《機械原理》教案第十二章機械系統運動方案設計

內容提要

本章圍繞機械系統運動方案的設計過程展開說明，主要內容包括機械工作原理的擬定、執行

構件的協調設計和原動機的選擇、機構的選型與組合、機械運動方案的擬定、機械運動方案的評

價。

12.1概述

12.1.1機械系統設計的一般過程

機械是機器和機構的統稱，系統就是具有特定功能的、相互之間具有有機聯系的若干要素所

組成的一個整體。機械系統是由若干個機械基本要素所組成的，完成所需的動作過程、實現機械

能的轉化、代替人類勞動的系統。機械系統設計，簡稱機械設計，是一個復雜的分析、規劃、推

理及決策的過程。機械系統設計的目的是，根據既定的設計目標，獲取機械系統相關的設計信息,

包括文字說明、技術數據、設計圖紙、設計方案和工藝方案，經過評估、改進和制造后，最終形

成滿足設計要求的機械產品。

現代機械種類繁多，結構也愈來愈復雜。不同類型的產品、不同類型的設計，其產品的設計

過程不盡相同。機械設計的一般過程大致包括規劃設計、方案設計、結構設計和技術文件編制等

五個階段。

1.產品規劃階段

這一階段的主要任務是，根據市場調查和用戶的需求分析，通過可行性分析，明確設計任務,

編制出設計任務書。設計任務書的具體內容主要包括：（1）產品功能、技術性能、規格及外型要

求；（2）主要物理、力學參數、可靠性、壽命要求；（3）生產能力與效率的要求；（4）環境適應

性與安全保護要求；（5）經濟性要求；（6）操縱、使用維護要求；（7）設計進度要求等。

2.運動方案設計階段

機械系統運動方案的設計是根據設計任務書的要求完成功能分析，然后提出若干個實現功能

的原理方案，選擇合理的傳動路線，確定合適的傳動機構形式及布置順序，用機構運動簡圖或機

構示意圖表示出運動和動力的傳遞路線以及各部分之間的組成和連接關系，最后經過分析、對比、

評價、決策，確定最佳方案的過程。

3.結構設計階段

結構設計階段的主要任務是將機械運動簡圖得以具體化，成為機器及其零部件的合理結構。

此階段的主要成果包括各零件的工作圖、部件裝配圖和機械的總裝圖。

4.技術文件編制階段

技術文件包括：設計說明書、使用說明書、零件明細表、標準件匯總表、外購件明細表、專

用工具明細表和產品驗收條件等。

本章只著重討論機械系統的方案設計。

12.1.2機械系統運動方案的設計步驟

機械系統運動方案設計得正確、合理與否，對提高機械的性能和質量、降低制造成本與維護

費用等影響很大，甚至決定著機械設計的成敗。機械系統運動方案的設計方法、技巧、形式多樣,

設計出來的解也表現出多樣化，但其基本步驟基本一致。

1.機械系統的功能原理設計

所謂機械系統的功能原理設計，就是對機械系統進行功能分析并擬定工作原理的過程。根據

設計任務書所提出的總功能和基本要求，通過功能分析，將機械系統的總功能分解成為可容易實

現的分功能和基本功能，構思和選擇各功能的工作原理和技術手段，確定機械所要實現的工藝要

求。

2.執行機構和原動機的運動設計

根據工作原理所提出的工藝要求構思出能夠實現該工藝要求的各種運動規律，從中選擇最簡

單、最適用、最可靠的運動規律，從而確定執行構件的數目、運動形式、運動參數以及運動協調

配合關系，并由此選定原動機的類型和運動參數。

3.機構的選型、變異與組合

根據機械的運動及動力的要求，選定機構的類型，在機構變異、組合的基礎上獲得機械系統

方案，繪制機械系統的示意圖。

4.機構的尺寸綜合

確定各構件的運動尺寸，繪制機械系統的機構運動簡圖。

5.方案分析

對機械系統進行運動和動力分析，根據機械對運動和動力的功能要求，對機械系統方案進行

適當的調整，以便為機械的結構設計提供必要的依據。

6.方案評價

通過機構的不同組合可以得到多種方案，需要從技術、經濟、社會等方面對各個候選方案進

行評價，從中選出最佳的機械系統方案。

12.2機械系統的功能原理設計

機械工作原理設計的任務，就是根據其預期實現的功能要求，構思出所有可能的功能原理，

加以分析比較，并根據使用要求或者工藝要求，從中選擇出既能很好的滿足功能要求，工藝動作

又簡單的工作原理。

實現同一種功能要求，可以采用不同的工作原理。例如，要求實現在輪坯上加工出輪齒這一

功能，既可以選擇仿形原理，也可以選擇范成原理；要求實現在螺栓上加工出螺紋這一功能，既

可以采用車削加工的原理，也可以采用套絲工作的原理，還可以采用滾壓的工作原理。

不同工作原理的機械，其運動方案也就不同。例如，仿形原理和范成原理加工齒輪時的工藝

動作除了有切削運動和進給運動外，仿形原理還需要準確的分度運動，范成原理還需要刀具和輪

坯的范成運動。

機械的工作原理確定之后，為了便于設計，應將機械的總功能分解成許多分功能，并形成機

械的工藝動作過程。例如，預設計一臺生產某規格圓盤形金屬片的設備，若決定采用沖壓的工作

原理，則將其總功能分解成送料、沖壓、退回等分功能，其工藝動作過程如圖12-1所示。

圖12-1某規格圓盤形金屬片的加工工藝動作過程

12.3執行構件的選擇和執行機構的運動設計

12.3.1執行機構的運動規律設計

所謂運動規律設計，就是根據工作原理所提出的工藝要求構思出能夠實現該工藝要求的各種

運動規律，然后從中選擇最簡單、最適用、最可靠的運動規律，作為機械的運動方案。一個復雜

的工藝過程往往需分解成多種最基本的工藝動作才能實現。工藝動作分解的方法不同，所得到的

運動規律也各不相同，所形成的運動方案也不相同。

例如，在插齒機上用插刀切制齒輪和在滾齒機上用滾刀切制齒輪，雖同屬于范成加工原理，

但由于所用的刀具不同，兩者的運動方案也就不同。插齒工藝動作可以分解為齒條插刀（或齒輪

插刀）與輪坯的范成運動、齒條插刀（或齒輪插刀）的上下往復的切削運動以及齒條插刀（或齒

輪插刀）的進給運動等，按照這種工藝動作分解方法，就得到插齒機床的運動方案；滾齒的工藝

動作可分解成滾刀與輪坯的連續轉動和滾刀沿輪坯軸線方向的移動，按照這種工藝動作分解方

法，就得到滾齒機床的運動方案。前者由于其切削運動是不連續的，所以其生產率相對較低；后

者的在滾刀連續運轉時相當于是一根無限長的齒條連續向前移動，其切削運動和范成運動合為一

體，生產率大大提高。

可見，同一工藝動作可以分解成各種簡單運動，工藝動作分解的方法不同，所得到的運動規

律和運動方案也大不相同，它們在很大程度上決定了機械工作的特點、性能、生產率、適用場合

好復雜程度。

12.3.2執行構件的選擇

1.執行構件的數目

執行構件數目取決于機械分功能或者分動作數目的多少，但兩者不一定相等。要針對機械的

工藝過程及結構的復雜性進行相應的分析。例如在鉆床工作時要實現鉆削和進給兩種功能，可采

用鉆頭和工作臺兩個執行構件分別完成；也可采用鉆頭一個執行構件同時完成兩種功能。

2.執行構件的運動形式和運動參數

執行構件的運動形式，取決于執行系統完成的工作任務。不同的工作任務使得執行構件的運

動形式也有所不同。常見的基本運動如圖12-2所示，任何復雜的運動都可看成是基本運動的組

合，如曲線運動和復合運動都是基本運動的復合。

'連續移動

r移動<間歇移動

I往復移動

基本運動

f連續轉動

、技動\間歇轉動

I往復擺動

圖12-3基本運動形式

當執行構件的運動形式確定后，還必須確定其運動參數，如表12-1所示為常見運動形式對

應的運動參數。

表12-1常見運動形式對應的運動參數

運動形式主要運動參數備注

連續移動速度V、位移S

運動時間/、停頓時間2、運動周期7、運動系數r、T="T,7越接近于1,移動時間

間歇移動

速度V、加速度位移$越長，停頓時間越短

行程速比系數K用于衡量機構急回

往復移動速度甘、位移s、行程速比系數K、極位夾角0

特性

連續轉動角速度◎或轉速〃

轉動時間八停頓時間/。、轉動周期7、運動系數7、r=t/T,7越接近于1,轉動時間

間歇轉動

轉角W、轉動角速度轉動角加速度a越長，停頓時間越短

擺角8、角速度角加速度a、行程速比系數K、極

往復擺動

位夾角。

12.3.3執行機構的協調設計

當根據生產工藝要求確定了機械的工作原理和各執行機構的運動規律，并確定了各執行機構

的型式后，還必須將各執行機構統一于一個整體，形成一個完整的執行系統，使這些機構以一定

的次序協調工作、互相配合，以完成機械預定的功能和生產過程，這就需要進行執行系統的協調

設計。

對于各個執行構件之間的運動不需要協調配合而是彼此獨立的機械，如圖12-3所示的外圓

磨床的砂輪和工件的四個運動彼此獨立，應分別為每一種運動設計一個獨立的運動銃，并有單獨

的原動機驅動。

但是對于只有依靠各執行構件的協調配合才能完成工作的機械就必須使其滿足所需要的協

調關系。如圖12-4所示的沖床兩個執行構件。、/中，要求送料構件，將原料送入模孔上方后，

沖頭C才可進入模孔進行沖壓，當沖頭。上移一段距離后，才能進行下次送料動作。

執行機構的協調設計必須遵循以下原則：

（1）滿足各執行構件動作先后的順序性要求。

（2）滿足各執行構件動作在時間上的同步性要求。

（3）滿足各執行構件在空間布置上的協調性要求。

（4）滿足各執行構件操作上的協同性要求。

（5）各執行機構的動作安排要有利于提高勞動生產率。

（6）各執行機構的布置要有利于系統的能量協調和效率的提高。

12.3.4機械運動循環圖

工程實際中，大多數機械的工作都是周期性的，即經過一定的時間間隔后，各執行構件的位

移、速度和加速度等運動參數作周期性的重復。因此執行系統的協調設計可按以下步驟進行。

（1）確定機械的工作循環周期。

（2）確定機械在一個運動循環中各執行構件的各個行程段及其所需時間。

（3）確定各執行構件動作間的協調配合關系。

圖12-3外圓磨床

1.機械的運動循環

機械的運動循環是指機械完成其功能所需要的總時間，常用字母7表示。從運動過程考慮,

機械的運動循環至少包括一個工作行程和一個空回行程，有的執行構件還有一個或若干個停歇階

段。因此機械的運動循環r可表示為:

T=/工作+f空程+f停歇

等式右邊三項分別表示機構工作行程時間、空回行程時間和停歇時間。

2.機械運動循環圖

機械運動循環圖，又稱工作循環圖，是用來表示在機械的一個工作循環中各執行構件間動作

協調配合關系的圖形。

I）機械運動循環圖的功用

機械運動循環圖對執行系統的設計起到非常重要的作用，特別是有多個執行機構協同工作的

執行系統。

（1）機器的工作循環圖反映其生產節奏，可以用來衡量核算機器的生產率，并可用來作為

分析、研究提高機械生產率的依據。

（2）確定各個執行機構原動件在主軸上的相位，或者控制各個執行機構原動件的凸輪安裝

在分配軸上的相位。

（3）指導機器中各個執行機構的具體設計。

（4）作為裝配、調試機器的依據。

（5）分析、研究各執行機構的動作如何能夠緊密配合、相互協調，以保證機器的工藝動作

過程順利實現。

2）機器運動循環圖的繪制

繪制工作循環圖時，首先應選擇一個定標構件，其它構件的運動時間都以此構件的運動基準

來表示。通常以機器的主軸或分配軸作定標構件，因為這些軸和機器中所有的軸都有聯系，且其

整轉數往往就是機器的一個工作循環。工作循環圖的繪制步驟如下：

（1）確定所有執行機構的運動循環；

（2）確定所有運動循環的組成區段；

（3）確定運動循環內各區段的時間或分配軸的轉角；

（4）繪制執行系統的運動循環圖。

繪制機器運動循環圖是一個復雜的過程，應考慮以下諸多注意事項。

（1）以工藝過程的開始點作為機器運動循環起始點，確定最先開始運行的執行機構在運動

循環圖中的位置，其他執行機構則按照工藝程序先后次序列出。

（2）因為運動循環圖以主軸或者分配軸的轉角為橫坐標，對于不在主軸或分配軸上各執行

機構的原動件比如凸輪、曲柄、偏心輪等等，應把它們運動時所對應的轉角轉換成主軸或分配軸

上相應的轉角。

（3）考慮到機器制造、安裝時不可避免的會產生誤差，為防止兩機構在工作過程中發生干

涉，應在理論計算正好不發生干涉的臨界基礎上再給以適當的余量，即把兩機構的運動相位錯開

到足夠大，以確保動作可靠。

（4）應盡量使執行機構的動作重合，以便縮短機器的工作循環周期，提高生產率。

（5）在不影響工藝動作要求和生產率的條件下，盡可能使各執行機構工作行程對應的中心

角增大些，以減小凸輪的壓力角。

3）機械運動循環圖的類型

常見的機械運動循環圖有直線式運動循環圖、圓周式運動循環圖和直角坐標式運動循環圖。

下面以粉料成型壓片機為例說明各種機械運動循環圖的繪制方法和特點，并列于表12-2中。

如圖12-5所示的粉料成型壓片機中，執行機構有料斗送料機構、上沖頭運動機構、下沖頭

運動機構。其壓片過程的工藝流程由六個工藝動作完成：

（1）力II料斗a下料至U料篩方中，如圖12-6a所示；

（2）料篩b右移模腔c上方，同時頂開已成型的片坯e,如圖12-6b所示；

（3）料篩〃在模腔c上方往復振動，送入干粉后，退出，如圖12-6c所示；

（4）下沖頭/下沉，以防粉料撲出，然后上沖頭d進入模腔c,如圖12-6d所示；

（5）上下沖頭同時加壓，并保壓一段時間，如圖12-6e所示；

（6）上沖頭d退出，下沖頭頂出片坯e,如圖12-6f所示。

圖12-5粉料成型壓片機

(c)(d)(e)(f)

圖12-6粉料成型壓片機工藝流程

設計粉料成型壓片機工作循環圖時，以上沖頭機構中的曲柄作為定標構件。如圖12-7a所示

為粉料成型壓片機的直線式運動循環圖，其橫坐標表示定標曲柄的轉角0;圖12-7b所示為粉料

成型壓片機的圓周式運動循環圖，定標曲柄每旋轉一周為一個運動循環；圖12-7C所示的是粉料

成型壓片機的直角坐標式運動循環圖，圖中橫坐標是定標曲柄的運動轉角0,縱坐標表示上沖頭、

下沖頭、送料篩的運動位移。

(b)圓周式運動循環圖

。20406080JOO120140160180200220240260280300320340360

(c)直角坐標式運動循環圖

圖12-7機械運動循環圖的類型

表12-2給出了三種機械運動循環圖的繪制方法與各自的特點。通過比較可以發現直角坐標

式的運動循環圖不僅可以表示出這些執行機構中構件動作的先后，而且還能夠描述出它們的運動

規律以及運動上的配合關系，直觀性最強，較其他兩種運動循環圖更能夠反映執行機構的運動特

征，所以在設計機器時，優先采用直角坐標式運動循環圖。

表12-2機器運動循環圖繪制方法和特點

形式繪制方法特點

將機械在一個運動循環中各執行構件各繪制方法簡單，能清楚表示一個運動循環中

直線式行程區段的起止時間和先后順序，按比例各執行構件運動的順序和時間關系；直觀性

繪制在直線坐標軸上差，不能顯示各執行構件的運動規律

以極坐標系原點為圓心作若干同心圓，每能比較直觀地看出各執行機構主動件在主

個圓環代表一個執行構件，由各相應圓環軸或分配軸上的相位；當執行機構多時，同

圓周式

引徑向直線表示各執行構件不同運動狀心圓環太多不一目了然，無法顯示各構件的

態的起始和終止位置運動規律

用橫坐標表示機械主軸或分配軸轉角，縱不僅能清楚地表示各執行構件動作的先后

直角坐標式坐標表示各執行構件的角位移或線位移，順序，而且能表示各執行構件在各區段的運

各區段之間用直線相連動規律

12.4機構的選型和組合

12.4.1常用機構的特點

任何機器都是由若干個機構組成的，傳統的機構型式有：連桿機構、齒輪機構、凸輪機構、

摩擦機構、螺旋機構和間歇運動機構等。當然隨著科學技術迅速發展，引入液、氣、聲、光、電、

磁等工作原理的新型運動機構（廣義機構）應用日益廣泛。本章對廣義機構不作詳細介紹。

上述傳統機構已經相對成熟，各具優點，如連桿機構結構簡單，運動平穩，可獲得較大行程;

齒輪機構結構緊湊、工作可靠、承載能力大、效率高；凸輪機構能夠實現精確的曲線軌跡；螺旋

機構可獲得較大的傳動比和較高的運動精度；凸輪式間歇運動機構分度、定位準確等。但是它們

在結構特點、運動特性、動力性能及制造工藝等諸多方面仍存在以下不可逾越的局限。

I.連桿機構

（1）難以精確地實現預期的運動規律或運動軌跡，設計理論較復雜。

（2）不易實現從動件較長時間的停歇。

（3）運動鏈較長，占用空間大，運動累積誤差大，運動副磨損后不易調整，影響運動精度

和工作可靠性。

（4）連桿慣性力不易平衡，動力性能差，不宜用于高速場合。

2.齒輪機構

（1）運動形式簡單，圓形齒輪不能實現變速比的運動規律。

（2）對誤差較為敏感，制造和安裝的精度要求高。

（3）非圓形齒輪可以實現變速比的運動規律，但其制造困難。

3.凸輪機構

（1）高副接觸，易磨損，在高速場合下影響運動精度和工作可靠性。

（2）直動從動件行程不宜過大，擺動從動件擺角不宜過大。

（3）凸輪輪廓加工較困難。

4.其他機構

（1）螺旋機構的機械效率低，需要反向機構才能反向運動。

（2）棘輪機構工作時有沖擊，傳動精度較低。

（3）槽輪機構每次轉角不宜太大或太小，且不可調。

（4）凸輪式間歇運動機構的凸輪加工困難，安裝調整精度要求高。

12.4.2機構的選型

1.機構選型

機構的選型是指選擇或創造出滿足執行構件運動和動力要求的機構。根據已知的設計要求，

按執行構件的運動形式及運動功能要求，先在基本機構中進行類比選擇，當基本機構不能滿足運

動或動力要求時，才考慮對基本機構進行組合、變異等方法形成新的機構，或選用組合機構。如

果很難找到滿足工作要求的現有機構，這時要求改變機械的工作原理和工藝動作或創造新型機

構。表12-3列舉了各種運動形式與實現運動要求的機構類型；表12-4列舉了各種功能要求與對

應的機構類型，可供機構選型時參考。

表12-3各種運動形式與實現運動要求的機構類型

連平行四桿機構、雙方向聯軸節機構、齒輪機構、輪系、諧波傳動機構、擺線針輪機

定傳動比勻速

續構、摩擦輪傳動機構、撓性傳動機構等

轉軸向滑移圓柱齒輪機構、混合輪系變速機構、摩擦傳動機構、行星無級變速機構、

變傳動比勻速

動撓性無級變速機構等

非勻速雙曲柄機構、轉動導桿機構、單萬向連軸節機構、非圓齒輪機構、某些組合機構等

往曲柄滑塊機構、移動導桿機構、正弦機構、移動從動件凸輪機構、齒輪齒條機構、

往復移動

復楔塊機構、螺旋機構、氣動、液壓機構等

運曲柄搖桿機構、雙搖桿機構、擺動導桿機構、曲柄搖塊機構、空間連桿機構、擺動

往復擺動

動從動件凸輪機構、某些組合機構等

間間歇轉動棘輪機構、槽輪機構、不完全齒輪機構、凸輪式間歇運動機構、某些組合機構等

歇特殊形式的連桿機構、擺動從動件凸輪機構、齒輪-連桿組合機構、利用連桿曲線圓

間歇擺動

運弧段或直線段組成的多桿機構等

動棘齒條機構、摩擦傳動機構、從動件作間歇往復運動的凸輪機構、反凸輪機構、氣

間歇移動

動、液壓機構、移動桿有停歇的斜面機構等

表12-4各種功能要求與對應的機構類型

直線軌跡連桿近似直線機構、八桿精確直線機構、某些組合機構等

預定

利用連桿曲線實現預定軌跡的多桿機構、凸輪-連桿組合機構、行星輪系與連

軌跡曲線軌跡

桿組合機構等

換向雙向式棘輪機構、定軸輪系（三星輪換向機構）等

特殊運動

超越齒式棘輪機構、摩擦式棘輪機構等

要求

過載保護帶傳動機構、摩擦傳動機構等

2.機構選型的原則

機構選型時應注意以下原則：

（1）按已擬定的工作原理進行機構選型時，應盡量滿足或接近運動形式要求。

（2）機構選型時應力求結構簡單、尺寸適度、在整:本布置上占的空間小，達到布局緊湊。

（3）機構選型時要注意選擇那些加工制造簡單、容易保證較高的配合精度的機構。

(4)機構選型時要保證在高速運轉時有良好的動力特性。

(5)機構選型時應考慮機械效率等問題。

(6)機構選型時還要考慮動力源的形式。

12.4.3機構的組合方式

機構組合是指在機構選型的基礎上，根據使用或工藝動作要求，將幾個基本機構按一定的原

則或規律組合成一個復雜的、新的機構系統。為了實現執行構件的運動型式、運動參數及運動協

調關系，或者為了改善機械的動力特性，常常在以下三個方面需要機構組合：

(1)機構的工藝動作較復雜。

(2)所選擇的機構其運動和動力特性不好，但又無更好的機構可選。

(3)由于不具備某種動力源，或受其它條件的限制，只有進行機構組合才能實現所要求的工

藝動作。

機構的組合方式可分為串聯式、并聯式、復合式和疊加式等四種組合方式。

1.串聯式機構組合

串聯式機構組合是指若干個單自由度的基本機構順序連接，前一級機構(稱為前置機構)的

輸出構件作為后一級機構(稱為后置機構)的輸入件。根據后置機構中主動件的來源串聯式機構

組合可分為一般組合和特殊組合式兩種。

1)一般串聯組合

一般串聯組合指后置機構的主動件固連在前置機構的一個連架桿上。如圖12-8a所示，后置

曲柄滑塊機構A39的主動曲柄固連在前置擺動凸輪機構的擺桿上。圖l2-8b所示為一

般串聯組合方式的運動傳遞框圖。

一般串聯組合機構的特點在于，它有可能改善單一基本機構中不太理想的的運動特性。如圖

12-8a所示的機構中，對心搔桿滑塊機構既無急回特性，而口在工作行程中滑塊的速度也不恒定。

但是兩機構組合后，只要適當設計凸輪廓線，便可使滑塊4在工作行程中具有急回特性，且勻速

運動。

圖12-8一般串聯組合

2)特殊串聯組合

特殊串聯組合指后置機構的主動件串接在前置機構中不與機架相連的浮動件上。如圖12-9a

所示的六桿機構，后置連桿機構ME廠的主動件固連在前置連桿機構ABCQ的連桿M點上，M點

的運動軌跡在a-a段為近似圓弧。設計時，如果取桿長4長度為圓弧a-a的曲率半徑，則當

M點沿此段圓弧運動時，E點剛好位于該圓弧的圓心處，從動件5的運動也將作較長時間的近似

停歇。圖12-9b所示為特殊串聯組合方式的運動傳遞框圖。

C

a/5

M

3機構11—機構2

D

(b)

圖12-9特殊串聯組合

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，運動鏈過長會降低系統的機械效

率，同時也會導致傳動誤差的噌大，所以在進行機構的串聯組合時應力求運動鏈最短。

2.并聯式機構組合

當幾個單自由度機構共用同一輸入構件但卻具有各自的輸出構件(如圖12-10a所示)，或

幾個單自由度機構同時為一個多自由度機構輸入運動(如圖12-10b所示)，或若干個單自由度

基本機構有共同的輸入與輸出構件(如圖12-lOc所示)時，稱為并聯式機構組合。圖12-l()a所

示的并聯方式，又稱為一般并聯組合方式。圖12-l()b、c所示的并聯方式，又稱為特殊并聯組合

方式。

并聯式機構組合可實現機構的慣性力完全平衡或部分平衡，改善機構受力狀態，還可實現運

動的分流或合成。

(a)(b)(c)

圖12-10并聯式機構組合示意框圖

1)一般并聯組合

一般并聯組合的各分支機構間無任何嚴格的運動協調配合關系，可根據各自的工作需要進行

獨立設計。如圖12-lla所示的某航空發動機附件傳動系統中，各輸出軸的轉速沒有直接的關系,

其示意框圖見圖12-Ub。

(a)(b)

圖12-11某航空發動機附件傳動系統及其并聯組合示意框圖

2)特殊并聯組合

特殊并聯組合的各分支機構間往往有運動協調要求，如速比要求、軌跡配合要求或時序要求。

(1)速比要求

當各分支機構間有嚴格的速比要求時，各分支部分常共用一臺原動機(或集中數控)驅動。

如圖12-12所示的滾齒機范成運動傳動簡圖，滾刀與輪坯之間必須滿足，刀坯=〃刀/〃坯=z坯/z刀的

傳動比關系。運動路線從主動軸開始，一條路線由錐齒輪1、2傳到滾刀11,另一條路線是由齒

輪3、4、5、6、7、蝸桿8、蝸輪9傳到輪坯10。

圖12-12滾齒機范成運動傳動簡圖

(2)軌跡配合要求

當執行構件間有軌跡配合要求時，各分支機構共同驅動一個從動件，使其沿特定軌跡運動。

如圖12-13所示的圓珠筆芯自動送料機構中，兩個分支凸輪1、F共同驅動一個從動件3,使其

實現矩形軌跡來完成圓珠筆芯的送料工作。

（3）時序要求

如圖12-14a所示為自動車床上車削加工鉀釘的傳動系統圖，圖12-14b所示為運動循環圖。

可見，凸輪軸上的三個并聯凸輪I、1【、HI在工作時有嚴格的先后順序要求。

工件（聊釘）

圖12-14自動車床車削餌釘傳動系統圖和運動循環圖

3）匯集式并聯組合

匯集式并聯組合是指若干單自由度分支機構匯集一道共同驅動后續機構的組合方式。如圖

12-15所示的飛機的襟翼操縱機構，它由兩個直線電機共同驅動，若一個電機發生故障，另一個

電機還可以單獨驅動，這樣就噌大了操縱系統的安全裕度。

圖12-15某型飛機的襟翼操縱機構

3.復合式機構組合

在機構組合中若由一個或若干個串聯的基本機構去封閉一個具有兩個或多個自由度的基本

機構，這種組合方式與串聯組合及并聯組合既有相同之處又有不同之處，因此稱為復合式機構組

合，其示意框圖如圖12-16所示。

圖12-16復合式機構組合示意框圖

如圖12-17所示為凸輪機構1-4-5與雙自由度的五桿機構1-2-3-4-5所構成的復合式組合。該

機構可使C點實現預期的運動軌跡。

4.疊加式機構組合

疊加式機構組合是指在一個機構（稱為基礎機構）的可動構件上再安裝一個以上機構（稱為

附加機構）的組合方式。一般取自由度大于1的差動機構作為基礎機構，自由度為1的基本機

構作為附加機構。疊加式機構組合有I型疊加組合和n型疊加組合兩類。

圖12-18a所示為I型疊加組合的示意框圖，驅動力作用在附加機構上，附加機構在驅動基

礎機構運動的同時，也可以有自己的運動輸出。附加機構安裝在基礎機構的可動構件上，同時附

加機構的輸出構件驅動基礎機構的某個構件。圖12-18b所示為II型疊加組合的示意框圖，附加

機構和基礎機構分別有各自的動力源，最后由附加機構輸出運動。II型會加組合的特點是附加機

構安裝在基礎機構的可動構件上，再由設置在基礎機構可動構件上的動力源驅動附加機構運動。

進行多次疊加時，前一個機構即為后一個機構的基礎機構。

相對于I型疊加組合，n型疊加機構之間的連接方式較為簡單，且規律性強，應用最為普遍。

(b)

圖12-18疊加式機構組合示意框圖

如圖12-19所示的電風扇是I型疊加組合機構的示例，由蝸桿1、蝸輪2組成的蝸桿傳動機

構為附加機構，由齒輪3、4、及蝸輪2(行星架H)組成的行星輪系機構為基礎機構，蝸桿傳動

機構安裝在行星輪系機構的行星架H上，由蝸輪給行星輪提供輸入運動，帶動行星架緩慢轉動。

附加機構驅動扇葉轉動，并通過基礎機構的運動實現附加機構36()。全方位慢速轉動。

如圖12-2()所示的戶外攝影車機構是H型疊加組合機構的示例，平行四邊形機溝ABC。為

基殆機構，由液壓缸1驅動8C桿運動。平行四邊形機構CQEF為附加機構，并安裝在基礎機構

的桿上。安裝在基礎機構A。桿上的液壓缸2驅動附加機構的。尸桿運動，使附加機構相對

基殆機構運動。

圖12-19電風扇圖12-20戶外攝影車機構

12.4.4常用組合機構的類型

通過以上各種組合方式得到機構系統稱為組合機構。在組合機構時，各基本機構不能單獨進

行分析與綜合，必須在一個整體機構系統的環境中來考慮。組合機構類型很多，這里只介紹其中

常用的幾種。

1.凸輪一連桿組合機構

凸輪一連桿組合機構由自由度為2的連桿機構和自由度為1的凸輪機構組成。該機構能較容

易并準確地實現較復雜的運動軌跡和運動規律，應用廣泛。

如圖12-21所示的刻字、成型機構，兩個凹槽凸輪1和T固接在一起，兩個推衿2和3的運

動為自由度為2的四移動副連桿機構輸入運動，從而形成并聯組合的凸輪連桿機構。當凸輪轉動

時，推桿2和3分別在X和丫方向上移動，從而十字滑塊4上的M點描繪出復雜的運動軌跡。

2.齒輪一連桿組合機構

齒輪一連桿組合機構是由定傳動比的齒輪機構和變傳動比的連桿機構組合而成的。該機構運

動特性多，精度易保證，運轉可靠，齒輪、連桿便于加工，而且能實現復雜的運動軌跡和運動規

律。

如圖12-22所示為工程上長用的用以實現復雜運動規律的齒輪一連桿組合機構。它是一個由

定羯輪系1-4-5（附加機構）和自由度為2的五桿機構（基礎機構）的疊加式組合機構。只要改

變兩齒輪的傳動比、相對相位角或各桿長度，連桿上的M點即可描繪出不同的軌跡曲線。

圖12-21凸輪一連桿組合機構

3.齒輪一凸輪組合機構

齒輪一凸輪組合機構一般由差動輪系和凸輪機構疊加組合而成的。該機構多用來使從動件實

現復雜的運動規律。如圖12-23所示的基礎機構是由齒輪1、行星輪2（扇形齒輪）和行星架H

組成的差動輪系，附加機構是由與行星輪2固接的擺桿和槽形凸輪4所組成的凸輪機構。當主動

件系桿H轉動時，行星輪2的回轉軸線便作整周轉動，同時錢接在行星輪2上的滾子3也在固

定凸輪4的迫使下使行星輪2相對于系桿H轉動。從而使得從動齒輪1獲得預期的運動規律。

圖12-23齒輪凸輪組合機閡

12.5機械運動方案的擬定

確定了機械的工作原理.，完成了執行機構構件和原動機的運動設計，通過機構的選型、變異

及組合，就可完成機械傳動系統方案的設計，通過分析與評價，從眾多的傳動系統方案中擬定出

最佳方案。

12.5.1機械傳動系統方案的擬定原則

擬定機械傳動系統方案時.，必須熟悉常用傳動機構以及其結構特點和運動、動力性能。表

12-5列舉了常用傳動機構及其性能，以供參考。機械傳劫系統方案的擬定要遵循以下七點原則。

1.采用簡短的運動鏈

擬定機械的傳動系統時，盡可能采用簡單、緊湊的運動鏈。因為運動鏈越簡短，組成傳動系

統所使用的機構和構件數目越少，這不僅降低制造費用、減小體積和重量，而且使機械的傳動效

率相對提高。由于減少傳動環節，使傳動中的積累誤差也隨之減小，結果將提高機械的傳動精度

和工作準確性。

2.優先選用基本機構

選擇機械傳動機構時，應考慮原動機和工作機是否相互匹配，是否滿足功率和速度的范圍要

求，傳動比是否準確性及合理范圍，結構布置和外廓尺寸是否滿足要求，另外還要考慮機器質量

和經濟性等因素。

在滿足上述條件后，應優先選用基本機構，因為基本機構結構簡單、設計方便、技術成熟。

在不滿足要求時，才考慮機構變異或機構組合。

3.應使機械有較高的機械效率

傳動系統的機械效率主要取決于組成機械的各基本機構的效率和它們之間的聯演方式。因

此，當機械中含存效率較低的機構時，如蝸輪蝸桿傳動裝置，這將降低機械的總效率。在機械傳

動中的大部分功率是由主傳動所傳遞，應力求使其具有較高的傳動效率；而輔助傳動鏈，如進給

傳動鏈、分度傳動鏈、調速換向傳動鏈等所傳遞的功率很小，其傳動效率的高低對整個機械的效

率影響較小。對輔助傳動鏈主要著眼于簡化機構、減小外部尺寸、力求操作方便、安全可靠等要

求。

4.合理安排不同類型傳動機構的順序

機械的傳動系統和執行機構一般均由若干基本機構和組合機構組成，它們的結構特點和傳動

作用各不相同，應按一定規律合理的安排傳動順序。一般將減速機安排在運動鏈的起始端，盡量

靠近動力機，例如采用帶有減速裝置的電動機；將變換運動形式的機械安排在運動鏈的末端，使

其與執行構件靠近，如將凸輪機構、連桿機構、螺旋機構等靠近執行構件布置：將帶傳動類型的

摩擦傳動安排在運動鏈中的轉速高的起始端，以減小傳遞的轉矩、降低打滑的可能性。在傳遞同

樣轉矩的條件下，與其他傳動形式比較摩擦傳動機構尺寸比較大，為了減小其外部尺寸應將其布

置在運動鏈的起始端。傳動鏈中采用圓錐齒輪時，應考慮到圓錐齒輪制造較困難，造價高，避免

用大尺寸的圓錐齒輪，而采用較小的圓錐齒輪也應布置在運動鏈中轉速較高的位置。

上述順序安排只是一般性的考慮，具體安排時需要同時考慮的因素較多，如充分利用空間、

降低傳動噪音和振動，以及裝配維修的方便等，相關的各因素都要權衡利弊給予適當的考慮。

5.合理分配傳動比

運動鏈的總傳動比應合理地分配到各級傳動機構，既充分利用各種傳動機構的優點，又有利

于尺寸控制得到結構緊湊的機械。每一級傳動機構的傳動比應控制在其常用的范圍內，。如果某

一級傳動比過大，則對其性能和尺寸都將有不利的影響。所以當齒輪傳動比大于8?10時，一般

應設計為兩級傳動；當傳動比在30以上時，常設計兩級以上的齒輪傳動。但是對于傳動來說，

由于外部尺寸較大實際很少采用多級帶傳動。

電動機的轉速一般都超過執行構件所需要的轉速，而需要采用減速傳動系統。這時，對于減

速運動鏈應按照“前小后大''的原則分配傳動比，而且相鄰兩級傳動比的差值不要相差太大。安排

這種逐級減速的運動鏈，可使各級中間軸有較高的轉速及較小的轉矩，因此可選用尺寸較小的軸

徑和軸承，油封等零件。

6.保證機械的安全運轉

設計機械的傳動系統和執行機構，必須充分重視機構的安全運轉，防止發生人身事故或損壞

機械構件的現象出現。一般在傳動系統或執行機構中設有安全裝置、防過載裝置、向動停機等裝

置。例如在起重機的起吊部分必須防止在載荷作用下發生倒轉，造成起吊物件突然下落砸傷工人

或損壞貨物的后果，所以在傳動鏈中應設置具有足夠自鎖能力的機構或有效的制動器。又如為防

止機械因短時過載而損壞，可采用具有過載打滑的摩擦傳動裝置或設置安全聯軸器和其他安全過

載裝^

7.考慮經濟性要求

傳動方案的設計應在滿足功能要求的前提下，從設計制造、能源和原材料消耗、使用壽命、

管理和維護等各方面綜合考慮，使傳動方案的費用最低。

表12-5常用傳動機構及其性能

傳動圓周速度外廓相對

傳動效率傳動比性能特點

類型/ms-1尺寸成本

過教打滑，傳動平穩，能緩沖

0.94-0.96（平帶）5~25

大低吸振，不能保證定傳動比，遠

帶傳動0.92-0.97（V帶）<5~7（30）

距離傳動

0.95?0.98（齒型帶）<1050中低傳動平穩，能保證固定傳動比

平均傳動比準確，可在高溫下

0.90-0.92（開式）<5

鏈傳動5?25大中傳動，遠距離傳動，高速有沖

0.96~0.97（閉式）（8）

擊振動

傳動比恒定，功率和速度適用

齒輪0.92-0.96（開式）K3~5<5中范圍廣，效率高，壽命長。

中

傳動0.96~0.99（閉式）<7~10<200小

蝸輪0.40~0.45（自鎖）8~80傳動比大，傳動平穩，結構緊

15-50小高

傳動0.70~0.90（不自鎖）（1000）湊，可實現自鎖，效率低

螺旋0.30?0.60（滑動）中傳動平穩，能自鎖，增力效果

小中

傳動40.90（滾動）低好

結構簡單，易制造，能傳遞較

連桿

高1中小低大載荷，耐沖擊，可遠距離傳

傳動

動

凸輪從動件可實現各種運動規律，

低中小高

傳動高副接觸磨損較大

摩擦過載打滑，工作平穩，可在運

0.85-0.95<5-7<15?25大低

輪傳動轉中調節傳動比

12.5.2機械傳動系統方案的擬定方法

機械傳動系統方案的擬定，是一個從無到有的創造性設計過程，涉及設計方法學的問題。

擬定機械傳動系統的方法較多，下面僅介紹兩種較常用的方法：功能分解組合法和模仿改造法。

1.功能分解組合法

功能分解組合法基本思路是首先對設計任務進行深入分析，將機械要實現的總功能分解為若

干個分功能,再將各分功能細分為若干個元功能，然后為每一元功能選擇一種合適的功能載體（機

構）來完成該功能，最后將各元功能的功能載體加以適當地組合和變異，就可構成機械傳動系統

的一個運動方案。

由于一個元功能往往存在多個可用的功能載體，所以用這個方法經過適當排列組合可獲得很

多的傳動系統方案。

【例12-1］如圖12-24a所示零件，擬定在沖床上完成，試采用功能分解組合法實現其傳動

系統方案的擬定。

解：經過任務分析，可將沖床的功能分解為送料、沖壓、退回等三個方面。送料功能由送

料機構完成，用以實現間隙送料：沖壓功能由沖頭完成，完成往復運動、增力、急回、減速等運

動。

4-10

圖12-24沖床沖壓零件示意圖

（1）由上述分析可知，送料機構可采用間歇運動機構，圖12-25a所示為間歇滾輪傳動機構,

圖12-25b所示為棘輪機構，圖12-25C所示為推勾式傳動機構。

圖12-25間歇送料機構

（2）為了實現沖頭往復運動、增力、急回等功能，可采用的六桿肘桿機構（如圖12-26a所

示）或直動推桿凸輪機構（如圖12-26b所示）。

（a）（b）

圖12-26沖頭運動機構

（3）為了實現沖頭的減速功能，可以采用兩級帶傳動、兩級齒輪傳動或一級帶傳動和一級

齒輪傳動的組合。

將圖12-25、12-26所示的機構和各種減速機構進行組合，就能得到多種沖床的傳動系統方

案。

2.模仿改造法

模仿改造法的基本思路是經過對設計任務的認真分析，先找出完成設計任務的核心技術，然

后尋找具有類似技術的設備裝置，分析利用原裝置來完成現設計任務的有利條件、不利條件，缺

少哪些條件。保留原裝置的有利條件，消除其不利條件，增設缺少的條件，將原裝置加以改造，

從而使之能滿足現設計的需要。

為了更好地完成設計，一般應多選幾種原型機，吸收它們各自的優點，加以綜合利用。這樣

既可以縮短設計周期，又可切實提高設計質量。在有資料和實物可參考的情況下，模仿改造法應

用較多。

【例12-2］如圖12-27a所示為一育秧缽零件圖，試用模仿改造法設計如圖12-27b所示的育

秧缽制作機的傳動系統，要求每分鐘生產50個。

解：

1）育秧缽制作機主要工藝過程為填土、壓實和脫模，涉及的核心技術有攪拌、沖壓和脫模。

如圖12-30C所示的蜂窩煤制作機也有沖壓和脫模的過程，因此可將其作為設計育秧缽制作機的

原型機。

(c)

向

（d）

圖12-27模仿改造法設計育秧缽制作機的傳動系統

2）圖12-27C所示蜂窩煤制作機傳動系統中，包括以下三條傳動路線：

（1）電機1―帶傳動機構2T圓柱齒輪傳動機構3T圓錐齒輪傳動機構4T嘈輪機構5-

工作臺6,實現工作臺的間歇轉動。

（2）電機1—帶傳動機構2一圓柱齒輪傳動機構3T曲柄滑塊機構8、9T沖頭12（或脫模

頭13）,實現蜂窩煤的沖壓與脫模。

（3）滑塊9＞凸輪機構11、12＞清掃頭11,實現清掃工作。

3）經過對蜂窩煤制作機傳動系統的分析，對比育秧作制作機的工藝過程，得出以下幾點改

造意見：

（1）工作臺6靠槽輪機構5實現間歇間歇性回轉，周期較長，生產效率低，機構也較復雜,

成本較高，改造方案中可以考慮改成連續旋轉。

（2）土壤間粘結性好，清掃系統在改造方案中可以考慮去掉。

（3）蜂窩煤制作機傳動系統沒有混合攪拌裝置，改造方案中應增加。

4）根據上述改造意見，將蜂窩煤制作機傳動系統改造成如圖12-27d所示的育秧缽制作機傳

動系統。

（1）電機1-帶傳動機構2T圓柱齒輪傳動機構3T圓錐齒輪傳動機構4T圓柱齒輪5一

圓柱齒輪6（工作臺6）,實現工作臺連續轉動。

（2）電機1—帶傳動機構2T圓柱齒輪傳動機構3T曲柄滑塊機構7、8、9T沖頭10,實

現沖壓與脫模。

（3）電機1—帶傳動機構2T圓柱齒輪傳動機構3T圓錐齒輪傳動機構4T圓柱齒輪5-

攪拌器，實現攪拌功能。

12.6機械運動方案的評價

實現機械功能可采用不同的工作原理，而且同一個工作原理也可有許多不同的實施方案，因

此輻要對眾多的機械系統運動方案進行評價，以便從中選出最佳的方案。如何評價系統運動方案,

并在評價的基礎上作出決策，是機械系統方案設計的一個重要步驟。

1.機械運動方案的評價指標

機械運動方案的具體評價指標很多，側重點也不同，從具體要求上主要考慮以下幾個方面。

I）功能目標完成情況判斷機械系統實現機械產品的預定功能目標的優劣程度。

2）方案復雜程度從機構復雜程度、制造難易程度、機構數目以及運動鏈長短等因素進行

評價。

3）工作效率的高低從生產率、運轉時間等影響工作效率的因素進行評價。

4）方案可靠性從構件或機構的失效率、整機的可靠性等因素進行評價。

5）方案新穎性從方案的創新程度加以判斷。

6）方案經濟效益從產品設計、制造難易程度，設計、制造、使用周期的長短，材料的價格、

耗費情況，以及從產品在使用過程中能耗的大小等方面逆行評價。

7）方案安全性包括機械產品本身的安全保護裝置是否齊備，如過載保護、斷電保護等；還

包括對人身的安全性問題，對噪作者或使用者是否有人身傷害，是否具有安全防護措施。

8）方案可操作性從機械產品是否方便操作，是否簡單、易掌握，人機關系的協調性能如何

等方面進行評價。

9）方案先進性體現在機械的運動、動力性能以及機械效率、精度等方面。

10）環境問題重視程度對產品在制造、使用、維護等過程中產生的污染以及報廢產品的可

回收性等方面進行評價。

以上的評價僅是對預期結果的評價，完全準確的評價還在于產品完全投入市場之時。但對機

械系統運動方案的初步評價還是很有必要的，它有助于及時發現問題并糾正，以免產生更大程度

的反工，造成更大的損失，從而使產品成本提高，價值降低。

2.機械運動方案的評價方法

常用的機械運動方案的評階方法有關聯矩陣法、模糊評價法和評分法，其中評分法最為簡單。

下面僅介紹使用較為簡便的評分法。

所謂評分法就是針對評價目標中各個項目的重要程度，選擇一定的評分標準和總分計分法對

力窠的優劣進行評價。

由于評價指標難以細化，建議采用五級制（或六級制）評分制，即用5、4、、3、2、1（0）

等指標量化值分別表示方案在某指標方面為很好、較好、一般、較差、差（太差）。如表12-6

所示為上述1（）個指標的評分權重與定性描述。

根據表12-6所計算的僅為單項指標的評分結果，要想更好地區分各種方案的優劣，還需選

擇一種總分計分法。表12-7所示為幾種常用總分計分法及其公式和特點。

通過評分法對機械運動方案進行評價，可比較直觀地了解機械運動方案