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1、2022-10-29机构组合与创新设计机构组合与创新设计机构组合与创新设计机构组合与创新设计一、基本机构的概念一、基本机构的概念 本章把连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、本章把连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等结构最简单且不能再进行分割的间歇运动机构等结构最简单且不能再进行分割的闭链机构称为基本机构，或称为机构的闭链机构称为基本机构，或称为机构的基本型基本型。工程中，基本机构虽然有着广泛的应用，工程中，基本机构虽然有着广泛的应用，但由基本机构组合在一起而形成的机构系统的应但由基本机构组合在一起而形成的机构系统的应用更为广泛。用更为广泛。基本机构是创新设计机构系统的基础。基本机构是创新设计

2、机构系统的基础。机构组合与创新设计常用基本型常用基本型（一）连杆机构的基本型1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 3.双摇杆机构双摇杆机构2.双曲柄机构双曲柄机构机构组合与创新设计4.曲柄滑块机构曲柄滑块机构7.摆摆动动导导杆杆机机构构5.曲柄摇块机构曲柄摇块机构6.转转动动导导杆杆机机构构8.移移动动导导杆杆机机构构机构组合与创新设计10.正正切切机机构构9.正正弦弦机机构构11.双双转转块块机机构构12.双双滑滑块块机机构构机构组合与创新设计常用基本型常用基本型（二）齿轮类机构的基本型1.圆柱齿轮机构圆柱齿轮机构 3.蜗杆机构蜗杆机构2.圆锥齿轮机构圆锥齿轮机构 用于垂直不相交轴之间的等速转动用于

3、垂直不相交轴之间的等速转动到等速转动的运动变换，实现机构的大到等速转动的运动变换，实现机构的大速比减速传动。速比减速传动。一般情况下蜗杆传动机构具有自锁性。一般情况下蜗杆传动机构具有自锁性。机构组合与创新设计常用基本型常用基本型（三）凸轮类机构的基本型1.直动从动直动从动件盘形凸轮件盘形凸轮机构机构 2.摆动从动件摆动从动件盘形凸轮机构盘形凸轮机构 3.直动从动直动从动件圆柱凸轮件圆柱凸轮机构机构 机构组合与创新设计常用基本型常用基本型（四）间歇运动机构的基本型2.槽轮机构槽轮机构 机构组合与创新设计3.不完全齿轮机构不完全齿轮机构 4.凸轮间歇运动机凸轮间歇运动机构构 圆圆柱柱凸凸轮轮间间歇

4、歇运运动动机机构构 蜗杆凸轮间歇运动机蜗杆凸轮间歇运动机构构 机构组合与创新设计常用基本型常用基本型（五）其它常用机构的基本型1.螺旋机构螺旋机构 2.(双双)万万向机构向机构 机构组合与创新设计常用基本型常用基本型（六）挠性传动机构的基本型机构组合与创新设计二、基本机构的运动特点分析二、基本机构的运动特点分析（一）转动到转动的运动特性分析1.齿轮机构齿轮机构2.带传动机构带传动机构3.链传动机构链传动机构用于速度或方向的运动变换，即可实现减速也可增速用于速度或方向的运动变换，即可实现减速也可增速传动。结构紧凑，运转平稳，传动比大，机械效率高，使传动。结构紧凑，运转平稳，传动比大，机械效率高，

5、使用寿命长，可靠性好。是最常用的转动到转动的速度变换用寿命长，可靠性好。是最常用的转动到转动的速度变换机构。特别是组成各种轮系后，其应用更加广泛。机构。特别是组成各种轮系后，其应用更加广泛。常用于两转动轴中心距较大时的运动速度的变换，常用于两转动轴中心距较大时的运动速度的变换，即可实现减速也可增速传动。运转平稳，传动比较大，即可实现减速也可增速传动。运转平稳，传动比较大，但传动比不准确，过载时发生打滑。是最常用的大中心但传动比不准确，过载时发生打滑。是最常用的大中心距时转动到转动的速度变换机构。距时转动到转动的速度变换机构。常用于两转动轴中心距较大时的运动速度的变换，即常用于两转动轴中心距较大

6、时的运动速度的变换，即可实现减速也可增速传动。传动比较大，压轴力较小，但可实现减速也可增速传动。传动比较大，压轴力较小，但瞬时传动比不准确，不适合在高速场合应用。也是在低速瞬时传动比不准确，不适合在高速场合应用。也是在低速时最常用的大中心距转动到转动的速度变换机构。时最常用的大中心距转动到转动的速度变换机构。由于完成相同运动变换的机构类型往往不止一种，因此必须充分了解它们的运动与动力特性，才能更好地选择基本机构的类型。机构组合与创新设计4.摩擦轮机构摩擦轮机构5.双曲柄机构与转动导杆机构双曲柄机构与转动导杆机构6.双转块机构双转块机构7.万向机构万向机构用于速度或方向的运动变换，即可实现用于速

7、度或方向的运动变换，即可实现减速也可增速传动。结构紧凑简单，运转平减速也可增速传动。结构紧凑简单，运转平稳，但传动比不准确，只能在小功率且传动稳，但传动比不准确，只能在小功率且传动比要求不是很准确的场合应用。比要求不是很准确的场合应用。利用主动件等速转动、从动件的不等速利用主动件等速转动、从动件的不等速转动的特点实现特殊工作要求。转动的特点实现特殊工作要求。主动转块与从动转块同速转动，但它们主动转块与从动转块同速转动，但它们的转动轴线平行。可用于轴线不重合且要求的转动轴线平行。可用于轴线不重合且要求平行传动的场合。平行传动的场合。单万向机构的输入与输出速度不相等，单万向机构的输入与输出速度不相

8、等，采用双万向机构可实现同速输出，双万向机采用双万向机构可实现同速输出，双万向机构常用于汽车发动机到后桥之间的传动轴。构常用于汽车发动机到后桥之间的传动轴。机构组合与创新设计（二）转动到往复摆动的运动特性分析1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构2.摆动导杆机构摆动导杆机构3.曲柄摇块机构曲柄摇块机构4.摆动从动件凸轮机构摆动从动件凸轮机构 曲柄摇杆机构中的曲柄等速转动可实曲柄摇杆机构中的曲柄等速转动可实现摇杆的往复摆动，其摆动角度大小与各现摇杆的往复摆动，其摆动角度大小与各构件尺寸有关，往复摆动速度的差异与行构件尺寸有关，往复摆动速度的差异与行程速比系数有关。程速比系数有关。摆动导杆机构也能实现摆杆的

9、往复摆动，摆动导杆机构也能实现摆杆的往复摆动，其运动特点与曲柄摇杆机构相似，但其结其运动特点与曲柄摇杆机构相似，但其结构紧凑，故在工程中的应用广泛。构紧凑，故在工程中的应用广泛。与上述机构的运动特点相似，但作往复摆与上述机构的运动特点相似，但作往复摆动的是块状构件，用在特定的工作环境中。动的是块状构件，用在特定的工作环境中。摆动从动件凸轮机构的特点是从动件的运动规律具有多摆动从动件凸轮机构的特点是从动件的运动规律具有多样性。按给定的摆动规律设计凸轮后，既可实现该运动要求。样性。按给定的摆动规律设计凸轮后，既可实现该运动要求。机构组合与创新设计（三）转动到往复移动的运动特性分析曲柄滑块机构、正弦

10、机构、移动导杆机构、齿曲柄滑块机构、正弦机构、移动导杆机构、齿轮齿条机构、直动从动件凸轮机构、螺旋传动机构轮齿条机构、直动从动件凸轮机构、螺旋传动机构均可实现转动到往复移动的运动变换。它们的运动均可实现转动到往复移动的运动变换。它们的运动变换相同，但运动特性却存在很大的差别。变换相同，但运动特性却存在很大的差别。其中，曲柄滑块机构、正弦机构、移动导杆机其中，曲柄滑块机构、正弦机构、移动导杆机构中的移动构件作往复变速移动；直动从动件凸轮构中的移动构件作往复变速移动；直动从动件凸轮机构中的移动杆的运动规律可实现运动特性的多样机构中的移动杆的运动规律可实现运动特性的多样化；齿轮齿条机构和螺旋传动机构

11、可实现移动件的化；齿轮齿条机构和螺旋传动机构可实现移动件的等速运动。等速运动。机构组合与创新设计（四）转动到间隙转动的运动特性分析 槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构都能实槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构都能实现等速转动到间歇转动的运动要求。现等速转动到间歇转动的运动要求。（五）摆动到连续转动的运动特性分析 曲柄摇杆机构、摆动导杆机构中的摇杆和摆杆为曲柄摇杆机构、摆动导杆机构中的摇杆和摆杆为主动件时，可实现曲柄的连续转动。这种运动变换过主动件时，可实现曲柄的连续转动。这种运动变换过程中，要注意克服机构运动中的死点位置。程中，要注意克服机构运动中的死点位置。（六）移动到连续转动的运动特

12、性分析曲柄滑块机构曲柄滑块机构齿轮齿条机构齿轮齿条机构不自锁的螺旋传动机构不自锁的螺旋传动机构机构组合与创新设计 机构是机器中执行机械运动的主体装置，机构的机构是机器中执行机械运动的主体装置，机构的类型与复杂程度与机器的性能、成本、制造工艺、使类型与复杂程度与机器的性能、成本、制造工艺、使用寿命、工作可靠性等有密切关系。因此机构的设计用寿命、工作可靠性等有密切关系。因此机构的设计在机械设计的全过程中占有极其重要的地位。工程中在机械设计的全过程中占有极其重要的地位。工程中的实用机械，很少由一个简单的基本机构组成，大都的实用机械，很少由一个简单的基本机构组成，大都由若干个基本机构通过各种连接方法组

13、合而成的一个由若干个基本机构通过各种连接方法组合而成的一个机构系统组成。机构系统组成。常用的机构组合方法有常用的机构组合方法有:利用机构的组成原理，不利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，得到复杂机构系统断连接各类杆组，得到复杂机构系统;按照串联按照串联/并联并联/叠加叠加/封闭等规则组合基本机构，得到复杂机构系统。封闭等规则组合基本机构，得到复杂机构系统。机构组合与创新设计简单机械的示意图 机构组合与创新设计复杂的机械装置/平压模切机平压模切机机构组合与创新设计一、机构组成原理一、机构组成原理 机构组合与创新设计杆组应该满足的条件条件杆组应该满足的条件条件:运动副数运动副数构件构件数数机构组

14、合与创新设计机构组合与创新设计机构组合与创新设计机构组合与创新设计)机构组合与创新设计机构组合与创新设计（一）II级杆组的类型二、杆组的基本类型二、杆组的基本类型 机构组合与创新设计（二）III级杆组的类型(1/2)机构组合与创新设计（二）III级杆组的类型(2/2)机构组合与创新设计三、按机构组合原理进行机构创新设计三、按机构组合原理进行机构创新设计机构组合与创新设计（一）连接II级杆组机构组合与创新设计机构组合与创新设计（二）连接III级杆组机构组合与创新设计机构组合与创新设计5.连接杆组法只能实现机构运动方案的创新设连接杆组法只能实现机构运动方案的创新设计，实现具体的机构功能要求还需进行

15、机构的尺度计，实现具体的机构功能要求还需进行机构的尺度综合。综合过程与杆组的连接位置的确定有时需要综合。综合过程与杆组的连接位置的确定有时需要反复进行，才能得到满意的设计结果。反复进行，才能得到满意的设计结果。6.连接杆组法也适合齿轮、凸轮等其它机构的连接杆组法也适合齿轮、凸轮等其它机构的组合设计。组合设计。机构组合与创新设计 一、机构的串联组合方法一、机构的串联组合方法 前一个机构前一个机构(称为前置机构称为前置机构)的输出构件与后一个的输出构件与后一个机构机构(称为后置机构称为后置机构)的输入构件刚性连接在一起，称的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。之为串联组合。特征特征:前置机构和

16、后置机构都是单自由度机构。前置机构和后置机构都是单自由度机构。机构组合与创新设计机构组合与创新设计二、串联组合的基本思路二、串联组合的基本思路机构组合与创新设计机构组合与创新设计工程中应用的原动机大都采用输出转速较高的电动工程中应用的原动机大都采用输出转速较高的电动机或内燃机。为满足后置机构低速或变速的工作要求，机或内燃机。为满足后置机构低速或变速的工作要求，前置机构常采用各种齿轮机构、齿轮机构与前置机构常采用各种齿轮机构、齿轮机构与V带传动或带传动或链传动机构。其中齿轮机构已经标准化、系列化，是链传动机构。其中齿轮机构已经标准化、系列化，是应用最为广泛的实现速度变换的前置机构。应用最为广泛的

17、实现速度变换的前置机构。机构组合与创新设计改变后置机构运动规律的组合示意图改变后置机构运动规律的组合示意图单一机构的运动规律受到机构类型的限制，如曲单一机构的运动规律受到机构类型的限制，如曲柄滑块机构的滑块或曲柄摇杆机构的摇杆很难获得等柄滑块机构的滑块或曲柄摇杆机构的摇杆很难获得等速运动。串联一个前置连杆机构，并通过适当的尺度速运动。串联一个前置连杆机构，并通过适当的尺度综合，可使后置连杆机构获得预期的运动规律。综合，可使后置连杆机构获得预期的运动规律。机构组合与创新设计 串联组合系统的总机械效率等于各机串联组合系统的总机械效率等于各机构的机械效率连乘积，运动链过长会降构的机械效率连乘积，运动

18、链过长会降低系统的机械效率，同时也会导致传动低系统的机械效率，同时也会导致传动误差的增大。在进行机构的串联组合时误差的增大。在进行机构的串联组合时应力求运动链最短。应力求运动链最短。机构组合与创新设计一、机构的并联组合方法一、机构的并联组合方法机构组合与创新设计机构组合与创新设计II型并联组合机构型并联组合机构机构组合与创新设计图示压床机构为图示压床机构为III型并联组合机构。图中，共型并联组合机构。图中，共同的输入构件为以同的输入构件为以O为圆心的小带轮，共同的输出为圆心的小带轮，共同的输出构件为滑块构件为滑块KF。III型并联组合机构型并联组合机构机构组合与创新设计二、并联组合的基本思路二

19、、并联组合的基本思路机构组合与创新设计机构组合与创新设计机构组合与创新设计一、一、机构的叠加组合方法机构的叠加组合方法机构组合与创新设计(a)I型叠加机构型叠加机构 (b)II型叠加机构型叠加机构 机构的叠加组合机构的叠加组合机构组合与创新设计机构组合与创新设计附加机构附加机构:齿轮齿轮l/2/3/l/2/3/系杆系杆h h组成的轮系。基础机构组成的轮系。基础机构:齿轮齿轮4/5/4/5/系杆系杆H H组成的行星轮系。附加机构的系杆组成的行星轮系。附加机构的系杆h h与基础机构与基础机构的齿轮的齿轮4 4连接，实现附加机构向基础机构的运动传递。连接，实现附加机构向基础机构的运动传递。机构组合与

20、创新设计机构组合与创新设计 二、二、机构叠加组合的关键问题机构叠加组合的关键问题 1.确定附加机构与基础机构之间的运动传递，确定附加机构与基础机构之间的运动传递，或者附加机构的输出构件与基础机构的哪一个或者附加机构的输出构件与基础机构的哪一个构件连接。构件连接。2.动力源安装位置。动力源安装位置。3.连接方式连接方式型：动力源在基础机构的可动构件上，驱动附加型：动力源在基础机构的可动构件上，驱动附加机构一可动构件，按附加机构数量依次连接即可。机构一可动构件，按附加机构数量依次连接即可。型叠加机构间的连接方式较为简单，且规律性强，应型叠加机构间的连接方式较为简单，且规律性强，应用最为普遍。用最为

21、普遍。机构组合与创新设计型型:较复杂，但有规可循。如齿轮较复杂，但有规可循。如齿轮(附加附加)+连杆连杆(基础基础)时，连接点时，连接点:在输出齿轮和输入连杆上。如齿在输出齿轮和输入连杆上。如齿轮轮(附加附加)+行星轮系行星轮系(基础基础)时，可把附加机构安置在时，可把附加机构安置在基础轮系机构的系杆上，附加机构的齿轮或系杆与基础轮系机构的系杆上，附加机构的齿轮或系杆与基础机构的齿轮连接即可。基础机构的齿轮连接即可。机构叠加组合成的新机构具有很多优点，可实机构叠加组合成的新机构具有很多优点，可实现复杂的运动要求，机构的传力性能较好，减小了现复杂的运动要求，机构的传力性能较好，减小了传动功率，但

22、设计构思难度较大。传动功率，但设计构思难度较大。叠加组合方法为创建叠加机构提供了理论基础。叠加组合方法为创建叠加机构提供了理论基础。机构组合与创新设计一、机构的封闭组合方法一、机构的封闭组合方法机构组合与创新设计机构组合与创新设计(a)差动轮系差动轮系(b)I型封闭机构型封闭机构(c)III型封闭组合机型封闭组合机构构机构组合与创新设计机构组合与创新设计机构组合与创新设计 二、二、封闭组合的基本思路封闭组合的基本思路机构组合与创新设计机构组合与创新设计一、机构的混合组合方法一、机构的混合组合方法机构组合与创新设计二、附加约束组合法二、附加约束组合法 附加约束组合法是指在多自由度机构中，人为附加

23、约束组合法是指在多自由度机构中，人为地增加约束条件地增加约束条件(工程中的附加约束一般采用具有复杂曲工程中的附加约束一般采用具有复杂曲线结构的高副线结构的高副)，从而达到机构创新设计的目的。，从而达到机构创新设计的目的。机构组合与创新设计 1 试对下图所示的双曲柄槽轮机构进行分析。试对下图所示的双曲柄槽轮机构进行分析。机构组合与创新设计机构组合与创新设计机构组合与创新设计2 试对图示冲压机凸轮连杆机构进行机构分析试对图示冲压机凸轮连杆机构进行机构分析机构组合与创新设计3 试对图示液压挖掘机进行机构分析试对图示液压挖掘机进行机构分析 第一套液压缸机构第一套液压缸机构14以挖掘机机身以挖掘机机身1

24、为机架，机构的运为机架，机构的运动可以使大转臂动可以使大转臂4(输出构件输出构件)实现俯仰动作。第二套液压实现俯仰动作。第二套液压缸机构是缸机构是47，叠加在第一套机构的大转臂，叠加在第一套机构的大转臂4上，机构运上，机构运动结果可使小转臂动结果可使小转臂7(输出构件输出构件)实现伸缩摇摆。第三套实现伸缩摇摆。第三套机构是由机构是由710组成的液压缸机构，叠加在第二套机构的组成的液压缸机构，叠加在第二套机构的小转臂小转臂7上，最终使铲斗上，最终使铲斗10完成复杂的挖掘动作。完成复杂的挖掘动作。解：机构的叠加解：机构的叠加组合。由三套液压组合。由三套液压缸机构叠加组成。缸机构叠加组成。机构组合与创新设计4 试分析图示牛头刨床导杆机构的组合方式试分析图示牛头刨床导杆机构的组合方式机构组合与创新设计5 试对图示试对图示V形发动机的双曲柄滑块机构进行分析形发动机的双曲柄滑块机构进行分析 机构组合与创新设计6 试对图示活塞机的齿轮连杆机构进行分析试对图示活塞机的齿轮连杆机构进行分析 机构组合与创新设计7 试对图示电动玩具马的传动机构进行分析试对图示电动玩具马的传动机构进行分析(实现马的俯仰和升降即跳跃实现马的俯仰和升降即跳跃)，机构组合与创新设计+=机构组合与创新设计机构组合与创新设计2022-10-29机构组合与创新设计