传动变换特性为：
2 f (1)
2π 3 π 3
2π
4π
6π
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（5）多自由度非线性变换机构
多自由度非线性变换机构主要指连杆机构和凸轮机构。
1）连杆机构
连杆机构的特点：具有刚性大，运动速度高，改变 连杆尺寸参数可实现需要的运动，对力/力矩和运动轨 迹/速度具有放大或缩小的功能。但连杆机构一般只能 实现一定范围内的运动，在某些点上近似地满足输入 与输出之间函数关系、运动关系一旦确定就不能改变。
机电一体化系统设计
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第五章 机电一体化系统元、部件的特性分析
工
张建民 编著
高等教育出版社
讲授：何庆中 机电工程系
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第五章 机电一体化系统元部件的特性分析
机电一体化系统中的机械系统、传感检 测系统、执行元件系统、电子信息处理控 制系统等，由于各子系统的输入/输出之 间不一定成比例关系，但总存在某种频率 特性关系（动态特性或传递函数），如线 性或非线性特性。正确分析掌握这些频率 特性，对有效地设计机电一体化系统或产 品是非常重要的。
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i1
i2
Zg = Zr+2 ng
Zr
nH
1 H3
2
2
i=i1 i2
i=1-
Z2 Z1
Z3 Z2
当柔轮固定时，
i= ZgZ-gZr=
2 Zg
如图所示的行星齿轮传动，传动变换特性为：
i 1 Z2 Z3 Z1 Z 2
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3）谐波齿轮传动
由谐波发生器（轮）、柔性轮、刚性轮等组 成。依据输入轴、输出轴、机架不同，其传动 变换特性同样有所不同。
传动变换特性为：i=Z2/Z1 或 I=d2/d1
（3）回转/直线线性变换机构 主要有齿轮齿条机构、滑动丝杠螺母传动机
构和滚动丝杠螺母传动机构。
传动变换特性为：V= pz1n1 或 V = pk1n1 （L=pk1）
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（4）间歇传动机构
通常为非线性变换机构，变换关系比较复杂 如图所示。
如图所示的谐波齿轮传动，传动变换特性为：
i Zg Zr 2
Zg
Zg
4）差动齿轮传动
如图所示差动齿轮传动， 传动变换特性为：
1 2


1 2
Z1
1 / Z2
1 1

Z1
/
Z
2


2

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（2）柔性带/链传动机构
主要指同带传动（平带、三角形带、步齿型 带），纲带传动，链轮传动，绳轮传动等。具 有传动距离较远，可略改变传动轴的方向，但 采用摩擦传动，由于滑动将影响传递精度，同 时需要张紧机构。
连杆机构主要有：平面/空间连杆机构、多自由度串 联机构和并联机构、直线平移机构等。
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2）凸轮机构
凸轮机构通常作为执行元件输出要求的复 合运动轨迹和驱动力，运动轨迹由凸轮轮廓 形状保证。但凸轮机构的传动效率较低，凸 轮轮廓形状生产制造困难。
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5.1.2 机构静力学特性
的强度（бb, бs, бp）和刚度（结构刚度、接触刚
度和局部刚度）的前提下，质量和惯量要小，系统响 应要快，带负载的能力要强。
（1）一般线性机械系统的动态特性（传递函数）：
X(s)/Fx(s) = 1/[(Jm+JL/i2)s2] 典型机械系统的动态特性（传递函数）：
·齿轮减速：Y = f(x) = (1/i)x
机构静力学所研究的主要问题：
* 机构输出端所受负载（力或力矩）向输入 端的换算。
—— 机电有机结合研究的主要问题。 * 机构内部的摩擦力（或转矩）对输入端的 影响。
—— 机电有机结合研究的主要问题。 * 求外载荷、内部作用力、重力/惯性加速度 引起机构内部各元件的受力。
—— 机构学强度、刚度、振动研究的主要 问题。
·只有机构转动惯量：X(s)/Fx(s) = 1/Jms2 ·只有负载转动惯量：X(s)/Fx(s) = 1/(JL/i2)s2
（2）非线性机械系统的动态特性（传递函数）：
Fx

Fm (x, x, x)
df (x) dt
Fy ( y,
y, y)
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5.1.1 变换机构及其运动变换分析
机电一体化系统中所用的机械变换机构有：齿轮 传动机构（线性）、柔性带/链传动机构（线性）、 回转/直线机构（线性）、间歇机构（非线性）、 连杆机构（非线性）、凸轮机构（非线性）等。
（1）齿轮变换机构特性
1）定轴轮系
指圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动。
传动变换特性：i=θ 1/θ 2
2）行星齿轮传动 一般由中心轮、行星轮、内齿轮、行星架等组成。 依据输入轴、输出轴、机架不同，其传动变换特性 也有所不同。
主要有丝杠螺母传动机构和齿轮齿条传动机构。
如丝杠螺母传动机构，在x向和y向的传动分力Fx,Fy：
Fx Fn sin Fn cos Fy Fn cos Fn sin 可推导出：
本章节重点掌握和了解机械系统、传感 系统和执行元件系统等的基本特性，从机 电一体化系统构成要素的角度出发掌握其 分析方法。
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第5.1节 机械系统特性
机械系统主功能：将一机械物理量变换成与目的相 对应的另一机械物理量（运动参量、力/力矩参量）。
机械系统的基本特性要求：在具有承担外载荷足够
输入力与输出负载的关系：
Fx



y x
T

Fy
,T
x
,T
Fx
,T
y = f(x)
y
Fy
,M
,M
y
Fy
,M
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（2）机构内部摩擦力的影响
机构内部由于摩擦阻力的存在，机构的输入与输出 变换关系难于确定。但对于线性系统而言，变换关系 的变化可认为仅与摩擦角相关，与输入转角无关。 1）机械线性变换机构
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（1）负载力（或转矩）向输入端的转算
在机构内部摩擦损失小时，
应用虚功原理便可得到输出 负载向输入端的换算。
1）单输入—单输出机械系统
x
Fx

y x
Fy


d d
y x
Fy
Fx
y = f(x)
2）多输入—多输出机械系统
输入功的总和与输出功的总和：
(Fx , x ) T1 1 T2 2 Tn n (Fy , y ) M11 M 22 M nn