機構選型一般先按執(zhí)行構件的運動形式要求選擇機構，同時還應考慮機構的功能特點和原動機的形式。以原動機采用電動機為例，說明機構選型的基本方法。機構的選型與創(chuàng)新2．按機構特定功能進行選型當機器執(zhí)行動作的功能（如夾緊、分度、定位、制動、導向等）很明確時，設計者可按照其功能要求查閱有關手冊，分析具有相應功能的各類機構，進行選擇。

機構選型的具體方法：3．按不同的動力源形式選擇機構常用的動力源：電動機，氣、液動力源，直線電動機等。當有氣、液壓動力源時常選用氣動、液壓機構，尤其是對具有多個執(zhí)行構件的功能機械、自動生產線和自動機等，更應優(yōu)先考慮。機構的選型與創(chuàng)新以平動齒輪傳動機構的設計為例介紹機械結構創(chuàng)新設計的方法，以K—H型少齒差行星齒輪傳動為原始機構，應用運動變換原理，給整個機構一個與行星輪角速度相同而轉動方向相反（－）的轉動，則行星輪的運動狀態(tài)變?yōu)閳A平動、平動齒輪傳動由此得名。機械機構創(chuàng)新設計實例1．平動齒輪機構的結構及傳動原理平動齒輪機構的基本型由外平動齒輪機構和內平動齒輪機構兩種基本型組成。外平動齒輪機構是指一個齒輪在另一個齒輪的外部作平動，驅動另一個齒輪作定軸轉動。2．平動齒輪傳動的關鍵技術平動齒輪傳動的關鍵技術是采用了“圓平動齒輪”。做無自轉行星運動的動軸齒輪稱為圓平動齒輪，齒輪做平動，其圓心的運動軌跡是一個圓。與圓平動齒輪嚙合的另一個齒輪做定軸轉動，且為輸出構件。使齒輪實現(xiàn)圓平動運動的機構為圓平動機構。機械機構創(chuàng)新設計