第五章机构演化变异原理与创新ppt课件.ppt
3.4第五章 机构演化、变异原理与创新,第一节 机构的运动副演化与变异第二节 机构的构件变异第三节 机构的机架变换与创新第四节 机构的等效变换与创新第五节 机构运动原理的仿效与创新,机构的演化或变异：,以某机构为原始机构，在其基础上对组成机构的各个元素进行的各种性质的改变或变换，而形成一种功能不同或性能改进的机构。,进行各种性质的改变与变换主要包括：,对机构各个元素形状和尺寸上的改变，运动形式的变换，运动等效的变换，组成原理的仿效。,演化与变异的主要方法有：,运动副演化与变异；机构的构件变异；机构的机架变换；机构的等效变换；机构运动原理的仿效；或以上方法同时运用。,通过,通过演化与变异而获得的新功能机构称为变异机构。,3.4.11 机构的运动副演化与变异,主要目的：,1）增强运动副元素的接触强度2）减小运动副元素的摩擦、磨损3）改善机构的受力状态4）改善机构的运动和动力效果5）开拓机构的各种新功能6）寻求演化新机构的有效途径,主要方法包括：,1）改变运动副的尺寸2）改变运动副元素的接触性质3）改变运动副元素的形状,一：改变运动副的尺寸,主要是指转动副和移动副尺寸的增大,1. 转动副的扩大,主要指组成转动副的销轴和销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对运动关系并没有发生改变，这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。,转动副B的直径尺寸加大到将转动副A包括在其中时，曲柄1就变成了偏心盘，而连杆2就设计成一个圆环状构件。曲柄摇杆机构就转变成一个旋转泵。,工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机 壳的内表面滑动；2与构件3用转动副C连 接。3绕固定轴D转动，用于将吸入腔和输 出腔隔开。,旋转泵,曲柄摇杆机构,旋转泵,转动副B的直径尺寸加大到将转动副A包括在其中时，曲柄1就变成了偏心盘1，而连杆2就设计成一端圆环状，另一端为杆状的套圈，杆状端插入支撑块3上，并沿支撑块滑动，支撑块3与壳体4组成转动副，曲柄摇块机构就转变成一个旋转泵。,工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机 壳的内表面滑动；则液体按图示箭头方向 流动，套圈2的叶片a用以把吸入腔与输出 腔隔开。,曲柄摇块机构,偏心盘和圆环形连杆组成的转动副使连杆紧贴固定的内壁运动，形成一个不断变化的腔体，有利于流体的吸入和压出。,特点：由于转动副的扩大，构件形状分别由杆状变 换成圆盘状和圆环状。圆环状连杆在固定的 圆形腔体内作平面运动，形成不断变化的空 间，以实现工作要求。,曲柄滑块机构,活塞泵,2. 转动副连续扩大后展直为移动副,转动副A与B原状，构件2作往复摆动。,固定转动副A扩大后的形状。,因 2 作摆动，在其摆角范围内把摆动盘和固定圆环改成扇形形状。,当2的摆动中A点落到无穷远处时，就变成了移动副。,3.移动副的扩大,主要指组成移动副的滑块与导路尺寸的变大，并且增大到把机构中其它运动副包含在其中。构件间的相对运动关系并未改变。,冲压机构：移动副C扩大，将转动副A和移动 副B包括在其中，因滑块的质量 大，所以可产生很大的冲压力。,冲压机构,正弦机构,曲柄滑块机构,冲压机构,移动副扩大，将转动副A、B和C均包括在其中。曲柄1通过连杆2带动冲头3作上下往复移动。,往复凸轮分度机构：移动副B扩大，将转动 副A和凸轮高副C均包含在其中。,该机构工作时，构件1往复移动，推动凸轮 2间歇转动。,左图为锁紧位置，右图为构件1左移，推动 凸轮顺时针方向转动的位置,二：改变运动副元素的接触性质,低副元素的接触性质：滑动接触，使运动副元素的接触表面产生磨损，降低了机械传动效率和传动精度。,高副元素的接触性质：滚动接触和滑动接触,减小磨损的方法：用滚动接触代替滑动接触,1.移动副：把组成移动副元素之一的 结构形状改变成滚子形， 这样使原始机构中导路与 滑块的结构形式演变为导 路与滚子结构形式。,2.转动副：把组成转动副的销轴和销 轴孔之间增设若干个滚动 体，而构成了滚动轴承。,3.高副：把凸轮高副中从动件设计成 滚子形的，槽轮高副中的拨 销也设计成滚子形，以用来 改善摩擦磨损。,三：改变运动副元素的形状,因运动副的作用、性质主要取决于运动副元素的形状，所以改变其形状是内容最丰富的一种演化变异。,1.展直,曲柄摇杆机构中，摇秆3上点C的轨迹是以D为圆心，CD长为半径的圆弧。,若构造一个弧形槽，将滑块制成扇形机构并置于槽中，机构运动特性并未改变,若将弧形槽半径增至无穷大，则弧形槽就演变为直槽，滑块也变为长方形滑块，转动副也就演化为移动副，铰链四杆机构也就演化为偏置式曲柄滑块机构。,当图中偏距e=0时，则成为对心式曲柄滑块机构。,2.绕曲,楔块机构的斜面接触，若在移动平面上进行绕曲，就变成盘形凸轮机构的平面高副；若在水平平面上绕曲就演化成螺旋机构的螺旋副。,3.重复再现,当运动副元素在机构的一个运动周期内重复再现时，原始机构就可以演化为具有新功能的机构。,凸轮轮廓曲线是一个具有12个凸凹圆弧形的曲线，从动构件是由两个圆柱滚子摆杆构成。机构工作时，一个滚子位于凹曲线底部，另一个则位于顶部，或反之，由此完成锯条往复运动的动作要求。,电动锯条的凸轮机构,具有轮廓曲线的重复和连续的特点：,螺旋副用于传动时，可以实现由转动变移动的运动变换，若从螺旋副旋转推进工作原理进行思维，将螺杆的形状改成叶片状放于密闭圆筒状容器内，而物料就相当于螺母，经过这样的替代就产生了螺旋输送器。,4.运动副的替代,3.4.22 机构的构件变异,主要目的：,1）改善机构运动的不确定2）解决机构由于结构原因无法正确运动问题3）开发新功能4）开发新机构5）改善机构的受力状态，,主要演化变异方法：,1）利用构件的运动性质进行演化变异2）改变构件的结构形状和尺寸3）在构件上增加辅助结构4）改变构件运动性质,一：利用构件的运动性质演化变异,主要指某些构件进行往复运动时，可以仅利用其单程的运动性质，再进一步改变构件的形状以实现这个单程运动间歇地重复再现，从而演化出新的机构。,摆动导杆机构：,曲柄AB主动，输入转动，摆杆OB从动，输出往复摆动。,如果用滚滑移动副代替移动副B，成图示机构。,当曲柄AB和摆杆OB的夹角为锐角即处于B位置时，摆杆的摆动方向与曲柄同向；而夹角为钝角即处于B位置时，摆杆的摆动方向则与曲柄的转动方向相反，为逆时针方向。方向改变的起始位置在AB和OB相垂直的B点。,若以垂直位置即B点为分界线，可把滚滑副的槽分割成两部分。,一部分如图：,当滚子位于槽内时，曲柄AB转动，导杆OB反向摆动。若滚子脱离摆槽，则运动就会中断。,可改变摆杆的形状，设计一个沿以OB为半径的轨迹圆上开了四个均布相同槽的圆盘，使滚子在脱离一个槽后，相隔一段时间进入了另一个槽，就把连续的转动转换成间歇的转动，摆动导杆机构就变成了外槽轮机构。,另一部分如图：,按同样的做法，可变异成内槽轮机构。,二：改变构件的结构形状和尺寸,可以解决机构运动不确定和机构因结构原因无法正常运动等问题。,1.平行四边形机构,能传递匀速转动，但死点位置时机构运动不确定。,可采用两个以上的相同机构的组合，使其运动确定。,圆盘式连轴器的演化变异过程：,在此基础上，将曲柄上的各活动销轴铰接在同一个圆盘上，并缩短机架，可用来传递转动，成为一种平行四边形连轴器。,还可以进一步变异，把连杆2作成滚轮的结构形式，把1盘上的A铰位置全部作成以连杆2的长度为半径的圆孔，孔的内侧曲柄3上的滚轮滚动接触，成为孔销式连轴器。,2. 双转块机构的变异,块1转动，通过连杆2将转动传递给块3 。两转块无法实现整周回转。,可分别将1、2、3构件的型状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘形状，就构造成一个十字滑块连轴器。当1 盘转动时，3盘以同样的速度转动。,2上的凸榫分别嵌入1和3相应的凹槽内。,3. 摆动导杆的变异,在摆动导杆机构中，若将导杆2的导槽某一部分做成圆弧形，并且其槽中心线的圆弧半径等于曲柄OA的长度。当曲柄的端部销A转入圆弧导槽时，导杆则停歇，实现了单侧停歇的功能，并且结构简单。,曲柄滑块机构中，可将滑块设计成带有导向槽的结构形状，直接驱动曲柄做旋转运动，构造出无死点的曲柄机构。,三：增加辅助结构,可解决运动不确定问题、运动规律可调性问题等,廓线可变凸轮机构,在轮1上装有4片凸轮片，其上有槽，把凸轮片旋转到合适位置，可获得不同形状的凸轮廓线，从而可改变推杆2的运动规律。,廓线可调凸轮机构,推杆可换凸轮机构,组成：圆柱凸轮上制作有两 个凸轮沟槽a和b，它们是 按不同的运动规律确定的， 形状是不同的。两推杆和 两沟槽相互对应。推杆上 制有齿条与夹在其中的齿 轮2相啮合。,工作过程：旋转齿轮就可以实现滚子的变换， 从而可以输出不同运动规律的移动。,四：改变构件的运动性质,主要针对凸轮机构增大行程的问题,推杆行程增大的凸轮机构,组成：凸轮轴1上套有一个可借助 于导向键A沿轴向移动又可转动 的端面凸轮，其上端与从动杆4 上的滚轮接触，下端则与固定滚 轮3接触。,工作过程：凸轮转动时，从动杆的 升程是两项升程之和，一项是凸 轮相对于固定滚子的升程，另一 项是从动杆相对于凸轮的升程。,增程凸轮机构,组成：将凸轮设计成中间带有滑 道，并将转动滑块设在其中。,工作过程：当凸轮转动时，就可 以实现凸轮相对于固定滚子的 位移，而从动杆相对于凸轮又 有位移，达到增大行程的效果。,画出变异机构的原始机构说明其工作过程,课堂练习,3.4.33 机构的机架变换与创新,机构的机架变换：,是指机构内的运动构件与机架的互相转换，或称作机构的倒置。,一：平面四杆机构的机架变换,1.全转动副四杆机构的机架变换,曲柄摇杆机构,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,2.含有一个移动副的四杆机构的机架变换,曲柄滑块机构,转动导杆机构,摇块机构,移动导杆机构,3.含有二个移动副的四杆机构的机架变换,双滑块机构,双转块机构,正弦机构,正切机构,二：凸轮机构的机架变换,三：齿轮机构及挠性件传动机构机架变换,四：间歇运动机构的机架变换,3.4.44 机构的等效变换与创新,即机构的同性异形变换，指输入、输出的运动特性相同或等效，但机构不同的一组机构。,获得同性异形机构的途径：,一：利用运动副的等效代换创新同 性异形机构,是指组成机构的各种运动副相互转换和替代，而又不改变机构运动的输入和输出特性。,1.空间运动副与平面运动副的等效代换,球面副S可由汇交于球心的三个转动副R-R-R等效代换。,圆柱副C可由转动轴线与移动导路重合的转动副R与移动副P等效代换。,2.平面高副与平面低副的等效代换,凸轮机构 曲柄摇杆机构,凸轮机构 曲柄滑块机构,凸轮机构 摆动导杆机构,二：利用瞬心线创新同性异形机构,铰链四杆机构：,三：利用周转轮系的不同结构 创新同性异形机构,3.4.55机构运动原理的仿效与创新,是指一些相同的运动原理可以用到不同的机构中去。,一：差动运动原理的仿效,1,2,3,4,2,二：谐波传动原理的仿效,三：啮合传动原理的仿效,齿形带传动,四：滚动传动原理的仿效,滚珠螺旋、钢球活齿传动,课堂练习：,写出 5 种螺旋机构的功能及变异功能，以及再可以开发的新功能。,
