机械系统创新设计实例分析

第10章机械系统创新设计实例分析10.1新型内燃机的开发实例10.2圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例10.3全自动送筷机创新设计实例10.4小型钢轨砂带成形打磨机设计实例10.1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(运用类比、组合、替代等创新技法)进行简单分析。1.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气缸、活塞、连杆、曲轴等主要机件和其他辅助设备组成。活塞式发动机工作时具有吸气、压缩、做功(燃爆)、排气4个冲程，做功冲程输出转矩，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。(3)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.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。单缸无曲轴式活塞发动机10.1新型内燃机的开发实例一般圆柱凸轮机构是将凸轮的回转运动变为从动杆的往复运动，而此处利用反动作，即当活塞往复运动时，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°。系统中没有飞轮，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、重型机械、建筑机械等行业。10.1新型内燃机的开发实例3.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，许多人都在探索旋转式内燃发动机的建造。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所示，它由椭圆形的缸体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。旋转式发动机简图10.1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(做功)和排气4个动作。吸气：AB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。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，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。排气：内腔容积由大变小，挤压废气由排气口排出。10.1新型内燃机的开发实例2)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4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，设计可谓巧妙。(2)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，如图所示。行星齿轮机构10.1新型内燃机的开发实例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，相对四冲程往复式发动机，曲轴每转两周才产生一个动力冲程，可知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。(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40%，体积减少50%，重量下降1/2～2/3。10.1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与传统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。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，认真进行科学分析，将会使人们得到更多创新的、进步的、高级的产品。10.1新型内燃机的开发实例10.2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。1.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10.2圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例3.设计方案在方案设计阶段，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圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例4.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BERGERLAHR高精度步进电动机驱动，德国ENGELHARDT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。(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圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例5.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、高效、自动化加工，其操作方便、价格低廉。此外，该装置也可用于各种平面凸轮的加工，因此颇具推广应用价值。该装置已在东北大学机械厂投入使用，10.2圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例10.3全自动送筷机创新设计实例本实例就开发新型全自动送筷机采用的创新思维(新型、实用、快捷)和创新技法(系统分析法、组合创新法、形态分析法、机构构型创新设计法等)作了一些简单的介绍，以期对创新设计有所启发。1.设计目的学生每天到食堂就餐都得从筷筒里胡乱地抓取筷子，这样既不方便又不卫生，久而久之便萌发了设计一种自动送筷机的灵感。如图所示为全自动送筷机外观图。2.设计过程初定的送筷方式(利用系统分析法和形态分析法进行论证分析)有3种：朝上竖直送；水平横向送；水平竖向送。通过反复多次模拟实验发现，朝上竖直送取筷子最为方便，但筷子的水平移动距离长，所需水平推力也大，会导致机器的结构复杂，成本增加。水平横向送筷子，由于筷子尺寸、形状、大小及摆放的不规则，能顺利取出筷子的概率不足30%。而水平竖向送筷子不仅出筷顺畅，而且在抽出筷子后，在重力作用下筷子会自由下落，省去了机械传动成本，这种方式取筷也比较方便。因此，最终选择了第三种方案。1)送筷方式的确定10.3全自动送筷机创新设计实例2)出筷机构的选择可供选择的出筷机构(利用机构组合创新法和机构构型创新设计进行分析)有盘形凸轮机构、摆动导杆机构、曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构等。通过模拟实验，分析对比，发现盘形凸轮机构虽然结构简单，但由于从动件行程较大(70mm)，使机构的总体结构尺寸过大；曲柄摇杆和导杆机构不仅平稳性较差，而且占据的空间也大；而曲柄滑块机构占据的空间最小，结构比较简单。因此，最后确定用曲柄滑块机构与移动凸轮组合机构作为出筷的执行结构，如图所示。10.3全自动送筷机创新设计实例3)电动机的选择通过模拟实验测定推筷子的阻力和最佳的出筷子速度，从而确定电动机的功率为25W，减速电动机的输出转速为60r/min。3.工作原理当曲柄滑块机构运动时，滑块带动移动凸轮(阶梯斜面)反复移动，将筷子水平送出。推出的一截筷子如果未被取走，则移动凸轮空推，已推出的筷子静候抽取。如果推出的筷子被取走，则上方的筷子在重力作用下会自由下落到箱体底部，而被再次推出，如图所示。阶梯推杆推筷示意图10.3全自动送筷机创新设计实例设计阶梯推杆的目的：一是提高送筷子的效率；二是防止筷子由于摆放不规则，出现卡死、架空等现象。初定的推杆只能推一双筷子，不仅效率低，而且经常出现卡死、架空等现象。阶梯推杆推出的3双筷子成并排阶梯状。伸出箱体最长的筷子被抽取走后，如果上方筷子不能自由下落，则再抽取伸出较短的一双，如果抽走后上方的筷子还不能自由下落，则再抽走最短的第三双筷子，由于3双筷子较宽，故