7机械创新设计-第七章.ppt

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1、第七章 机械系统创新设计实例分析第七章 机械系统创新设计实例分析机械系统创新设计实例分析第一节第一节 电脑多头绣花机的改型设计电脑多头绣花机的改型设计 1988 1988年上海协昌有限公司引进日本的刺绣机技年上海协昌有限公司引进日本的刺绣机技术，成功研制了术，成功研制了GY4-1GY4-1型电脑多头绣花机。该机目型电脑多头绣花机。该机目前在国际制衣工业上属先进的缝纫刺绣设备，适用前在国际制衣工业上属先进的缝纫刺绣设备，适用于服装、床上用品、窗帘以及刺绣工艺品等产品的于服装、床上用品、窗帘以及刺绣工艺品等产品的刺绣花样图案。刺绣花样图案。一、改型设计方案的提出电脑多头绣花机主要功能：电脑多头绣花

2、机主要功能：使机针刺穿绣料形成线环的功能；使机针刺穿绣料形成线环的功能；使底线与面线交织的功能；使底线与面线交织的功能；输送和抽紧面线的功能；输送和抽紧面线的功能；使绣料送进的功能；使绣料送进的功能；绣线换色的功能。绣线换色的功能。2021/9/231第七章 机械系统创新设计实例分析 GY4-1型电脑多头绣花机参考日本东海缝纫机型电脑多头绣花机参考日本东海缝纫机有限公司田岛刺绣机研制而成。但田岛刺绣机的挑有限公司田岛刺绣机研制而成。但田岛刺绣机的挑线刺布机构在美国、德国、意大利等国已经申请了线刺布机构在美国、德国、意大利等国已经申请了专利，因而专利，因而GY4-1型电脑多头绣花机很难进入国际型

3、电脑多头绣花机很难进入国际市场。针对这种情况，协昌公司提出了避开田岛市场。针对这种情况，协昌公司提出了避开田岛刺绣机的专利保护，进行刺绣机的专利保护，进行挑线刺布机构方案的适应挑线刺布机构方案的适应性设计，以生产新型的电性设计，以生产新型的电脑多头绣花机系列产品。脑多头绣花机系列产品。图示为田岛刺绣机的图示为田岛刺绣机的挑线刺布机构。它的专利挑线刺布机构。它的专利申请建立在挑线机构使用申请建立在挑线机构使用凸轮机构的基础上。凸轮机构的基础上。在进行在进行改型设计时应改型设计时应尽量避免使用凸轮尽量避免使用凸轮。2021/9/232第七章 机械系统创新设计实例分析二、挑线刺布机构系统的本体知识表

4、示本体知识的概念：本体知识的概念：指在某一应用领域中设计某一机指在某一应用领域中设计某一机械系统时所遵循的知识的本质和内涵。械系统时所遵循的知识的本质和内涵。把家用和工业缝纫机的挑线刺布机构作为形成本体把家用和工业缝纫机的挑线刺布机构作为形成本体知识的示教例子，利用机器学习方法分得出两类机知识的示教例子，利用机器学习方法分得出两类机构和本体知识。构和本体知识。三种刺布机构的示教例子三种刺布机构的示教例子 a)a)曲柄滑块刺布曲柄滑块刺布机构机构(GB(GB型型)b)b)曲柄滑槽刺布曲柄滑槽刺布机构机构(36(36型型)c)c)六连杆滑块刺六连杆滑块刺布机构布机构(田岛型田岛型)2021/9/2

5、33第七章 机械系统创新设计实例分析四种挑线机构的示教例子四种挑线机构的示教例子 a)a)空间凸轮空间凸轮(GA3-1)(GA3-1)b)b)平面凸轮平面凸轮(田田岛岛)c)c)四连杆四连杆(GC15-(GC15-1)1)d)d)齿轮连杆齿轮连杆(LZ2-AD)(LZ2-AD)2021/9/234第七章 机械系统创新设计实例分析机构名称机构名称输出运动范围输出运动范围可调性可调性输出速度要输出速度要求求运动行为运动行为评分评分GA3-1GA3-1不可调不可调可满足可满足好好田岛田岛不可调不可调可满足可满足好好GC15-1GC15-1不可调不可调不可满足不可满足较差较差LZ2-ADLZ2-AD可

6、调可调部分满足部分满足较好较好挑线机构运动特性的差异挑线机构运动特性的差异 2021/9/235第七章 机械系统创新设计实例分析三、挑线刺布机构系统的方案生成刺布机构的方案生成刺布机构的方案生成 根据机械运动系统智能化概念设计的理论及其根据机械运动系统智能化概念设计的理论及其计算机实现方法的研究所开发出的一种概念设计平计算机实现方法的研究所开发出的一种概念设计平台原型系统台原型系统1MCDP1MCDP表明，可以根据刺布机构的本体表明，可以根据刺布机构的本体运动行为，得到刺布机构的备选方案。运动行为，得到刺布机构的备选方案。a)a)凸轮机构；凸轮机构；b)b)摇杆滑块机构；摇杆滑块机构；c)c)

7、曲柄摇杆齿轮曲柄摇杆齿轮齿条机构；齿条机构；d)d)正弦机构。正弦机构。其中其中a)a)的运动行为评价的运动行为评价最高，最高，b)b)次之，次之，c)c)、d)d)更次之。更次之。2021/9/236第七章 机械系统创新设计实例分析挑线机构的方案生成挑线机构的方案生成 根据挑线机构的本体运动行为根据挑线机构的本体运动行为,得到挑线机构得到挑线机构备选方案备选方案4 4种。种。a)a)汽车刮水器机构；汽车刮水器机构；b)b)四杆齿轮组合机构；四杆齿轮组合机构；c)c)六杆齿轮组合机构；六杆齿轮组合机构；d)d)带调节装置的电影抓片带调节装置的电影抓片机构。机构。其中其中b)b)、c)c)的运动

8、行为评价最高，的运动行为评价最高，d)d)次次之，之，a)a)较差。较差。2021/9/237第七章 机械系统创新设计实例分析四、挑线刺布机构的模糊优序评价刺布机构的评价刺布机构的评价方案方案a a方案方案b b方案方案a a方案方案c c方案方案a a方案方案d d方案方案a a田岛方案田岛方案方案方案b b方案方案c c方案方案d d方案方案c c田岛方案方案田岛方案方案c c 根据以上优序关系，可以认为根据以上优序关系，可以认为方案方案a a最好最好，方，方案案b b、d d和田岛居中，方案和田岛居中，方案c c较差。较差。2021/9/238第七章 机械系统创新设计实例分析挑线机构的评

9、价挑线机构的评价田岛方案方案田岛方案方案c c方案方案b b方案方案d d方案方案a a 四杆齿轮组合机构和六杆齿轮组合机构的评价四杆齿轮组合机构和六杆齿轮组合机构的评价基本相同基本相同(六杆机构略好于四杆机构六杆机构略好于四杆机构)，但它们稍逊，但它们稍逊于田岛的挑线机构。于田岛的挑线机构。由于田岛专利不在刺布由于田岛专利不在刺布机构中，为了不改变原机构机构中，为了不改变原机构安装孔的位置，仍选用田岛安装孔的位置，仍选用田岛的刺布机构。挑线机构选用的刺布机构。挑线机构选用六杆机构。得出新型挑线刺六杆机构。得出新型挑线刺布机构如右图所示。布机构如右图所示。2021/9/239第七章 机械系统创

10、新设计实例分析第二节第二节 小型钢轨砂带成型打磨机设计小型钢轨砂带成型打磨机设计一、设计背景 火车钢轨是轨道结构最重要的部件，它直接承受火车钢轨是轨道结构最重要的部件，它直接承受车辆荷载。钢轨打磨技术可用来消除钢轨的波形磨车辆荷载。钢轨打磨技术可用来消除钢轨的波形磨耗、车轮擦伤、轨头裂纹、接头的马鞍形磨耗和轨耗、车轮擦伤、轨头裂纹、接头的马鞍形磨耗和轨道表面裂纹萌生等，控制钢轨表面接触疲劳的发展。道表面裂纹萌生等，控制钢轨表面接触疲劳的发展。钢轨打磨机类型：钢轨打磨机类型：一是进口的大型钢轨打磨列车；一是进口的大型钢轨打磨列车；二是各铁路单位自行研制的小型钢轨二是各铁路单位自行研制的小型钢轨打

11、磨机。打磨机。特点：特点：砂轮为磨具，前者价格昂贵，砂轮为磨具，前者价格昂贵，能耗大，砂轮耗材大等；后者的功能能耗大，砂轮耗材大等；后者的功能和应用有局限性，打磨效率低，打磨和应用有局限性，打磨效率低，打磨质量差。质量差。2021/9/2310第七章 机械系统创新设计实例分析二、创新构思及设计过程1.1.打磨机的设计要求打磨机的设计要求 对小型打磨机的性能要求主要有：对小型打磨机的性能要求主要有：1)1)安全实用，轻便，二人能搬动；安全实用，轻便，二人能搬动；2)2)能打磨道岔；能打磨道岔；3)3)能较准确打磨标准钢轨轮廓面；能较准确打磨标准钢轨轮廓面；4)4)打磨效率高，质量好，调节方便。打

12、磨效率高，质量好，调节方便。上述性能要求中的大部分是现有小型打磨机不上述性能要求中的大部分是现有小型打磨机不具备的，也就是新型打磨机应达到的主要功能要求。具备的，也就是新型打磨机应达到的主要功能要求。2021/9/2311第七章 机械系统创新设计实例分析2.2.设计过程设计过程(1)(1)总体创新构思总体创新构思 在小型打磨机的总体构思中，突破原产品的约在小型打磨机的总体构思中，突破原产品的约束，提出以下创新点：束，提出以下创新点：1)1)采用移植创造原理，把切削加工中的砂带磨削技采用移植创造原理，把切削加工中的砂带磨削技术引入打磨机的设计中，变刚性打磨为柔性打磨，术引入打磨机的设计中，变刚性

13、打磨为柔性打磨，从而改善磨削质量；从而改善磨削质量；2)2)在柴油机气缸盖等复杂曲面砂带磨削装置的诱导在柴油机气缸盖等复杂曲面砂带磨削装置的诱导启发下，构思出快速、准确打磨钢轨轮廓面的成型启发下，构思出快速、准确打磨钢轨轮廓面的成型打磨头；打磨头；3)3)现有小型砂轮打磨机都是单轨行驶，由于道岔宽现有小型砂轮打磨机都是单轨行驶，由于道岔宽度宽于单轨宽度，所以不能打磨道岔，为此运用变度宽于单轨宽度，所以不能打磨道岔，为此运用变性创造原理和技法，设计出双轮行走部分，解决了性创造原理和技法，设计出双轮行走部分，解决了打磨道岔的问题。打磨道岔的问题。2021/9/2312第七章 机械系统创新设计实例分

14、析 在上述创新构思基础上，通过功能设计法，设在上述创新构思基础上，通过功能设计法，设计出了小型砂带打磨机，其总体方案见左下图。计出了小型砂带打磨机，其总体方案见左下图。该打磨机由打磨系统和行走该打磨机由打磨系统和行走系统组成。打磨系统安装在滑板系统组成。打磨系统安装在滑板6 6上，滑板可在导轨上移动，导上，滑板可在导轨上移动，导轨固定在带四个行走轮的减振底轨固定在带四个行走轮的减振底盘上。滑板移动至预定位置，可盘上。滑板移动至预定位置，可通过锁紧机构通过锁紧机构8 8加以固定。两个加以固定。两个打磨头打磨头4 4经两个带滚动轴承的多经两个带滚动轴承的多片摩擦离合器片摩擦离合器3 3，分别由两台

15、汽，分别由两台汽油机油机2 2驱动，打磨头与钢轨相对驱动，打磨头与钢轨相对接触位置的调节和锁定由竖直方接触位置的调节和锁定由竖直方向和轨距方向的螺旋调节机构向和轨距方向的螺旋调节机构5 5进行。底盘轮轴上装配可调间隙进行。底盘轮轴上装配可调间隙的圆柱滚子轴承，使打磨机通过的圆柱滚子轴承，使打磨机通过时其曲线具有随轨自适性。时其曲线具有随轨自适性。2021/9/2313第七章 机械系统创新设计实例分析打磨机的工作过程：打磨机的工作过程：将打磨机推至工作区间，放下接触轮，然后预将打磨机推至工作区间，放下接触轮，然后预调打磨头与钢轨的接触位置；调打磨头与钢轨的接触位置；根据钢轨病害诊断结果（由专门设

16、备完成），根据钢轨病害诊断结果（由专门设备完成），确定分次打磨的实际切深，再细调并锁定；确定分次打磨的实际切深，再细调并锁定；最后开机至一定转速，合上离合器，开始打磨。最后开机至一定转速，合上离合器，开始打磨。打磨机由人力推动进给，打磨效果用专门的检打磨机由人力推动进给，打磨效果用专门的检验设备检验。验设备检验。2021/9/2314第七章 机械系统创新设计实例分析(2)打磨磨具的移植创新打磨磨具的移植创新 砂带磨削有如下特性：砂带磨削有如下特性：1)高效高效磨削效率约为砂轮磨削磨削效率约为砂轮磨削4倍以上。倍以上。2)低耗低耗一般砂轮旋转运动所消耗的能量约占总一般砂轮旋转运动所消耗的能量约占

17、总功率的功率的15%20%，而维持砂带运动的功率占，而维持砂带运动的功率占4%10%，工作时，磨削发热低。，工作时，磨削发热低。3)适用范围广适用范围广可打磨各种钢轨及进行各种复杂可打磨各种钢轨及进行各种复杂形面的修整。形面的修整。4)磨削质量好磨削质量好表面粗糙度值可小于表面粗糙度值可小于Ra0.10.5m，在工件表面的残余应力状态及微观裂纹等，在工件表面的残余应力状态及微观裂纹等方面，优于砂轮磨削。方面，优于砂轮磨削。5)寿命较高寿命较高由于涂附磨料磨具的新发展和静电由于涂附磨料磨具的新发展和静电植砂砂带的使用，以及抗植砂砂带的使用，以及抗“粘盖粘盖”添加剂的采用，添加剂的采用，砂带使用寿

18、命可达砂带使用寿命可达812h。2021/9/2315第七章 机械系统创新设计实例分析(3)(3)成型打磨头部件的相似诱导移植设计成型打磨头部件的相似诱导移植设计 相似诱导移植是指借助类似或相近结构和技术，相似诱导移植是指借助类似或相近结构和技术，移植相似元中的部分要素或全部要素，结合当前具移植相似元中的部分要素或全部要素，结合当前具体问题，使求解该问题的有用信息幅度大大增加，体问题，使求解该问题的有用信息幅度大大增加，以至于形成突发性灵感思维，从而获得当前问题的以至于形成突发性灵感思维，从而获得当前问题的解决。解决。右图为打磨头传动示意图，图中驱动轮右图为打磨头传动示意图，图中驱动轮1 1、

19、张、张紧轮紧轮2 2和接触轮和接触轮3 3为实体式，张紧轮与接触轮均采用为实体式，张紧轮与接触轮均采用凹型结构，形状与钢轨轮廓相凹型结构，形状与钢轨轮廓相似，接触轮的轮廓曲线采用仿似，接触轮的轮廓曲线采用仿轮缘踏面曲线，轮缘踏面曲线，X X锯齿形外缘，锯齿形外缘，在轮缘上沿圆周方向开平行的在轮缘上沿圆周方向开平行的环形消气沟槽，以防止运行中环形消气沟槽，以防止运行中砂带憋气，提高磨削质量和效砂带憋气，提高磨削质量和效率。率。2021/9/2316第七章 机械系统创新设计实例分析 图示为图示为砂带张紧快换机构砂带张紧快换机构。砂带的张紧通过改变张紧轮与驱动轮之间的中砂带的张紧通过改变张紧轮与驱动

20、轮之间的中心距来实现。现采用弹簧手柄式砂带快换机构来实心距来实现。现采用弹簧手柄式砂带快换机构来实现砂带磨削中的张紧。现砂带磨削中的张紧。机构运动原理如下：转动手柄机构运动原理如下：转动手柄1 1，带动拉杆，带动拉杆3 3，使支架使支架4 4在支杆在支杆8 8中左右移动。若支架带动张紧轮中左右移动。若支架带动张紧轮6 6向向右压缩弹簧右压缩弹簧2 2，则缩短了张紧轮与驱动轮之间的中心，则缩短了张紧轮与驱动轮之间的中心距，便于装卸砂带。反之，弹簧推动支架张紧砂带。距，便于装卸砂带。反之，弹簧推动支架张紧砂带。为保证张紧可靠，为保证张紧可靠，在调整后用螺钉在调整后用螺钉5 5将将支架与支杆固定。支

21、架与支杆固定。2021/9/2317第七章 机械系统创新设计实例分析 图示为图示为磨削量进给调节机构磨削量进给调节机构属于竖直方向属于竖直方向的螺旋调节机构，用以控制接触轮与钢轨的正确接的螺旋调节机构，用以控制接触轮与钢轨的正确接触和施力。设计中采用了触和施力。设计中采用了差动螺旋装置差动螺旋装置。支架支架1 1上的螺纹与手轮螺杆上的螺纹与手轮螺杆7 7的螺纹构成一螺旋的螺纹构成一螺旋副，与接触轮副，与接触轮6 6联接在一起的螺母联接在一起的螺母4 4中的螺纹与螺杆中的螺纹与螺杆7 7的螺纹构成另一螺旋副，两螺旋副组成差动螺旋机的螺纹构成另一螺旋副，两螺旋副组成差动螺旋机构。套筒构。套筒3 3

22、通过螺钉通过螺钉2 2与支架与支架1 1固联为一体，螺母固联为一体，螺母4 4可在套筒可在套筒3 3内移动。为使打磨接触轮工内移动。为使打磨接触轮工作可靠，调整结束后，用紧作可靠，调整结束后，用紧定螺钉定螺钉5 5将螺母将螺母4 4固定在套筒固定在套筒3 3上。上。2021/9/2318第七章 机械系统创新设计实例分析 轨距方向的螺旋调节机构轨距方向的螺旋调节机构5 5用以实现接触轮与钢用以实现接触轮与钢轨的轨距方向的正确接触和施力，其设计也选用了轨的轨距方向的正确接触和施力，其设计也选用了差动螺旋机构差动螺旋机构。它们焊接在装有燕它们焊接在装有燕尾型导轨的滑板上，一尾型导轨的滑板上，一端与底

23、板支撑梁固定在端与底板支撑梁固定在一起，螺杆可通过螺纹一起，螺杆可通过螺纹孔旋进，机构能够自锁。孔旋进，机构能够自锁。为严格保证滑板的定位，为严格保证滑板的定位，滑板可通过四个专用的滑板可通过四个专用的锁紧机构固定在底盘架锁紧机构固定在底盘架上。上。2021/9/2319第七章 机械系统创新设计实例分析第三节第三节 新型内燃机的开发新型内燃机的开发 一、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、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。连杆、曲轴等主要机件和其他辅助设备组成。活塞式发动机的主体是曲柄滑块机构，它利用活塞式发动机的主

24、体是曲柄滑块机构，它利用气体燃爆使活塞在汽缸内往复移动，经连杆推动曲气体燃爆使活塞在汽缸内往复移动，经连杆推动曲轴作旋转运动，输出转矩。轴作旋转运动，输出转矩。活塞式发动机工作时具有吸气、活塞式发动机工作时具有吸气、压缩、作功、排气四个冲程，其中压缩、作功、排气四个冲程，其中只有作功冲程输出转矩，对外做功。只有作功冲程输出转矩，对外做功。2021/9/2320第七章 机械系统创新设计实例分析 往复式活塞发动机存在的缺点：往复式活塞发动机存在的缺点：1)1)工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多。曲工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多。曲轴等零件结构复杂，工艺性差。轴等零件结构复杂，工艺性差。

25、2)2)活塞往复运动造成曲柄连杆机构较大的往复惯性活塞往复运动造成曲柄连杆机构较大的往复惯性力，此惯性力随转速的平方增大，使轴承上惯性载力，此惯性力随转速的平方增大，使轴承上惯性载荷增大，系统由于惯性力不平衡而产生强烈振动。荷增大，系统由于惯性力不平衡而产生强烈振动。往复运动限制了输出轴转速的提高。往复运动限制了输出轴转速的提高。3)3)曲轴回转两圈才有一次动力输出，效率低。曲轴回转两圈才有一次动力输出，效率低。现存的问题，引起人们改变现状的愿望，社会现存的问题，引起人们改变现状的愿望，社会的需要，促进产品的改造和创新。多年来，在原有的需要，促进产品的改造和创新。多年来，在原有发动机的基础上不

26、断开发了一些新型的发动机。发动机的基础上不断开发了一些新型的发动机。2021/9/2321第七章 机械系统创新设计实例分析二、无曲轴式活塞发动机用机构替代的方用机构替代的方法以凸轮机构代替发动机中原有的曲轴滑块机构，法以凸轮机构代替发动机中原有的曲轴滑块机构，取消原有的关键件曲轴，使零件数量减少，结构简取消原有的关键件曲轴，使零件数量减少，结构简单，成本降低。单，成本降低。日本名古屋机电工程公司生产的二冲程单缸发日本名古屋机电工程公司生产的二冲程单缸发动机采用无曲轴式活塞发动机，其关键部分是圆柱动机采用无曲轴式活塞发动机，其关键部分是圆柱凸轮凸轮6 6动力传输装置。动力传输装置。活塞往复运动时

27、，通过连杆端部活塞往复运动时，通过连杆端部的滑块的滑块7 7在凸轮在凸轮6 6槽中滑动而推动凸轮槽中滑动而推动凸轮6 6转动，经输出轴转动，经输出轴1010输出转矩。活塞往输出转矩。活塞往复两次，凸轮旋转复两次，凸轮旋转360360，即输出轴输，即输出轴输出出1 1转。转。2021/9/2322第七章 机械系统创新设计实例分析三、旋转式内燃发动机 1945 1945年德国工程师汪克尔经长期研究，突破了年德国工程师汪克尔经长期研究，突破了汽缸密封这一关键技术，使旋转式发动机首次运转汽缸密封这一关键技术，使旋转式发动机首次运转成功。成功。1.1.旋转式发动机的工作原理旋转式发动机的工作原理 旋转式

28、发动机由椭圆形的缸体旋转式发动机由椭圆形的缸体1 1、三角形转子、三角形转子2(2(转子的孔上有内齿轮转子的孔上有内齿轮)、外齿轮、外齿轮3 3、吸气口、吸气口4 4、排、排气口气口5 5和火花塞和火花塞6 6等组成。等组成。旋转式发动机运转时同旋转式发动机运转时同样有吸气、压缩、燃爆样有吸气、压缩、燃爆(作功作功)和排气四个动作。由于三角和排气四个动作。由于三角形转子有三个弧面，因此每形转子有三个弧面，因此每转一周有三个动力冲程。转一周有三个动力冲程。2021/9/2323第七章 机械系统创新设计实例分析2.2.旋转发动机的设计特点旋转发动机的设计特点功能设计功能设计旋转式发动机以三角形转子

29、在椭圆旋转式发动机以三角形转子在椭圆形汽缸中偏心回转的方法达到容积变化，以完成燃形汽缸中偏心回转的方法达到容积变化，以完成燃气的吸气、压缩、燃爆、排气四个动作的功能要求。气的吸气、压缩、燃爆、排气四个动作的功能要求。三角形转子的每一个表面与缸体的作用相当于三角形转子的每一个表面与缸体的作用相当于往复式的一个活塞和汽缸依次平稳连续地工作。转往复式的一个活塞和汽缸依次平稳连续地工作。转子各表面还兼有开闭进排气阀门的功能，设计可谓子各表面还兼有开闭进排气阀门的功能，设计可谓巧妙。巧妙。运动设计运动设计采用内啮合行星齿轮机构，来实现采用内啮合行星齿轮机构，来实现运动和动力输出。三角形转子相当于运动和动

30、力输出。三角形转子相当于行星内齿轮行星内齿轮2 2，它一面绕自身轴线自，它一面绕自身轴线自转，一面绕中心外齿轮转，一面绕中心外齿轮1 1在缸体在缸体3 3内公内公转。系杆转。系杆H H则是发动机的输出曲轴。则是发动机的输出曲轴。2021/9/2324第七章 机械系统创新设计实例分析 转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比是转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比是1.511.51，这样转子转一周，使曲轴转这样转子转一周，使曲轴转3 3周，输出转速较高。周，输出转速较高。根据三角形转子的结构可知，曲轴每转一周即根据三角形转子的结构可知，曲轴每转一周即产生一个动力冲程。相对四冲程往复发动机曲轴每产生一个动力冲程。相

31、对四冲程往复发动机曲轴每转两周才产生一个动力冲程，推知旋转式发动机功转两周才产生一个动力冲程，推知旋转式发动机功率容量比是四冲程往复发动机的两倍。率容量比是四冲程往复发动机的两倍。结构设计结构设计旋转式发动机结构简单，只有三角旋转式发动机结构简单，只有三角形转子和输出轴两个运动构件。它需要一个化油器形转子和输出轴两个运动构件。它需要一个化油器和若干个火花塞，但无需连杆、活塞以及复杂的阀和若干个火花塞，但无需连杆、活塞以及复杂的阀门控制装置。零件数量比往复式发动机少门控制装置。零件数量比往复式发动机少40%40%，体，体积减少积减少50%50%，重量下降，重量下降1/21/2到到2/32/3。2

32、021/9/2325第七章 机械系统创新设计实例分析3.旋转式发动机的实用化旋转式发动机的实用化 日本东泽公司从联邦德国纳苏公司购得汪克尔日本东泽公司从联邦德国纳苏公司购得汪克尔旋转式发动机的专利后，进行实用化生产。旋转式发动机的专利后，进行实用化生产。经过样机运行和大量试验，发现汽缸上产生振经过样机运行和大量试验，发现汽缸上产生振纹是最主要的问题。而形成振纹的原因，不仅在于纹是最主要的问题。而形成振纹的原因，不仅在于摩擦体本身的材料，同时与密封片的形状和材料有摩擦体本身的材料，同时与密封片的形状和材料有关，密封片的振动特性，对振纹影响极大。关，密封片的振动特性，对振纹影响极大。该公司抓住这个

33、关键问题开发出极坚硬的浸渍该公司抓住这个关键问题开发出极坚硬的浸渍炭精材料做密封片，较成功地解决了振纹问题。他炭精材料做密封片，较成功地解决了振纹问题。他们还与多个厂家合作，相继开发了特殊密封件们还与多个厂家合作，相继开发了特殊密封件310号、火花塞、化油器、号、火花塞、化油器、O型环、消音器等多种零部型环、消音器等多种零部件，并采用了高级润滑油，使旋转式发动机在全世件，并采用了高级润滑油，使旋转式发动机在全世界首先达到实用化。界首先达到实用化。80年代该公司生产了年代该公司生产了120万台万台旋转式发动机用于汽车，市场效益很好。旋转式发动机用于汽车，市场效益很好。2021/9/2326第七章

34、 机械系统创新设计实例分析第四节第四节 可升降省力便携式轮椅设计可升降省力便携式轮椅设计 一、设计思想及基本内容 基于人性化设计思想，力求克服市面上产品的基于人性化设计思想，力求克服市面上产品的一些缺陷，对驱动方式进行了创新设计，同时设计一些缺陷，对驱动方式进行了创新设计，同时设计出具有能够自我调节高度的轮椅座位。出具有能够自我调节高度的轮椅座位。驱动方式从人机工程方面考虑，采用推杆形式驱动方式从人机工程方面考虑，采用推杆形式使用户用力比较舒适、方便，同时利用杠杆原理，使用户用力比较舒适、方便，同时利用杠杆原理，具有省力的功能。具有省力的功能。对于升降机构，其目的主要在于提高残疾人的对于升降机

35、构，其目的主要在于提高残疾人的自理能力，使其坐在轮椅上的上升后的高度约等于自理能力，使其坐在轮椅上的上升后的高度约等于人正常站立的高度。同时要求轮椅尽可能的简单、人正常站立的高度。同时要求轮椅尽可能的简单、方便、成本低廉，更具人性化。使残疾人的生活自方便、成本低廉，更具人性化。使残疾人的生活自理能力加强，同时享受到更加舒服，更具人性化的理能力加强，同时享受到更加舒服，更具人性化的助残机械，也满足性能、成本方面的要求，使他们助残机械，也满足性能、成本方面的要求，使他们使用方便，携带方便，购买便宜。使用方便，携带方便，购买便宜。2021/9/2327第七章 机械系统创新设计实例分析二、升降机构的设

36、计1.1.升降机构的类型及比较升降机构的类型及比较(1)(1)液压或气压驱动机构液压或气压驱动机构通过液压缸或气缸来通过液压缸或气缸来实现升降。实现升降。(2)(2)螺杆副机构螺杆副机构通过旋转螺母或螺杆来调节高通过旋转螺母或螺杆来调节高度。度。(3)(3)叉杆机构叉杆机构通过改变叉杆之间的角度来实现通过改变叉杆之间的角度来实现高度的调节。高度的调节。2021/9/2328第七章 机械系统创新设计实例分析2.2.升降机构的方案确定升降机构的方案确定 通过对前三种方案的综合比较，在第三种方案通过对前三种方案的综合比较，在第三种方案的基础上，综合所需达到的简单、轻便、成本低的的基础上，综合所需达到

37、的简单、轻便、成本低的目标，设计了下述升降机构的方案。目标，设计了下述升降机构的方案。该机构中滑轮能够在滑该机构中滑轮能够在滑道上滑动，使叉杆之间的角道上滑动，使叉杆之间的角度可自由改变，通过转动摇度可自由改变，通过转动摇臂臂2 2，使丝杆转动，从而调，使丝杆转动，从而调节节a a、b b两点之间的距离以改两点之间的距离以改变叉杆角度，实现高度调节。变叉杆角度，实现高度调节。1 1上滑道上滑道 2 2摇臂摇臂 3 3螺旋副螺旋副 4 4叉杆叉杆 5 5滑轮滑轮 6 6下滑道下滑道 2021/9/2329第七章 机械系统创新设计实例分析(1)升降叉杆级别的确定升降叉杆级别的确定 根据根据h和和l

38、的要求，可选择一级或二级叉杆。根的要求，可选择一级或二级叉杆。根据本设计要求，否定二级叉杆结构，采用一级叉杆据本设计要求，否定二级叉杆结构，采用一级叉杆结构。对于一级叉杆结构，对其结构。对于一级叉杆结构，对其h、l进行调节，使进行调节，使受力与升降高度处于最佳平衡状态，得一级叉杆升受力与升降高度处于最佳平衡状态，得一级叉杆升降机构如图所示。降机构如图所示。2021/9/2330第七章 机械系统创新设计实例分析(2)(2)螺旋副及摇臂的设计螺旋副及摇臂的设计 为了使左右叉杆副能够平衡升降，使升降平稳，为了使左右叉杆副能够平衡升降，使升降平稳，故设计一对横杆将左右叉杆联在一起，螺旋副装在故设计一对

39、横杆将左右叉杆联在一起，螺旋副装在横杆中间，实现左右平衡受力、升降平衡。根据三横杆中间，实现左右平衡受力、升降平衡。根据三角形的稳定性原理，前后横杆之间也采用可滑动叉角形的稳定性原理，前后横杆之间也采用可滑动叉杆联接，使它们保持平行，升降更加平稳，且左右杆联接，使它们保持平行，升降更加平稳，且左右平衡上升。丝杆的后端轴向固定，前端与螺母平衡上升。丝杆的后端轴向固定，前端与螺母配合，转动摇臂带动丝杆转配合，转动摇臂带动丝杆转动，就可以改变叉杆的前后动，就可以改变叉杆的前后距离，实现升降运动。摇臂距离，实现升降运动。摇臂采用可折叠式结构，可节约采用可折叠式结构，可节约空间，方便操作者使用。空间，方

40、便操作者使用。2021/9/2331第七章 机械系统创新设计实例分析(3)(3)滑道和叉杆设计滑道和叉杆设计 滑道采用型材焊接结构，分别焊接在前后轮支滑道采用型材焊接结构，分别焊接在前后轮支架上，中间开槽，前叉杆与销钉采用过盈配合，销架上，中间开槽，前叉杆与销钉采用过盈配合，销钉与滑道采用小间隙配合，后叉杆采用销轴与滑道钉与滑道采用小间隙配合，后叉杆采用销轴与滑道体联接。叉杆采用不锈钢板材，孔体联接。叉杆采用不锈钢板材，孔2 2为两叉杆联接为两叉杆联接孔，孔孔，孔1 1、孔、孔3 3为与上下滑道联接的孔，孔为与上下滑道联接的孔，孔4 4为与横为与横杆联接的孔。杆联接的孔。2021/9/2332

41、第七章 机械系统创新设计实例分析升降机构三维设计图升降机构三维设计图 2021/9/2333第七章 机械系统创新设计实例分析三、驱动方式的设计1.1.省力机构的方案比较与选择省力机构的方案比较与选择(1)(1)曲柄滑块机构曲柄滑块机构结构较简单，但没有省力功结构较简单，但没有省力功能，效率较低，且不可实现前后运动的自由切换。能，效率较低，且不可实现前后运动的自由切换。(2)(2)棘轮机构棘轮机构可实现将间歇往复运动转换为转可实现将间歇往复运动转换为转动，但无法实现前后运动的自由调节。动，但无法实现前后运动的自由调节。(3)(3)摩擦棘轮机构摩擦棘轮机构结构简单，可实现将间歇的结构简单，可实现将

42、间歇的往复运动转化为转动，但间歇运动机构运动时只有往复运动转化为转动，但间歇运动机构运动时只有一个行程做功，另一个行程为无用功，即为间歇驱一个行程做功，另一个行程为无用功，即为间歇驱动，效率低。动，效率低。本设计采用两套摩擦棘轮机构，本设计采用两套摩擦棘轮机构，一套机构能够实现轮椅前进、后一套机构能够实现轮椅前进、后退、空挡、制动的切换；另一套退、空挡、制动的切换；另一套机构实现间歇运动的连续驱动。机构实现间歇运动的连续驱动。2021/9/2334第七章 机械系统创新设计实例分析2.2.轮椅省力机构的方案设计轮椅省力机构的方案设计(1)(1)整体设计整体设计 实现轮椅的左右转向，可将轮椅前轮设

43、计成万实现轮椅的左右转向，可将轮椅前轮设计成万向轮形式，通过调节两后轮之间的速度可实现转向。向轮形式，通过调节两后轮之间的速度可实现转向。基于摩擦棘轮的原理，当摇杆逆时针摇动时，棘轮基于摩擦棘轮的原理，当摇杆逆时针摇动时，棘轮与驱动轮之间无摩擦，由于自锁摩擦，可驱动轮逆与驱动轮之间无摩擦，由于自锁摩擦，可驱动轮逆时针运动，将棘轮拨到图示虚线位置时，摇杆顺时时针运动，将棘轮拨到图示虚线位置时，摇杆顺时针运动即可带动驱动轮顺时针运动，可实现轮椅的针运动即可带动驱动轮顺时针运动，可实现轮椅的前后运动。而当棘轮与驱动轮无前后运动。而当棘轮与驱动轮无接触时可实现空挡，轮椅可自由接触时可实现空挡，轮椅可自

44、由运动。如果压紧棘轮，可实现制运动。如果压紧棘轮，可实现制动。动。2021/9/2335第七章 机械系统创新设计实例分析 由于摩擦棘轮为单驱动，即回程时不做功，故由于摩擦棘轮为单驱动，即回程时不做功，故设计主辅两套摩擦棘轮机构同时驱动，主辅驱动摇设计主辅两套摩擦棘轮机构同时驱动，主辅驱动摇杆上均装棘轮，原动力作用于主摇杆上，主驱动可杆上均装棘轮，原动力作用于主摇杆上，主驱动可实现前进、后退、空挡、制动，辅助驱动可实现前实现前进、后退、空挡、制动，辅助驱动可实现前进、空挡。主、辅机构之间的驱动摇杆联接原理如进、空挡。主、辅机构之间的驱动摇杆联接原理如下图所示，当主摇杆下图所示，当主摇杆4 4顺时

45、针方向转动时即可带动顺时针方向转动时即可带动连杆连杆2 2顺时针转动，从而带动辅摇杆顺时针转动，从而带动辅摇杆1 1逆时针转动。逆时针转动。同理，当主摇杆同理，当主摇杆4 4逆时针转动时，可带动辅摇杆逆时针转动时，可带动辅摇杆1 1顺时针转动。这样可实现两顺时针转动。这样可实现两驱动摇杆的反向运动。当一驱动摇杆的反向运动。当一个棘轮处于空行程状态时，个棘轮处于空行程状态时，另一个棘轮处于驱动状态，另一个棘轮处于驱动状态，通过两棘轮的交替工作即可通过两棘轮的交替工作即可消除空行程。消除空行程。2021/9/2336第七章 机械系统创新设计实例分析(2)(2)驱动轮的设计驱动轮的设计 驱动轮采用铝

46、合金弯曲而成，铆接于着地轮上，驱动轮采用铝合金弯曲而成，铆接于着地轮上，同时在驱动轮上加工凹槽，与凸轮配合。另外驱动同时在驱动轮上加工凹槽，与凸轮配合。另外驱动轮的尺寸应适当，如果直径太大，一定程度上减小轮的尺寸应适当，如果直径太大，一定程度上减小了凸轮与驱动轮之间的摩擦力，但摩擦轮体积和重了凸轮与驱动轮之间的摩擦力，但摩擦轮体积和重量较大，浪费材料；直径太小，如果直径在摩擦圆量较大，浪费材料；直径太小，如果直径在摩擦圆之内，使摩擦力很大，甚至达到无穷大，且轮椅的之内，使摩擦力很大，甚至达到无穷大，且轮椅的越障能力较弱。越障能力较弱。2021/9/2337第七章 机械系统创新设计实例分析(3)

47、(3)驱动摇杆的设计驱动摇杆的设计 驱动摇杆采用不锈钢板材，中间开槽，方便销驱动摇杆采用不锈钢板材，中间开槽，方便销钉在槽内滑动，成滑块机构。主摇杆的运动幅度为钉在槽内滑动，成滑块机构。主摇杆的运动幅度为4545左右。为提高速度，辅摇杆应有大于主摇杆的左右。为提高速度，辅摇杆应有大于主摇杆的运动幅度。槽还应保证主摇杆与连杆之间运动时夹运动幅度。槽还应保证主摇杆与连杆之间运动时夹角大于角大于9090，且角度越大效率越高，辅摇杆与连杆，且角度越大效率越高，辅摇杆与连杆之间角度小于之间角度小于9090，且角度越小效率越高。套筒采，且角度越小效率越高。套筒采用管材加工而成，与轴采用小间隙配合，凸轮销钉

48、用管材加工而成，与轴采用小间隙配合，凸轮销钉与摇杆采用过盈配合，与摇杆采用过盈配合，摇杆上部采用不锈钢管，摇杆上部采用不锈钢管，同时摇杆与套筒采用焊同时摇杆与套筒采用焊接结构。接结构。图中图中1 1辅摇杆辅摇杆 2 2固定支架固定支架 3 3连杆连杆 4 4销钉销钉 5 5主摇杆主摇杆 2021/9/2338第七章 机械系统创新设计实例分析(4)(4)棘轮的设计棘轮的设计 棘轮的轨迹线为偏心圆，方便加工。棘轮的轨迹线为偏心圆，方便加工。1 1棘轮棘轮 2 2销钉销钉 3 3驱动轮驱动轮 2021/9/2339第七章 机械系统创新设计实例分析驱动机构的三维设计图驱动机构的三维设计图 2021/9

49、/2340第七章 机械系统创新设计实例分析四、整体框架的设计1.1.后竖杆的设计后竖杆的设计 后竖杆采用不锈钢管材，上滑道通过套筒可在后竖杆采用不锈钢管材，上滑道通过套筒可在后竖杆上滑动，轴后竖杆上滑动，轴5 5用于固定大轮及摇杆。用于固定大轮及摇杆。2.2.前竖杆的设计前竖杆的设计 前支杆采用不锈钢管二级套接滑动结构，杆前支杆采用不锈钢管二级套接滑动结构，杆3 3可在可在4 4内上下滑动，内上下滑动，2 2为上滑道，铆接在杆为上滑道，铆接在杆3 3上，可上，可随杆随杆3 3上下运动。上下运动。后竖杆后竖杆1 1轴套轴套 2 2上滑道上滑道 3 3下滑道下滑道 4 4螺母螺母 5 5轴轴 前竖

50、杆前竖杆1 1下滑道下滑道 2 2上滑道上滑道 3 3一级前支杆一级前支杆 4 4二级前支杆二级前支杆 2021/9/2341第七章 机械系统创新设计实例分析3.3.大轮轴系的设计大轮轴系的设计 轴通过螺母轴通过螺母1 1、轴套、轴套3 3固定在后支架杆上，限制固定在后支架杆上，限制其六个自由度；主摇杆其六个自由度；主摇杆6 6和辅摇杆和辅摇杆5 5与轴采用小间隙与轴采用小间隙配合，方便转动；支架板配合，方便转动；支架板7 7通过螺母通过螺母8 8压紧与轴固定。压紧与轴固定。主、辅摇杆主、辅摇杆6 6、5 5之间也有一定的小间隙，方便转之间也有一定的小间隙，方便转动；着地轮采用滚动；着地轮采用