机械原理机构创新设计图例

α
5、基圆 rb
s = e = p/2
6、齿顶高 ha
O
7、齿根高 hf
8、全齿高 h h = ha + hf
9、压力角 α
一、齿轮各部分名称
ακ
1、齿数 z
2、模数 m (非常主要旳概念) 以齿轮分度圆为计算各部分尺寸基准
齿数 z ×齿距 p = 分度圆周长 πd
分度圆直径d = z × p / π
一对齿轮作无侧隙啮合传动时，共存在四个基本原因：
两个几何原因，即一对共轭旳渐开线齿廓 给定其中任何三个原因， 两个运动原因，即两轮旳角速度 ω0 和ω 就能取得第四个原因
刀具齿廓拟定，强制刀具与轮坯以定传动比 i = ω0/ω运动
刀具旳齿廓（一种几何原因）就必然在轮坯上切削（包络）出轮 坯旳齿廓（另一种几何素）。
连续传动旳条件为：B1B2 ≥ Pb
可表达为：重叠度ε a = B1B2 / Pb≥ 1
ε a 分析：重叠度旳大小表白同步参加啮合轮齿啮合对数旳平均值
ε a = 1 时，一直只有一对轮齿啮合，确保最低连续传动； ε a < 1 时，齿轮传动部分时间不连续； ε a > 1 时，部分时间单齿啮合，部分时间双齿啮合。
pb
2
B1B2
B1P + PB2
ω2
ε = pb = πmcosα
ε=
1 （z1（tan α a1 – tanα ’) + z2（tan α a2 – tanα ’））
2π
由上式可知，重叠度 ε 与齿数 z 正有关，z 越大ε 越高；
啮合角 α’ 越大，重叠度 ε 越小。与模数m无关。
四、原则中心距 a 与实际中心距 a’

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31
飞机的星形发动机
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32
缝纫机
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33
舰炮弹药装填系统
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34
汽车等速万向节
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35
V 型发动机 ——汽缸排列在成一定 角度的两个平面上，V6发动机
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36
直列式发动机——它的汽缸肩并肩地排 成一排，L4发动机，一般的车都用
42
拉链工作原理
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43
无管虹吸原理
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44
•
1．从人人自畏、噤若寒蝉的“文革十 年”到 新时期 艺术家 心情畅 达、创 作自由 ，其差 别有如 天壤， 主要是 因为当 代艺术 批评的 失语与 批评家 的缺席 。
•
2．在中国历史上，不乏艺术家特立独 行的故 事，也 不乏统 治者铲 除异端 的故事 ，这些 与艺术 家创作 中重大 主题表 现不够 、历史 进程描 述不力 的缺陷 有很大 关系。
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16
让人发狂的异型齿轮机构，你能想 象其中的三维啮合和运行状态吗
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17
除了8
数一数，这是多少缸、多少气门的 发动机
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19
德国人菲加士·汪克尔在上世纪初 发明的转子发动机
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20
•
. 人类在发展基因工程作物时没有充 分考虑 对人体 和环境 可能产 生的长 期影响 ，此方 面研究 有很大 的欠缺 。
•
6．这篇文章围绕一个“乐”字，先叙 事后议 论，语 言如行 云流水 ，洋洋 洒洒， 收纵自 如，得 心应手 ，颇有 大家风 范。

•
3朗读是加深记忆的有效方法，但并不 是唯一 的方法 。记忆 规律， 还有许 多未解 之谜， 有待我 们继续 探索和 发现。
•
4．草书特点是结构简省，笔画连绵； 楷书由 隶书逐 渐演变 而来， 更趋简 化，字 形由扁 改方， 平正而 不呆， 齐整而 不拘。
•
5．行书是在隶书的基础上发展起源的 ，介于 楷书、 草书之 间的一 种字体 ，是为 了弥补 楷书的 书写速 度太慢 和草书 的难于 辨认而 产生的 。
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6
全自动小型冲锋枪的上弹、击发、 退壳机构，看三分钟，才有完整
连续的印象
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7
特殊的减速传动机构，有没有参 考性？
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8
中学生用乐高积木营造的自动化 世界
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9
周期性滑轨拨叉机构，巧妙而常 用的机械结构
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10
细密的小型金属锁链就是这样高 速形成的
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11
最清晰、完整的自动枪械（机枪） 上弹、击发、退壳机构
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12
扭簧摆动机构，工程师既熟悉又 陌生的机构
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13
连续摆、滑机构
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14
这一定是中国保定出品的机械手， 保定府才玩铁球嘛
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15
鲁班自制飞鸟，骑乘游九州，不 是传说哦
•
6.会赏析其语言，如从遣词、用句、 修辞等 方面揣 摩、推 敲、理 解作者 炼字达 意的技 巧；
•
7.从作家作品的语言风格的比较中， 从用韵 、节奏 、音调 三个方 面去品 味其语 言的音 乐美、 节奏美 、韵律 美。

BUCT
机械创新设计
在这一作品采用功能移植的方法，将不倒翁的原理移 植到上坡时棘轮防倒作用的控制上，采用同类功能并联 组合方法，研制了双棘轮机构，增加了上坡止退的可靠 性和减小了回滑距离。
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机械创新设计
6. 饮料瓶捡拾器 第二届全国大学生机械创新大赛中北京化工大学的获奖作品
BUCT
机械创新设计
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BUCT
机械创新设计
该作品主要采用了功能组合创新法， 将一个滑轮机构与凸轮压块机构组合到 一起。同时还采用了自服务的原理，即 同一钢丝绳在经过滑轮改变运动方向后 再扭合到一起，利用钢丝绳自身扭合段 之间的摩擦力作用，来减缓下降运动速 度的。此时，摩擦力的大小还与人体的 重量正相关，达到用自身体重来增加摩 擦力的作用，从本质上讲，这也是一种 自服务。
机械创新设计
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机械创新设计
在实际运用过程中可以根据人体不同的体重自由方 便的调节绳段之间的扭转圈数，从而调节绳段之间的阻 力，并在绳子的自由端根据实际的需要施加一定的压力 来微调下降的速度或终止下降，已达到逃生的目的。经 实际测试，人体质量为25～50kg时，可扭绳4圈，人体 质量为50～75kg时，可扭绳4.5圈，人体质量为75～ 100kg时，可扭绳5圈。
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第9章 创新实例与分析
一、创新思路的分析
第二届全国大学生机械创新设计大赛确定的大赛主题是“健 康与爱心”，内容包括：“助残机械、康复机械、健身机械、 运动训练机械等四类机械产品的创新设计与制作”。在助残 机械中可爬楼梯的轮椅成为不少学校的参赛作品选题。
轮椅爬楼梯最基本的要求就是将轮椅升高到 高一级的台阶上

执行机构运动方案
• 推瓶机构
我们设计的推瓶机构是一个具有急回 特性的大推程机构，有以下几种机构可以 满足设计要求：
1 、连杆机构
2 、凸轮机构
3 、组合机合机构
推头慢速将瓶子推到导辊上，然后快速返回
在导辊轴向上依次排列3把可旋转的刷子，保证在整个导辊长度上对瓶子进行清洗，确保瓶子的清洁。
洗瓶机推瓶机构设计
1.机构简介 附以下图所示是洗瓶机有关部件的工作情况示意图
。待洗的瓶子放在两个转动着的导辊上，导辊带动瓶子 旋转。当推头M把瓶推向前进时，转动着的刷子就把瓶 子外面洗净。当前一个瓶子将洗涮完毕时，后一个待洗 的瓶子已进入导辊待推。
2.原始设计数据和设计要求
(1) 瓶子尺寸：大端直径D=80mm，长200mm，小 端直径d=25mm，(如附以下图所示)
摩擦式推头
摩擦式推头
竖直杆长为 80mm, 水平杆为 40 *〔1+1.414〕=97mm
挡铁1 位于导槽末端的左侧，距97mm; 挡铁2 位于导槽始端的左侧，距40mm.
推程 回程
洗瓶机构由一对同向转动的导辊和三
只刷子转动的转子所组成。为了清洗圆形 瓶子外面，需将瓶子推人同向转动的导辊 上，可以带动瓶子旋转，同时导辊上开有 螺纹，推动瓶子沿导辊前进，转动的刷子 就将瓶子洗净。在导辊轴向上依次排列3 把可旋转的刷子，保证在整个导辊长度上 对瓶子进行清洗，确保瓶子的清洁。
• 1〕瓶子尺寸。大端直径d=80 mm，长2OOmm。
• 2〕推进距离l=600mm，推瓶机构应使推头以接近 均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后推头 快速返回原位，准备进入第二个工作循环。
• 3〕按生产率的要求，推程平均速度为u=45mm，返回 时的平均速度为工作行程平均速度的3倍。

1.棘轮机构的类型及其应用
(1)齿式棘轮机构 齿式棘轮的轮齿一般采用三角形齿、梯形齿 或矩形齿，分为外齿棘轮和内齿棘轮。图9-6a为外齿棘轮机构， 图9-6b为棘条机构，图9-6c为内齿棘轮机构。根据驱动爪的数 目，棘轮机构还可分为单动式棘轮机构和双动式棘轮机构。
Fig.9-6 Tooth ratchet mechanisms(齿式棘轮机构)
Fig.9-12 Geneva wheel mechanisms 1(槽轮机构1)
1.槽轮机构的类型
空间槽轮机构用来传递相交轴的间歇运动。图9-13a为垂直 相交轴间的球面槽轮机构，槽轮呈半球形，主动销轮1、球面槽 轮3以及圆销2的轴线都通过球心，当主动销轮1连续转动时，球 面槽轮3作单向间歇转动。图9-13b为移动型槽轮机构，可实现 圆弧齿条的间歇移动。
Fig.9-4 Double universal joints(双万向联 轴器)
9.3 棘轮机构
图9-5所示的棘轮机构由主动摇杆1、 棘爪2、棘轮3、止回棘爪4和机架等部 分组成。弹簧5用来使止回棘爪4和棘 轮3保持接触。主动摇杆1空套在与棘 轮3固连的从动轴O上，并与棘爪2用 转动副相连。当主动摇杆作逆时针方 向摆动时，棘爪2便插入棘轮3的齿槽 内，推动棘轮转动一定的角度，此时 止回棘爪4在棘轮的齿背上滑过。当主 动摇杆顺时针摆动时，止回棘爪阻止 棘轮顺时针方向转动，棘爪2在棘轮的 齿背上滑过，棘轮3保持静止不动。这 Fig.9-5 Ratchet mechanism(棘轮机构) 1—driving rocker(主动摇杆) 样，当主动件作连续的往复摆动时， 2—driving pawl(棘爪)3—ratchet(棘轮) 棘轮作单向的间歇转动。 4—holding pawl(止回棘爪)5—spring(弹簧)

二、改变运动副元素的接触性质 低副元素的接触性质为滑动接触，摩擦大、易磨损 高副元素的接触性质为滑动和滚动接触。 用滚动接触代替滑动接触可减小磨损。 （1）移动副：→滚滑副 图5-7 （2）转动副：→滚动轴承 （3）高副：凸轮从动件设计为滚子，槽轮的拨销设计为滚子 三、改变运动副的形状 运动副的性质主要取决于运动副元素的形状 改变运动副的形状——改变运动副的性质——演化出不同机构
曲柄滑块机构 导杆机构 （转动导杆，摆动导杆） 摇块机构 液压缸机构 移动导杆机构 手动水压机 3．含有两个移动副四杆机构的机架变换 双滑块机构 正弦机构 椭园规 双转块机构 正切机构 数学运算器
图5-32 十字滑块联轴器
二、凸轮机构的机架变换
普通凸轮机构 图5-33 a) 固定凸轮机构：凸轮固定，从动件作复合运动。图5-33 b) 应用举例：图5-33 c) 凸轮-行星机构 图5-33 d) e)
1．平面低副运动副元素形状的改变 转动副 可演变为 移动副 滚子替代滑块变滑动接触为 滚动接触， 滚滑副, 改变移动副元素的形状，如导轨 的形状 直线变曲线并让带有小滚子的转动构件为主动件 反凸轮机构（摆杆为主动件） 应用：图5-8 摆杆为主动件的反凸轮机构实现运动的暂停 图5-9 无死点位置机构（移动凸轮机构，摆动从动件） 2．平面高副运动副元素的改变 目的： 演化变异出不同功能的平面高副 改善高副机构的性能：受力状态，接触强度，运 动及动力特性等。 （1）改变高副元素形状可演化变异出不同功能的高副 基本的高副机构为凸轮机构，凸轮机构可看成由楔块机 构变异而来，见图5-10，图5-11
（2）改变高副元素形状以改善机构性能 ①齿轮机构： 改变齿廓曲线的形状 提高接触强度，改善齿面摩擦以及 机构的受力状态，常用齿廓有渐开线，摆线，圆弧曲线，螺 旋渐开线，球面渐开线，齿廓（面）修形。 ②凸轮机构： 改变轮廓曲线，满足运动及动力要求，图5-6为实现分度 功能的凸轮机构 改变从动件与凸轮的接触方式，以增强接触强度，减小磨 损。 ③槽轮机构：将径向槽分布变为侧向分布，改善传动平稳性。

连杆机构设计(图解法)
连杆机构设计(图解法)
按给定连杆位置设计四杆机构 按给定两连架杆对应的角位移设计四杆机构
按给定的急回要求设计四杆机构
按给定连杆位置设计四杆机构
按给定连杆位置设计四杆机构
给定连杆三个位置，设计四杆机构
B1
A1
E1
A
2
E2
A3
B2
A0
B0
E3
B3
A0 A1 B1 B0就是所求机构的第一个位置。
m12
N1 M2
n12
M1 M0
动平面上任选两个参考点 M、N——动铰链
N2
12 12
P12
N0
m12上任选M0—定铰链
n12上任选N0—定铰链
引导平面由E1到E2的位置的 四杆机构有无数
两连架杆上动铰链和定铰链与极连线的夹角 相等∠M1 P12 M0= ∠N1 P12 N0= θ 12/2
方法：半角转动法
方法：半角转动法
原理
N1 M1 M2 E1 E2 N2
动平面由E1到E2的位置过程中，动 平面上任意一点都可以视为绕某点 P12转θ 12
P12——转动极（极）
θ 12——有向转动角
E1、E2两个位置一经确定，P12、 θ 12就确定与选择的参考点无关
12
P12
转动极P12 的求法
m12
N1 M2
n12
M1
连接P12M1和P12M2，所夹 的角即为转动角θ 12
N2
12 12
P12
连接P12 N1和P12 N2 ，所 夹的角也为转动角θ 12 ∠M1 P12 M2= ∠N1 P12 N2= θ 12
动平面由E1到E2的位置可由四杆机构实现

（Ⅱ）
﹒ 实例分析
机械创新设计
1.改善机构的工作性能
图4-65所示为某飞机上采用的襟翼操纵机构。它 是由两个齿轮齿条机构并列组合而成，用两个移 动电机输入运动，可以使襟翼摆动速度加快。如 果一个移动电机发生故障，另一个移动电机可以 单独驱动（这 时襟翼摆动速 度减半）。这 样就增大了操 纵系统的安全 程度，即增强 了输出运动的 可靠性。
机械创新设计
Page8
图4-72是一个冲压机构。它 是由摆动从动件盘形凸轮机 构与摇杆滑块机构先进行串 联组合，然后串联的凸轮连 杆机构再与推杆盘形凸轮机 构进行并联组合。组合以后， 由两个固联在一起的凸轮输 入运动，推杆2与滑块5分别 输出运动。工作时，推杆2 负责输送工件，滑块5完成 冲压。因此设计时要特别注 意时序关系，一般应按照机 构运动循环图进行机构的尺 寸综合。
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机械创新设计
图4-66所示为一压力机的螺旋杠杆机构。其中两个尺寸 相同的双滑块机构CBP和ABP并联组合，并且两个滑块 同时与输入构件1组成导程相同，旋向相反的螺旋副。 机构的工作原理时，构件1输入转动，使滑块A和C向内 或向外移动，从而使构件2沿导轨P上下移动，完成加 压功能。由于并联 组合，使滑块2沿 导路移动时，滑块 与导路之间几乎没 有摩擦阻力。
单自由度的附加机构可以是连杆机构，则构成齿 轮连杆机构；可以是凸轮机构，则构成了齿轮凸 轮机构；若为齿轮机构则构成了复合轮系。
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机械创新设计
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2. 以差动凸轮机构为基础机构
机械创新设计
二自由度的差动凸轮机构常见的结构组成如图4-75所示。 其中图(a)构件2为浮动杆，构件2与连架杆3可以组成转动 副，也可以组成移动副；连架杆3与机架可以组成转动副， 也可以组成移动副。图(b)是凸轮为浮动构件；若将图(b) 中的机架长度缩短至零，就演变成图(c)的结构。

曲柄滑块机构有曲柄的条件
B
a
b
C’
C
e
A
b a
B’
显然，需满足: a+e ≤ b
B a
b C”
e
B’
B”
A
C C’
导杆机构有曲柄的条件
摆动导杆机构有曲柄的条件
d- a d
a
B
A
B’
C E’ E
e ≤ d-a
转动导杆机构有曲柄的条件
B a A
CE
d+e ≤ a
d+e d
二、平面四杆机构输出件的急回特性
B2
B1 C

=
DБайду номын сангаас
平行四边形机构
B
b
a
B’
A
d
C C’
c
D
反平行四边形机构
B a
A
A
C 23
C1
D
1
B
B1
4
d
D
b c
C
平 行 四 边 形 机 构
• 实现轨迹：刀刃按一定 轨迹运动
• 实现速度要求：在剪切 区的水平速度有要求
二、平面四杆机构的设计
设计方法
– 几何法 – 解析法 – 实验法
1、给定连杆位置设计四杆机构
C1
C2
B1
C3
B2
B3
A D
2、给定行程速度变化系数设计四杆机构
• 铰链四杆机构-设计过程 • 曲柄滑块机构-设计过程 • 导杆机构-设计过程
δmin
B’’
A
d B’
D
γmin=[δmin , 180-δmax]min δ= arccos{[b2+c2-d2-a2+2adcos]/2bc}.

• 二、运动副的结构设计
• 1.转动副的结构设计
• 转动副是机械中最常见的运动副，沿圆周提供封闭 的约束。可使用滚动轴承或滑动轴承。
• 一般情况下，滚动轴承内圈随轴转动，外圈不动； 特殊情况下也可相反使用。
•2.移动副的结构设计 移动副的结构比较复杂，可以用高副式的移动副，也 可用低副式的移动副。a为常见移动副简图，b为重力 封闭，c为重力封闭与形封闭相结合，d为重力封闭点 接触式，e为柱面移动副，f为带滑键的柱面移动副， g为形封闭点接触式，h为形封闭结构，i为滚子与轮 轨接触形成，j为 滚子与滑槽接触 形成。
• 螺钉用于联接时需要通过螺钉头部对其进行拧紧， 而变换旋拧功能面的形状、数量和位置，可得到螺 钉头的多种设计方案。（图3-13a、b、c）头部结构 使用一般活动扳手拧紧，可获得较大的预紧力，但 不同的头部形状所需的最小工作空间（扳手空间） 不同；（图3-13d）滚花型螺钉头和（图3-13e）元 宝型螺钉头主要用于手工拧紧，预紧力较小；（图 3-13f、g、h）的扳手作用在螺钉头的内表面，所需 联接处空间小，但需专用扳手；（图3-13i、j、k、 l）分别是用“十字”和“一字”旋具拧紧的螺钉头部形 状，所需扳手空间小，但拧紧力矩也小。
• 双曲柄机构既可设计为泵，也可设计为轴系结构。
• 连杆机构的结构设计时，要注意以下问题：
• (1)各构件的运动不能发生干涉——当构件安装位置 不当时，有可能使杆件运动发生干涉，此时可通过 改变杆件的安装平面来解决。
• (2)机构平衡——机械在高速运行时所产生的惯性力 和惯性力矩会造成机器的强烈振动与噪声，由惯性 力引起的运动副中动压力的急剧增加，会加剧机件 的磨损和疲劳失效，从而降低机械的运动精度和平 稳性。故应将机构平衡与结构设计一并考虑。

4．外平动齿轮传动的特点 （1）传动比大、分级密集，单级传动比在11~99之间，双级
传动比可达9801。 （2）承载能力大 啮合时几乎是面接触，齿面赫兹应力小。单
个转臂轴承变换为多个转臂轴承分担载荷，转臂轴承的寿命
可达两万小时，且转臂轴承等基本构件不受内齿轮尺寸的限 制，可以按强度要求确定，利于按强度进行优化设计。
平动齿轮减速滚筒具有：传动比大、机械效率高、结构紧凑、 尺寸和重量轻、均载性能好等优点。
3．双曲柄平动齿轮机构 多曲柄平动齿轮机构。如图
9-11所示。 多曲柄平动齿轮机构的传动
原理：输入轴的转速经第一级减 速后，由平动发生器传递给平动 齿轮ZG，同时限制了平动齿轮 ZG的自转，再经第二级减速后， 由内齿中心轮Zb输出。其传动比 统一表达式为
式中 d0——内齿轮根圆直径； d2e——偏心轴距。
外平动齿轮机构的尺寸难以缩小，而且提供内齿轮作平动 的曲柄轴只能有两个，限制了输入功率的分流，不利于传递过 大的功率。
6．内平动齿轮机构的基本型及其演化 图9-4所示为内平动齿轮机构的基本型。图9-5所示的内二环
减速器和内三环减速器。 内平动齿轮机构可获得较小尺寸和重量，其整机性能优于外
2）必须满足一定的装配条件能装配起来。同时也为精度 设计增加了限制条件。
3）传动机构的振动大、噪声高，并随着转速的提高迅速 增加。
上述存在的问题是这种传动的基本原理所决定的，改进
传动原理，开发新的传动类型是平动齿行星轮传动发展 的重要途径。
外平动齿轮机构的A、D两轴之距离受结构的限制
LADd0d2e
（1）组成结构及传动原理 图912所示
外激波摆动活齿传动的传动原 理；当驱动力输入后，输入轴以等 角速度带动外激波器H绕固定主轴 线转动，由于外激波器内轮廓径向 尺寸的变化，产生向心的推力，推 动摆动活齿绕其在活齿架上的铰链 点摆动，通过摆动活齿中心轮高副 啮合运动，摆动活齿推动外齿中心 轮K以等角速度绕主轴线转动，使 与其固联的输出轴获得输出转速， 于是外激波摆动活齿传动完成了转 速变换运动。