機械創(chuàng)新設(shè)計實例分析

1、第十章第十章 機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例分析機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實例分析 10.1 10.1 新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例 10.2 10.2 圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例 10.3 10.3 全自動送筷機創(chuàng)新設(shè)計實例全自動送筷機創(chuàng)新設(shè)計實例 10.4 10.4 自行車設(shè)計實例自行車設(shè)計實例 10.5 10.5 可升降省力便攜式輪椅設(shè)計可升降省力便攜式輪椅設(shè)計10.1 10.1 新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例 本實例就新型內(nèi)燃機開發(fā)中的一些創(chuàng)新技法本實例就新型內(nèi)燃機開發(fā)中的一些創(chuàng)新技法( (運用類比、組合、替代運用類比、組合、替代等創(chuàng)新技法等

2、創(chuàng)新技法) )進行簡單分析。進行簡單分析。 1. 1. 往復(fù)式內(nèi)燃機的技術(shù)矛盾往復(fù)式內(nèi)燃機的技術(shù)矛盾 目前，應(yīng)用最廣泛的往復(fù)式內(nèi)燃機目前，應(yīng)用最廣泛的往復(fù)式內(nèi)燃機由氣缸、活塞、連桿、曲軸等主要機件由氣缸、活塞、連桿、曲軸等主要機件和其他輔助設(shè)備組成。和其他輔助設(shè)備組成。 活塞式發(fā)動機工作時具有吸氣、壓活塞式發(fā)動機工作時具有吸氣、壓縮、做功縮、做功(燃爆燃爆)、排氣、排氣4個沖程，做功沖個沖程，做功沖程輸出轉(zhuǎn)矩，對外做功程輸出轉(zhuǎn)矩，對外做功 活塞1連桿2氣缸3曲軸4進氣閥5排氣閥6 這種往復(fù)式活塞發(fā)動機存在以下明這種往復(fù)式活塞發(fā)動機存在以下明顯的缺點。顯的缺點。 (1) (1) 工作機構(gòu)及氣閥控

3、制機構(gòu)組成工作機構(gòu)及氣閥控制機構(gòu)組成復(fù)雜，零件多；曲軸等零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，復(fù)雜，零件多；曲軸等零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝性差。工藝性差。 (2) 活塞往復(fù)運動造成曲柄連桿機構(gòu)較大的往復(fù)慣性力，此慣性力隨活塞往復(fù)運動造成曲柄連桿機構(gòu)較大的往復(fù)慣性力，此慣性力隨轉(zhuǎn)速的平方增長，使軸承上的慣性載荷增大，系統(tǒng)由于慣性力不平衡而轉(zhuǎn)速的平方增長，使軸承上的慣性載荷增大，系統(tǒng)由于慣性力不平衡而產(chǎn)生強烈振動。往復(fù)運動限制了輸出軸轉(zhuǎn)速的提高。產(chǎn)生強烈振動。往復(fù)運動限制了輸出軸轉(zhuǎn)速的提高。 (3) (3) 曲軸回轉(zhuǎn)兩圈才有一次動力輸出，效率低。曲軸回轉(zhuǎn)兩圈才有一次動力輸出，效率低。 上述問題引起了人們改變現(xiàn)狀的愿望，社會的需

4、求促進產(chǎn)品的改造和上述問題引起了人們改變現(xiàn)狀的愿望，社會的需求促進產(chǎn)品的改造和創(chuàng)新，多年來，在原有發(fā)動機的基礎(chǔ)上不斷開發(fā)了一些新型發(fā)動機。創(chuàng)新，多年來，在原有發(fā)動機的基礎(chǔ)上不斷開發(fā)了一些新型發(fā)動機。 2. 2. 無曲軸式活塞發(fā)動機無曲軸式活塞發(fā)動機 無曲軸式活塞發(fā)動機采用機構(gòu)替代的方法，以無曲軸式活塞發(fā)動機采用機構(gòu)替代的方法，以凸輪機構(gòu)代替發(fā)動機中原有的曲柄滑塊機構(gòu)，取消凸輪機構(gòu)代替發(fā)動機中原有的曲柄滑塊機構(gòu)，取消原有的關(guān)鍵件曲軸，使零件數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)簡單，原有的關(guān)鍵件曲軸，使零件數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)簡單，成本降低。成本降低。 單缸無曲軸式活塞發(fā)動機 10.1 10.1 新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例新型內(nèi)燃

5、機的開發(fā)實例 一般圓柱凸輪機構(gòu)是將凸輪的回轉(zhuǎn)運動變?yōu)閺膭訔U的往復(fù)一般圓柱凸輪機構(gòu)是將凸輪的回轉(zhuǎn)運動變?yōu)閺膭訔U的往復(fù)運動，而此處利用反動作，即當活塞往復(fù)運動時，通過連桿運動，而此處利用反動作，即當活塞往復(fù)運動時，通過連桿端部的滑塊在凸輪槽中滑動而推動凸輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)輸出軸輸出端部的滑塊在凸輪槽中滑動而推動凸輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩?；钊鶑?fù)兩次，凸輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。活塞往復(fù)兩次，凸輪旋轉(zhuǎn)360360。系統(tǒng)中沒有飛輪，。系統(tǒng)中沒有飛輪，控制回轉(zhuǎn)運動平穩(wěn)?？刂苹剞D(zhuǎn)運動平穩(wěn)。這種無曲軸式活塞發(fā)動機若將圓柱凸輪安裝在發(fā)動機的中這種無曲軸式活塞發(fā)動機若將圓柱凸輪安裝在發(fā)動機的中心部位，可在其周圍設(shè)置多個氣缸，制成多

6、缸發(fā)動機。通過心部位，可在其周圍設(shè)置多個氣缸，制成多缸發(fā)動機。通過改變圓柱凸輪的凸輪輪廓形狀可以改變輸出軸的轉(zhuǎn)速，達到改變圓柱凸輪的凸輪輪廓形狀可以改變輸出軸的轉(zhuǎn)速，達到減速增矩的目的。這種凸輪式無曲軸發(fā)動機已用于船舶、重減速增矩的目的。這種凸輪式無曲軸發(fā)動機已用于船舶、重型機械、建筑機械等行業(yè)。型機械、建筑機械等行業(yè)。 10.1 10.1 新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例 3. 3. 旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃發(fā)動機旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃發(fā)動機 在改進往復(fù)式發(fā)動機的過程中，人們發(fā)現(xiàn)如果能直接將燃料的動力在改進往復(fù)式發(fā)動機的過程中，人們發(fā)現(xiàn)如果能直接將燃料的動力轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動必將是更合理的途徑。類比往復(fù)式蒸汽機到

7、蒸汽輪機的轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動必將是更合理的途徑。類比往復(fù)式蒸汽機到蒸汽輪機的發(fā)展，許多人都在探索旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃發(fā)動機的建造。發(fā)展，許多人都在探索旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃發(fā)動機的建造。 1)1)旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的工作原理旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的工作原理 汪克爾所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機簡圖如汪克爾所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機簡圖如圖所示，它由橢圓形的缸體圖所示，它由橢圓形的缸體1 1、三角形轉(zhuǎn)子、三角形轉(zhuǎn)子2(2(轉(zhuǎn)子的孔上有內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)子的孔上有內(nèi)齒輪) )、外齒輪、外齒輪3 3、吸氣口、吸氣口4 4、排氣口、排氣口5 5和火花塞和火花塞6 6等組成。等組成。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機簡圖旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機簡圖 10.1 10.1 新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例新型內(nèi)燃機的開

8、發(fā)實例 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時同樣也有吸氣、壓縮、燃爆旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時同樣也有吸氣、壓縮、燃爆(做功做功)和排氣和排氣4個動作。個動作。吸氣：吸氣：AB弧所對的內(nèi)腔容積由小變大，產(chǎn)生負壓效應(yīng)，由弧所對的內(nèi)腔容積由小變大，產(chǎn)生負壓效應(yīng)，由吸氣口將燃料與空氣的混合氣體吸入腔內(nèi)吸氣口將燃料與空氣的混合氣體吸入腔內(nèi)。 壓縮：內(nèi)腔由大變小，混合氣體被壓縮。壓縮：內(nèi)腔由大變小，混合氣體被壓縮。 燃爆：高壓狀態(tài)下，火花塞點火使混合氣體燃爆并迅速膨脹，燃爆：高壓狀態(tài)下，火花塞點火使混合氣體燃爆并迅速膨脹，產(chǎn)生強大的壓力驅(qū)動轉(zhuǎn)子，并帶動曲軸輸出運動和轉(zhuǎn)矩，對產(chǎn)生強大的壓力驅(qū)動轉(zhuǎn)子，并帶動曲軸輸出運動和轉(zhuǎn)矩，對

9、外做功。外做功。 排氣：內(nèi)腔容積由大變小，擠壓廢氣由排氣口排出。排氣：內(nèi)腔容積由大變小，擠壓廢氣由排氣口排出。 10.1 10.1 新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例 2) 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的設(shè)計特點旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的設(shè)計特點 (1) 功能設(shè)計。內(nèi)燃機的功能是將燃氣的能量轉(zhuǎn)化為回功能設(shè)計。內(nèi)燃機的功能是將燃氣的能量轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)的輸出動力，通過內(nèi)部容積變化，完成燃氣的吸氣、壓縮、轉(zhuǎn)的輸出動力，通過內(nèi)部容積變化，完成燃氣的吸氣、壓縮、燃爆和排氣燃爆和排氣4個動作以達到目的。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機抓住容積變個動作以達到目的。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機抓住容積變化這個主要特征，以三角形轉(zhuǎn)子在橢圓形氣缸中偏心回轉(zhuǎn)的化這個主要特征，

10、以三角形轉(zhuǎn)子在橢圓形氣缸中偏心回轉(zhuǎn)的方法達到功能要求。而且三角形轉(zhuǎn)子的每一個表面與缸體的方法達到功能要求。而且三角形轉(zhuǎn)子的每一個表面與缸體的作用相當于往復(fù)式發(fā)動機的一個活塞和氣缸，依次平穩(wěn)地連作用相當于往復(fù)式發(fā)動機的一個活塞和氣缸，依次平穩(wěn)地連續(xù)工作。轉(zhuǎn)子各表面還兼有開閉進排氣閥門的功能，設(shè)計可續(xù)工作。轉(zhuǎn)子各表面還兼有開閉進排氣閥門的功能，設(shè)計可謂巧妙。謂巧妙。 (2) 運動設(shè)計。偏心的三角形轉(zhuǎn)子如何將運動和動力運動設(shè)計。偏心的三角形轉(zhuǎn)子如何將運動和動力輸出？在旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機中采用了內(nèi)嚙合行星齒輪機構(gòu)，如輸出？在旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機中采用了內(nèi)嚙合行星齒輪機構(gòu)，如圖所示圖所示。 行星齒輪機構(gòu)行星齒輪機構(gòu)

11、10.1 10.1 新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例 三角形轉(zhuǎn)子相當于行星內(nèi)齒輪三角形轉(zhuǎn)子相當于行星內(nèi)齒輪2，它一面繞自身軸線自轉(zhuǎn)，一面繞中，它一面繞自身軸線自轉(zhuǎn)，一面繞中心外齒輪心外齒輪1在缸體在缸體3內(nèi)公轉(zhuǎn)，系桿內(nèi)公轉(zhuǎn)，系桿H轉(zhuǎn)子內(nèi)齒輪與中心外齒輪的齒數(shù)比是轉(zhuǎn)子內(nèi)齒輪與中心外齒輪的齒數(shù)比是1.51.5 1 1，這樣轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，使曲軸轉(zhuǎn)，這樣轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，使曲軸轉(zhuǎn)3 3周，輸出轉(zhuǎn)速較高。周，輸出轉(zhuǎn)速較高。 根據(jù)三角形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可知，曲軸每轉(zhuǎn)一周即產(chǎn)生一個動力沖程，根據(jù)三角形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可知，曲軸每轉(zhuǎn)一周即產(chǎn)生一個動力沖程，相對四沖程往復(fù)式發(fā)動機，曲軸每轉(zhuǎn)兩周才產(chǎn)生一個動力沖程，可知旋相對

12、四沖程往復(fù)式發(fā)動機，曲軸每轉(zhuǎn)兩周才產(chǎn)生一個動力沖程，可知旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的功率容量比是四沖程往復(fù)式發(fā)動機的兩倍。轉(zhuǎn)式發(fā)動機的功率容量比是四沖程往復(fù)式發(fā)動機的兩倍。 (3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，只有三角形轉(zhuǎn)子和輸出軸兩結(jié)構(gòu)設(shè)計。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，只有三角形轉(zhuǎn)子和輸出軸兩個運動構(gòu)件。它需要一個化油器和若干火花塞，但無須連桿、活塞以及個運動構(gòu)件。它需要一個化油器和若干火花塞，但無須連桿、活塞以及復(fù)雜的閥門控制裝置。零件數(shù)量比往復(fù)式發(fā)動機少復(fù)雜的閥門控制裝置。零件數(shù)量比往復(fù)式發(fā)動機少40%，體積減少，體積減少50%，重量下降重量下降1/22/3。 10.1 10.1 新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例新

13、型內(nèi)燃機的開發(fā)實例 3) 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的實用比旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的實用比 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機與傳統(tǒng)的往復(fù)式發(fā)動機相比，在輸出功率旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機與傳統(tǒng)的往復(fù)式發(fā)動機相比，在輸出功率相同時，具有體積小、重量輕、噪聲低、旋轉(zhuǎn)速度范圍大以相同時，具有體積小、重量輕、噪聲低、旋轉(zhuǎn)速度范圍大以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但在實用化生產(chǎn)的過程中還有許多問題及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但在實用化生產(chǎn)的過程中還有許多問題需要解決。需要解決。 隨著生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必然會出現(xiàn)更多新型的內(nèi)燃隨著生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必然會出現(xiàn)更多新型的內(nèi)燃機和動力機械。人們總是在發(fā)現(xiàn)矛盾和解決矛盾的過程中不機和動力機械。人們總是在發(fā)現(xiàn)矛盾和解決矛盾的過程中不斷取得

14、進步。而在開發(fā)設(shè)計過程中敢于突破，善于運用類比、斷取得進步。而在開發(fā)設(shè)計過程中敢于突破，善于運用類比、組合、替代等創(chuàng)新技法，認真進行科學(xué)分析，將會使人們得組合、替代等創(chuàng)新技法，認真進行科學(xué)分析，將會使人們得到更多創(chuàng)新的、進步的、高級的產(chǎn)品。到更多創(chuàng)新的、進步的、高級的產(chǎn)品。 10.1 10.1 新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例新型內(nèi)燃機的開發(fā)實例 10.2 10.2 圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例 本實例就圓柱凸輪加工原理開發(fā)中運用綜合創(chuàng)新技法、反求創(chuàng)新本實例就圓柱凸輪加工原理開發(fā)中運用綜合創(chuàng)新技法、反求創(chuàng)新法，通過創(chuàng)造性的綜合和巧妙的構(gòu)思，使綜合體發(fā)生質(zhì)的飛躍，做了

15、簡法，通過創(chuàng)造性的綜合和巧妙的構(gòu)思，使綜合體發(fā)生質(zhì)的飛躍，做了簡單的說明，從而體現(xiàn)出綜合創(chuàng)新是一種更具實用性的創(chuàng)新思路。單的說明，從而體現(xiàn)出綜合創(chuàng)新是一種更具實用性的創(chuàng)新思路。 1. 1. 設(shè)計目的設(shè)計目的 圓柱凸輪作為一種機械傳動控制部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠圓柱凸輪作為一種機械傳動控制部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等突出優(yōu)點，但其加工制作比較困難。東北大學(xué)東軟集團生產(chǎn)的醫(yī)用等突出優(yōu)點，但其加工制作比較困難。東北大學(xué)東軟集團生產(chǎn)的醫(yī)用全身全身CT掃描機，有一對復(fù)雜的圓柱凸輪，過去一直采用手工加工，不掃描機，有一對復(fù)雜的圓柱凸輪，過去一直采用手工加工，不僅制造精度低，而且勞動強度大，生產(chǎn)效率低

16、，成本高。為此，負責(zé)僅制造精度低，而且勞動強度大，生產(chǎn)效率低，成本高。為此，負責(zé)機械加工的東北大學(xué)機械廠提出要研制一種精度較高、操作方便、成機械加工的東北大學(xué)機械廠提出要研制一種精度較高、操作方便、成本較低的圓柱凸輪加工裝置，故于本較低的圓柱凸輪加工裝置，故于2002年年末，其成立了跨年級的研年年末，其成立了跨年級的研究小組，開始對這一問題進行研究。經(jīng)過一年多的時間，完成了圓柱究小組，開始對這一問題進行研究。經(jīng)過一年多的時間，完成了圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的綜合創(chuàng)新設(shè)計，由東北大學(xué)機械廠完成制造，并凸輪數(shù)控銑削裝置的綜合創(chuàng)新設(shè)計，由東北大學(xué)機械廠完成制造，并成功地投入使用，滿足了圓柱凸輪加工的精度

17、和生產(chǎn)率的要求成功地投入使用，滿足了圓柱凸輪加工的精度和生產(chǎn)率的要求 。圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置包括工作臺直線運動坐標軸和工件回轉(zhuǎn)運動坐標軸，在加工圓柱凸輪時，本裝置根據(jù)數(shù)控加工程序控制工件作旋轉(zhuǎn)進給運動和直線進給運動，通過普通立式銑床工作臺的垂直運動進行切深調(diào)整，這樣就可以實現(xiàn)一條凸輪曲線槽的連續(xù)自動化加工。本裝置的傳動原理如圖所示。 圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置傳動原理圖 本裝置由簡易CNC裝置控制驅(qū)動器，驅(qū)動兩個高精度步進電動機，兩個電動機分別控制分度頭的轉(zhuǎn)動和滾珠絲杠的直線運動，由分度頭帶動工件做回轉(zhuǎn)進給運動，滾珠絲杠則帶動工作臺做直線方向的進給運動，由普通立式銑床進行切深調(diào)整，從此實現(xiàn)了一條凸輪

18、槽的連續(xù)加工。 2. 工作原理工作原理 10.2 10.2 圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例 3. 設(shè)計方案設(shè)計方案 在方案設(shè)計階段，通過對圓柱凸輪的各種加工方案進行深入的分析研究得出：對于復(fù)雜的、多導(dǎo)程圓柱凸輪，理想的加工方法是采用帶回轉(zhuǎn)臺的四軸立式加工中心或帶自驅(qū)動式銑刀的車削中心加工，但這兩種機床價格昂貴，東北大學(xué)機械廠近期難以購買這兩種機床。 創(chuàng)新思路擬在普通立式銑床上，加裝高精度數(shù)控裝置，將傳統(tǒng)的機械技術(shù)與現(xiàn)代高新數(shù)控技術(shù)和電子技術(shù)等有機地綜合在一起，從而實現(xiàn)高精度的可靠加工要求。 因此根據(jù)數(shù)控技術(shù)越來越普及以及簡易數(shù)控系統(tǒng)價格比較便宜的現(xiàn)狀和特點

19、，東北大學(xué)機械廠決定設(shè)計一個簡易的圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置。將該裝置放置在普通立式銑床上，由普通立式銑床的主軸做切削運動，由其工作臺的垂直方向運動進行切深調(diào)整，該裝置則根據(jù)數(shù)控加工程序控制工件做旋轉(zhuǎn)進給運動和直線進給運動，實現(xiàn)一條凸輪曲線槽的連續(xù)自動化加工。這種加工方法成本很低，加工自動化程度較高，操作方便，加工精度高，且能滿足圓柱凸輪不斷改型的要求。 10.2 10.2 圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例 4. 功能及特點功能及特點 (1) 圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置包括工作臺直線運動坐標軸(Z軸)和工件回轉(zhuǎn)運動坐標軸(X軸)，采用德國BERGER LAHR高精度步進

20、電動機驅(qū)動，德國ENGEL HARDT兩軸CNC系統(tǒng)控制。X向脈沖當量為0.0009；Z向脈沖當量為0.001mm，可以完成圓柱凸輪復(fù)雜凸輪槽的連續(xù)、自動化加工。 (2) 工件回轉(zhuǎn)運動(即X軸)的機械傳動由普通分度頭完成，其蝸桿渦輪的降速比大(i=40)、傳動精度高、價格便宜。 (3) 工作臺的直線運動(即Z軸)采用雙螺母墊片式滾珠絲杠螺母傳動，并采用滾珠導(dǎo)軌支承，其摩擦力小、運動靈敏、精度高、剛度大。 (4) 數(shù)控編程采用CAD/CAM一體化編程方法。在CAXA/ME的支持下，首先繪制圓柱凸輪的展開曲線，然后生成G代碼程序，最后利用R232接口將加工程序傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。編程過程精確、直觀、方

21、便、靈活。該裝置可完成各種圓柱凸輪的精確自動化加工，另外還可以加工各種平面凸輪。 10.2 10.2 圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例 5. 主要創(chuàng)新點主要創(chuàng)新點 (1) 工件回轉(zhuǎn)運動采用標準分度頭傳動，簡化了設(shè)計制造，降低了研制成本。在研制過程中，通過分析對比選擇了合理的驅(qū)動位置，保證了傳動精度，這種方法在國內(nèi)尚屬首次。 (2) 工作臺的直線運動采用先進的滾珠絲杠傳動，并采用滾動導(dǎo)軌支承，其傳動靈活、精度高、剛度大。 (3) 該裝置采用簡易CNC系統(tǒng)控制，采用CAD/CAM一體化編程，選擇廉價的CAXA/ME作為支撐軟件，利用反求設(shè)計創(chuàng)新思維進行了創(chuàng)新改造

22、，并進行了二次開發(fā)，對編程方法進行了合理的改進，使數(shù)控編程精確、直觀、方便、靈活。因而其操作方便，使用靈活，能滿足各種圓柱凸輪的加工。 (4) 該裝置可在普通銑床上完成各種復(fù)雜圓柱凸輪曲線的精確、高效、自動化加工，其操作方便、價格低廉。此外，該裝置也可用于各種平面凸輪的加工，因此頗具推廣應(yīng)用價值。該裝置已在東北大學(xué)機械廠投入使用，10.2 10.2 圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例圓柱凸輪數(shù)控銑削裝置的創(chuàng)新設(shè)計實例 10.3 10.3 全自動送筷機創(chuàng)新設(shè)計實例全自動送筷機創(chuàng)新設(shè)計實例 本實例就開發(fā)新型全自動送筷機采用的創(chuàng)新思維(新型、實用、快捷)和創(chuàng)新技法(系統(tǒng)分析法、組合創(chuàng)新法、形態(tài)分析法

23、、機構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計法等)作了一些簡單的介紹，以期對創(chuàng)新設(shè)計有所啟發(fā)。 1. 設(shè)計目的設(shè)計目的 學(xué)生每天到食堂就餐都得從筷筒里胡亂地抓取筷子，這樣既不方便又不衛(wèi)生，因此設(shè)計一種自動送筷機具有很大的實用性。如圖所示為全自動送筷機外觀圖。 2. 設(shè)計過程設(shè)計過程 初定的送筷方式(利用系統(tǒng)分析法和形態(tài)分析法進行論證分析)有3種： 朝上豎直送朝上豎直送 ；水平橫向送；水平豎向送。水平橫向送；水平豎向送。 通過多次模擬實驗發(fā)現(xiàn)，朝上豎直送取筷子最為方便，但筷子的水平移動距離長，所需水平推力也大，會導(dǎo)致機器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加；水平橫向送筷子，由于筷子尺寸、形狀、大小及擺放的不規(guī)則，能順利取出筷子的概率不足

24、30%；水平豎向送筷子不僅出筷順暢，而且在抽出筷子后，在重力作用下筷子會自由下落，省去了機械傳動成本，這種方式取筷也比較方便。因此，最終選擇了第三種方案。 1) 送筷方式的確定 10.3 10.3 全自動送筷機創(chuàng)新設(shè)計實例全自動送筷機創(chuàng)新設(shè)計實例 2) 出筷機構(gòu)的選擇出筷機構(gòu)的選擇可供選擇的出筷機構(gòu)(利用機構(gòu)組合創(chuàng)新法和機構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計進行分析)有盤形凸輪機構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機構(gòu)、曲柄搖桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)等。通過模擬實驗，分析對比，發(fā)現(xiàn)盤形凸輪機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但由于從動件行程較大(70mm)，使機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)尺寸過大；曲柄搖桿和導(dǎo)桿機構(gòu)不僅平穩(wěn)性較差，而且占據(jù)的空間也大；而曲柄滑塊機構(gòu)占據(jù)的空間

25、最小，結(jié)構(gòu)比較簡單。因此，最后確定用曲柄滑塊機構(gòu)與移動凸輪組合機構(gòu)作為出筷的執(zhí)行結(jié)構(gòu).1箱體；2筷子；3移動凸輪(推桿)；4推板；5滑塊；6連桿；7曲柄 3) 電動機的選擇電動機的選擇 通過模擬實驗測定推筷子的阻力和最佳的出筷子速度，從而確定電動機的功率為25W，減速電動機的輸出轉(zhuǎn)速為60r/min。 3. 工作原理工作原理 當曲柄滑塊機構(gòu)運動時，滑塊帶動移動凸輪(階梯斜面)反復(fù)移動，將筷子水平送出。推出的一截筷子如果未被取走，則移動凸輪空推，已推出的筷子靜候抽取。如果推出的筷子被取走，則上方的筷子在重力作用下會自由下落到箱體底部，而被再次推出，如圖所示。階梯推桿推筷示意圖 1階梯推桿；2推出

26、最長筷；3推出較短筷；4推出最短筷 設(shè)計階梯推桿的目的：一是提高送筷子的效率；二是防止筷子由于擺放不規(guī)則，出現(xiàn)卡死、架空等現(xiàn)象。初定的推桿只能推一雙筷子，不僅效率低，而且經(jīng)常出現(xiàn)卡死、架空等現(xiàn)象。階梯推桿推出的3雙筷子成并排階梯狀。伸出箱體最長的筷子被抽取走后，如果上方筷子不能自由下落，則再抽取伸出較短的一雙，如果抽走后上方的筷子還不能自由下落，則再抽走最短的第三雙筷子，由于3雙筷子較寬，故3雙都抽走后，上方筷子必然失去支撐而下落到箱體底部。階梯推桿斜面的作用：一是起振動作用；二是防止筷子未對準出口時被頂斷，如圖所示。當筷子未對準出口、頂在箱體壁上時，筷子在階梯推桿的斜面上滑過。經(jīng)過多次作用，

27、只有筷子對準出口時才能被頂出。 斜面推桿作用示意圖1筷子；2箱體；3斜面推桿；4筷子出口4. 主要創(chuàng)新點主要創(chuàng)新點 機構(gòu)創(chuàng)新點 將曲柄滑塊機構(gòu)與移動凸輪機構(gòu)(階梯斜面推桿)有機組合，能實現(xiàn)多項功能：一是機構(gòu)組合本身結(jié)構(gòu)非常簡單、緊湊，可大幅度降低成本及機器的結(jié)構(gòu)尺寸；二是階梯推桿可有效地防止筷子被卡住而不能自由下落的現(xiàn)象；三是斜面推桿能有效防止筷子未對準出口而被機器頂斷的現(xiàn)象；四是斜面推桿可適用所有不同橫截面的筷子。 10.4 自行車設(shè)計實例 1自行車的演變史 17世紀初期人們開始研究用人力驅(qū)動車輪的交通工具。機械師加賽納首先提出一種手驅(qū)動的方式，駕駛者騎在車座上，用力拉一條繞在車上并能帶動輪

28、子轉(zhuǎn)動的環(huán)狀繩子，使車前進。 1816年至1818年在法國出現(xiàn)了兩輪間用木梁聯(lián)接的雙輪車，騎車者騎坐在梁上，用兩腳交替蹬地來推動車子前進。這種車稱為“趣馬”(Hobby Horse)，如圖例10-la。當時它是貴族青年的玩物。 一種真正的雙輪自行車(Bicycle)是1830年由蘇格蘭鐵匠麥克米倫發(fā)明的。他在兩輪小車的后輪上安裝曲柄，曲柄與腳踏板用兩根連桿相連，如圖例10-1b，只要反復(fù)蹬踏懸在前支架上的踏板，駕駛者不用蹬地就可驅(qū)動車子前進。曲柄+連桿+腳踏板式 為了提高騎行的速度，法國人拉利門特在1865年進行了改進，將回轉(zhuǎn)曲柄置于前輪上，騎行者直接蹬踏曲柄驅(qū)車前進。此時前輪裝在車架前端可轉(zhuǎn)

29、動的叉座上，能較靈活地把握方向；后輪上有杠桿制動，騎行者對車的控制能力加強了，如圖例101c。這種自行車腳踏板轉(zhuǎn)動一周，車子前進的距離與前輪周長相等。 為了加快速度，人們不斷增大前輪直徑(但為了減輕重量，同時將后輪縮小)，有的前輪大至56in(1.42m)、64in(1.63m)，甚至80in(2.03m)，如圖例101d。如此結(jié)構(gòu)使騎行者上下車很不方便且不安全，影響了這種“高位自行車”的使用。 1879年英格蘭人勞森又重新考慮采用后輪驅(qū)動，設(shè)計了鏈傳動的自行車，采用較大的傳動比，從而排除了采用大輪子的必要性，使騎行者安全地騎坐在合適高度的座位上，它稱為安全自行車，如圖例101e。在這時期隨著

30、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自行車結(jié)構(gòu)還做了不少改進。如采用受力合理的菱形鋼管支架，這樣既提高了強度，又能減輕重量；用滾動軸承提高效率；1888年鄧洛普引人充氣輪胎，使自行車行走更加平穩(wěn)。由此，自行車逐漸定型，成為普遍使用的交通工具； 由于不斷提出新的需求，經(jīng)過種種改革，使自行車的功能和結(jié)構(gòu)逐步完善起來，而從開始研究到定型差不多經(jīng)過了80年。 2、新型自行車的開發(fā) 隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人們生活水平不斷提高，發(fā)現(xiàn)原有自行車有不少缺點，同時也根據(jù)需要提出一些希望點，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多種新型自行車。 1)助力車，為省力開發(fā)出多種助力車，為避免對環(huán)境的污染，電動車較受歡迎，小巧的電機和減速裝置放于后輪轂中，直接驅(qū)動

31、車輪，電源則采用干電池。 2)考慮宜人性的新型車 英國發(fā)明家伯羅斯發(fā)明躺式三輪車(圖例102)，車上座位根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計，躺式蹬車省力，時速可達50km。搖桿式自行車(圖例103)將回轉(zhuǎn)蹬踏變?yōu)閮赡_往復(fù)蹬踏，這樣能充分使人蹬車時在90-120范圍內(nèi)做有用功，而去除做無用功的動作。兩擺桿通過鏈條分別帶動超越離合器使后輪轉(zhuǎn)動。 3)傳動系統(tǒng)的變異 鏈傳動易磨損掉鏈。新開發(fā)的齒輪傳動自行車(圖例104)腳蹬帶動齒輪通過傳動軸將運動傳至后輪，提高傳動效率。傳動體包覆，無絞人裙擺、褲腳之憂。上海凱瑞馳自行車公司已生產(chǎn)這種自行車系列。 根據(jù)需要將單速車改型為變速車，最多可達15種變速。開發(fā)自適應(yīng)調(diào)速裝置

32、，在上坡或蹬踏阻力大處自動調(diào)至低速擋。4)塑料自行車 工程塑料的引入對自行車性能有很大改進。碳纖維自行車采用碳纖維模壓做成整體無骨架式車身(圖例105)。其特點是強度高，避免有焊接薄弱點；無橫梁，重心低，行車便于控制；流線外形，風(fēng)阻??；重量輕(約11kg，比金屬架車輕1.5kg)；速度快(比金屬架車每公里快3s)。在巴塞羅那奧運會，一名美國車手騎著定做的一輛碳纖維自行車取得金牌并破世界紀錄。全塑自行車 圖例106所示為，其車架、車輪皆為塑料整體結(jié)構(gòu)，一次模壓成型；車把為整流罩式全握把，整車呈流線型。日本伊嘉制作公司開發(fā)的全塑自行車整車重量僅7.5kg。高速自行車高速自行車美國加利福尼亞大學(xué)學(xué)生

33、弗朗斯等人設(shè)計的半躺式Dexter Hysol“獵豹”自行車車速達68.73mileh，創(chuàng)世界新紀錄。(獵豹奔跑時速可達68mileh）。圖例107所示的這種高速自行車具有以下特點：(1)采用“躺式”，騎車者能發(fā)揮最大動力，并減小風(fēng)阻面積；(2)雙級鏈傳動升速； (3)以高強度碳纖維復(fù)合材料注塑整體車座和大梁。采用碳纖維車把和立柱，鋁制鏈套和中軸套，連同碳纖維車外罩，全車總重量只有29.5lb(約13.4kg)。(4)采用Hysol宇航粘合劑取代傳統(tǒng)緊固件,既減輕重量，又使載荷和應(yīng)力均布在更大面積上，增加強度，減少振動。 (5)運用空氣動力學(xué)原理對車外罩形狀進行優(yōu)化設(shè)計，形成籠罩騎車者的流線型

34、封閉艙，提高空氣動力學(xué)效率30以上。 圖例108所示為巡警用自行車，車上裝有內(nèi)藏式無線電通話設(shè)備、手電筒支架，還配備了便于上被追擊用的電動助力裝置。 雙人自行車成家庭型自行車(雙人前后蹬踏，中間有幾個孩子的車座)由兩個人驅(qū)動，分別設(shè)有單向離合器，使驅(qū)動力同時推動車輪而不互相干涉。7)小型自行車 為便于搬上高樓或放在汽車后廂外出旅游運動，開發(fā)了多種折疊式小型自行車。美國開發(fā)的一種便于攜帶的折疊式自行車，折疊后最小體積僅27in 8.5in8.5in，可放于汽車或火車座位底下，打開只需15s。其它類型的自行車 旅行箱式折疊自行車，旅行箱式折疊自行車1，旅行箱式折疊自行車2，具有革新精神的自行車，三

35、合一自行車，世界上最小的折疊自行車3幾點啟示 1)小小普通的自行車可以有多種新型原理和結(jié)構(gòu)，而且還會不斷改進、翻新?？梢娞幪幱袆?chuàng)新之物，創(chuàng)新設(shè)計是大有可為的。 2)人類和社會的需要是創(chuàng)造發(fā)明的源泉。社會的需要促使了自行車的演變，也正是社會的需要產(chǎn)生了各種新型功能和結(jié)構(gòu)的自行車。緊緊抓住社會的需要，將使創(chuàng)新設(shè)計史具有生命力。 3)不斷發(fā)展的科學(xué)理論和新技術(shù)的引入，使產(chǎn)品日趨先進和完善。如高速自行車的開發(fā)中考慮到空氣動力學(xué)和人體力學(xué)，采用了新型材料和先進結(jié)構(gòu)，還應(yīng)用計算機輔助手段進行優(yōu)化，故具有先進的性能。實踐證明，充分利用先進設(shè)計理論和科學(xué)技術(shù)是創(chuàng)新設(shè)計中必須重視的問題。10.5 可升降省力便攜

36、式輪椅設(shè)計 一、設(shè)計思想及基本內(nèi)容 基于人性化設(shè)計思想，力求克服市面上產(chǎn)品的一些缺陷，對驅(qū)動方式進行了創(chuàng)新設(shè)計，同時設(shè)計出具有能夠自我調(diào)節(jié)高度的輪椅座位。 驅(qū)動方式從人機工程方面考慮，采用推桿形式使用戶用力比較舒適、方便，同時利用杠桿原理，具有省力的功能。 對于升降機構(gòu)，其目的主要在于提高殘疾人的自理能力，使其坐在輪椅上的上升后的高度約等于人正常站立的高度。同時要求輪椅盡可能的簡單、方便、成本低廉，更具人性化。使殘疾人的生活自理能力加強，同時享受到更加舒服，更具人性化的助殘機械，也滿足性能、成本方面的要求，使他們使用方便，攜帶方便，購買便宜。 二、升降機構(gòu)的設(shè)計 1.升降機構(gòu)的類型及比較 (1

37、)液壓或氣壓驅(qū)動機構(gòu)通過液壓缸或氣缸來實現(xiàn)升降。 (2)螺桿副機構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)螺母或螺桿來調(diào)節(jié)高度。 (3)叉桿機構(gòu)通過改變叉桿之間的角度來實現(xiàn)高度的調(diào)節(jié)2.升降機構(gòu)的方案確定 通過對前三種方案的綜合比較，在第三種方案的基礎(chǔ)上，綜合所需達到的簡單、輕便、成本低的目標，設(shè)計了下述升降機構(gòu)的方案。 該機構(gòu)中滑輪能夠在滑道上滑動，使叉桿之間的角度可自由改變，通過轉(zhuǎn)動搖臂2，使絲桿轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)a、b兩點之間的距離以改變叉桿角度，實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)。 1上滑道，2搖臂， 3螺旋副，4叉桿， 5滑輪，6下滑道 (1)升降叉桿級別的確定 根據(jù)h和l的要求，可選擇一級或二級叉桿。根據(jù)本設(shè)計要求，否定二級叉桿結(jié)構(gòu)，采用

38、一級叉桿結(jié)構(gòu)。對于一級叉桿結(jié)構(gòu)，對其h、l進行調(diào)節(jié)，使受力與升降高度處于最佳平衡狀態(tài)，得一級叉桿升降機構(gòu)如圖所示。 (2)螺旋副及搖臂的設(shè)計 為了使左右叉桿副能夠平衡升降，使升降平穩(wěn)，故設(shè)計一對橫桿將左右叉桿聯(lián)在一起，螺旋副裝在橫桿中間，實現(xiàn)左右平衡受力、升降平衡。 根據(jù)三角形的穩(wěn)定性原理，前后橫桿之間也采用可滑動叉桿聯(lián)接，使它們保持平行，升降更加平穩(wěn)，且左右平衡上升。絲桿的后端軸向固定，前端與螺母配合，轉(zhuǎn)動搖臂帶動絲桿轉(zhuǎn)動，就可以改變叉桿的前后距離，實現(xiàn)升降運動； 搖臂采用可折疊式結(jié)構(gòu)，可節(jié)約空間，方便操作者使用(3)滑道和叉桿設(shè)計滑道采用型材焊接結(jié)構(gòu)，分別焊接在前后輪支架上，中間開槽，前叉

39、桿與銷釘采用過盈配合，銷釘與滑道采用小間隙配合，后叉桿采用銷軸與滑道體聯(lián)接。叉桿采用不銹鋼板材，孔2為兩叉桿聯(lián)接孔，孔1、孔3為與上下滑道聯(lián)接的孔，孔4為與橫桿聯(lián)接的孔。升降機構(gòu)三維設(shè)計圖升降機構(gòu)三維設(shè)計圖 三、驅(qū)動方式的設(shè)計1.省力機構(gòu)的方案比較與選擇(1)曲柄滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)較簡單，但沒有省力功能，效率較低，且不可實現(xiàn)前后運動的自由切換。(2)棘輪機構(gòu)可實現(xiàn)將間歇往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動，但無法實現(xiàn)前后運動的自由調(diào)節(jié)。 (3)摩擦棘輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)將間歇的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動，但間歇運動機構(gòu)運動時只有一個行程做功，另一個行程為無用功，即為間歇驅(qū)動，效率低。 本設(shè)計采用兩套摩擦棘輪機構(gòu)，一套機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)輪椅前進、后退、空擋、制動的切換；另一套機構(gòu)實現(xiàn)間歇運動的連續(xù)驅(qū)動。2.輪椅省力機構(gòu)的方案設(shè)計(1)整體設(shè)計 實現(xiàn)輪椅的左右轉(zhuǎn)向，可將輪椅前輪設(shè)計成萬向輪形式，通過調(diào)節(jié)兩后輪之間的速度可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 基于摩擦棘輪的原理，當搖桿逆時針搖動時，棘輪與驅(qū)動輪之間無摩擦，由于自鎖摩擦，可驅(qū)動輪逆時針運動，將棘輪撥到圖示虛線位置時，搖桿順時針運動即可帶動驅(qū)動輪順時針運動，可實現(xiàn)輪椅的前后運動。而當棘輪與驅(qū)動輪無接觸時可實現(xiàn)空擋，輪椅可