1、第三章第三章 機構組合與創新設計機構組合與創新設計 一、基本機構的概念一、基本機構的概念 本章把連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、間本章把連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、間 歇運動機構等結構最簡單且不能再進行分割的閉歇運動機構等結構最簡單且不能再進行分割的閉 鏈機構稱為基本機構，或稱為機構的鏈機構稱為基本機構，或稱為機構的基本型基本型。 工程中，基本機構雖然有著廣泛的應用，但工程中，基本機構雖然有著廣泛的應用，但 由基本機構組合在一起而形成的機構系統的應用由基本機構組合在一起而形成的機構系統的應用 更為廣泛。更為廣泛。 基本機構是創新設計機構系統的基礎?；緳C構是創新設計機構系統的基礎。 常用基本型

2、常用基本型 （一）連桿機構的基本型 1. 曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構 3. 雙搖桿機構雙搖桿機構 2. 雙曲柄機構雙曲柄機構 4. 曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構 7. 擺擺 動動 導導 桿桿 機機 構構 5. 曲柄搖塊機構曲柄搖塊機構 6. . 轉轉 動動 導導 桿桿 機機 構構 8. 移移 動動 導導 桿桿 機機 構構 10. 正正 切切 機機 構構 9. 正正 弦弦 機機 構構 11. 雙雙 轉轉 塊塊 機機 構構 12. 雙雙 滑滑 塊塊 機機 構構 常用基本型常用基本型 （二）齒輪類機構的基本型 1. 圓柱齒輪機構圓柱齒輪機構 3. 蝸桿機構蝸桿機構 2.圓錐齒輪機構圓錐齒輪機構 用于垂直不

3、相交軸之間的等速轉動用于垂直不相交軸之間的等速轉動 到等速轉動的運動變換，實現機構的大到等速轉動的運動變換，實現機構的大 速比減速傳動。速比減速傳動。 一般情況下蝸桿傳動機構具有自鎖性。一般情況下蝸桿傳動機構具有自鎖性。 常用基本型常用基本型 （三）凸輪類機構的基本型 1. 直動從動直動從動 件盤形凸輪件盤形凸輪 機構機構 2. .擺動從動件擺動從動件 盤形凸盤形凸輪機構輪機構 3. 直動從動直動從動 件圓柱凸件圓柱凸輪輪 機構機構 常用基本型常用基本型 （四）間歇運動機構的基本型 2. 槽輪機構槽輪機構 3. 不完全齒輪機構不完全齒輪機構 4. . 凸凸輪間歇運動機構輪間歇運動機構 圓圓 柱

4、柱 凸凸 輪輪 間間 歇歇 運運 動動 機機 構構 蝸桿凸輪間歇運動機構蝸桿凸輪間歇運動機構 常用基本型常用基本型 （五）其它常用機構的基本型 1. 螺旋機構螺旋機構 2. ( (雙雙) )萬向萬向 機構機構 常用基本型常用基本型 （六）撓性傳動機構的基本型 二、基本機構的運動特點分析二、基本機構的運動特點分析 （一）轉動到轉動的運動特性分析 1. 齒輪機構齒輪機構 2. 帶傳動機構帶傳動機構 3. 鏈傳動機構鏈傳動機構 用于速度或方向的運動變換，即可實現減速也可增速用于速度或方向的運動變換，即可實現減速也可增速 傳動。結構緊湊，運轉平穩，傳動比大，機械效率高，使傳動。結構緊湊，運轉平穩，傳動

5、比大，機械效率高，使 用壽命長，可靠性好。是最常用的轉動到轉動的速度變換用壽命長，可靠性好。是最常用的轉動到轉動的速度變換 機構。特別是組成各種輪系后，其應用更加廣泛。機構。特別是組成各種輪系后，其應用更加廣泛。 常用于兩轉動軸中心距較大時的運動速度的變換，常用于兩轉動軸中心距較大時的運動速度的變換， 即可實現減速也可增速傳動。運轉平穩，傳動比較大，即可實現減速也可增速傳動。運轉平穩，傳動比較大， 但傳動比不準確，過載時發生打滑。是最常用的大中心但傳動比不準確，過載時發生打滑。是最常用的大中心 距時轉動到轉動的速度變換機構。距時轉動到轉動的速度變換機構。 常用于兩轉動軸中心距較大時的運動速度的

6、變換，即常用于兩轉動軸中心距較大時的運動速度的變換，即 可實現減速也可增速傳動。傳動比較大，壓軸力較小，但可實現減速也可增速傳動。傳動比較大，壓軸力較小，但 瞬時傳動比不準確，不適合在高速場合應用。也是在低速瞬時傳動比不準確，不適合在高速場合應用。也是在低速 時最常用的大中心距轉動到轉動的速度變換機構。時最常用的大中心距轉動到轉動的速度變換機構。 由于完成相同運動變換的機構類 型往往不止一種，因此必須充分 了解它們的運動與動力特性，才 能更好地選擇基本機構的類型。 4. 摩擦輪機構摩擦輪機構 5. 雙曲柄機構與轉動導桿機構雙曲柄機構與轉動導桿機構 6. 雙轉塊機構雙轉塊機構 7. 萬向機構萬向

7、機構 用于速度或方向的運動變換，即可實現用于速度或方向的運動變換，即可實現 減速也可增速傳動。結構緊湊簡單，運轉平減速也可增速傳動。結構緊湊簡單，運轉平 穩，但傳動比不準確，只能在小功率且傳動穩，但傳動比不準確，只能在小功率且傳動 比要求不是很準確的場合應用。比要求不是很準確的場合應用。 利用主動件等速轉動、從動件的不等速利用主動件等速轉動、從動件的不等速 轉動的特點實現特殊工作要求。轉動的特點實現特殊工作要求。 主動轉塊與從動轉塊同速轉動，但它們主動轉塊與從動轉塊同速轉動，但它們 的轉動軸線平行?？捎糜谳S線不重合且要求的轉動軸線平行?？捎糜谳S線不重合且要求 平行傳動的場合。平行傳動的場合。

8、單萬向機構的輸入與輸出速度不相等，單萬向機構的輸入與輸出速度不相等， 采用雙萬向機構可實現同速輸出，雙萬向機采用雙萬向機構可實現同速輸出，雙萬向機 構常用于汽車發動機到后橋之間的傳動軸。構常用于汽車發動機到后橋之間的傳動軸。 （二）轉動到往復擺動的運動特性分析 1. 曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構 2. . 擺動導桿機構擺動導桿機構 3. . 曲柄搖塊機構曲柄搖塊機構 4. . 擺動從動件凸輪機構擺動從動件凸輪機構 曲柄搖桿機構中的曲柄等速轉動可實曲柄搖桿機構中的曲柄等速轉動可實 現搖桿的往復擺動，其擺動角度大小與各現搖桿的往復擺動，其擺動角度大小與各 構件尺寸有關，往復擺動速度的差異與行構件尺寸有

9、關，往復擺動速度的差異與行 程速比系數有關。程速比系數有關。 擺動導桿機構也能實現擺桿的往復擺動，擺動導桿機構也能實現擺桿的往復擺動， 其運動特點與曲柄搖桿機構相似，但其結其運動特點與曲柄搖桿機構相似，但其結 構緊湊，故在工程中的應用廣泛。構緊湊，故在工程中的應用廣泛。 與上述機構的運動特點相似，但作往復擺與上述機構的運動特點相似，但作往復擺 動的是塊狀構件，用在特定的工作環境中。動的是塊狀構件，用在特定的工作環境中。 擺動從動件凸輪機構的特點是從動件的運動規律具有多擺動從動件凸輪機構的特點是從動件的運動規律具有多 樣性。按給定的擺動規律設計凸輪后，既可實現該運動要求。樣性。按給定的擺動規律設

10、計凸輪后，既可實現該運動要求。 （三）轉動到往復移動的運動特性分析 曲柄滑塊機構、正弦機構、移動導桿機構、齒曲柄滑塊機構、正弦機構、移動導桿機構、齒 輪齒條機構、直動從動件凸輪機構、螺旋傳動機構輪齒條機構、直動從動件凸輪機構、螺旋傳動機構 均可實現轉動到往復移動的運動變換。它們的運動均可實現轉動到往復移動的運動變換。它們的運動 變換相同，但運動特性卻存在很大的差別。變換相同，但運動特性卻存在很大的差別。 其中，曲柄滑塊機構、正弦機構、移動導桿機其中，曲柄滑塊機構、正弦機構、移動導桿機 構中的移動構件作往復變速移動；直動從動件凸輪構中的移動構件作往復變速移動；直動從動件凸輪 機構中的移動桿的運動

11、規律可實現運動特性的多樣機構中的移動桿的運動規律可實現運動特性的多樣 化；齒輪齒條機構和螺旋傳動機構可實現移動件的化；齒輪齒條機構和螺旋傳動機構可實現移動件的 等速運動。等速運動。 （四）轉動到間隙轉動的運動特性分析 槽輪機構、不完全齒輪機構、分度凸輪機構都能實槽輪機構、不完全齒輪機構、分度凸輪機構都能實 現等速轉動到間歇轉動的運動要求?，F等速轉動到間歇轉動的運動要求。 （五）擺動到連續轉動的運動特性分析 曲柄搖桿機構、擺動導桿機構中的搖桿和擺桿為曲柄搖桿機構、擺動導桿機構中的搖桿和擺桿為 主動件時，可實現曲柄的連續轉動。這種運動變換過主動件時，可實現曲柄的連續轉動。這種運動變換過 程中，要注

12、意克服機構運動中的死點位置。程中，要注意克服機構運動中的死點位置。 （六）移動到連續轉動的運動特性分析 曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構 齒輪齒條機構齒輪齒條機構 不自鎖的螺旋傳動機構不自鎖的螺旋傳動機構 機構是機器中執行機械運動的主體裝置，機構的機構是機器中執行機械運動的主體裝置，機構的 類型與復雜程度與機器的性能、成本、制造工藝、使類型與復雜程度與機器的性能、成本、制造工藝、使 用壽命、工作可靠性等有密切關系。因此機構的設計用壽命、工作可靠性等有密切關系。因此機構的設計 在機械設計的全過程中占有極其重要的地位。工程中在機械設計的全過程中占有極其重要的地位。工程中 的實用機械，很少由一個簡單的基本機

13、構組成，大都的實用機械，很少由一個簡單的基本機構組成，大都 由若干個基本機構通過各種連接方法組合而成的一個由若干個基本機構通過各種連接方法組合而成的一個 機構系統組成。機構系統組成。 常用的機構組合方法有常用的機構組合方法有: 利用機構的組成原理，不利用機構的組成原理，不 斷連接各類桿組，得到復雜機構系統斷連接各類桿組，得到復雜機構系統; 按照串聯按照串聯/并聯并聯/ 疊加疊加/封閉等規則組合基本機構，得到復雜機構系統。封閉等規則組合基本機構，得到復雜機構系統。 簡單機械的示意圖 復雜的機械裝置 /平壓模切機平壓模切機 一、一、機構組成原理機構組成原理 l pn 3 2 023 l pn nP

14、 l 2 3 桿組應該滿足的條件條件桿組應該滿足的條件條件: : 運動副數運動副數 構件數構件數 3,2 l Pn 6,4 l Pn 9,6 l Pn l pn 3 2 ) （一）II級桿組的類型 二、桿組的基本類型二、桿組的基本類型 （二）III級桿組的類型(1/2) （二）III級桿組的類型(2/2) 三、按機構組合原理進行機構創新設計三、按機構組合原理進行機構創新設計 （一）連接II級桿組 （二）連接III級桿組 5. 連接桿組法只能實現機構運動方案的創新設連接桿組法只能實現機構運動方案的創新設 計，實現具體的機構功能要求還需進行機構的尺度計，實現具體的機構功能要求還需進行機構的尺度 綜

15、合。綜合過程與桿組的連接位置的確定有時需要綜合。綜合過程與桿組的連接位置的確定有時需要 反復進行，才能得到滿意的設計結果。反復進行，才能得到滿意的設計結果。 6. 連接桿組法也適合齒輪、凸輪等其它機構的連接桿組法也適合齒輪、凸輪等其它機構的 組合設計。組合設計。 一、機構的串聯組合方法一、機構的串聯組合方法 前一個機構前一個機構(稱為前置機構稱為前置機構)的輸出構件與后一個的輸出構件與后一個 機構機構(稱為后置機構稱為后置機構)的輸入構件剛性連接在一起，稱的輸入構件剛性連接在一起，稱 之為串聯組合。之為串聯組合。 特征特征: 前置機構和后置機構都是單自由度機構。前置機構和后置機構都是單自由度機

16、構。 二、串聯組合的基本思路二、串聯組合的基本思路 工程中應用的原動機大都采用輸出轉速較高的電動工程中應用的原動機大都采用輸出轉速較高的電動 機或內燃機。為滿足后置機構低速或變速的工作要求，機或內燃機。為滿足后置機構低速或變速的工作要求， 前置機構常采用各種齒輪機構、齒輪機構與前置機構常采用各種齒輪機構、齒輪機構與V帶傳動或帶傳動或 鏈傳動機構。其中齒輪機構已經標準化、系列化，是鏈傳動機構。其中齒輪機構已經標準化、系列化，是 應用最為廣泛的實現速度變換的前置機構。應用最為廣泛的實現速度變換的前置機構。 改變后置機構運動規律的組合示意圖改變后置機構運動規律的組合示意圖 單一機構的運動規律受到機構

17、類型的限制，如曲單一機構的運動規律受到機構類型的限制，如曲 柄滑塊機構的滑塊或曲柄搖桿機構的搖桿很難獲得等柄滑塊機構的滑塊或曲柄搖桿機構的搖桿很難獲得等 速運動。串聯一個前置連桿機構，并通過適當的尺度速運動。串聯一個前置連桿機構，并通過適當的尺度 綜合，可使后置連桿機構獲得預期的運動規律。綜合，可使后置連桿機構獲得預期的運動規律。 串聯組合系統的總機械效率等于各機串聯組合系統的總機械效率等于各機 構的機械效率連乘積，運動鏈過長會降構的機械效率連乘積，運動鏈過長會降 低系統的機械效率，同時也會導致傳動低系統的機械效率，同時也會導致傳動 誤差的增大。在進行機構的串聯組合時誤差的增大。在進行機構的串

18、聯組合時 應力求運動鏈最短。應力求運動鏈最短。 一、機構的并聯組合方法一、機構的并聯組合方法 II型并聯組合機構型并聯組合機構 圖示壓床機構為圖示壓床機構為III型并聯組合機構。圖中，共型并聯組合機構。圖中，共 同的輸入構件為以同的輸入構件為以O為圓心的小帶輪，共同的輸出為圓心的小帶輪，共同的輸出 構件為滑塊構件為滑塊KF。 III型并聯組合機構型并聯組合機構 二、并聯組合的基本思路二、并聯組合的基本思路 一、一、 機構的疊加組合方法機構的疊加組合方法 (a) I型疊加機構型疊加機構 (b) II型疊加機構型疊加機構 機構的疊加組合機構的疊加組合 1 42 3 n zz z nH 附加機構附加

19、機構: :齒輪齒輪l/2/3/l/2/3/系桿系桿h h組成的輪系?；A機構組成的輪系。基礎機構: :齒輪齒輪 4/5/4/5/系桿系桿H H組成的行星輪系。附加機構的系桿組成的行星輪系。附加機構的系桿h h與基礎機構與基礎機構 的齒輪的齒輪4 4連接，實現附加機構向基礎機構的運動傳遞。連接，實現附加機構向基礎機構的運動傳遞。 二、二、 機構疊加組合的關鍵問題機構疊加組合的關鍵問題 1. 確定附加機構與基礎機構之間的運動傳遞，確定附加機構與基礎機構之間的運動傳遞， 或者附加機構的輸出構件與基礎機構的哪一個或者附加機構的輸出構件與基礎機構的哪一個 構件連接。構件連接。 2. 動力源安裝位置。動力

20、源安裝位置。 3. 連接方式連接方式 型：動力源在基礎機構的可動構件上，驅動附加型：動力源在基礎機構的可動構件上，驅動附加 機構一可動構件，按附加機構數量依次連接即可。機構一可動構件，按附加機構數量依次連接即可。 型疊加機構間的連接方式較為簡單，且規律性強，應型疊加機構間的連接方式較為簡單，且規律性強，應 用最為普遍。用最為普遍。 型型: 較復雜，但有規可循。如較復雜，但有規可循。如齒輪齒輪(附加附加)+連桿連桿 (基礎基礎)時，連接點時，連接點: 在輸出齒輪和輸入連桿上。如在輸出齒輪和輸入連桿上。如齒齒 輪輪(附加附加)+行星輪系行星輪系(基礎基礎)時，可把附加機構安置在時，可把附加機構安置

21、在 基礎輪系機構的系桿上，附加機構的齒輪或系桿與基礎輪系機構的系桿上，附加機構的齒輪或系桿與 基礎機構的齒輪連接即可?；A機構的齒輪連接即可。 機構疊加組合成的新機構具有很多優點，可實機構疊加組合成的新機構具有很多優點，可實 現復雜的運動要求，機構的傳力性能較好，減小了現復雜的運動要求，機構的傳力性能較好，減小了 傳動功率，但設計構思難度較大。傳動功率，但設計構思難度較大。 疊加組合方法為創建疊加機構提供了理論基礎。疊加組合方法為創建疊加機構提供了理論基礎。 一、機構的封閉組合方法一、機構的封閉組合方法 (a) 差動輪系差動輪系(b) I型封閉機構型封閉機構(c) III型封閉組合機構型封閉組合機構 二、二、 封閉組合的基本思路封閉組合的基本思路 一、機構的混合組合方法一、機構的混合組合方法 二、附加約束組合法二、附加約束組合法 附加約束組合法是指在多自由度機構中，人為附加約束組合法是指在多自由度機構中，人為 地增加約束條件地增加約束條件(工程中的附加約束一般采用具有復雜曲工