第五章 机构的创新
简单机构
机构的变异创新
机构的组合创新
机构的选型
机构的再生创新
机构创新设计的思路
简单动作功能
——用来实现运动和力的简单转换用来实现运动和力的简单转换
简单机构的特点与应用简单机构的特点与应用
主主要要指指人人类类最最初初创创造造的的各各种种工工具具和和简单的的器器械械。。
如如杠杆、、斜面、、滚轮。。尤尤其其是是轮子是是人人类类最最伟伟
大大的的创创造造发发明明，，现现代代的的各各种种机机器器中中，，是是离离不不开开旋旋
转的转的轮子和和轴的。的。
特点：只用极少的构件（一般不成为
典型的“机构”），实现简单而巧妙
的动作。
举例：举例：电视机调节盒盖电视机调节盒盖————双动操作器。双动操作器。
圆珠笔按钮圆珠笔按钮
录音机的联动按键录音机的联动按键
魔方魔方
百叶窗百叶窗
拉链拉链
安全带带扣安全带带扣
———— ————
举例：
要实现特定的动作功能要实现特定的动作功能
—— ——巧妙的构思。巧妙的构思。
笔套上有凸块
圆珠笔按钮
圆珠笔按钮
功能原理分析
对齐笔
套槽时
笔芯齿轮与按
钮齿轮错开
笔芯齿轮在笔套内时的情况
笔芯齿轮在笔套内时的情况
错开时—缩回
（外）
对齐时—探出
（内）
笔芯齿轮在笔套内
外的情况比较
拉链
功能原理分析
简单几何体
简单几何体的组合
——剖开看
简单几何体的组合
——合上看
举例：钥匙与锁
举例：钥匙与锁
弹子锁——钥匙与锁芯
一把钥匙开
多把锁？
弹簧
弹簧
弹子1
钥匙
锁芯
弹子2
简单动作功能具有广泛的用途和宽阔的空间。简单动作功能通简单动作功能具有广泛的用途和宽阔的空间。简单动作功能通
常通过两个零件之间接触表面形状的巧妙组合实现，求解动作常通过两个零件之间接触表面形状的巧妙组合实现，求解动作
功能时针对所要实现的动作功能（运动规律、运动轨迹），对功能时针对所要实现的动作功能（运动规律、运动轨迹），对
零件的几何形体进行构思。零件的几何形体进行构思。
——也叫几何形体组合法
对简单动作功能优秀设计案例的分析可以获得
很多灵感，学到很多巧妙的设计方法。
机械零件自由度分析
机构的演化或变异是指以某机构为原始机构，对其组成的各个元素进行各机构的演化或变异是指以某机构为原始机构，对其组成的各个元素进行各
种性质的改变或变换，从而形成一种功能不同的机构。种性质的改变或变换，从而形成一种功能不同的机构。通过变异方法
（倒置、扩展、演变）改变一个现有机构的结构，而得
到一个新机构，使机构具有某些特定的性能，来适应特
定工艺动作的要求。
机构的变异创新
一、机构的倒置
机构的构件数和构件之间的运动副都不变，只是取不
同的构件为机架，称为机构的倒置。
平面连杆机构
凸轮机构
齿轮机构
行星传动机构
（机架变换）
（（11）连杆机构）连杆机构
￭￭全转动副四杆机构全转动副四杆机构
￭￭含一个移动副的副四杆机构含一个移动副的副四杆机构
￭￭含二个移动副的副四杆机构含二个移动副的副四杆机构
（2）凸轮机构
（（33）齿轮机构）齿轮机构 （（44）挠性件传动机构）挠性件传动机构
定轴轮系 行星轮系
(5) 周转轮系
在本文件的彩色机构图中用黑色表示固定件。
例 ：创造一种油泵机构
▲ 现在我们来研究一个复杂些的油泵机构。揭去它
的面纱，原来是一个很简单的机构。
▲ 如果一个构件相对另一个构件作直线往复运动，两个
构件间形成一个圆柱形的腔体，这个腔体的容积可以发生
由大到小的变化，就可以当作油泵机构。
▲ 曲柄滑块机构可以作为油泵机
构，但还须解决进油孔和排油孔的开
启、闭合问题。
曲柄滑块机构 转动导杆机构
构件数和运动副都不变，只是取不
同的构件为机架，称为机构的倒置。
1 12 2
3 34 4
4 为机架 1 为机架
倒置
▲ 机构的倒置
▲ 机构在结构上的进一步变异
排出高压油
转动导杆机构
吸入低压油
（1）加长导杆
（2）把导杆扩展为
圆盘
（3）加上进油口和
排油口
圆盘4转到什么位
置，滑块3离中心
最远和最近？
油腔
一种油泵机构
油腔内容积最大
旋转过程中，
油腔容积减小
油腔容积最小
机构的倒置：只是取不同的构件为机架，就可以变换
出不同的机构。
机构的倒置 例 3：创造一种油泵机构
要抓住事物的本质，
不要被表面现象所迷惑。
要看机构的运动副，
不要被构件形状所迷惑。
引入虚约束
变换运动副
增加辅助机构
二、机构的扩展
通过增加构件得到新机构称为机构的扩展。所得到的新
机构性能有所改变。
曲柄滑块机构 一种六杆机构
例
增加构件：在曲柄滑块机构的前面加一个曲柄摇杆
机构，曲柄滑块机构的曲柄成为曲柄摇杆机构的摇杆，
形成一个六杆机构。
位移曲线
大体对称
位移曲线不
对称，具有
急回特性
机构性能有所改变：
快
速
逼
近
工
件
，
提
高
功
效
缓
慢
下
降
拉
深
工
件
；
越
到
底
部
应
越
慢
，
保
证
质
量
快
速
返
回
提
高
功
效
，
到
最
上
面
应
缓
慢
以
便
取
出
工
件
例 拉深压力机主机构的演变
拉深工艺对滑块的运动要求
比较理想的曲线
机构 1 曲柄滑块机构
机构 2
六杆机构
机构 2
八杆机构
机构的扩展
通过增加构件得到新机构称为机构的扩展。所得到的新
机构性能有所改变。
三、机构的演变
在保持机构的本质特点不变的基础上 通过改变某些结
构参数来产生新机构，称为机构的演变。
利用构件的运动性质演化变异利用构件的运动性质演化变异
改空构件的结构形状和尺寸改空构件的结构形状和尺寸
增加辅助结构增加辅助结构
.利用构件的运动性质演化变异利用构件的运动性质演化变异
作往复运动的构件，可利用其单程的运动性质，改变构件的作往复运动的构件，可利用其单程的运动性质，改变构件的
形状以实现这个单程运动间歇地重复再现，从而演化出新的形状以实现这个单程运动间歇地重复再现，从而演化出新的
机构。机构。
摆动导杆机构，用滚滑移动副摆动导杆机构，用滚滑移动副
代替移动副就变成了图代替移动副就变成了图bb机构。机构。
如果以如果以BB点位置为分界线，把滚点位置为分界线，把滚
滑副的槽分割成两部分，当滚滑副的槽分割成两部分，当滚
子位于槽内时，曲柄子位于槽内时，曲柄ABAB转动，转动，
导杆导杆OBOB反向摆动。若滚子脱离反向摆动。若滚子脱离
摆槽，则运动中断。设计一个摆槽，则运动中断。设计一个
沿沿OBOB为半径的轨迹圆上开了四为半径的轨迹圆上开了四
个均布相同槽的圆盘，摆动导个均布相同槽的圆盘，摆动导
杆机构也就变成外槽轮机构了。杆机构也就变成外槽轮机构了。
（（11）构件的拆分与合并）构件的拆分与合并
.改空构件的结构形状和尺寸改空构件的结构形状和尺寸
平行分度凸轮机构平行分度凸轮机构
（（22）改变构件的形状与尺寸）改变构件的形状与尺寸
凸轮的形状：盘状、圆柱状、圆锥状、平板状等凸轮的形状：盘状、圆柱状、圆锥状、平板状等
齿轮的形状：圆柱形、圆锥形、扇形、非圆形等齿轮的形状：圆柱形、圆锥形、扇形、非圆形等
（3）改变构件的材料性能
刚性构件、挠性构件、弹性构件、流体构件、刚性构件、挠性构件、弹性构件、流体构件、
电器构件（电磁式齿轮传动）电器构件（电磁式齿轮传动）
例：平行四边形机构的变异例：平行四边形机构的变异
平行四边形机构运动到四个构件为一直线时，机构处平行四边形机构运动到四个构件为一直线时，机构处
于止点位置，造成机构运动不确定。可行的一个办法于止点位置，造成机构运动不确定。可行的一个办法
是采用两个以上相同机构的组合是采用两个以上相同机构的组合((图图b)b)，由此联想，，由此联想，
若曲柄上的各活动销轴铰接在同一个圆盘上，则变成若曲柄上的各活动销轴铰接在同一个圆盘上，则变成
了图了图cc的形状。该机构还可进一步变异，把连杆的形状。该机构还可进一步变异，把连杆22全部全部
做成滚轮结构，把圆盘做成滚轮结构，把圆盘
11上的铰链上的铰链AA位置全部做位置全部做
成以连杆成以连杆22的长度为半的长度为半
径的圆孔，孔的内侧与径的圆孔，孔的内侧与
曲柄曲柄33上的滚轮滚动接上的滚轮滚动接
触，这样就又构造出一触，这样就又构造出一
个新的机构个新的机构————孔销式孔销式
联轴器，见图联轴器，见图dd。。
例：双转块机构的变异例：双转块机构的变异
图示双转块机构，块图示双转块机构，块11转动，通过连杆转动，通过连杆22将转动传递给块将转动传递给块33，，
按机构原形的结构形状，两个转块是无法实现整周回转的。按机构原形的结构形状，两个转块是无法实现整周回转的。
若分别将构件若分别将构件11、、22、、33的形状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘的形状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘
形状，则构造了一个十字滑块联轴器形状，则构造了一个十字滑块联轴器((图图b)b)，其中连杆，其中连杆22变变
成了图成了图cc所示的两面各有矩形条状凸榫的圆盘，且两凸榫的所示的两面各有矩形条状凸榫的圆盘，且两凸榫的
中心线互相垂直，并通过圆盘中心。转盘中心线互相垂直，并通过圆盘中心。转盘11和和33上各开一个上各开一个
凹槽，凹槽，22
上的凸榫分别嵌入上的凸榫分别嵌入11和和
33相应的凹槽内。机架相应的凹槽内。机架
支承两个固定转轴支承两个固定转轴AA和和
BB，此时，当圆盘，此时，当圆盘11转转
动时，圆盘动时，圆盘33以同样的以同样的
速度转动。速度转动。
.增加辅助结构增加辅助结构
采用辅助结构解决如运动不确定问题、运动规律可调采用辅助结构解决如运动不确定问题、运动规律可调
性问题等。性问题等。
(1)(1)转动导杆机构转动导杆机构
图图aa示转动导杆机构，若将导杆的中心线置于曲柄的示转动导杆机构，若将导杆的中心线置于曲柄的
活动铰链活动铰链BB的轨迹圆上的轨迹圆上((见图见图b)b)，则导杆将以曲柄速度，则导杆将以曲柄速度
的一半等速转动。加入第二个滑块，并将导杆做成带的一半等速转动。加入第二个滑块，并将导杆做成带
十字槽的圆盘十字槽的圆盘((见见
图图c)c)，双臂曲柄两，双臂曲柄两
端滑块就在十字槽端滑块就在十字槽
中运动。消除了图中运动。消除了图
bb导杆机构的运动导杆机构的运动
不确定性。不确定性。
(2)(2)凸轮机构凸轮机构
图示一种廓线可变的凸轮机构。凸轮图示一种廓线可变的凸轮机构。凸轮11绕固定轴绕固定轴AA
转动，推杆转动，推杆22在导轨在导轨BB中实现一定运动规律的往复移中实现一定运动规律的往复移
动。为改变推杆动。为改变推杆22的运动规律，在轮的运动规律，在轮11上装有四片凸上装有四片凸
轮片，凸轮片上开有圆弧槽，把凸轮片旋转到合适轮片，凸轮片上开有圆弧槽，把凸轮片旋转到合适
位置，然后用螺钉紧固，就可获得不同形状的凸轮位置，然后用螺钉紧固，就可获得不同形状的凸轮
廓线。廓线。
.改变构件的运动性质改变构件的运动性质
改变凸轮作定轴转动的运动性质，使凸轮相对于改变凸轮作定轴转动的运动性质，使凸轮相对于
机架既转动又移动，则从动件实现凸轮的运动和自机架既转动又移动，则从动件实现凸轮的运动和自
身相对于凸轮的运动这两项运动的合成，从而实现身相对于凸轮的运动这两项运动的合成，从而实现
行程的增大。行程的增大。
图示一种压力角没有增加，凸轮尺寸也没有加大，图示一种压力角没有增加，凸轮尺寸也没有加大，
而推杆行程增大的凸轮机构。而推杆行程增大的凸轮机构。
传统的槽轮机构
例 直线步进机构
啮入瞬间 啮出瞬间
1 2 3
想象：
槽轮直径增大，槽数增多……
槽轮直径达到无穷大，槽数无
穷多……
啮入瞬间
啮出之前
1 2 3
2
大齿轮趋向无穷大
例
改变机构中运动副的形式，可构型出不同
运动性能的机构，以增强运动副元素的接
触强度，减小运动副元素的摩擦、磨损，
改善机构的受力状态，改善机构的运动和
动力效果，开拓机构的各种新功能。
运动副的尺寸变换
运动副元素的接触性质变换
运动副元素的形状变换
四、机构运动副的演变
.运动副的尺寸变换运动副的尺寸变换————主要是指转动副和移动主要是指转动副和移动
副的尺寸增大。副的尺寸增大。
1)1)转动副的扩大转动副的扩大————主要指组成转动副的销轴和主要指组成转动副的销轴和
销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对
运动关系并没有发生改变，随着转动副的扩大，构运动关系并没有发生改变，随着转动副的扩大，构
件形状也发生了变异，当转动副连续扩大后可展直件形状也发生了变异，当转动副连续扩大后可展直
为移动副，由此可演化出新机构。为移动副，由此可演化出新机构。
铰链四杆机构，通过运动副铰链四杆机构，通过运动副DD尺寸的变化并截割成滑块尺寸的变化并截割成滑块
形状，然后再使构件形状，然后再使构件33的尺寸变长，即的尺寸变长，即DCDC变长，则圆弧槽的变长，则圆弧槽的
半径也随之增大，到半径也随之增大，到DCDC趋近于无穷大时，圆弧槽演变为直槽。趋近于无穷大时，圆弧槽演变为直槽。
若构件若构件33改成滚子，它与圆弧槽形成滚滑副，则构件改成滚子，它与圆弧槽形成滚滑副，则构件22的运动的运动
与原机构的运动相同。若将圆弧槽变为曲线槽，形成以凸轮与原机构的运动相同。若将圆弧槽变为曲线槽，形成以凸轮
为机架的凸轮机构，则构件为机架的凸轮机构，则构件22将得到更为复杂的运动。将得到更为复杂的运动。
￭￭转动副转动副
2)2)移动副的扩大移动副的扩大————主要是指组成移动副的滑块主要是指组成移动副的滑块
与导路尺寸的变大，且尺寸增大到把机构中其它运与导路尺寸的变大，且尺寸增大到把机构中其它运
动副包含其中，构件间的相对运动关系并未改变。动副包含其中，构件间的相对运动关系并未改变。
图示冲压机构，移动副扩大，将转动副图示冲压机构，移动副扩大，将转动副AA、、BB及及CC
均包括在其中。曲柄均包括在其中。曲柄11通过连杆通过连杆22带动冲头带动冲头33作上下作上下
往复移动，实现冲压动作。将连杆头处设计成曲面往复移动，实现冲压动作。将连杆头处设计成曲面
形，形，使其与滑块内空使其与滑块内空
间的间的m-nm-n段圆弧形状段圆弧形状
相吻合，用于提高机相吻合，用于提高机
构的刚度与稳定性。构的刚度与稳定性。
￭￭移动副移动副
.运动副元素的接触性质变换运动副元素的接触性质变换
低副元素的接触性质为滑动接触，高副元素包低副元素的接触性质为滑动接触，高副元素包
含有滚动和滑动两种接触性质。滑动接触使运动副含有滚动和滑动两种接触性质。滑动接触使运动副
元素的接触表面产生磨损，降低了机械传动效率和元素的接触表面产生磨损，降低了机械传动效率和
传动精度。为减小磨损可用滚动接触代替滑动接触。传动精度。为减小磨损可用滚动接触代替滑动接触。
(1)(1)移动副移动副————把组成移动副元素之一的结构形状把组成移动副元素之一的结构形状
改变成滚子形，这样使原始机构中导路与滑块的结改变成滚子形，这样使原始机构中导路与滑块的结
构形式，演变为导路与滚子结构形式。构形式，演变为导路与滚子结构形式。
(2)(2)转动副转动副————把组成转动副的销轴和销轴孔之间把组成转动副的销轴和销轴孔之间
增设若干个滚动体，构成滚动轴承。增设若干个滚动体，构成滚动轴承。
(3)(3)高副高副————把凸轮高副中从动件设计成滚子形，把凸轮高副中从动件设计成滚子形，
槽轮高副中的拨销也设计成滚子形，则可减小摩擦槽轮高副中的拨销也设计成滚子形，则可减小摩擦
磨损。磨损。
￭￭减少摩擦减少摩擦磨损磨损
**用滚动代替滑动（用滚动代替滑动（凸轮磙子从动件，滚动轴承，滚动导轨，凸轮磙子从动件，滚动轴承，滚动导轨，
滚动螺旋等）滚动螺旋等）；；
**用线接触代替点接触（用线接触代替点接触（蜗轮传动）蜗轮传动）。。
并且在代替过程中有时会产生新机构。并且在代替过程中有时会产生新机构。
￭￭提高运动副的接触强度提高运动副的接触强度
**增大高副的点接触的曲率半径（增大高副的点接触的曲率半径（正变位齿轮）正变位齿轮）；；
**增长高副的线接触长度（增长高副的线接触长度（斜齿轮传动）斜齿轮传动）；；
**采用内凹高副接触（采用内凹高副接触（内齿轮啮合，内凹凸轮从动件）内齿轮啮合，内凹凸轮从动件）。。
￭￭改善运动和动力性能：
*齿轮副：斜齿轮传动齿轮副：斜齿轮传动——增大重合度增大重合度——传动平稳传动平稳
**凸轮副：组合式运动规律凸轮副：组合式运动规律——运动性能良好运动性能良好
**螺旋副：梯形螺纹螺旋副：梯形螺纹——对中性好对中性好——传动平稳传动平稳
.运动副元素的形状变换运动副元素的形状变换
(1)(1)平面低副平面低副
转动副元素的形状变换可形成移动副转动副元素的形状变换可形成移动副((见前述见前述))。。
移动副经滑动接触转变为滚动接触后，进一步改变移动副经滑动接触转变为滚动接触后，进一步改变
移动副元素的形状，就构造了一个凸轮为从动件，移动副元素的形状，就构造了一个凸轮为从动件，
摆杆为主动构件的反凸轮机构。摆杆为主动构件的反凸轮机构。
图示机构是一个较简单的克服
止点机构，其结构特点是在滑
块上制成导向槽，利用滚滑副
的导向作用，使机构克服止点
位置，完成机构由移动变换为
转动，且无止点位置。
(2)(2)平面高副平面高副————平面高副元素的形状变换，是为平面高副元素的形状变换，是为
了演化变异出具有不同功能的平面高副，此外还可了演化变异出具有不同功能的平面高副，此外还可
改善高副机构的各种性能，如受力状态、接触强度、改善高副机构的各种性能，如受力状态、接触强度、
运动及动力特性等。运动及动力特性等。
平面高副元素的各种形状可看作是由凸轮高副变平面高副元素的各种形状可看作是由凸轮高副变
异而来，而凸轮机构又可以看成是由楔块机构变异异而来，而凸轮机构又可以看成是由楔块机构变异
而来的。而来的。
组成凸轮高副的两个运动副元素，一个是凸轮轮组成凸轮高副的两个运动副元素，一个是凸轮轮
廓曲线，另一个是从动构件与凸轮接触的工作面。廓曲线，另一个是从动构件与凸轮接触的工作面。
凸轮的形状是向径变化的曲线，而从动构件的形状凸轮的形状是向径变化的曲线，而从动构件的形状
通常是圆柱滚子或平面、球面等单一曲线形状。通常是圆柱滚子或平面、球面等单一曲线形状。
图示电动锯条的凸轮机构，凸轮轮廓曲线是一个具有图示电动锯条的凸轮机构，凸轮轮廓曲线是一个具有1212个个
凸凹圆弧形的曲线，从动构件是两个圆柱滚子摆杆。由这凸凹圆弧形的曲线，从动构件是两个圆柱滚子摆杆。由这
种形状的凸轮就可以联想到若主、从动构件的轮廓曲线都种形状的凸轮就可以联想到若主、从动构件的轮廓曲线都
具备这种形状重复，并沿圆周连续、再现，就可以传递连具备这种形状重复，并沿圆周连续、再现，就可以传递连
续转动。由此也就产生了图示的齿轮机构。如将渐开线齿续转动。由此也就产生了图示的齿轮机构。如将渐开线齿
轮的基圆半径变得无穷大时，齿轮就展直成齿条。轮的基圆半径变得无穷大时，齿轮就展直成齿条。
(3)(3)螺旋副螺旋副————由互相旋合的螺杆和螺母组成。由互相旋合的螺杆和螺母组成。
若从螺旋副旋转推进工作原理考虑，把组成螺旋若从螺旋副旋转推进工作原理考虑，把组成螺旋
副的两个运动副元素之一，螺杆的剖面形状设计成副的两个运动副元素之一，螺杆的剖面形状设计成
一个有利于推进流体或粉状物料的叶片形状，将其一个有利于推进流体或粉状物料的叶片形状，将其
放在密闭圆筒状容器内，这样就构造了一种旋转推放在密闭圆筒状容器内，这样就构造了一种旋转推
进的螺旋输送器（物料相当于螺母），用于各种螺进的螺旋输送器（物料相当于螺母），用于各种螺
杆泵、挤出机等机械设备中。杆泵、挤出机等机械设备中。
￭￭ 展直展直
￭￭ 绕曲绕曲
￭￭重复再现重复再现
凸轮机构凸轮机构————齿轮机构；齿轮机构；
摆动从动件圆柱凸轮机构摆动从动件圆柱凸轮机构————蜗杆凸轮间歇机构蜗杆凸轮间歇机构
移动从动件圆柱凸轮机构移动从动件圆柱凸轮机构————圆柱凸轮间歇机构圆柱凸轮间歇机构
A
B
C
D
运动副B 扩大
偏心轮
曲柄
C
D
A
B
例：
A
B
C
D A
B
C
D A
B
C
D
A
B
C
D
运动副D 扩大
运动副D 扩大
到包容了杆CD
杆CD 的长度
成为无穷大
五、机构的机架变换与创新
运动构件与机架的互相转换，或称作机构的
倒置。
1.平面四杆机构的机架变换
图示卡当机构，若令杆图示卡当机构，若令杆OOOO11为机架，则原机构的机架成为转为机架，则原机构的机架成为转
子子33，曲柄，曲柄11每转一周，转子每转一周，转子33亦同步转动一周，同时两滑块亦同步转动一周，同时两滑块
22及及44在转子在转子33的十字槽内往复运动，将流体从入口的十字槽内往复运动，将流体从入口AA送往出送往出
口口BB，从而得到一种泵机构。，从而得到一种泵机构。
.凸轮机构的机架变换凸轮机构的机架变换
凸轮机构机架变换后，若凸轮固定作为机架，原凸轮机构机架变换后，若凸轮固定作为机架，原
机架变换为主动构件，输入转动或移动，从动件则机架变换为主动构件，输入转动或移动，从动件则
输出复合运动，可称作为固定凸轮机构。输出复合运动，可称作为固定凸轮机构。
图a是摆动从动件盘形
凸轮机构；图b是机架
变换后的凸轮机构；
图c是机架变换后的凸
轮机构应用；图d是移
动从动件凸轮机构的
机架变换；图e是移动
从动件圆柱凸轮机构
的机架变换 。
.齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换
图图aa为机架变换前的齿轮机构与挠性件传动机构。为机架变换前的齿轮机构与挠性件传动机构。
图图bb为机架变换后的机构。为机架变换后的机构。
定轴齿轮传动机构经机架变换后可得到行星传动定轴齿轮传动机构经机架变换后可得到行星传动
机构。在该机构的基础上，又可经过机构的串联、机构。在该机构的基础上，又可经过机构的串联、
并并
联等组合形式变换联等组合形式变换
出各种各样的周转出各种各样的周转
轮系，用于各种减轮系，用于各种减
速、增速、变速及速、增速、变速及
速度合成与分解的速度合成与分解的
机械传动装置中。机械传动装置中。
.间歇运动机构的机架变换间歇运动机构的机架变换
间歇运动机构一般是主动件作定轴转动，从动件间歇运动机构一般是主动件作定轴转动，从动件
作间歇转动。经机架变换后的机构，原来作间歇回作间歇转动。经机架变换后的机构，原来作间歇回
转的构件是固定的。转的构件是固定的。
图图aa为外槽轮机构的机架变换，变换后又串联组合为外槽轮机构的机架变换，变换后又串联组合
一个行星齿轮机构。当驱动拨盘的锁止弧与槽轮一个行星齿轮机构。当驱动拨盘的锁止弧与槽轮55
的锁止弧啮合时，行星架的锁止弧啮合时，行星架44停歇。停歇。
图图bb是一个不完是一个不完
全齿轮机构的机全齿轮机构的机
架变换，变换后架变换，变换后
也是与一行星齿也是与一行星齿
轮机构进行串联轮机构进行串联
组合。组合。
六、机构的等效变换与创新
机构的等效变换相当于机构的同性异形变换，通机构的等效变换相当于机构的同性异形变换，通
常指输入、输出的运动特性相同或等效，但结构不常指输入、输出的运动特性相同或等效，但结构不
同的一组机构。同的一组机构。
.利用运动副的等效代换创新同性异形机构利用运动副的等效代换创新同性异形机构
运动副的等效代换是指组成机构的各种运动副相运动副的等效代换是指组成机构的各种运动副相
互转换或替代，而又不改变机构运动的输入和输出互转换或替代，而又不改变机构运动的输入和输出
特性，这些特性主要指机构的自由度、机构中各相特性，这些特性主要指机构的自由度、机构中各相
应构件的运动特征等。应构件的运动特征等。
(1)(1)空间运动副与平面运动副的等效代换空间运动副与平面运动副的等效代换
图图aa所示的球面副所示的球面副SS可由汇交于球心的三个转动副可由汇交于球心的三个转动副
等效代换，图等效代换，图bb所示的圆柱副所示的圆柱副CC可由转动轴线与移动可由转动轴线与移动
导路重合的转动副导路重合的转动副RR与移动副与移动副PP等效代换。等效代换。
图示为汽车上用万向联轴节。该机图示为汽车上用万向联轴节。该机
构在结构上作了改进，减少了一个构在结构上作了改进，减少了一个
球面副，而代之以十字轴连接，大球面副，而代之以十字轴连接，大
大提高了联轴节的强度和刚度。大提高了联轴节的强度和刚度。
￭球面副与三个转动副的等效代换
￭圆柱副等效于转动副加移动副
(2)(2)平面高副与平面低副的等效代换平面高副与平面低副的等效代换
图图aa中平面高副用一个曲柄摇杆机构中平面高副用一个曲柄摇杆机构OABDOABD替代，则该替代，则该
机构与原凸轮机构就成为一组同性异形机构。机构与原凸轮机构就成为一组同性异形机构。
图图bb中平面高副用一中平面高副用一
个曲柄滑块机构个曲柄滑块机构OACBOACB
替代，则该机构与原替代，则该机构与原
凸轮机构就成为一组凸轮机构就成为一组
同性异构机构。同性异构机构。
图图cc中平面高副用一中平面高副用一
个摆动导杆机构个摆动导杆机构OACBOACB
替代，则该机构与原替代，则该机构与原
凸轮机构是一组同性凸轮机构是一组同性
异形机构异形机构。
￭平面低副与平面高副的等效代换
￭基本原理：两构件的相对运动可用与这两构件基本原理：两构件的相对运动可用与这两构件
相固连的一对相对瞬心线的纯滚动来实现。相固连的一对相对瞬心线的纯滚动来实现。
￭瞬心线在创造新机构中的应用瞬心线在创造新机构中的应用
反平行四边形机构反平行四边形机构————椭圆齿轮机构椭圆齿轮机构
（可改善反平行四边性机构的死点位置）（可改善反平行四边性机构的死点位置）
.利用瞬心轨线创新同性异形机构利用瞬心轨线创新同性异形机构
图图aa为一铰链四杆机构为一铰链四杆机构ABCDABCD，连杆，连杆22和机架和机架44的绝对的绝对
速度瞬心速度瞬心PP2424，连成曲线，即为连杆，连成曲线，即为连杆22的定瞬心线。的定瞬心线。
图图bb倒置机构，瞬心倒置机构，瞬心PP2424描绘出一条与图描绘出一条与图aa不同的曲不同的曲
线，该曲线则是连杆线，该曲线则是连杆22的动瞬心线；图的动瞬心线；图cc想象把杆想象把杆22、、
44各自加工成瞬心线的实际形状，使动瞬心线在定各自加工成瞬心线的实际形状，使动瞬心线在定
瞬心线上实现无滑动的纯滚动，并拆去杆瞬心线上实现无滑动的纯滚动，并拆去杆11、、33，那，那
么构件么构件22的运动与原连杆机构中杆的运动与原连杆机构中杆22的运动完全等效。的运动完全等效。
正曲柄滑块机构正曲柄滑块机构————卡当机构卡当机构
（可改善机构的死点位置）（可改善机构的死点位置）
（（44）利用周转轮系的不同结构进行等效代换）利用周转轮系的不同结构进行等效代换
ii24241
1==（（nn22- n- n11））//（（ n n44- n- n11））=z=z44/ z/ z22=2=2
卡当机构的同性异构机构
.利用周转轮系的不同结构创新同性异形机构利用周转轮系的不同结构创新同性异形机构
图图aa示卡当运动机构，由于行星轮示卡当运动机构，由于行星轮22较大，内齿轮较大，内齿轮44
更大，致使机构的尺寸过大，若将更大，致使机构的尺寸过大，若将44变成外齿轮，再变成外齿轮，再
加加一个介轮，其转化一个介轮，其转化
机构的传动比不变。机构的传动比不变。
若在行星轮若在行星轮22上固接上固接
一杆，并使一杆，并使AB=OAAB=OA，，
则当行星架则当行星架11转动时，转动时，
BB点输出移动。则该点输出移动。则该
机构为卡当运动机机构为卡当运动机
构的一个同性异形构的一个同性异形
机构。进一步简化机构。进一步简化
得挠性件周转轮系，得挠性件周转轮系，
也为异形机构。也为异形机构。
4.机构功能的等效代换
七、机构运动原理的仿效与创新
.差动运动原理的仿效差动运动原理的仿效
差动轮系用于运动的合成或分解，如果用于运动差动轮系用于运动的合成或分解，如果用于运动
的分解，则是输入一个运动，借助于其它条件的限的分解，则是输入一个运动，借助于其它条件的限
制输出两个运动。图示是用于汽车后轮的差速机构，制输出两个运动。图示是用于汽车后轮的差速机构，
该机构的作用是把发动机输出的运动分解给两个车该机构的作用是把发动机输出的运动分解给两个车
轮，使两个车轮的转动能够与直行或拐弯运动相适轮，使两个车轮的转动能够与直行或拐弯运动相适
应，实现运动分解。应，实现运动分解。 凸轮差动机构凸轮差动机构
（（11）差动原理）差动原理：差动齿轮、差动凸轮、差动螺旋差动齿轮、差动凸轮、差动螺旋
.诣波传动原理的仿效诣波传动原理的仿效
图示一种谐波齿轮传动，当波发生器转动时，随图示一种谐波齿轮传动，当波发生器转动时，随
着柔轮变形部位的变更，而使得柔轮与刚轮齿之间着柔轮变形部位的变更，而使得柔轮与刚轮齿之间
在啮入、啮合、啮出、脱离四种状况中不断变化，在啮入、啮合、啮出、脱离四种状况中不断变化，
从而使柔轮相对于刚轮按与波发生器相反的转动方从而使柔轮相对于刚轮按与波发生器相反的转动方
向旋转。传动比范围为向旋转。传动比范围为5050～～500500。。
谐波螺旋传动谐波螺旋传动
（（22）谐波原理：谐波齿轮、谐波螺旋）谐波原理：谐波齿轮、谐波螺旋
活齿传动活齿传动
a)a)谐曰传动谐曰传动 b) b)活齿传动活齿传动
11内齿刚轮内齿刚轮 2 2外齿柔轮外齿柔轮
33波发生器波发生器 4 4偏心圆激波器偏心圆激波器
55活齿活齿 6 6固定齿轮固定齿轮 7 7活齿轮活齿轮
机械手的创新机械手的创新
a)a)二指机械手二指机械手
b)b)顺应机械手顺应机械手
.啮合传动原理的仿效啮合传动原理的仿效
齿轮机构的啮合传动具有传动可靠、平稳、效率齿轮机构的啮合传动具有传动可靠、平稳、效率
高的特点，但不方便于远距离传动。带传动可实现高的特点，但不方便于远距离传动。带传动可实现
远距离传动，但摩擦传动不可靠、效率低。远距离传动，但摩擦传动不可靠、效率低。
仿效啮合传动原理，把刚性带轮与挠性带设计成仿效啮合传动原理，把刚性带轮与挠性带设计成
互相啮合的齿状，就产生了齿形带，即同步带传动。互相啮合的齿状，就产生了齿形带，即同步带传动。
.滚动传动原理的仿效滚动传动原理的仿效
用滚动接触代替滑动接触可以减小运动副的摩擦用滚动接触代替滑动接触可以减小运动副的摩擦
磨损，仿效这种滚动传动原理用于螺旋传动就产生磨损，仿效这种滚动传动原理用于螺旋传动就产生
了滚珠螺旋，用于齿轮传动就产生了钢球活齿传动。了滚珠螺旋，用于齿轮传动就产生了钢球活齿传动。
实验二：机构的变异
实际生活中变异产品的实例。
原始机构-变异机构（属于什么变异类型）
文字说明和图形说明
实验报告
