机械实例分析.pptx
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1、第十章第十章 机械系统创新设计实例分析机械系统创新设计实例分析 10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 10.2 10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例 10.3 10.3 全自动送筷机创新设计实例全自动送筷机创新设计实例 10.4 10.4 自行车设计实例自行车设计实例 10.5 10.5 可升降省力便携式轮椅设计可升降省力便携式轮椅设计10.1 10.1 新型内燃机的开发实例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、替代运用类比、组合、替代等创新技法等创新
2、技法)进行简单分析。进行简单分析。1.1.往复式内燃机的技术矛盾往复式内燃机的技术矛盾 目目前前,应应用用最最广广泛泛的的往往复复式式内内燃燃机机由由气气缸缸、活活塞塞、连连杆杆、曲曲轴轴等等主主要要机机件件和其他辅助设备组成。和其他辅助设备组成。活活塞塞式式发发动动机机工工作作时时具具有有吸吸气气、压压缩缩、做做功功(燃燃爆爆)、排排气气4个个冲冲程程,做做功功冲冲程输出转矩,对外做功程输出转矩,对外做功 活塞1连杆2气缸3曲轴4进气阀5排气阀6 这这种种往往复复式式活活塞塞发发动动机机存存在在以以下下明明显的缺点。显的缺点。(1)(1)工工作作机机构构及及气气阀阀控控制制机机构构组组成成复
3、复杂杂,零零件件多多;曲曲轴轴等等零零件件结结构构复复杂杂,工艺性差。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,使轴承上的惯性载荷增大,系统由于惯性力不平衡而转速的平方增长,使轴承上的惯性载荷增大,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。产生强烈振动。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。上述问题引起了人们改变现状的愿望,社会的需求促进产品的改造和上述问题引起了人们改变现状的愿望,社会
4、的需求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发动机。创新,多年来,在原有发动机的基础上不断开发了一些新型发动机。2.2.无曲轴式活塞发动机无曲轴式活塞发动机 无曲轴式活塞发动机采用机构替代的方法,以无曲轴式活塞发动机采用机构替代的方法,以凸轮机构代替发动机中原有的曲柄滑块机构,取消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,原有的关键件曲轴,使零件数量减少,结构简单,成本降低。成本降低。单缸无曲轴式活塞发动机 10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 一一般般圆圆柱柱凸凸轮轮机机构构是是将将凸凸轮轮的
5、的回回转转运运动动变变为为从从动动杆杆的的往往复复运运动动,而而此此处处利利用用反反动动作作,即即当当活活塞塞往往复复运运动动时时,通通过过连连杆杆端端部部的的滑滑块块在在凸凸轮轮槽槽中中滑滑动动而而推推动动凸凸轮轮转转动动,经经输输出出轴轴输输出出转转矩矩。活活塞塞往往复复两两次次,凸凸轮轮旋旋转转360360。系系统统中中没没有有飞飞轮轮,控制回转运动平稳。控制回转运动平稳。这种无曲轴式活塞发动机若将圆柱凸轮安装在发动机的中这种无曲轴式活塞发动机若将圆柱凸轮安装在发动机的中心部位,可在其周围设置多个气缸,制成多缸发动机。通过心部位,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
6、凸轮轮廓形状可以改变输出轴的转速,达到改变圆柱凸轮的凸轮轮廓形状可以改变输出轴的转速,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。型机械、建筑机械等行业。10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 3.3.旋转式内燃发动机旋转式内燃发动机 在改进往复式发动机的过程中,人们发现如果能直接将燃料的动力在改进往复式发动机的过程中,人们发现如果能直接将燃料的动力转化为回转运动必将是更合理的途径。类比往复式蒸汽机到蒸汽轮机的转化为回转运动必将是更合理的途径。类比往复式蒸汽机到蒸汽轮机的发展,许多人都
7、在探索旋转式内燃发动机的建造。发展,许多人都在探索旋转式内燃发动机的建造。1)1)旋转式发动机的工作原理旋转式发动机的工作原理 汪汪克克尔尔所所设设计计的的旋旋转转式式发发动动机机简简图图如如图图所所示示,它它由由椭椭圆圆形形的的缸缸体体1 1、三三角角形形转转子子2(2(转转子子的的孔孔上上有有内内齿齿轮轮)、外外齿齿轮轮3 3、吸吸气气口口4 4、排气口、排气口5 5和火花塞和火花塞6 6等组成。等组成。旋转式发动机简图旋转式发动机简图 10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 旋转式发动机在运转时同样也有吸气、压缩、燃爆旋转式发动机在运转时同样也有吸气、压缩、燃爆(做
8、功做功)和排气和排气4个动作。个动作。吸气:吸气:AB弧所对的内腔容积由小变大,产生负压效应,由弧所对的内腔容积由小变大,产生负压效应,由吸气口将燃料与空气的混合气体吸入腔内吸气口将燃料与空气的混合气体吸入腔内。压缩:内腔由大变小,混合气体被压缩。压缩:内腔由大变小,混合气体被压缩。燃爆:高压状态下,火花塞点火使混合气体燃爆并迅速膨胀,燃爆:高压状态下,火花塞点火使混合气体燃爆并迅速膨胀,产生强大的压力驱动转子,并带动曲轴输出运动和转矩,对产生强大的压力驱动转子,并带动曲轴输出运动和转矩,对外做功。外做功。排气:内腔容积由大变小,挤压废气由排气口排出。排气:内腔容积由大变小,挤压废气由排气口排
9、出。10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 2)旋转式发动机的设计特点旋转式发动机的设计特点 (1)功能设计。内燃机的功能是将燃气的能量转化为回功能设计。内燃机的功能是将燃气的能量转化为回转的输出动力,通过内部容积变化,完成燃气的吸气、压缩、转的输出动力,通过内部容积变化,完成燃气的吸气、压缩、燃爆和排气燃爆和排气4个动作以达到目的。旋转式发动机抓住容积变化个动作以达到目的。旋转式发动机抓住容积变化这个主要特征,以三角形转子在椭圆形气缸中偏心回转的方这个主要特征,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法达到功能要求。而且
10、三角形转子的每一个表面与缸体的作用相当于往复式发动机的一个活塞和气缸,依次平稳地连续用相当于往复式发动机的一个活塞和气缸,依次平稳地连续工作。转子各表面还兼有开闭进排气阀门的功能,设计可谓工作。转子各表面还兼有开闭进排气阀门的功能,设计可谓巧妙。巧妙。(2)运动设计。偏心的三角形转子如何将运动和动力运动设计。偏心的三角形转子如何将运动和动力输出?在旋转式发动机中采用了内啮合行星齿轮机构,如输出?在旋转式发动机中采用了内啮合行星齿轮机构,如图所示图所示。行星齿轮机构行星齿轮机构 10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 三角形转子相当于行星内齿轮三角形转子相当于行星内齿轮2,
11、它一面绕自身轴线自转,一面绕中,它一面绕自身轴线自转,一面绕中心外齿轮心外齿轮1在缸体在缸体3内公转,系杆内公转,系杆H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1.51.5 1 1,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。根根据据三三角角形形转转子子的的结结构构可可知知,曲曲轴轴每每转转一一周周即即产产生生一一个个动动力力冲冲程程,相相对对四四冲冲程程往往复复式式发发动动机机,曲曲轴轴每每转转两两周周才才产产生生一一个个动动力力冲冲程程,可可知知旋旋转式发动机的功率容量比是四冲程往复式发动机的两倍。转式发动机的功率容量
12、比是四冲程往复式发动机的两倍。(3)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火花塞,但无须连杆、活塞以及个运动构件。它需要一个化油器和若干火花塞,但无须连杆、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,体积减少50%,重量下降,重量下降1/22/3。10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 3)旋转式发动机的实用比旋转式发动机的实用比 旋转式发动机与传统的往复式发动机相比,在输出功率旋转式发动机与传统
13、的往复式发动机相比,在输出功率相同时,具有体积小、重量轻、噪声低、旋转速度范围大以相同时,具有体积小、重量轻、噪声低、旋转速度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需要解决。需要解决。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。人们总是在发现矛盾和解决矛盾的过程中不机和动力机械。人们总是在发现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敢于突破,善于运用类比、断取得进步。而在开发设计过程中敢于突破,善于运用类比、组合、替代等创新技法,认真进行科学
14、分析,将会使人们得组合、替代等创新技法,认真进行科学分析,将会使人们得到更多创新的、进步的、高级的产品。到更多创新的、进步的、高级的产品。10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 10.2 10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例 本实例就圆柱凸轮加工原理开发中运用综合创新技法、反求创新本实例就圆柱凸轮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跃,做了简法,通过创造性的综合和巧妙的构思,使综合体发生质的飞跃,做了简单的说明,从而体现出综合创新是一种更具实用性的创新思路。单的说明,从而体现
15、出综合创新是一种更具实用性的创新思路。1.1.设计目的设计目的 圆柱凸轮作为一种机械传动控制部件,具有结构紧凑、工作可靠圆柱凸轮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,但其加工制作比较困难。东北大学东软集团生产的医用等突出优点,但其加工制作比较困难。东北大学东软集团生产的医用全身全身CT扫描机,有一对复杂的圆柱凸轮,过去一直采用手工加工,不扫描机,有一对复杂的圆柱凸轮,过去一直采用手工加工,不仅制造精度低,而且劳动强度大,生产效率低,成本高。为此,负责仅制造精度低,而且劳动强度大,生产效率低,成本高。为此,负责机械加工的东北大学机械厂提出要研制一种精度较高、操作方便、成机械
16、加工的东北大学机械厂提出要研制一种精度较高、操作方便、成本较低的圆柱凸轮加工装置,故于本较低的圆柱凸轮加工装置,故于2002年年末,其成立了跨年级的研年年末,其成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,完成了圆柱究小组,开始对这一问题进行研究。经过一年多的时间,完成了圆柱凸轮数控铣削装置的综合创新设计,由东北大学机械厂完成制造,并凸轮数控铣削装置的综合创新设计,由东北大学机械厂完成制造,并成功地投入使用,满足了圆柱凸轮加工的精度和生产率的要求成功地投入使用,满足了圆柱凸轮加工的精度和生产率的要求。圆柱凸轮数控铣削装置包括工作台直线运动坐标轴和工件回转运动坐标轴,在加工圆
17、柱凸轮时,本装置根据数控加工程序控制工件作旋转进给运动和直线进给运动,通过普通立式铣床工作台的垂直运动进行切深调整,这样就可以实现一条凸轮曲线槽的连续自动化加工。本装置的传动原理如图所示。圆柱凸轮数控铣削装置传动原理图 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丝杠的直线运动,由分度头带动工件做回转进给运动,滚珠丝杠则带动工作台做直线方向的进给运动,由普通立式铣床进行切深调整,从此实现了一条凸轮槽的连续加工。2.工作原理工作原理 10.2 10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例 3.设计方案设计方案
18、在方案设计阶段,通过对圆柱凸轮的各种加工方案进行深入的分析研究得出:对于复杂的、多导程圆柱凸轮,理想的加工方法是采用带回转台的四轴立式加工中心或带自驱动式铣刀的车削中心加工,但这两种机床价格昂贵,东北大学机械厂近期难以购买这两种机床。创新思路拟在普通立式铣床上,加装高精度数控装置,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,从而实现高精度的可靠加工要求。因此根据数控技术越来越普及以及简易数控系统价格比较便宜的现状和特点,东北大学机械厂决定设计一个简易的圆柱凸轮数控铣削装置。将该装置放置在普通立式铣床上,由普通立式铣床的主轴做切削运动,由其工作台的垂直方向运动进行切深调整,该
19、装置则根据数控加工程序控制工件做旋转进给运动和直线进给运动,实现一条凸轮曲线槽的连续自动化加工。这种加工方法成本很低,加工自动化程度较高,操作方便,加工精度高,且能满足圆柱凸轮不断改型的要求。10.2 10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例 4.功能及特点功能及特点 (1)圆柱凸轮数控铣削装置包括工作台直线运动坐标轴(Z轴)和工件回转运动坐标轴(X轴),采用德国BERGER LAHR高精度步进电动机驱动,德国ENGEL HARDT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,可以完成圆柱凸轮复杂凸轮槽的连续、自动化加工。(
20、2)工件回转运动(即X轴)的机械传动由普通分度头完成,其蜗杆涡轮的降速比大(i=40)、传动精度高、价格便宜。(3)工作台的直线运动(即Z轴)采用双螺母垫片式滚珠丝杠螺母传动,并采用滚珠导轨支承,其摩擦力小、运动灵敏、精度高、刚度大。(4)数控编程采用CAD/CAM一体化编程方法。在CAXA/ME的支持下,首先绘制圆柱凸轮的展开曲线,然后生成G代码程序,最后利用R232接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。该装置可完成各种圆柱凸轮的精确自动化加工,另外还可以加工各种平面凸轮。10.2 10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例 5.主
21、要创新点主要创新点 (1)工件回转运动采用标准分度头传动,简化了设计制造,降低了研制成本。在研制过程中,通过分析对比选择了合理的驱动位置,保证了传动精度,这种方法在国内尚属首次。(2)工作台的直线运动采用先进的滚珠丝杠传动,并采用滚动导轨支承,其传动灵活、精度高、刚度大。(3)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,利用反求设计创新思维进行了创新改造,并进行了二次开发,对编程方法进行了合理的改进,使数控编程精确、直观、方便、灵活。因而其操作方便,使用灵活,能满足各种圆柱凸轮的加工。(4)该装置可在普通铣床上完成各种复杂圆柱凸轮曲线的精确
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