創(chuàng)新設計課件第六講

第五章機構演化、變異原理與創(chuàng)新第一節(jié)機構的運動副演化與變異第二節(jié)機構的構件變異第三節(jié)機構的機架演化與創(chuàng)新第四節(jié)機構的等效變換與創(chuàng)新第一節(jié)機構的運動副演化與變異機構運動副演化與變異的主要目的是:(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)改善機構的受力狀態(tài);(4)改善機構的運動和動力效果;(5)開拓機構的各種新功能;(6)尋求演化新機構的有效途徑。為實現(xiàn)上述目的運動副演化與變異的主要方法包括:(1)改變運動副的尺寸;(2)改變運動副元素的接觸性質;(3)改變運動副元素的形狀。

一、改變運動副的尺寸

改變運動副的尺寸主要是指轉動副和移動副尺寸的增大。1.轉動副的擴大

轉動副的擴大主要指組成轉魂豇盥鐺縋和銷軸孔在直徑尺寸的增大,但各構件之間的相對運動關系沒有發(fā)生改變,這種變異機構常用于泵和壓縮機等機械裝置中。圖5.1a是一個曲柄搖桿機構，當轉動副B的直徑尺寸加大到將轉動副A包括在其中時,曲柄1就變成了一個偏心盤,而連桿2就設計成一個圓環(huán)狀構件,見圖b,曲柄搖桿機構就轉變成一個旋轉泵。該泵的工作過程是,偏心盤1主動,繞機殼的固定幾何中心A轉動,圓環(huán)狀構件2沿機殼的內表面滑動;圓環(huán)2與構件3用轉動副C連接。構件3繞固定軸D轉動,它用于將吸入腔和輸出腔隔開。

圖5.2所示是一個活塞泵的機構運動簡圖。圖b是變異后的活塞泵?？梢钥闯?變異后機構與原始機構在組成上完全相同,只是構件的形狀不一樣。偏心盤和圓環(huán)形連桿組成的轉動副使連桿緊貼固定的內壁運動,形成一個不斷變化的腔體,這有利于流體的吸入和壓出。這種演化與變異的特點是,隨著轉動副的擴大,構件形狀也發(fā)生了變異,分別由桿狀變成圓盤狀和圓環(huán)狀。圓環(huán)狀連桿在固定的圓形腔體內作平面運動,形成不斷變化的空間,以實現(xiàn)工作要求。2轉動副連續(xù)擴大后展直為移動副

圖5.3示出轉動副轉變成移動副的過程。圖a是轉動副A和B的原狀.構件2作往復擺動，擴大固定轉動副A后就變成圖b的形狀；因構件2作擺動,故可以在2桿的擺角范圍內乏偏心盤和固定圓環(huán)改變成扇形形狀,見圖c。把運動副展直,即當2桿的嘗動中心⒕點落到無窮遠處時,扇形滑塊和扇形滑槽就轉變成了直移滑塊和滑槽,即轉動副變成移動副,此時2構件就作往復移動,如圖d所示。當構件間的相對運動條件變化到一定程度時,則它們的相對運動關系也發(fā)生了變化,由此可以演化出新機構。3移動副的擴大與轉動副的擴大相同,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,并且尺寸增大到把機構中其它運動副包含在其中。構件間的相對運動關系并未改變。圖5-4所示是一個沖壓機構,其中移動副C擴大,將轉動副A和移動副B包括在其中,可產生很大的沖擊力。

圖5.5a也是一個沖壓機構,其中移動副擴大,將轉動副A、B及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,實現(xiàn)沖壓動作。將連桿頭處設計成曲面形,使其與滑塊內空間的勿胡段圓弧形狀相吻合,用于提高機構的剛度與穩(wěn)定性。圖5.6所示為一往復凸輪分度機構,其中移動副B擴大,將轉動副⒕和凸輪高副C均包含在其中。該機構工作時,構件1往復移動,推動凸輪2間歇轉動。圖a為鎖緊位置,圖b為構件1左移,推動凸輪順時針方向轉動的位置。凸輪每次轉位角為60°,若需要不同的轉位角,可利用不同的正多邊形凸輪形狀來實現(xiàn)?？梢钥闯?改變運動副的尺寸不僅改善了機構的受力狀態(tài)和運動及動力效果,還開拓了機構的新功能,演化出新機構。二、改變運動副元素的接觸性質

低副元素的接觸性質為滑動接觸,高副元素包含有滾動和滑動兩種接觸性質?；瑒咏佑|使運動副元素的接觸表面產生磨損,降低了機械傳動效率和傳動精度。為減小磨損的方法是用滾動接觸代替滑動接觸。(1)移動副把組成移動副元素之一的結構形狀改變成滾子形,這樣使原始機構中導路與滑塊的結構形式演變?yōu)閷放c滾子結構形式,見圖5.7a、b、c。(2)轉動副把組成轉動副的銷軸和銷軸孔之間增設若干個滾動體,而構成了滾動軸承。(3)高副把凸輪高副中從動件設計成滾子形的,槽輪高副中的撥銷也設計成滾子形,改善摩擦磨損。三、改變運動副元素的形狀1?平面低副

移動副經滑動接觸轉變?yōu)闈L動接觸后,進一步改變移動副元素的形狀,如導軌的形狀。把直線型的移動導路變成曲線型的,并讓帶有小滾子的轉動構仵為主動構件,如圖5-7C所示,則就構造了一個凸輪為從動件,擺桿為主動構件的反凸輪機構。移動副元素形狀的改變用途很多,可以實現(xiàn)特殊的運動規(guī)律,且能解決原始機構難以解決的問題。圖5-8是一個能實現(xiàn)移動構件4運動暫停的機構。圖5-9是一個能克服死點的機構。2?平面高副

改變平面高副元素的形狀主要目的是為了演化變異出具有不同功能的平面高副和改善高副機構的各種性能,如受力狀態(tài)、接觸強度、運動及動力特性等。(1)改變高副元素形狀可演化變異出不同功能的高副平面高副元素的各種形狀可看作是由凸輪高副變異而來,而凸輪機構又可以看成是由楔塊機構變異而來的。如圖5-10、圖5-11、圖5-12所示。圖5-13齒輪機構圖，5-14棘輪機構圖，5-15齒輪齒條機構。(2)改變高副元素形狀可改善機構性能

齒輪高副的變異一般指改變齒廓曲線的形狀,以提高齒面接觸強度,改善齒面間的摩擦磨,以及機構的受力狀態(tài)。為此,齒廓曲線的形狀很多,一般常采用的有漸開線,擺線,圓弧曲線等,而漸開線形的還包括螺旋漸開線,球面漸開線等等,有時還需要對現(xiàn)有齒廓曲線進行修形。

對于凸輪高副,可從凸輪輪廓曲線和從動件與凸輪接觸的工作平面兩個方面考慮。從凸輪廓線考慮,凸輪輪廓曲線應滿足從動件各種運動規(guī)律,如圖5-6所示,將凸輪輪廓曲線設計成對稱正三角形形狀以實現(xiàn)分度功能。從從動件方面考慮,可將從動件的工作平面設計成平面的,凸曲面的,或凹曲面的。以增強接觸強度,減小磨損。對于槽輪高副,可改變槽輪的槽徑向分布為側向分布,使撥銷在槽內每一位置相對于槽輪的轉動中心沿徑向的尺寸變化不大,致使槽輪轉位時比普通槽輪平穩(wěn)些。3.螺旋副螺旋副一般是由互相旋合的螺桿和螺母組成。從其剖面看螺紋形狀有矩形、梯形、鋸齒形、圓形和三角形等,可用于傳動、微調、增力、聯(lián)接等,既簡單又可靠。若從螺旋副旋轉推進工作原理思維,把組成螺旋副的兩個運動副元素之一,螺桿的剖面形狀設計成一個有利于推進流體或粉狀物料的葉片形狀,將其密閉圓筒狀容器內,這樣就構造了一種旋轉推進的螺旋輸送器(物料相當于螺母),用于各種螺桿泵、擠出機等機械設備中。圖5-18就是一種螺旋推進器的示意簡圖。第二節(jié)機構的構件變異機構構件變異的主要目的:(1)改善機構運動的不確定;(2)解決機構由于結構原因無法正確運動問題;(3)開發(fā)新功能;(4)開發(fā)新杌構;r(5)改善機構的受力狀態(tài),提高構件強度或剛度;為實現(xiàn)上述目的所采用的演化變異方法有:(1)利用構件的運動性質進行演化變異;(2)改變構件的結構形狀和尺寸;(3)在構件上增加輔助結構;(4)改變構件運動性質。一、構件的運動性質演化變異這里主要指某些構件進行往復運動時,可以僅利用其單程的運動性質,再進-步改變構件的形狀以實現(xiàn)這個單程運動間歇地重復再現(xiàn),從而演化出新的機構。圖⒌19a是一個擺動導桿機構，如果用滾滑移動副代替移動副,則就變成了圖b所表示的機構。

如果以B點位置,即垂直位置為分界線,把滾滑副的槽分割成兩部分。一部分如圖c所示,當滾子位于槽內時,曲柄AB轉動,導桿OB反向擺動。若滾子脫離擺槽,則運動就中斷。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生,可改變擺桿的形狀,即設計一個沿以OB為半徑的軌跡圓上開了四個均布相同槽的圓盤,使得滾子在脫離一個槽后,相隔一段時間又進入了另一個槽,就把連續(xù)的轉動轉換成間歇的轉動,擺動導桿機構也就變異成外槽輪機構。被分割的另一部分如圖d所示。按照前面同樣的作法,也可以變異成內槽輪機構。二、改變構件的結構形狀和尺寸1.平行四邊形機構的變異圖5-20a是平行四邊形機構,是雙曲柄機構的一特例。但當機構運動到四個構件為一直線位置時,機構處于死點位置,致使機構運動不確定。改變這種狀態(tài)須對機構加以適當?shù)募s束,使其運動確定。采用兩個以上相同機構的組合,如圖b所示。若曲柄上的各活動銷軸鉸接在同一個圓盤上,如A和D點,B和E點分別鉸接在圓盤1和3上,并且進一步的縮短機架4的尺寸,則變成了圖c的形狀。這是一種平行四邊形聯(lián)軸器。2.雙轉塊機構的變異圖5-21a是雙轉塊機構的示意圖,塊1轉動,通過連桿2將轉動傳遞給塊3,4為機架,A、B為兩個固定轉動副。按機構原形的結構形狀,兩個轉塊是無法實現(xiàn)整周回轉的。若分別將1、2、3構件的形狀改變成含有滑槽和凸榫的圓盤形狀,則構造了一個十字滑塊聯(lián)軸器。如圖b所示。其中連桿2變成了圖c所示的兩面各有矩形條狀凸榫的圓盤,且兩凸榫的中心線互相垂直,并通過圓盤中心。轉盤1和3上各開一個凹槽,2上的凸榫分別嵌入1和3相應的凹槽內。機架支承兩個固定轉軸⒕和B,此時,當1盤轉動時,3盤以同樣的速度轉動?！只瑝K聯(lián)軸器。三、增加輔助結構

在機構運動時,往往會產生一些機構的各個組成元素本身無法解決的問題,如運動不確定問題,運動規(guī)律可調性問題等,一般采用輔助結構解決之。1.轉動導桿機構

圖5-22a是一個轉動導桿機構,可以傳遞非勻速轉動。若將導桿的中心線置于曲柄的活動鉸B的軌跡圓上,見圖b,則導桿將以曲柄速度的一半等速轉動。但當活動鉸B的中心與導桿轉動中心重合時,則圖b所示機構的位置將會不確定。為了消除圖b導桿機構的運動不確定性,采取加入第二個滑塊的辦法,并將導桿作成十字槽的圓盤，雙臂曲柄兩端滑塊就在十字槽中運動。

圓盤和轉臂各圍繞各自的固定轉軸轉動,圓盤槽數(shù)為任何數(shù)目時,均以曲柄轉數(shù)的一半速度旋轉。這樣的機構可用來傳遞大載荷。串聯(lián)兩種這樣的機構就可以獲得1:4的無聲傳動。2.凸輪機構

凸輪機構結構簡單,可實現(xiàn)任意運動規(guī)律,但當凸輪輪廓確定后,從動件的運動規(guī)律則不能變換和調節(jié),為改變從動件的運動規(guī)律,可采用增加輔助結構的辦法。圖5-23是一種廓線可變的凸輪機構。凸輪1繞固定軸A轉動,推桿2在導軌B中實現(xiàn)一定運動規(guī)律的往復移動。為改變推桿2的運動規(guī)律,在輪1上裝有四片凸輪片,凸輪片上