第三章機構的型式綜合

3-1機構型式綜合的原則和任務

通過前面的學習，我們知道同一運動規律可以用不同的機構來實現。所以，在設計中對多種可以完成同一功能機構型式的選擇，稱為機構的型式綜合。

型式綜合的結果直接影響到機器的使用效果、結構的繁簡程度、效率的高低，以及成本、可靠性等方面。要作出合適的型式綜合，設計者除了應具有豐富的生產實踐經驗外，還需要熟悉各種不同類型機構的運動特性，經過仔細分析、比較后，才能作出正確的判斷，在進行機構的型式綜合時，除了滿足運動規律要求外，還應就下列因素加以比較：

機構型式綜合應遵循的基本原則：1，結構要簡單結構簡單可以減少誤差，降低制造成本，提高可靠性。3桿4運動副7桿，10運動副

圖3-2b為精確直線機構。而它的實際傳動誤差約為圖a近似直線機構的2-3倍，因此有時寧可采用有一定誤差，但結構簡單的機構。2，機構的機械利益

在設計某些機構時，往往要求能“省力”，即要求該機構有較大的機械利益。機械利益的定義是，當不考慮運動副的摩擦時，輸出力與輸入力之比，即由曲柄連桿滑塊機構：

在曲柄和連桿接近垂直時，β很小，V4=Rωsinα,V2=Rω由于α很小,所以V2/V4=F4/F2很大,F4很大

對圖示曲柄連桿機構在不計摩擦的情況下：瞬時的輸入功=輸出功

F4V4=F2V2βαRV2F2V4F4

由于曲柄連桿機構在連桿接近垂直位置時,機械利益很大,所以，常作為沖床，剪板機械的基本機構型式。如果反過來，以滑塊為主動，則V4/V2=sinα，機械利益接近為0，這就是曲柄連桿機構的“死點”位置。例：柴油機的啟動例：推磨3，機構的效率

機構除要具有較高的機械利益外，還應具有較高的效率，以減少能量損失，為減少機構的摩擦損失，可以用轉動副來代替移動副。4，機構的傳動角在連桿機構中，要得到較好的傳動效果，應檢查其最小的傳動角μ≥40°。

5．機構的傳動比特性運動大小變換是機構的基本功能之一。傳動比的大小可能會影響到機構的型式綜合。例如，如果傳動比較小，可采用齒輪或帶輪傳動，如果較大，可以選擇行星齒輪,蝸輪蝸桿。6．外載荷特性

機構在進行運動轉換的同時也傳遞一定大小的力，顯然其運動轉換和力傳遞的能力與機構構件的連接方式即運動副的形式有關。一般高副不能轉遞較大的載荷，而移動副的承載能力就要高一些，轉動副介于高副和移動副之間，易制造，運動的阻力也比較小，所以得到廣泛應用。風動鉆機7，動力源的選擇常見的動力源有電動，壓縮空氣，液壓等，要根據使用環境來選擇。8，機構的動力特性應運轉平穩，振動和噪音要小。風鎬問題：建筑工地和礦山為什么大多使用風動工具？

3-2按各類機構的運動特性進行機構的型式綜合

(1)傳遞勻速轉動的機構

這類機構主要有齒輪機構、摩擦輪機構和撓性體傳動機構，以及由這些機構組合成的定軸輪系和行星輪系。

(2)傳遞非勻速轉動的機構

這類機構主要有雙曲柄機構、反平行四邊形機構、橢圓齒輪機構、轉動導桿機構、單萬向聯袖器等。雙曲柄機構反平行四邊形機構非圓齒輪機構轉動導桿機構

(3)往復運動機構

這類機構包括往復擺動和往復移動兩種。前者有曲柄搖桿機構、雙搖桿機構；后者有移動從動件凸輪機構、曲柄滑塊機構、齒輪齒條機構、移動電磁鐵等。(4)間歇運動機構

這類機構有凸輪機構、槽輪機構、棘輪機構、不完全齒輪機構等。槽輪動畫棘輪機構

(5)實現預期運動軌跡的機構

這類機構包括近似直線機構，各種仿圖儀(矩形、三角形、正多邊形、橢圓儀等)及運用連桿曲線完成各種預定軌跡的多桿機構。軌跡機構(6)其它特殊運動要求的機構

如換向機構、超越機構、自動停車機構、過載保護機構、增力機構等等。3-3按動作功能分解與組合原理進行機構的型式綜合

一，機構動作功能分解與組合原理

按功能分解的原理，任何功能都可以按功能的總體要求進行分解，將復雜的總功能分解成為一些分功能，從機構設計的角度，對每一個分功能，找出相應的機構來完成，而這些分功能的有機組合，便可以完成機構的總功能。例如：課程設計的齒輪減速器設計對總減速比的設計要求，可以采用齒輪，帶輪，蝸輪等多種傳動機構的組合來實現。對機構設計來說，每一個分功能都可以找到多個可能的結構來實現，這樣，就組成所謂的“功能—技術矩陣”。用這種方法，可以拓展思路，尋找各種可能的解決方案組合。功能---技術矩陣方案總數

(1)機構系統的運動特性用“功能一技術矩陣”中的各項元素來表示完成各分功能--機構的運動特性．如傳動角、效率、機械利益等等。(2)機構系統的經濟技術水平用“功能—技術矩陣”中的各項元素來表示各分功能機構的結構繁簡、加工難易、機械結構尺寸、經濟性能等指標，這樣就把“功能一技術矩陣”變換成經濟技術特性系數矩陣，用以評價機構系統方案的經濟技術水平。

(3)各分功能在總體功能中的地位用“功能一技術矩陣”中的各項元素表示各分功能在總體功能中所占地位的權重系數，即把各分功能的上述運動特性系數、經濟技術系數等各乘上權重系數，作為綜合值的單項指標來考察，以便更合理地組成完成總體功能的機構系統方案。對可能方案的選擇和評價，可以從以下幾個方面來進行二、基本運動和機構的基本功能在功能分解過程中，為了更好地表達各種基本功能，可以用下面的圖形符號來進行功能的分解與表示。

以設計一鍛壓裝置為例，說明方案形成過程：根據使用要求，該機器的動力源采用電動機，它要求當鍛壓部件(沖頭)作上下運動時，能鍛出較高精度的毛坯。根據這個總體功能，就要求具有將旋轉運動變換成平面移動的分功能。為產生一個較大的壓力，就要求具有將驅動力放大的增力分功能，即所謂增力功能，從機構的功能變換來看，如不考慮各運動副的摩擦，則每瞬時的輸入功應等于輸出功。因此要求輸入力F1小于輸出力F2時，則應使輸入速度大于輸出速度，也就是機構具有運動變換(縮小)的功能、由于沖頭作上下運動，故還應有一運動方向變換的分功能。三種運動可能的機構形式三個基本功能的不同組合形式，可得到6個組合。液壓機床3-4按機構組成原理進行機構的型式綜合

把一定數量的構件和運動副進行排列搭配，組成完整的機構類型的過程，就是機構的型式綜合，或稱為數綜合。一、單自由度平面機構中構件數與運動副數的配置

3N-2P＝1（1）機架的約束解除后,3N-2P＝4（2）

閉式運動鏈是一個封閉的幾何圖形，即封閉環路，可用“圖論”中的歐拉(Eulef)定理來分析運動鏈的結構組成。歐拉定理指出，在L個簡單環路中有v個頂，E條邊組成一個多邊形網絡，如圖所示，則得

V-E+L＝1

（3）這里的數是指構件和運動副的數量

對于任意的多邊形網絡,可以看成是在一個基本網絡多邊形的基礎上,擴展而成的。

例如對圖中的四邊形進行擴展：

這一變化使圖中增加了△v＝3個頂，△E＝4條邊，△L＝1個閉環所以，歐拉公式對任意的封閉多邊形網絡都成立。

對討論的運動鏈，如用歐拉定理來研究，則可用環路中的頂表示運動鏈中的構件，用環路中的邊表示運動鏈中的運動副。于是，如用構件數N、運動副數P和閉鏈數L分別代替公式中的頂數V、邊數E和閉環數L，則公式可寫成：

L＝P-N+l

（4）對單自由度平面機構：3N-2P=4

公式的含義：在給定平面機構的參數N，P，L三個參數中的一個后，可以求出另外兩個。例；給定N=4，由3×4-4=2P，P=4；帶入P-3L=1，得L=1(1)(2)同理：若：N=5，則3×5-4=2P，P=11/2若：N=6，則3×6-4=2PP=7，P-3L=1，L=2二、運動副在構件上的配置方法

兩個構件的一對接觸面組成一個運動副，所以一個運動副有兩個元素(一對接觸表面)，它們分別在兩個構件上。如果設運動鏈中一個構件上有兩個運動副元素的構件數為n2個，則共有2n2個運動副元素，那么一個構件上有三個運動副元素的構件數為n3，則共有3n3個運動副元素，依此類推，該運動鏈的構件總數為：（1）

因為不同構件上的每兩個運動副元素構成一個運動副，所以上述運動副元素的總數可構成的運動副數為P個，即或（2）由3N-2P=4；（1）式乘以3，減去（2）式得：n2=4+n4+2n5+3n6+。。。。+（n-3）nn所以：在平面機構中，運動副在構件上的配置應滿足：

n2=4+n4+2n5+3n6+。。。。+（n-3）nn

（3）下面：討論在一個構件上，最多可以設置多少個運動副：

設Jm為一個構件上運動副元素的數目，則與該構件有關的獨立環數目至少為Jm-1，如圖3-14所示。設這個閉鏈的環路數為L：意義：一個構件上運動副元素最多等于運動鏈構件數的一半。例1:N=4，按上面的公式，得n2=4，只有一個方案。例2：N=6

（A）n2=4，n3=2n4以上為零。（B）n2=5，n4=1其他為零但按照Jm≤N/2，方案B無效在平面機構中，運動副在構件上的配置應滿足：

n2=4+n4+2n5+3n6+。。。。+（n-3）nn

（2）Jm

≤N/2（3）三，構件的連接方法

在運動副的配置方法確定以后，怎樣把方案表達出來，以便尋找各種可能的變型方案，通常采用縮圖來對方案的組成進行抽象的表達。

在縮圖中，每個頂代表一個運動副數≥3的構件，而連接頂之間的邊，則代表由具有兩個運動副的構件組成。例2：N=6n2=4，n3=2n4以上為零。

由：3N-2P=4，和L=P-N+1；得出

P=7，L=2頂邊頂邊n2=4，n3=2P=7，L=2N＝6的連接方法當N=8，可算出：3N-2P=4，P=10；L=P-N+1，L=3，n2=4，n3=4n2=5，n3=2，n4=1編號方法：0代表頂之間直接相連，1：代表頂之間用一個雙副桿連接；2：代表頂之間用二個雙副桿連接。四，基本結構形式的變換1，平面連桿機構替代平面凸輪機構的條件組成凸輪副的兩元素為圓、直線或點。在這種情況下，連桿機構的運動特性與被替代的凸輪機構完全相同。（1）組成元素為兩個圓(2)，組成元素一個為圓，另一個為點(3),組成高副的兩元素一個為圓,一個為直線2,平面連桿機構替代一般平面凸輪機構的瞬時性對一般平面凸輪機構中,組成高副的元素不是上述情況,而是變曲率的曲線,則該凸輪機構只能由其相當的連桿機構瞬時替代,方法與上相同。一般變曲率凸輪高副的瞬時替代齒輪機構的瞬時替代注意：在齒輪機構變為四桿機構時，需要增加構件4。反過來，如果由四桿機構變為齒輪機構，則要去掉一個雙副桿。例：由瓦特鏈變化為齒輪機構

選構件1作機架，將構件1，2，3，4組成的四桿機構演化為齒輪機構，其余不變。1，在演化中，去掉雙副桿3,分析結構構成：2，如果去掉構件2，機構簡圖又該如何？3例：斯蒂芬遜鏈的低副高代

選構件3作機架，將構件3，4，5，6組成的四桿機構演化為齒輪機構。

去掉構件4再將虛線與構件1，2組成的四桿機構演化為齒輪機構。3，將轉動副變化為移動副將選定構件演化為滑塊,并與機架形成滑動副。1為機架，4為滑塊1為機架，6為滑塊3為機架，2為滑塊6為機架，5為滑塊一，基本思想：是基于機構組成分析的理論，運用“還原法”，將一個已有的機構，還原和抽象為一般化的運動鏈，按該機構本身的約束條件，對運動鏈進行演變，產生新的機構。二，一般化原則所謂一般化，是將一個裝置的示意圖或機構簡圖抽象為運動鏈圖，其原則是：1,將非連桿形狀的構件轉化為連桿;2,將移動副、高副轉化為轉動副;3,將機架的約束解除,使機構成為運動鏈;4,運動鏈的自由度不變.3.5平面連桿機構創新設計-----再生運動鏈法三,下面,以鉸鏈夾緊機構為例，說明具體的過程123456工件1,對本例,機構運動鏈再生的約束條件:(1)構件總數N和運動副總數P均保持不變;(2)機構由液壓件驅動(即在機構中,應包含液壓缸和活塞);(3)液壓缸應與機架鉸接或本身作機架;(4)活塞桿一端與液壓缸形成移動副,另一端不能與固定桿鉸接;(5)用一個雙副桿作執行件,它不能與活塞桿鉸接,但應與固定桿鉸接;1234562,一般化運動鏈所謂一般化運動鏈,就是對機構簡圖進行一般化抽象,還原成為原始運動鏈。123456工件1121234561234563,再生運動鏈根據本例的約束條件,再生運動鏈的步驟為:（1）選定一個桿件作為固定桿(機架)。（2）選固定桿的一端與液壓缸鉸接，或將液壓缸本身作機架。（3）選一個雙副桿作執行件，與機架相連。G---固定桿；E---執行件；C---活塞桿；P---液壓缸與活塞的運動副123456GEPC23241234165123456GEPC356142123456GEPC341265123456GEPC35614223456123456GEPC614235123456GEPC612435作業:按上述條件,用瓦特鏈畫出創新的機構簡圖。

要求：對每種方案要畫出瓦特鏈，及選擇的構件用途并編號，運動鏈圖的編號要與機構簡圖的編號一致。123456例1，將圖示機構還原為運動鏈。R1+R212345534216

滾子中心與地面的距離不變，可以轉化為移動副，再由移動副轉化為轉動副。例2，將簡擺式破碎機還原為運動鏈。ω123456123456123654例3,用瓦特鏈導出凸輪—齒輪—齒輪機構(凸輪主動),實現齒輪在一定的角度內正反轉。156234選構件1作機架，由構件1，4，5，6組成齒輪副。164去掉構件5選構件2作凸輪，與構件4形成高副，去掉構件3。2

在前面設計的基礎上，將齒輪6變化為齒條，實現齒條的往復移動。16421642機構自由度與機構功能的討論

（1）對一般的機構,當自由度F=1時,機構的主動件為1個,機構具有確定的運動。

（2）對支撐機構，由于在支撐時，機構不能運動，所以，F=0；但如果在支撐過程中，需要對支撐機構進行調節，則F=1