《机械创新设计》课件-10第10章-机械创新设计实例

第十章机械创新设计实例

第二节平动齿轮传动装置的创新设计案例分析第三节机构应用创新设计案例分析第五节

小型钢轨砂带成型打磨机设计第七节可升降省力便携式轮椅设计第六节新型内燃机的开发第四节电脑多头绣花机的改型设计第一节多功能齿动平口钳的创新设计多功能齿动平行口钳设计目的稳定钳口的用力扩大钳子使用范围实现一钳多能稳定钳口的用力

我们平时用的钳子，在钳夹物体时，钳口的张开是V字形，显然有一个向钳口外的分力存在，这样就使得要夹持的物体体积越大，钳口张开就越大，用于夹持物体的分力也越小，且越不稳固。

齿轮齿条传动的优点无论齿轮啮合是否标准安装，啮合线N1N2的位置总是不变的，而且啮合角α恒等于分度圆的压力角，也就是齿条的齿形角。（齿形角越小越好）一般钳子钳口相夹时的力是随钳口变化而不断变化的，而且钳口开的越大，钳夹力越小，很不适用于夹持体积大一些的物体。而齿动原理使钳夹力的方向大小都是不变的，除了平行钳夹的优势外，齿动平行口钳在钳夹较大体积物体更省力更有优势。

FF1F2FF2F1扩大钳子使用范围

普通钳子钳口张角过小，使其在使用范围上有所限制；齿动平行口钳可将钳把转角加到足够大，而其作用在钳口的力不变，从而扩大了钳口的应用范围。多功能性我们将钳口作成燕尾槽结构，并配合以不同功能的工作块，使钳口工作面可以更换，这样就使它具有了多功能性：

1.普通钳口工作块；

2.橡胶质工作块；

3.圆弧形工作面块；

4.剪切工作块

；

5.剥线工作块；

6.压线工作块；

7.订书机工作块；

8.尖嘴钳工作块；…

…根据；平行钳口的优势，可以直接当活扳手使用。再将主轴下边小部分延伸引进普通钳子的钳口样式。普通钳口工作面适合平面刚性材料物体的夹持橡胶质工作面

可以用来夹持玻璃类、塑料类脆性材料的物体,并有平行钳夹的优点圆弧形工作面可用来夹持圆柱类表面的物体剪切工作面实现剪切功能可用以实现剥线钳的功能剥线工作块压线工作块订书机工作块绞杠扳手工作块：可以简单的实现绞杠、六角扳手的功能

活扳手功能尖嘴钳工作块几乎所有种类的钳类工具都能以可拆装工作块代替，因此，一把多功能齿动平行口钳就能代替多把不同种类的钳子，实现一钳多能。

多功能齿动平行口钳能够代替一套的钳具包，不但同样能够实现它们的功用，而且实现了一钳多能，节省空间、节省成本等。所有能够制作成工作块的工具都可以拿来开发利用。其所配套的工作块，常用的可以成套销售，有特殊用途的亦可单独销售。一旦销入市场，必能够很快占有一席之地。

将来产品展望双向多功能齿动平行口钳第二节平动齿轮传动装置的创新设计案例分析一、机构串联组合：平行四边形机构与外齿轮机构进行串联组合，由于外齿轮Z1随同连杆做平动，称为平动齿轮传动机构。设曲柄长度等于二齿轮中心距

LAB=O1O2=r1+r2=m（Z1+Z2）/2

根据机构瞬心原理，可有：Z1CABDZ2PO1O2VP2VP1VBZ1CABDZ2PO1O2VP2VP1VB进行整理后，可有：平行四边形机构与外啮合齿轮组合后，可获得增速机构。但外形尺寸过大，应用受到限制。平行四边形机构与内啮合齿轮的串联组合Z1CABDZ2VBVP根据机构瞬心原理，可有：当二轮齿数差较小时，可获得大传动比的减速机构。Z1C1AB1DZ2B3B2C2C3并联组合原理的应用：采用三套互成120º的平动齿轮机构并联组合，可三环减速器。Z1C1AB1DZ2B3B2C2C3三环减速器的内齿轮做平动，不能减小尺寸和重量，做平动的环板的惯性力的平衡难度大，难以在高速下运转。Z1CABDZ2相对运动原理的应用：采取外齿轮做平动，内齿轮输出，，可得到下图的平动齿轮机构。根据机构瞬心原理，可有：当二轮齿数差较小时，可获得大传动比的减速机构。为平衡外齿轮的惯性力，采用三套互成120º的平动齿轮机构并联组合。Z1C1AB1DZ2B3B2C2C3采用机构演化与变异原理，缩短机架尺寸，可得到下列机构。Z2B1B3B2C2AC1DC3Z1结构创新：用偏心轴代替平行四边形机构实用机构爆炸图总结：该装置具有传动比大、体积小、结构紧凑、传动效率高等特点。研制过程中使用了机构的串联组合原理、并联组合原理、相对运动原理、演化与变异原理以及机构创新等创新方法。是机械创新设计的典型案例第三节机构应用创新设计案例分析机构的应用创新设计是在不改变机构类型的前提下，或者说在不改变机构运动简图的前提下对机构的构件、运动副进行演化与变异设计，得到完成特定功能的机械装置的设计过程；把一个基本机构直接应用在满足机器工作要求的场合，也是机构应用创新。所以机构的应用创新是应用最广泛的创新设计方法。CAB转动副B进行销钉扩大，直到包含转动副A。为增大转动副C处的强度，将转动副C也增大。由于转动副C不能作整周转动，仅为摆动副，可将其作成半圆状，但这时不能满足滑块与连杆的运动约束条件。处理方法是将C处转动副上半部分再增大，使滑块与连杆再形成一处转动副。为保证虚约束的条件，C处的两个圆应为同心圆。滑块的形状也必须进行变异设计，将其作成中空状，设计结果见图示。CAB

第四节电脑多头绣花机的改型设计1988年上海协昌有限公司引进日本的刺绣机技术，成功研制了GY4-1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。一、改型设计方案的提出电脑多头绣花机主要功能：①使机针刺穿绣料形成线环的功能；②使底线与面线交织的功能；③输送和抽紧面线的功能；④使绣料送进的功能；⑤绣线换色的功能。GY4-1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。但田岛刺绣机的挑线刺布机构在美国、德国、意大利等国已经申请了专利，因而GY4-1型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刺绣机的专利保护，进行挑线刺布机构方案的适应性设计，以生产新型的电脑多头绣花机系列产品。图示为田岛刺绣机的挑线刺布机构。它的专利申请建立在挑线机构使用凸轮机构的基础上。在进行改型设计时应尽量避免使用凸轮。二、挑线刺布机构系统的本体知识表示本体知识的概念：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。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构和本体知识。三种刺布机构的示教例子

曲柄滑块刺布机构(GB型)曲柄滑槽刺布机构(36型)六连杆滑块刺布机构(田岛型)四种挑线机构的示教例子空间凸轮(GA3-1)平面凸轮(田岛)四连杆(GC15-1)齿轮连杆(LZ2-AD)机构名称输出运动范围可调性输出速度要求运动行为评分GA3-1不可调可满足好田岛不可调可满足好GC15-1不可调不可满足较差LZ2-AD可调部分满足较好挑线机构运动特性的差异三、挑线刺布机构系统的方案生成⒈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1MCDP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。a)凸轮机构；b)摇杆滑块机构；c)曲柄摇杆齿轮齿条机构。其中a)的运动行为评价最高，b)次之，c)。⒉挑线机构的方案生成根据挑线机构的本体运动行为,得到挑线机构备选方案。a)汽车刮水器机构；b)四杆齿轮组合机构；c)六杆齿轮组合机构。其中b)、c)的运动行为评价最高，a)较差。四、挑线刺布机构的模糊优序评价⒈刺布机构的评价方案a＞方案b方案a＞方案c方案a＞田岛方案方案b＞方案c田岛方案＞方案c

根据以上优序关系，可以认为方案a最好，方案b、d和田岛居中，方案c较差。⒉挑线机构的评价田岛方案＞方案c方案b＞方案d＞方案a

四杆齿轮组合机构和六杆齿轮组合机构的评价基本相同(六杆机构略好于四杆机构)，但它们稍逊于田岛的挑线机构。

由于田岛专利不在刺布机构中，为了不改变原机构安装孔的位置，仍选用田岛的刺布机构。挑线机构选用六杆机构。得出新型挑线刺布机构如右图所示。第五节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：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打磨机。特点：砂轮为磨具，前者价格昂贵，能耗大，砂轮耗材大等；后者的功能和应用有局限性，打磨效率低，打磨质量差。二、创新构思及设计过程1.打磨机的设计要求

对小型打磨机的性能要求主要有：1)安全实用，轻便，二人能搬动；2)能打磨道岔；3)能较准确打磨标准钢轨轮廓面；4)打磨效率高，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具备的，也就是新型打磨机应达到的主要功能要求。2.设计过程(1)总体创新构思在小型打磨机的总体构思中，突破原产品的约束，提出以下创新点：1)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，从而改善磨削质量；2)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打磨头；3)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。

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。

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6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盘上。滑板移动至预定位置，可通过锁紧机构8加以固定。两个打磨头4经两个带滚动轴承的多片摩擦离合器3，分别由两台汽油机2驱动，打磨头与钢轨相对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5进行。底盘轮轴上装配可调间隙的圆柱滚子轴承，使打磨机通过时其曲线具有随轨自适性。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（由专门设备完成），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。

打磨机由人力推动进给，打磨效果用专门的检验设备检验。(2)打磨磨具的移植创新

砂带磨削有如下特性：1)高效——磨削效率约为砂轮磨削4倍以上。2)低耗——一般砂轮旋转运动所消耗的能量约占总功率的15%～20%，而维持砂带运动的功率占4%～10%，工作时，磨削发热低。3)适用范围广——可打磨各种钢轨及进行各种复杂形面的修整。4)磨削质量好——表面粗糙度值可小于Ra0.1～0.5μm，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。5)寿命较高——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“粘盖”添加剂的采用，砂带使用寿命可达8～12h。(3)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，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，以至于形成突发性灵感思维，从而获得当前问题的解决。

右图为打磨头传动示意图，图中驱动轮1、张紧轮2和接触轮3为实体式，张紧轮与接触轮均采用凹型结构，形状与钢轨轮廓相似，接触轮的轮廓曲线采用仿轮缘踏面曲线，X锯齿形外缘，在轮缘上沿圆周方向开平行的环形消气沟槽，以防止运行中砂带憋气，提高磨削质量和效率。

图示为砂带张紧快换机构。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。机构运动原理如下：转动手柄1，带动拉杆3，使支架4在支杆8中左右移动。若支架带动张紧轮6向右压缩弹簧2，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。

为保证张紧可靠，在调整后用螺钉5将支架与支杆固定。

图示为磨削量进给调节机构——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触和施力。设计中采用了差动螺旋装置。支架1上的螺纹与手轮螺杆7的螺纹构成一螺旋副，与接触轮6联接在一起的螺母4中的螺纹与螺杆7的螺纹构成另一螺旋副，两螺旋副组成差动螺旋机构。套筒3通过螺钉2与支架1固联为一体，螺母4可在套筒3内移动。为使打磨接触轮工作可靠，调整结束后，用紧定螺钉5将螺母4固定在套筒3上。

轨距方向的螺旋调节机构5用以实现接触轮与钢轨的轨距方向的正确接触和施力，其设计也选用了差动螺旋机构。

它们焊接在装有燕尾型导轨的滑板上，一端与底板支撑梁固定在一起，螺杆可通过螺纹孔旋进，机构能够自锁。为严格保证滑板的定位，滑板可通过四个专用的锁紧机构固定在底盘架上。第六节新型内燃机的开发

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、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。

活塞式发动机工作时具有吸气、压缩、作功、排气四个冲程，其中只有作功冲程输出转矩，对外做功。

往复式活塞发动机存在的缺点：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。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。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，在原有发动机的基础上不断开发了一些新型的发动机。

二、无曲轴式活塞发动机——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，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，其关键部分是圆柱凸轮6动力传输装置。

活塞往复运动时，通过连杆端部的滑块7在凸轮6槽中滑动而推动凸轮6转动，经输出轴10输出转矩。活塞往复两次，凸轮旋转360°，即输出轴输出1转。三、旋转式内燃发动机

1945年德国工程师汪克尔经长期研究，突破了汽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

旋转式发动机由椭圆形的缸体1、三角形转子2(转子的孔上有内齿轮)、外齿轮3、吸气口4、排气口5和火花塞6等组成。

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。由于三角形转子有三个弧面，因此每转一周有三个动力冲程。2.旋转发动机的设计特点⑴功能设计——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，设计可谓巧妙。⑵运动设计——采用内啮合行星齿轮机构，来实现运动和动力输出。三角形转子相当于行星内齿轮2，它一面绕自身轴线自转，一面绕中心外齿轮1在缸体3内公转。系杆H则是发动机的输出曲轴。

转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比是1.5∶1，这样转子转一周，使曲轴转3周，输出转速较高。根据三角形转子的结构可知，曲轴每转一周即产生一个动力冲程。相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率容量比是四冲程往复发动机的两倍。⑶结构设计——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40%，体积减少50%，重量下降1/2到2/3。

3.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关，密封片的振动特性，对振纹影响极大。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、O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界首先达到实用化。80年代该公司生产了120万台旋转式发动机用于汽车，市场效益很好。第七节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。

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，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、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。二、升降机构的设计1.升降机构的类型及比较(1)液压或气压驱动机构——通过液压缸或气缸来实现升降。(2)螺杆副机构——通过旋转螺母或螺杆来调节高度。(3)叉杆机构——通过改变叉杆之间的角度来实现高度的调节。2.升降机构的方案确定通过对前三种方案的综合比较，在第三种方案的基础上，综合所需达到的简单、轻便、成本低的目标，设计了下述升降机构的方案。

该机构中滑轮能够在滑道上滑动，使叉杆之间的角度可自由改变，通过转动摇臂2，使丝杆转动，从而调节a、b两点之间的距离以改变叉杆角度，实现高度调节。1－上滑道2－摇臂3－螺旋副4－叉杆5－滑轮6－下滑道(1)升降叉杆级别的确定

根据h和l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，采用一级叉杆结构。对于一级叉杆结构，对其h、l进行调节，使受力与升降高度处于最佳平衡状态，得一级叉杆升降机构如图所示。(2)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，故设计一对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动，就可以改变叉杆的前后距离，实现升降运动。摇臂采用可折叠式结构，可节约空间，方便操作者使用。(3)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体联接。叉杆采用不锈钢板材，孔2为两叉杆联接孔，孔1、孔3为与上下滑道联接的孔，孔4为与横杆联接的孔。升降机构三维设计图三、驱动方式的设计1.省力机构的方案比较与选择(1)曲柄滑块机构——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。(2)棘轮机构——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。(3)摩擦棘轮机构——结构简单，可实现将间歇的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，即为间歇驱动，效率低。

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、后退、空挡、制动的切换；另一套机构实现间歇运动的连续驱动。2.轮椅省力机构的方案设计(1)整体设计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。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，轮椅可自由运动。如果压紧棘轮，可实现制动。

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4顺时针方向转动时即可带动连杆2顺时针转动，从而带动辅摇杆1逆时针转动。同理，当主摇杆4逆时针转动时，可带动辅摇杆1顺时针转动。这样可实现两驱动摇杆的反向运动。当一个棘轮处于空行程状态时，另一个棘轮处于驱动状态，通过两棘轮的交替工作即可消除空行程。(2)驱动轮的设计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，但摩擦轮体积和重量较大，浪费材料；直径太小，如果直径在