《机械原理与设计（下册） 第3版》 第三篇 机械产品的方案设计与分析 课件 第四章 机械创新设计

第四章机械创新设计第一节机械的创新第二节机构的创新设计第三节机械结构创新设计第四节机械创新设计实例第一节机械的创新一、机械创新的概念机械创新设计（MechanicalCreativeDesign，MCD）是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法、技术、原理等)，进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。它包含两个部分：一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等；二是创造设计出新机器、新产品，以满足新的生产或生活的需要。机械创新设计(MCD)和机械系统设计(SD)、计算机辅助设计(CAD)、优化设计(OD)、可靠性设计(RD)、摩擦学设计(FD)、有限元设计(FED)等一起构成现代机械设计方法。二、机械创新设计的过程MCD基本过程主要由综合过程、选择过程和分析过程组成。图3.4.1所示为中国技术专家提出的机械创新设计的一般过程，它分为四个阶段：（1）确定（选定或发明）机械的基本原理（2）机构结构类型综合及优选是机械设计中最富有创造性、最有活力的阶段，同时又是十分复杂和困难的问题。（3）机构运动尺寸综合及其运动参数优选其难点在于求得非线性方程组的完全解(或多解)，为优选方案提供较大的空间。（4）机构动力学参数综合及其动力参数优选其难点在于动力参数量大、参数值变化域广的多维非线性动力学方程组的求解，这是一个急待深入研究的课题。三、创新的一般技法常用的创新技法可以归为五类：（1）群体集智法（智力激励法、集思广益法）群体集智法的特点是启智、激智、互补、集智。几个人针对某个问题集中讨论或书面交流，创造性思维在受激发情况下能更好地发挥。（2）系统分析法针对问题，通过系统分析和提问，深入抓住问题的本质，从更多方面取得信息，探寻解法。系统分析法是通过纵向推理引导扩展思维的方法。（3）联想类比法通过对事物由此及彼的联想和类推进行发明和创新。联想类比法可分为以下几类：1）联想构思法对事物间的关系有接近联想、相似联想、对立联想。2）类比移植法有直接类比移植、因果对比移植、对称类比移植。3）仿生法通过仿生学对生物的某些特殊结构和功能进行分析和类推启发发明创新。（4）反向探求法在实践过程中，人们会发现某些计划、方法在实践中行不通，这时应根据实践过程提供的信息，及时修正计划、修改方法，继续有效地探索。1）变元法在问题求解的过程中通过变换求解因素，常可获得意外的结果。2）变理法当采用某种作用原理得不到预期的效果时，可以探索其他的作用原理是否可行。3）逆向法在求解问题时及时变换求解方向，有时可以使很困难的问题得到解决。（5）组合创新法按照一定的技术原理，通过将两个或多个功能元素合并，从而形成一种具有新功能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。1）组合法组合的类型包括功能组合、系统组合等。2）综摄法通过已知的东西作媒介，把毫无关联的、不相同的知识要素结合起来，摄取各种产品的长处将其综合在一起，制造出新产品的一种创新技法。第二节机构的创新设计一、应用现有原理创新机构机构设计中的最富有创造性、最关键的环节，是机构型式的设计。构思机构的具体构成是一件极富创造性的工作。机构的创新方法很多，归纳起来，常用的机构创新设计方法有如下几种。（1）叠加杆组法在一个机构上叠加一个或多个杆组后，便可以形成各种新的机构来满足运动转换或实现某种要求的功能。如图3.4.2所示的发动机机构就是在曲柄滑块机构的基础上叠加了两个Ⅱ级杆组所构成的。（2）转动副扩大、高低副互代、加局部自由度或虚约束等方法通过该方法对现有机构进行改进或使其演化成新的机构。它们既能保持原机构的运动特性，又能实现所要求的功能，而且结构更加合理。二、利用机构运动特点创新机构（1）利用连杆或连架杆的运动特点构思新的机构图3-4-5所示为电影摄影机和放映机的拉片机构。（2）利用两构件相对运动关系设计新机构图3.4.7所示为一个简单而有效的工件转移机构。（3）用成型固定构件实现复杂动作过程图3.4.9所示为成卷塑料包装材料的供给机构。三、基于组合原理的机构创新设计单一的机构只能满足有限的运动要求，为了实现预定的机械功能，或者为了改善机械的特性，往往将几种基本机构及其变异机构通过适当的方式进行组合。机构的组合方式可大致归纳为如下四类：（1）机构的串联组合前后几种机构依次联接的组合方式称为机构的串联组合。根据串联构件的不同，可以分为两种。1）构件固结式串联组合（一般串联组合）如图3.4.10所示。2）轨迹点串联结合（特殊串联组合）如图3.4.11所示。（2）机构的并联组合一个机构产生若干个分支后续机构，或者若干个分支机构汇合于一个后续机构的组合方式。1）一般并联组合各分支机构间无任何严格的运动协调配合关系的并联组合方式。2）特殊并联组合各分支机构间在运动协调上有所要求的并联组合方式。如图3.4.13所示为铆钉加工自动车床。3）汇集式并联组合若干分支机构汇集一道共同驱动一后续机构的组合方式。如图3-4-14所示为飞机上所采用的襟翼操纵机构。（3）机构的封闭式组合将一个多自由度（通常为二自由度）的机构（称为基础机构）中的某两个构件的运动用另一机构（称为约束机构）将其联系起来，使整个机构成为一个单自由度机构。如图3.4.15所示为滚齿机上所用的校正机构。（4）机构的装载式组合将一机构装载在另一个机构的某一活动构件上的组合方式。如图3.4.16所示为摇头风扇的摇头机构。四、利用光、电、液(气)等原理创新机构图3.4.17所示为电锤机构。图3.4.18所示为液体用杠杆秤。五、机构类型创新和变异设计基本思想：将原始机构用机构运动简图表示，通过释放原动件、机架，将机构运动简图转化为一般化运动链，然后按该机构功能所赋予的约束条件，演化众多的再生运动链与相应的新机构。第三节机械结构创新设计一、结构方案的变异设计机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的，要想得到最好的设计方案就需要灵活运用各种创造原理和创造技法。变异设计的基本方法是首先通过对结构设计方案的分析，得出一般结构设计方案中所包含的技术要素的构成，然后再分析每一个技术要素的取值范围，通过对这些技术要素在各自的取值范围内的充分组合，就可以得到足够多的独立的结构设计方案。变异设计的目的是为设计提供大量的可供选择的设计方案，使设计者可以在其中进行评价、比较和选择，并进行参数优化。一般机械结构的技术要素包括零件的几何形状、零件之间的联接和零件的材料及热处理方式。以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。（一）功能面的变异与其他零部件相接触的表面、与工作介质或被加工物体相接触的表面称为功能表面。通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。描述功能表面的主要几何参数有表面的形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对这几个方面的变异，可以得到多组构型方案。图3.4.19所示螺钉头的多种设计方案。（二）联接的变异不同形式的联接由于相接触的工作表面形状不同，表面间所施加的紧固力不同，从而对零件的自由度形成不同的约束。图3.4.24为轴毂联接变异设计。（三）支承的变异支承的变异设计包括支点位置变异和支点轴承的种类及其组合的变异。如图3.4.25所示。（四）材料的变异不同的材料具有不同的性能，不同的材料对应不同的加工工艺，结构设计中既要根据功能的要求合理选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分地发挥优势。图3.4.26所示为两种铸铁支架结构的比较。图3.4.27所示为一种塑料零件装配结构。二、结构创新的组合原理组合的过程就是一种创造的过程。不同的零件组合可以改善机器结构。如图3.4.28所示的带轮组合结构。如图3.4.29所示的复杂薄板零件。三、结构创新的完满原理完满原理的主要依据就是“人们总是希望在时间上和空间上充分而完满地利用某一对象的一切属性，因此，凡是在理论上看来未被充分利用的对象，都可以成为人们创造的目标”。创造学中的缺点列举法、缺点逆用法、希望点列举法等都源于完满原理。变形不协调不仅会导致应力集中、降低机械结构的强度，而且还可能损害机械的功能。图3.4.32所示是一起重机行走机构的驱动轴。四、结构创新的逆反原理逆反原理是一种特殊的变性原理。在进行结构设计时有意识地运用创造的逆反原理从相反的角度来设计，也许会获得意想不到的成功。如图3.4.33a所示的边缘挤压，从而引起轴承的失效，其原因为轴承不能随着轴的变形而变形。如果将图a中的轴承座的结构反方向按如图3.4.33b所示的结构进行设计，则可以使轴承在轴受载荷作用时能和轴协调变形。第四节机械创新设计实例一、联轴器的创新设计联轴器系统结构图如图3.4.34所示。联轴器总功能用功能树表示如图3.4.35所示。（1）工作原理的创新构思利用机械设计方法学基本原理将联轴器的主要分功能作为可变元素，运用各种创造技法对可变元素进行变化，列出形态矩阵表，从表中组合，获得新方案。（2）结构创新构思将结构中完成主要功能的主要零件的主要表面(功能面)进行变异，功能面变异的主要参数是形状、大小、位置、顺序、材料。变化可变元素，将工作原理和结构中的可变元素的变化列成形态矩阵表，见表3.4.1、表3.4.2、表3.4.3。理论上，从表3.4.1中组合构思，可获得许多种联轴器方案。举例说明如下。方案I：A1.l.2—A2.1—B2—C2—D4—E2.6—F4.7—Gl—H1.2—H2.2组合，可构思出图3.4.36所示的新款方案的联轴器。方案Ⅱ：A1.l.2—A2.2—B2—C3—D3—E3.1—F3.6—Gl—H1.2—H2.2组合，可构思出图3.4.37所示的新款方案的联轴器，这种联轴器相当于对十字滑块联轴器进行了改进。二、新型内燃机的开发本案例就新型内燃机开发中的一些创新思路作简单分析。（1）往复式内燃机的技术矛盾活塞式发动机的主体是曲柄滑块机构（图3.4.38）。进气阀5和排气阀6的开启由专门的凸轮机构控制。这种往复式活塞发动机存在以下明显的缺点：1）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。2）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长，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。往复运动限制了输出轴转速的提高。3）曲轴回转两圈才有一次动力输出，效率低。（2）无曲轴式活塞发动机以凸轮机构代替发动机中原有的曲柄滑块机构。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。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，如图3.4.39所示。其关键部分是圆柱凸轮动力传输装置。活塞往复运动时，通过连杆端部的滑块在凸轮槽中滑动而推动凸轮转动，经输出轴输出转矩。活塞往复两次，凸轮旋转360°。系统中装有飞轮，控制回转运动平稳性。这种无曲轴式活塞发动机若将圆柱凸轮安装在发动机中心部位，可在其周围设置多个气缸，制成多缸发动机。通过改变圆柱凸轮的凸轮轮廓形状可以改变输出轴转速，达到减速增矩的目的。这种凸轮式无曲轴发动机已用于船舶、重型机械、建筑机械等行业。（3）旋转式内燃发动机

1945年德国工程师汪克尔经长期研究，突破了气缸密封这一关键技术，使旋转式发动机首次运转成功。1）旋转式发动机的工作原理汪克尔所设计的旋转式发动机简图如图3.4.40所示。旋转式发动机运转时同样有吸气、压缩、燃爆(作功)和排气四个动作，如图3.4.41所示。吸气：转子处于图中a位置时，AB弧所对内腔容积由小变大，产生负压效应，由吸气口将燃料与空气的混合气体吸人腔内；压缩：转子处于b位置，内腔由大变小，混合气体被压缩；燃爆：高压状态下，火花塞点火，混合气体燃爆、膨胀，产生强大压力驱动转子，并带动曲轴输出运动和转矩，对外作功。排气：转子由c位置至d位置，内腔容积由大变小，挤压废气由排气口排出。2）旋转发动机的设计特点旋转式发动机以三角形转子在椭圆形气缸中偏心回转的方法达到功能要求。而且三角形转子的每一个表面与缸体的作用相当