第八章 机械创新
五邑大
学
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机 械 原 理
———五邑大学机电工程系
机械基础教研室
第八章 机械创新
机械系统创新设计是大学生素质教育的一个重要环节。
创新是科技实践活动的精髓，没有创新就没有科学和技
术的发展。机械系统创新是机械工程学科培养学生一个
艰难任务。
创新需要基础素材，没有丰富的基础知识就不会有创
新成果出现。本篇精选出来一些实用机构运动方案，目
的是让同学们通过剖析它们来掌握进行机构创新的思路
和方法，培养学生的创新意识和创新能力。
下面通过一些实例来帮助同学们提高机构的创新能力。
第八章 机构的创新设计
第八章 机械创新
第二篇 参考方案
方案一 抽油机（磕头机）机构
方案二 同步回转机器人手指
方案三 无轨电车常力集电头
方案四 按给定力设计机器人手爪
方案五 三差动轮系
方案六 X型杆链设计及其应用
方案七 按给定轨迹要求设计六杆机构
方案八 并联杆机构
方案九 印刷机送纸机构
方案十 按任意给定的平面运动设计机构
方案十一 齿轮连杆机构
方案十二 柔性链—杆传动
方案十三 多动力驱动同一构件机构
方案十四 平动链轮机构
第八章 机械创新
方案十五 实现两位置要求机构（竖箱机构）
方案十六 车库上翻门机构
方案十七 实现三位置和姿态
方案十八 简易关节机构机器人
方案十九 无级摩擦变速比传动机构
方案二十 夹钳机构
方案二十一 电动牙刷
方案二十二 偏心圆齿轮连杆机构
方案二十三 空间球面机构
方案二十四 迭联式组合机构
方案二十五 十杆犁提升机构
方案二十六 换向机构
方案二十七 柔性间歇机构
方案二十八 蛙式夯土机
方案二十九 汽车雨刷机构
方案三十 闭门机构
第八章 机械创新
方案一 抽油机（磕头机）机构
该机构以构件1为原动件，由构件2、3及运动副B、C、D构成
RRR二级基本组。设计中应使连架杆上E点所走的轨迹圆弧的曲率半径
尺寸满足行程要求，同时又应使其总体结构尺寸尽量减小。在构件1上
加有一定量的配重G，该配重的方向与方位应与E点的受力相谐调。请
分析该机构，收集和对比现有各种抽油机机构类型。
抽油机机构
E
G
4 A
D
C
3
1
B
2
第八章 机械创新
同步回转机器人手指方案二
由一对齿轮副构成同步
回转手。
该方案以构件1（扇形
齿轮）为原动件，驱动构件
2（扇形齿轮）进行反向同
步传动，构件中A、B为两
个转动副，C 为一个平面高
副，在构件1，2上与圆柱
体3接触处是偏心锥面，实
现对圆柱体的夹紧与松开，
可用于自动进料的夹紧装置
中。该机构占据空间小，夹
持自锁且定心性好。
B
C
A
2
3
1
3
第八章 机械创新
方案三
由弹簧连杆机构组成的无轨电车常力封闭机。
该机构中，构件1与2之间既有回转运动，又有移动，构件2与导
线7接触，构件5为一个弹簧，实现力的封闭，构件6也为一个弹簧，
用于实现构件2与构件1随动的快速响应。
该机构为一个具有三个自由度的机构应用实例。
无轨电车常力集电头
1
4
4
7
6
21
5
第八章 机械创新
方案四
夹持空壳工件，可以设计成夹
持工件尺寸越大，夹紧力越小。
该机构可将弹簧力的线性变化
进行非线性化（N点的受力）及一
定的规律进行变化。
按给定力设计机器人手爪
见上图中，工件点的受力为N，则N的大小可由l1, l2, l3, L, a, b,
k, l0,α九个参数决定，k为弹簧的刚度，l0为弹簧长度的初始值，则
有：
N=f(l1, l2, l3, L, a, b, k, l0, α)
如将工作点受力N的变化规律用g(α)表示，则这九个变量对于给
定的N=g(α)函数关系，可以有八个精确解：
第八章 机械创新
即 f (l1, l2, l3, L, a, b, k, l0, α)= g(α1)
f (l1, l2, l3, L, a, b, k, l0, α)= g(α2)
┆
f (l1, l2, l3, L, a, b, k, l0, α)= g(α3)
i=1, 2, …8
这是一非线性方程组，若N=常数时， g(α1)=C，通过解上述方
程组即可求得其它八个参数。
N
第八章 机械创新
三差动轮系方案五
该机构为三差动轮系，请利用该机构原理创新设计具有三差动
功能的车辆。试分析输入转速为n0时，该轮系的传动比表达式，并
分析出与此原理相同的各种三差动机构。
第八章 机械创新
方案六 X型杆链设计及其应用
请思考利用X型杆单元集成构造具有弧型特征的杆链。考虑折
叠条件，利用弧型和折叠创造一些实用机构，如野营帐蓬等。
第八章 机械创新
方案七 按给定轨迹要求设计六杆机构
这是一种六杆机构，根据A点的轨迹要求，例如直线，设计该
机构。
watt mechanism
A
第八章 机械创新
方案八
并联杆机构
并联杆机构是目
前机构学界很重视的
一种实用杆系。该机
构具有六自由度，具
有运动灵活和刚度大
的特征，请利用这一
机构特性，考虑一种
功用进行设计。
第八章 机械创新
该方案为凸轮机构与连杆机构的组合机构，用来实现任意给定
轨迹的机构综合，五杆机构具有两个自由度，由双联凸轮作为原
动件给该五杆机构提供两个已知的运动规律，该机构具有确定的
运动。在进行连杆机构运动分析时，将构件2及构件4作为原动件，
其运动规律已由凸轮给定，由构件3、5及C、F、E组成一个RRR
二级组。在这个二级组中可以求得G点的运动轨迹，通过调整两
原动件2、4的运动规律，可对G点的运动轨迹进行调整，实现给
定轨迹的要求。同样，也可按给定的G点的运动轨迹及相应的运
动规律来得到两个原动件的运动规律，最后得到双联凸轮的理论
廓线，实际廓线及安装角。
方案九
印刷机送纸机构
第八章 机械创新
B
G
F
E
A
D
2
1 3 4
5
C
印刷机送纸机构
第八章 机械创新
该机构由8个构件，9个转动副组成的三个自由度的8杆机构，
在该机构的构件7上任一点P可实现平面的任意运动轨迹。在进行机
构分析时，构件1，2，3为原动件，各自具有独立的运动规律，构件
4，5，6及运动副D、E、F、G、H、I组成一个三级基本杆组，通
过对这个三级杆组进行运动分析可求得P点的运动规律。
方案十 按任意给定的平面运动设计机构
B
H
E
P I
A
D
F
C
1
2
4
7
5
6
3
8
第八章 机械创新
该机构用于将回转
运动转换成往复直线运
动，构件1为主动，以
角速度ω1绕A点进行回
转运动，由构件1，2，
3，4及运动副A、B、
C、D组成一个曲柄摇
杆机构，在摇杆CD上
固联一个齿轮，该齿轮
随摇杆进行往复摆动，
通过齿轮与齿条啮合传
动，将曲柄AB的回转
运动就转换成了齿条的
往复直线运动。
方案十一
齿轮连杆机构
在进行运动分析时，可将构件2、3及
运动副B、C、D拆分成一个RRR二阶基本
杆组进行分析。
F
C
A
B
D
E
2
1 3
4
5
第八章 机械创新
该机构中，构件1，2分别为两个链轮，构件1为主动件，以角速度ω1进
行回转运动，通过构件6（链）的传动，实现构件1，2的回转运动。在构件
6上有一个转动副与构件3相连接。在进行机构的运动分析时，C点的运动规
律是由ω1及链轮确定，则将构件3，4及运动副C、D、E拆分成一个RRR二
级组既可进行分析计算。请分析构件4的运动规律。
方案十二 柔性链—杆组合机构
A
C
B
E
D
2
6
5
4
3
1
ω1
第八章 机械创新
该方案为多个动力
驱动同一构件示例，这
种机构多用于由于空间
结构尺寸的限制，使驱
动元件的体积不能太大，
从而造成了单个动力元
件的驱动力不足。图中
的构件1，2，3分别为
独立运动的动力原，同
时驱动构件4进行回转运
动。请分析这种系统的
机电动力特性。
方案十三 多动力驱动机构
2
4
5
1
3
第八章 机械创新
方案十四 平动链轮机构（玩具）
平动机构具有很广泛的应用背景。
如图所示，2、3、4为链轮机构， ω1 及ω2的转动，保证7、8
始终保持平动状态。构件2与4的尺寸条件应如何？
7
4
3
2 1
5
8
4
6
3
ω2ω1
第八章 机械创新
该机构使箱体由横
向位置转换至竖向位置，
这个机构主体是一个四
杆机构，主要是实现由
B、C到B 、C两个
位置的设计。对该机构
进行分析时，可令构件
3为原动件，由构件1，
2及运动副A，B，C组
成一个RRR二级组，可
利用解析法精确求解B、
C的位置，也可以利用
作图法进行二个位置的
设计。这一机构已用于
某电冰箱厂，试分析构
件2在翻转运动过程中
的受力分析。
方案十五 实现两位置机构（竖箱机构）
A D
E'
C'
B'
B'
E
F
C
1
4
5
2
3
第八章 机械创新
方案十六 车库上翻门机构（建设部标准）
B
G
C
A
4
1
2
3
这种车库门机构，
实际是曲柄滑块机构。
系统整体处于平衡状
态，当汽车自由向外
开出时，它可以靠车
本身力量冲开。具有
安全保护作用，请分
析该构件中配重G的
选择的合理性。
第八章 机械创新
方案十七
实现三位置和姿态
C
B
A
B
A
C
A
B
C
I
II
III
设计一机械系统
使之能实现物体的（I
，II，III）三位置搬
运并姿态变换。
(可以考虑机构方
案或机器人方案)
第八章 机械创新
方案十八 简易关节机器人（各种三关节）
简易机器人有多种类型，可设计其中一种。
每一个关节可以是移动副或转动副，有多
少种机构类型请总结。
第八章 机械创新
方案十九
无级摩擦变速比传动（速比i可调）机构
无级变速有各种
形式，如图所示。
构件1与2由力封
闭靠摩擦传动，调整
构件1与2的轴心距离
d时，可以改变传动
比，设计该机构或利
用该原理进行应用设
计。
2
1
d
F
第八章 机械创新
方案二十 夹钳机构（力放大机构）
夹钳是建筑工地常用的工具。它有各种类型的结构，请收集研
究各种类型并比较优缺点，然后选优进行设计。
第八章 机械创新
方案二十一 电动牙刷
截面扩大运动副原理简图
3---活动连杆
2---牙刷头导杆
1---牙刷外壳
5---直流电机
6---电池
4---偏心轴
获得,从而有效减小结构尺寸;
2.运动原理图的曲柄摇杆机构在结构上通过扩大
运动副
1.牙刷头可绕轴线左右摆动,摆角范围为45 ；
牙刷在日常生活中每天都要用到它，请
提出几种新型的电动牙刷机构，使牙刷头部
能具有摆动或移动或多撮转动等。
第八章 机械创新
方案二十二 椭圆齿轮连杆机构
请分析椭齿轮连杆机的运动轨迹图谱，并构思利用连杆上某
一点的轨迹曲线进行实际应用。
第八章 机械创新
方案二十三 空间球面机构
空间球面机
构多用于陀螺导
航机构中，请进
行运动学分析。
请考查分析实际
设计中的其它应
用。
1
2
3
第八章 机械创新
方案二十四 迭联式组合机构
可由三个摆动液压缸机构组成挖掘机组合机构。
其中第一个基本机构1-2-3-4的机架4是挖掘机的机身；第二个
基本机构5-6-7-3迭联在第一个基本机构的输出件3上，即以3作为
它的相对机架，同样，第三个基本机构8-9-10-7又迭联在第二个基
本机构的输出件7上，亦即以7作为它的相对机架。这三个基本机构
都各有一个动力源。试分析该迭联式组合机构的各构件相对的运动
关系。
H
E
G
F
D
B
A C
9
10
8
7
6
5
2
1
4
3
第八章 机械创新
方案二十五
十杆犁提升机构
农用机构中轨迹设计很常用，试分析该机构末杆件上某点的轨
迹。
1
4
2
7
6
9
10
58
3
第八章 机械创新
方案二十六 换向机构
这是一种换向机构，请分析它的运动与力，并考虑进行参数优化。
1
2
3 4
5
6
第八章 机械创新
方案二十七 柔性间歇机构
1
2
3
1—主动车轮， 2—传动带，3—执行构件
间歇机构应
用广泛，请分析
这机构的设计方
法并与其它间歇
机构比较其优缺
点。
第八章 机械创新
方案二十八 蛙式夯土机
建筑工地中常用到这种打夯机，请对其进行动力学分析，计算
出冲击力的大小，并对配重及参数进行设计。
5 4
3
1 2
ω2
ω1
第八章 机械创新
方案二十九 汽车雨刷机构
2
1
3 4
5
6
汽车雨刷机构多种多样，请分析该种机构，并提出一种新
的机构。
第八章 机械创新
方案三十 闭门机构（地铁门）
1
2
65
3
4
此为由一曲柄滑块机构进行控制地铁门开合的应用实例，其设计分析
加工制造及装配非常简单。通过构件1（滑块）的移动来控制构件4（门）
的开启与闭合，当外力去除后，构件1在弹簧6的力作用下会自动关闭，
以保证地铁在运行过程中，车厢门关闭的可靠性与安全性。设计该机构在
适当位置加阻尼，使门的开闭运动缓缓进行。
