实验9 指导书宁先雄.docx
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实验9指导书宁先雄
实验9机械系统原理方案创新设计
机械创新设计的目的是设计出工作机理独特有效、结构新颖巧妙的机械产品。
机械创新设计的关键是原理方案设计，它决定了产品的质量、性能、功效和性价比等。
原理方案设计的基本要求有许许多多，其中最重要的，一是机械产品能够实现预期功能，二是性能良好。
为达到第一个基本要求，常常采用“功能分析法”，将机械产品的总功能逐次分解成多个基本功能，进而找出实现这些基本功能的基本机构，将这些基本机构组合后形成创新设计的方案。
为达到第二个基本要求，常常是在多个方案中优选。
所以设计者必须知道各种机构能够具有哪些预期功能，以及实现预期功能的性能如何。
9.1实验目的
1．通过观察各种基本机构和组合机构，了解各种基本机构的功能，了解机构的型的演化方法。
2．通过观察实际机器，分析各种基本机构在实际机器中所实现的基本功能及其性能。
3．根据给定的设计平台和设计任务，设计出机器原理方案，训练创新设计方法启发创新思维、意识。
9.2实验器材
1．基本机构：
铰链四杆机构及其演化；曲柄滑块机构及其演化；双滑块机构及其演化；凸轮机构；齿轮机构；周转轮系；停歇、间歇机构.
2．组合机构；平面、空间连杆机构。
3．机构创新设计方法I、II、III展示台。
4．基本机构在工程实际中的应用：
II级机构；泵；印刷机；插齿机；缝纫机；牛头刨；发动机；轮系等。
5．机械系统集成及参数可视化实验台。
机械系统集成及参数可视化实验台是专门为机械系统认识、创新设计、拼装、检测、分析提供的一个开放式的实践平台。
它包括：
1）可容纳工作安装方式的机械平台（平面安装及空间安装）；2）传动零件部库（动力，离合器，联轴器，传动部件，动态及静态负载及执行机构）；3）检测系统（效率检测系统、运动检测系统及电机转速控制）；4）控制—操纵单元和辅助单元。
试验台主要技术参数如下。
1）直流电机：
功率为600W，工作转速为0-800rpm，最大允许加载力矩25Nm；2）外形尺寸：
1150×750×550；3）重量：
340kg；4）直线位移传感器：
WYDC-200L型，量程L=200mm，精度：
0.5%；5）光栅角位移传感器参数：
GFJ-7-5V/900P型，900栅/转；6）测力传感器：
额定量程5kg、20kg，可超载50％，精度0.1％。
图片由湖南福润德科技文化有限公司
试验台的主要功能：
1）实验台由传动系统平台及执行件平台两部分构成，两部分均可装拆，进行机械系统设计。
2）在传动平台上可测试并绘制在不同的工况下每个机械传动装置的速比、转矩、效率实时变化曲线；3）利用配套软件可检测各种活动构件的位移、速度和加速度，并通过计算机显示运动曲线；通过对构件运动曲线的分析可了解机构运动规律及机构运动状况，进而对机构进行重新设计与装配调整；4）运用配套软件对执行件平台的机构运动进行虚拟设计与仿真分析实验：
利用本实验台提供的软件平台对机构运动进行虚拟设计和运动仿真，除该软件提供的内容以外，使用者可自己进行运动数据处理和II级机构虚拟设计与运动仿真实践。
9.3机构创新设计方法
机构创新设计的目的是构造出所需的新型机构。
常用如下方法。
9.3.1公式推导
公式推导法是综合独立有效单铰运动链的有效方法。
该方法根据自由度与构件数以及低副数的关系式（即自由度计算公式）、运动链环路数与构件数关系式，利用排列与组合原理，得到所有可能的运动链，再排除重复或无效运动链，得到独立有效运动链。
如表9-1所示。
其中，单自由度四杆运动链只有一个独立有效运动链，如图9-1a所示，单自由度六杆运动链有两个独立有效运动链，分别为瓦特（WATT）链（如图9-1b所示）和斯提芬森（STEPHENSON）链（如图9-1c所示）。
采用低副高代、变换机架等方法，可将独立有效运动链演化成各种运动链或机构。
表9-1单自由度独立有效运动链
运动链类型
回路数
运动副数
2元素杆数
3元素杆数
4元素杆数
独立有效的运动链数
4杆运动链
1
4
4
0
0
1
6杆运动链
2
7
4
2
0
2
8杆运动链
3
9
4
4
0
9
5
2
1
5
6
0
2
2
（a）四杆运动链（b）WATT链（c）STEPHENSON链
图9-1单自由度独立有效运动链
9.3.2变换机架（变换后改变机构类型）
取相同运动链的不同构件为机架，可得到不同机构，如图9-2、9-3、9-4所示。
（a）曲柄摇杆机构（b）双曲柄机构（c）双摇杆机构
图9-2铰链四杆机构变换机架
（a）曲柄滑块机构（b）转动导杆机构（c）摇块机构（d）移动导杆机构
图9-3含一个移动副机构变换机架
（a）双滑块机构（b）双转块机构（c）十字滑块联轴器
图9-4含两个移动副机构变换机架
10.3.3扩大转动副（变换后不改变机构类型）
将图9-5a所示机构的转动副B扩大，使之超过点A，构件AB为一圆盘，机构演化为偏心轮机构，如图9-5b所示。
（a）曲柄摇杆机构（b）偏心轮机构
图9-5扩大转动副
9.3.4转动副变换为移动副（变换后改变机构类型）
如图9-6所示，先扩大转动副D，原构件CD为一圆环，令D→∞远，机构演化为偏置曲柄滑块机构，再令e=0，机构演化为对心曲柄滑块机构。
（a）曲柄摇杆机构（b）曲柄摇杆机构（c）曲柄滑块机构
图9-6转动副变换为移动副
9.3.5改变构件包容关系（变换后不改变机构类型）
（a）曲柄滑块机构（b）移动导杆机构（c）摆动导杆机构
图9-7改变构件包容关系
在图9-7a所示的曲柄滑块机构中，构件3包容构件4。
若使构件4包容构件3，则演化成移动导杆机构（如图9-7b所示）。
图9-7c所示的摆动导杆机构与图9-3c所示的摇块机构，也是包容关系不同。
机构演化的基本原理，揭示了机构的本质的内在联系。
了解该原理，对认识机构，培养机构创新设计思维具有意义。
9.3.6机构组合
将多种基本机构适当组合，从而实现简单机构难以实现的某种复杂运动规律，使之具有特殊的运动和动力特性，完成实际生产中的工作要求的典型机构的组合系统称为组合机构。
如凸轮连杆机构由凸轮机构和连杆机构组合而成，齿轮连杆机构由齿轮机构和连杆机构组合而成。
机构的组合的实质是通过将各种基本机构以一定的形式相连接，实现运动的变换、迭加和动力性能的改善，从而得到与基本机构不同的运动学、动力学特征。
机构的创新设计是建立在学习掌握基本机构的功能、运动动力特性的基础之上，结合现代控制技术，并总结生产实践的工程经验和综合运用多方面的知识而发挥创造才能的具有挑战性的工作。
9.4机械系统原理方案创新设计方法
原理方案创新设计方法有很多，这里只简介“功能分析法”。
功能分析法的大致步骤如下。
（1）功能分解：
将机械系统的总功能逐次分解为若干子功能，直到能够找到实现这一分功能的子系统为止，这个子系统又叫做功能元。
机械系统各部分多为实现各种运动变换和预期运动规律的子系统。
运动变换取决于子系统的类型，运动规律取决于尺寸。
因此，这里的子功能实际上指的是运动。
功能元既然是子系统，也就可大可小。
功能元的大小取决于功能分解的详尽程度。
例如插齿机总功能的一种分解方案是：
动力输入功能（可选电动机为功能元）、减速功能（可选齿轮传动为功能元）和插齿功能。
再将插齿功能分解为实现范成运动功能（可选齿轮传动为功能元）、切削运动功能（可选连杆机构为功能元）、让刀运动功能（可选凸轮机构为功能元）。
（2）构造形态矩阵：
实现同一功能的功能元有多种，以表格的形式罗列出来。
这个表格就叫做“形态矩阵”。
（3）方案数量求解：
求出不同组合下的方案总数。
（4）选择、评价、优化方案。
图9-8挖掘机的功能树
例9-1应用功能分析法求解挖掘机设计的原理方案。
（1）功能分解
挖掘机的总功能：
取运物料。
总功能的分解如图9-8所示。
（2）构造形态矩阵（如表9-2所示）。
（3）方案数量
总方案数：
N654431440。
（4）选择方案
选择A1B5C3D4E1即为履带式挖掘机，选择A5B5C2D4E2即为液压轮胎式挖掘机。
表9-2挖掘机形态矩阵
功能因素
技术措施（形态）
1
2
3
4
5
6
A.动力源
电动机
汽油机
柴油机
汽轮机
液力马达
气动马达
B.移位传动
齿轮传动
蜗杆传动
带传动
链传动
液力耦合器
C.移位
轨道及车轮
轮胎
履带
气垫
D.取物传动
拉杆
绳传动
汽缸
液压缸
E.取物
挖斗
抓斗
钳式斗
例9-2精锻机主机构。
该例题是在执行机构层面上进行功能分解。
总功能：
当加压执行构件（冲头）上下运动时，能锻出较高精度的毛坯。
空间约束条件:
驱动轴必须水平布置。
功能分解为⑴运动形式变换；⑵运动轴线变向；⑶运动位移或速度缩小。
形态矩阵如表9-3所示。
组合机构方案总数：
N641296。
部分选择方案如表9-4所示。
9-3精锻机主机构形态矩阵
连杆机构
凸轮机构
螺旋、斜面机构
齿轮机构
摩擦轮机构
流体机构
运动形式变换
运动轴线变向
运动位移或速度缩小
9-4精锻机主机构方案
序号
基本功能结构
方案
特点
A
运动形式变换+运动位移或速度缩小+运动轴线变向
刚度好，具有较好的增力功能，能完全满足精锻机各方面的技术要求
B
运动形式变换+运动轴线变向+运动位移或速度缩小
生产效率较低，适合用于一般大型锻压机械设备
C
运动位移或速度缩小+运动轴线变向+运动形式变换
机构的综合刚度较差，但冲头具有较大压力，且可在冲压位置保持短时间停歇，适用于压印机
D
运动轴线变向+运动形式变换+运动位移或速度缩小
冲头压力大，安全可靠，但传动精度差，适用于一般的锻压设备
9.5机械系统创新设计目录
利用上述方法设计机械系统，首先应该了解实现各种功能的功能元目录、性能目录、评价目录。
这些目录又叫设计目录。
设计目录的编制原则是详尽并便于查询。
设计目录的编制形式有很多，其中之一就是表格形式。
如表9-59-7所示。
9-5机构功能元目录
机构类型
功能
连杆机构
凸轮机构
齿轮机构、轮系
其他常用机构
匀速运动
平行四边形机构、双转块机构
圆柱齿轮机构、周转轮系、谐波传动、摆线针轮传动
带、链、挠性件传动、摩擦轮机构
非匀速运动
双曲柄机构、转动导杆机构、转块机构
非圆齿轮机构
往复移动
曲柄滑块机构、移动导杆机构、楔块机构
移动从动件凸轮机构
齿轮齿条机构
螺旋机构、气、液动机构
往复摆动
曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、曲柄摇块机构
摆动从动件凸轮机构
齿轮齿条机构
气、液动机构
间歇运动
可以实现
容易实现
不完全齿轮机构
棘轮机构、槽轮机构
轨迹运动
连杆上的点
行星轮上的点
差动
两自由度连杆机构
差动轮系
差动螺旋机构、差动棘轮机构
增力
肘杆机构、杠杆机构
减速传动
过载保护
过载保护
换向
增惰轮、滑移齿轮
9-6常用机械传动性能目录
传动类型
单级传动比i
功率P/kw
效率
速度/m.s-1
寿命
常用
最大
常用
最大
一般
最大
摩擦轮传动
7
15
20
200
0.850.92
25
取决于接触强度和耐磨性
带传动
平带
3
5
20
3500
0.940.98
30
120
一般V带30005000h，
优质V带20000h
V带
8
15
40
4000
0.90.94
30
40
同步带
9
20
9
400
0.960.98
50
90
链传动
8
15
90
4000
0.960.99
20
40
链条寿命500015000h
齿轮传动
圆柱齿轮
5
9
50000
闭式0.960.99
开式0.900.93
7级精度直齿20斜齿25
润滑良好时，寿命可达数十年，经常换挡的变速齿轮平均寿命为900020000h
锥齿轮
3
8
900
闭式0.940.98
开式0.920.95
8
蜗杆传动
40
80
50
800
闭式0.70.92
开式0.50.7
自锁0.30.45
s15
35
精度高、润滑良好时寿命较长。
螺旋传动
小功率传动
滑动0.30.6
滚动0.9
低速
滚动螺旋寿命较长
9-7四种常用机构性能初步评价目录
性能指标
具体评价指标
评价
连杆机构
凸轮机构
齿轮机构
组合机构
功能
运动规律形式
只能实现有限个精确位置
基本上任意
一般定速比转动或移动
基本上可以任意
传动精度
较高
较高
高
较高
工作能力
应用范围
较广
较广
广
较广
可调性
较好
较差
较差
较好
运动速度
高
较高
很高
较高
承载能力
较大
较小
大
较大
耐磨性耐磨
差
较好
较好
可靠性
可靠
可靠
可靠
可靠
动力能力
加速度峰值
较大
较小
小
较小
噪声
较小
较大
小
较小
效率
较低
较高
高
较高
平稳性
较差
较差
好
较好
经济性
制造难易
容易
困难
较难
较难
制造误差敏感
不敏感
敏感
敏感
敏感
调整方便性
方便
较麻烦
较方便
较方便
能耗大小
一般
一般
一般
一般
结构紧凑
尺寸
较大
较小
较小
较小
质量
较轻
较重
较重
较重
结构复杂性
简单
复杂
一般
复杂
9.6实验要求
实验分两步进行。
第一步，展示与分析，参观各种基本机构、组合机构和实际机器。
第二步，设计、组装、测试机器。
9.6.1展示与分析实验要求
以观察记录为主。
在观察时重点注意以下问题。
1.基本机构
有哪些基本机构？
它们具有哪些功能？
2.组合机构
有哪些组合机构？
它们有哪些特殊功能？
如串联组合的连杆－齿轮齿条机构的功能是将转动变换为往复运动，并能实现输出构件的大范围停歇；并联组合的连杆－齿轮机构能将转动转换成复杂的行星运动；蜗杆蜗轮－齿轮反馈机构能将转动转换成带补偿的复合运动等等。
3.实际机器
注意两个问题：
一是有几个基本功能？
这些分功能如何实现的？
1）打印机
注意实现打印功能的原理不同。
利用杠杆原理实现机械打字功能；利用电磁原理实现针式打印；利用光电原理实现激光打印。
2）印刷机
印刷机功能分解为：
油墨均匀；滚筒沾墨及铅板上刷墨；纸板运动进行印刷。
油墨均匀功能的实现：
电机→带传动→齿轮传动→凸轮机构→棘轮机构→油墨盘转动；电机→带传动→齿轮传动→双曲柄机构→棘轮机构→调墨滚筒转动。
滚筒沾墨及铅板上刷墨功能的实现：
齿轮传动→双摇杆机构→棘轮机构→滚筒上下运动。
制动器：
使用带制动方式，在电机轴上装有二个飞轮，一个有止动螺钉可随电机转动，另一个没有止动螺钉，可在轴上打滑。
停车时，不希望停止电机的转动，将蹿动带滑到飞轮上，此时轮转轴不转，可停止印刷机工作。
3）插齿机
范成运动：
刀具与轮坯节圆作无滑动的纯滚动；切削运动：
插刀上下往复运动；进给运动：
为切制出全齿高，轮坯相对刀具作径向进给运动；让刀运动：
插刀向上提起时，为不至将已切制好的轮齿表面拉伤，刀具相对轮坯作径向让刀运动。
4）汽车车窗升降机构
采用齿轮连杆组合机构，完成车窗的升降。
5）制动器
内胀式机械制动器、外抱式电力制动器、夹蝶式液力制动器等。
6）千斤顶
卧式千斤顶：
液压、连杆机构组合；机械千斤顶：
螺旋、齿轮、棘轮机构组合；液压千斤顶：
液压、螺旋机构组合；齿条千斤顶：
齿轮齿条、棘轮机构组合。
4.机械系统集成及参数可视化实验台
注意观察试验台的及功能部件
9.6.2机械创新设计、组装及测试
9.6.2.1设计任务
任务一牛头刨床动力、传动和主执行系统设计。
设计参数：
刨刀行程250mm；直流电机功率为600W，工作转速为540rpm，最大允许加载力矩25Nm；主轴转速60rpm。
机器特点：
主执行机构是行程扩大机构。
牛头刨床动力、传动和主执行系统初步设计方案如图9-9所示。
图9-9牛头刨床初步方案
任务二精压机动力、传动和主执行系统设计。
设计参数：
冲头行程90mm；直流电机功率为600W，工作转速为540rpm，最大允许加载力矩25Nm；主轴转速60rpm。
机器特点：
冲头位移近似为图9-11所示曲线。
精压机动力、传动和主执行系统初步设计方案如图9-9所示。
图9-9精压机初步方案图9-11冲头位移要求
任务三模切机动力、传动和主执行系统设计。
半自动平压模切机是印制、包装行业压制纸盒、纸箱等纸制品的专用设备。
该机可对各种规格的白纸板，厚度4mm以下的瓦楞纸板，以及各种高级精细的印制品进行压痕、切线、压凹凸。
经过压痕、切线的纸板，用手工或机械方法沿切线处去掉边料后，沿压出的压痕可折叠成各种形状的纸盒，纸箱或制成凹凸的商标。
设计参数：
冲头行程50mm；直流电机功率为600W，工作转速为540rpm，最大允许加载力矩25Nm；主轴转速60rpm。
机器特点：
冲头受力如图9-13所示，压力很大，主执行机构为力放大机构。
图9-12所示为模切机初步设计方案。
图9-12模切机初步方案图9-13模切机受力图
任务四干草压缩机动力、传动和主执行系统设计
设计参数：
冲头行程300mm；直流电机功率为600W，工作转速为540rpm，最大允许加载力矩25Nm；主轴转速60rpm。
机器特点：
主执行机构为力放大机构。
图9-14干草压缩机方案
图9-14所示为干草压缩机动力、传动和主执行系统初步设计方案。
9.6.2.2设计要求
1.设计前要查阅相关资料；
2.功能分解为动力输入、减速传动和运动变换3个子功能；
3.减速传动至少列出3种功能元；运动变换3子功能至少列出3种功能元；
4.至少组合出3种不同方案；
5.至少完成1个方案的尺寸设计并组装、测试；
6.必须得到运动线图的测试结果。
9.7思考题
1．画出插齿机执行系统实现切削运动、让刀运动的功能元示意图。
2．叙述“功能分析法”的大致步骤。
3．组合机构有哪几类？
它们分别实现哪种复杂运动？
4．空间连杆机构有哪几类？
5．请找出圆盘印刷机中所各运动机构及其所起的作用？
6．缝纫机主要由哪些机构组成？
7．打印机可以采用哪些工作原理来设计？
它们各有何优缺点？
8．剪、钳为什么有许多不同的形状，各有什么用处？
9．泵的工作原理有哪几种？
它们采用什么机构来实现？
9．风扇送风摇头机构有几种方案？
你认为哪种方案好？
为什么？
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