机械创新设计实例分析.ppt

10.1新型内燃机的开发实例10.2圆锥曲轴数控切削装置的创新设计实例10.3全手动送筷机创新设计实例10.4单车设计实例10.5可升降省力便携式轮椅设计10.1新型内燃机的开发实例本实例就新型内燃机开发中的一些创新技法(运用类比、组合、替代等创新技法)进行简单剖析。往复式内燃机的技术矛盾目前，应用最广泛的往复式内燃机由汽缸、活塞、连杆、曲轴等主要机件和其他辅助设备组成。活塞式底盘工作时具有吸气、压缩、做功(燃爆)、排气4个冲程，做功冲程输出扭矩，对外做功活塞1曲轴2汽缸3凸轮4进气阀5排气阀6此类往复式活塞底盘存在以下显著的缺点。工作机构及阀体控制机构组成复杂，零件多；连杆等零件结构复杂，工艺性差。活塞往复运动导致曲柄曲轴机构较大的往复惯性力，此惯性力随怠速的平方下降，使轴承上的惯性荷载减小，系统因为惯性力不平衡而形成强烈震动。往复运动限制了输出轴怠速的增强。凸轮回转两圈才有一次动力输出，效率低。上述问题导致了人们改变现况的心愿，社会的需求促使产品的整修和创新，多年来，在原有底盘的基础上不断开发了一些新型发动机。无凸轮式活塞底盘无凸轮式活塞底盘采用机构取代的方式，以曲轴机构取代底盘中原有的曲柄滑块机构，取消原有的关键件连杆，使零件数目降低，结构简单机械产品设计实例，成本增加。

双缸无凸轮式活塞底盘10.1新型内燃机的开发实例通常圆锥曲轴机构是将曲轴的回转运动变为从动杆的往复运动，而此处借助反动作，即当活塞往复运动时，通过曲轴端部的滑块在曲轴槽中滑动而促使曲轴转动，经输出轴输出扭矩。活塞往复两次，曲轴旋转360。系统中没有飞轮，控制回转运动平稳。这些无凸轮式活塞底盘若将圆锥曲轴安装在底盘的中心部位，可在其周围设置多个汽缸，制成多缸底盘。通过改变圆锥曲轴的曲轴轮廓形状可以改变输出轴的怠速，达到减速增矩的目的。这些曲轴式无凸轮底盘已用于船舶、重型机械、建筑机械等行业。10.1新型内燃机的开发实例旋转式内燃底盘在改进往复式底盘的过程中，人们发觉假如能直接将燃料的动力转化为回转运动必定是更合理的途径。类比往复式蒸气机到蒸气轮机的发展，许多人都在探求旋转式内燃底盘的建造。1)旋转式底盘的工作原理汪克尔所设计的旋转式底盘简图如图所示，它由椭圆形的发动机1、三角形定子2(定子的孔上有内蜗杆)、外蜗杆3、吸气口4、排气口5和防冻液6等组成。旋转式底盘简图10.1新型内燃机的开发实例旋转式底盘在运转时同样也有吸气、压缩、燃爆(做功)和排气4个动作。吸气：AB弧所对的螺孔体积由小变大，形成负压效应，由吸气口将燃料与空气的混和二氧化碳吸入腔内。

压缩：型腔由大变小，混和二氧化碳被压缩。燃爆：高压状态下，节气门打火使混和二氧化碳燃爆并迅速膨胀，形成强悍的压力驱动定子，并推动连杆输出运动和占空比，对外做功。排气：型腔体积由大变小，挤压废水由排气口排出。10.1新型内燃机的开发实例功能设计。内燃机的功能是将煤气的能量转化为回转的输出动力，通过内部体积变化，完成煤气的吸气、压缩、燃爆和排气4个动作以达到目的。旋转式底盘捉住体积变化这个主要特点，以三角形定子在椭圆形汽缸中偏心回转的方式达到功能要求。并且三角形定子的每一个表面与发动机的作用相当于往复式底盘的一个活塞和汽缸，依次平稳地连续工作。定子各表面还兼有开闭进排气球阀的功能，设计堪称巧妙。运动设计。偏心的三角形定子怎样将运动和动力输出？在旋转式底盘中采用了内渐开线行星蜗杆机构，如图所示。行星蜗杆机构10.1新型内燃机的开发实例三角形定子相当于行星内蜗杆2，它一面绕自身轴线自转，一面绕中心外蜗杆1在发动机3内公转，屋架H定子内蜗杆与中心外蜗杆的齿数比是1.51，这样定子转一周，使凸轮转3周，输出怠速较高。按照三角形定子的结构可知，连杆每转一周即形成一个动力冲程，相对四冲程往复式底盘，连杆每转两周才形成一个动力冲程，可知旋转式底盘的功率容量比是四冲程往复式底盘的两倍。

结构设计。旋转式底盘结构简单，只有三角形定子和输出轴两个运动预制构件。它须要一个火花塞和若干化油器，但无须曲轴、活塞以及复杂的球阀控制装置。零件数量比往复式底盘少40%，容积减小50%，重量增长1/2～2/3。10.1新型内燃机的开发实例旋转式底盘的实用比旋转式底盘与传统的往复式底盘相比，在输出功率相同时，具有容积小、重量轻、噪声低、旋转速率范围大以及结构简单等优点，但在实用化生产的过程中还有许多问题须要解决。随着生产科学技术的发展，必然会出现更多新型的内燃机和动力机械。人们总是在发觉矛盾和解决矛盾的过程中不断取得进步。而在开发设计过程中勇于突破，擅于运用类比、组合、替代等创新技法，认真进行科学剖析，将会使人们得到更多创新的、进步的、高级的产品。10.1新型内燃机的开发实例10.2圆锥曲轴数控切削装置的创新设计实例本实例就圆锥曲轴加工原理开发中运用综合创新技法、反求创新法，通过创造性的综合和巧妙的构思，使综合体发生质的飞越，做了简单的说明，因而彰显出综合创新是一种更具实用性的创新思路。设计目的圆锥曲轴作为一种机械传动控制部件，具有结构紧凑、工作可靠等突出优点，但其加工制做比较困难。

西北学院东软集团生产的医用四肢CT扫描机，有一对复杂的圆锥曲轴，过去始终采用手工加工，除了制造精度低，但是劳动硬度大机械产品设计实例，生产效率低，成本高。因此，负责机械加工的西南学院机械厂提出要研发一种精度较高、操作便捷、成本较低的圆锥曲轴加工装置，故于2002年年底，其创立了跨年级的研究小组，开始对这一问题进行研究。经过一年多的时间，完成了圆锥曲轴数控切削装置的综合创新设计，由西南学院机械厂完成制造，并成功地投入使用，满足了圆锥曲轴加工的精度和生丰度的要求圆锥曲轴数控切削装置包括工作台直线运动座标轴和锥面回转运动座标轴，在加工圆锥曲轴时，本装置依照数控加工程序控制型腔作旋转进给运动和直线进给运动，通过普通卧式车床工作台的垂直运动进行切深调整，这样就可以实现一条曲轴曲线槽的连续手动化加工。本装置的传动原理如图所示。圆锥曲轴数控切削装置传动原理图本装置由简易CNC装置控制驱动器，驱动两个高精度步进电动机，两个电动机分别控制分度头的转动和滚珠螺栓的直线运动，由分度头推动型腔做回转进给运动，滚珠螺栓则推动工作台做直线方向的进给运动，由普通卧式车床进行切深调整，自此实现了一条曲轴槽的连续加工。工作原理10.2圆锥曲轴数控切削装置的创新设计实例设计方案在方案设计阶段，通过对圆锥曲轴的各类加工方案进行深入的剖析研究得出：对于复杂的、多导程圆锥曲轴，理想的加工方式是采用带回转台的四轴卧式加工中心或带自驱动式铣刀的工件中心加工，但这两种铣床价钱高昂，西南学院机械厂近期无法订购这两种车床。

创新思路拟在普通卧式车床上，改装高精度数控装置，将传统的机械技术与现代高新数控技术和电子技术等有机地综合在一起，因而实现高精度的可靠加工要求。因而按照数控技术越来越普及以及简易数控系统价钱比较实惠的现状和特征，西南学院机械厂决定设计一个简易的圆锥曲轴数控切削装置。将该装置放置在普通卧式车床上，由普通卧式车床的主轴做磨削运动，由其工作台的垂直方向运动进行切深调整，该装置则依照数控加工程序控制型腔做旋转进给运动和直线进给运动，实现一条曲轴曲线槽的连续手动化加工。这些加工方式成本很低，加工手动化程度较高，操作便捷，加工精度高，且能满足圆锥曲轴不断改型的要求。10.2圆锥曲轴数控切削装置的创新设计实例圆锥曲轴数控切削装置包括工作台直线运动座标轴(Z轴)和锥面回转运动座标轴(X轴)，采用美国LAHR高精度步进电动机驱动，美国ENGELHARDT两轴CNC系统控制。X向脉冲当量为0.0009；Z向脉冲当量为0.001mm，可以完成圆锥曲轴复杂曲轴槽的连续、自动化加工。型腔回转运动(即X轴)的机械传动由普通分度头完成，其齿轮涡轮的降速比大(i=40)、传动精度高、价格实惠。

工作台的直线运动(即Z轴)采用双螺丝垫圈式滚珠螺栓螺丝传动，并采用滚珠滑轨支承，其磨擦力小、运动灵敏、精度高、刚度大。数控编程采用CAD/CAM一体化编程技巧。在CAXA/ME的支持下，首先勾画圆锥曲轴的展开曲线，之后生成G代码程序，最后借助R232插口将加工程序传输给数控系统。编程过程精确、直观、方便、灵活。该装置可完成各类圆锥曲轴的精确手动化加工，另外还可以加工各类平面曲轴。10.2圆锥曲轴数控切削装置的创新设计实例型腔回转运动采用标准分度头传动，简化了设计制造，增加了研发成本。在研发过程中，通过剖析对比选择了合理的驱动位置，保证了传动精度，这些方式在国外尚属首次。工作台的直线运动采用先进的滚珠螺栓传动，并采用滚动滑轨支承，其传动灵活、精度高、刚度大。该装置采用简易CNC系统控制，采用CAD/CAM一体化编程，选择廉价的CAXA/ME作为支撑软件，借助反求设计创新思维进行了创新改建，并进行了二次开发，对编程方式进行了合理的改进，使数控编程精确、直观、方便、灵活。因此其操作便捷，使用灵活，能满足各类圆锥曲轴的加工。该装置可在普通机床上完成各类复杂圆锥曲轴曲线的精确、高效、自动化加工，其操作便捷、价格低廉。

据悉，该装置也可用于各类平面曲轴的加工，因而颇有推广应用价值。该装置已在西南学院机械厂投入使用，10.2圆锥曲轴数控切削装置的创新设计实例10.3全手动送筷机创新设计实例本实例就开发新型全手动送筷机采用的创新思维(新型、实用、快捷)和创新技法(系统剖析法、组合创新法、形态剖析法、机构构象创新设计法等)作了一些简单的介绍，以期对创新设计有所启发。设计目的中学生每晚到饭堂用餐都得从筷筒里胡乱地抓取牙签，这样既不便捷又不卫生，因而设计一种手动送筷机具有很大的实用性。如图所示为全自设计过程初定的送筷形式(借助系统剖析法和形态剖析法进行论证剖析)有3种：朝上竖直送；水平纵向送；水平竖向送。通过多次模拟实验发觉，朝上竖直送取牙签最为便捷，但牙签的水平联通距离长，所需水平推力也大，会造成机器的结构复杂，成本降低；水平纵向送牙签，因为牙签规格、形状、大小及摆放的不规则，能顺利取出牙签的机率不足30%；水平竖向送牙签除了出筷顺畅，并且在抽出牙签后，在重力作用下牙签会自由下落，省去了机械传动成本，这些方法取筷也比较便捷。为此，最终选择了第三种方案。送筷形式的确定10.3全手动送筷机创新设计实例出筷机构的选择可供选择的出筷机构(借助机构组合创新法和机构构象创新设计进行剖析)有盘形曲轴机构、摆动导杆机构、曲柄手柄机构、曲柄滑块机构等。通过模拟实验，剖析对比，发觉盘形曲轴机构其实结构简单，但因为从动件行程较大(70mm)，使机构的总体结构规格过大；曲柄手柄和导杆机构除了平稳性较差，并且抢占的空间也大；而曲柄滑块机构抢占的空间最小，结构比较简单。为此，最后确定用曲柄滑块机构与联通凸车架合机构作为出筷的执行结构.1箱体；2牙签；3联通曲轴(推杆)；