第二章-机械创新设计基础知识

第二章机械创新设计基础知识1.复习机械的概念，明确设计范围第一节机械的基础知识机器的三特征：1）由一系列的运动单元体所组成。2）各运动单元体之间都具有确定的相对运动。3）能转换机械能或完成有用的机械功以代替或减轻人们的劳动。具有以上1、2两个特征的实体称为机构。机器与机构总称为机械。2.机械的组成机械机器机构动力机—把其它形式的能量转化为机械能。工作机—完成有用的机械功。通用机构专用机构信息机—通过复杂的信息来控制机械运动。机器的组成：工作部分－完成预定的动作，位于传动路线的终点。传动部分－联接原动机和工作部分的中间部分。控制部分－保证机器的启动、停止和正常协调动作。原动部分－是工作机动力的来源，最常见的是电动机和内燃机。机器生物体原动机传动执行控制心脏肌肉骨骼神经比较：控制器(控制)电动机(原动)带(传动)减速器(传动)波轮(工作)分析自动洗衣机的组成：潘存云教授研制3.传动与执行机构—机械运动系统3.1机构的基本型机构的基本型是指最基本的、最常用的机构型式，是机构设计的基本依据。机械运动系统可以是机构的基本型，也可以是机构基本型的机构组合或组合机构。（1）全转动副四杆机构的基本型可演化为双曲柄机构、双摇杆机构。曲柄摇杆机构（2）含有一个移动副四杆机构的基本型可演化为转动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构。曲柄滑块机构（3）含有两个移动副四杆机构的基本型可演化为正切机构、双转块机构、双滑块机构。正弦机构（4）圆柱齿轮传动机构的基本型可演化为斜齿圆柱齿轮、人字齿圆柱齿轮、可以采用渐开线齿形、摆线齿形和圆弧齿形。外啮合直齿圆柱齿轮（5）圆锥齿轮传动机构的基本型可演化为斜齿圆锥齿轮机构和曲齿圆锥齿轮机构。外啮合直齿圆锥齿轮（6）蜗杆传动机构的基本型可演化为渐开线圆柱蜗杆传动机构和延伸渐开线圆柱蜗杆传动机构。阿基米德圆柱蜗杆传动机构（7）行星齿轮传动机构的基本型可演化为摆线针轮传动机构、谐波传动机构、活齿传动机构等。渐开线圆柱齿轮行星传动机构（8）直动从动件平面凸轮机构的基本型可演化为直动对心滚子从动件平面凸轮机构、直动对心平底从动件平面凸轮机构、直动偏置从动件平面凸轮机构等。直动对心尖顶从动件平面凸轮机构（9）摆动从动件平面凸轮机构的基本型可演化为摆动滚子从动件平面凸轮机构、摆动平底从动件平面凸轮机构。摆动尖顶从动件平面凸轮机构（10）直动从动件圆柱凸轮机构的基本型直动滚子从动件圆柱凸轮机构（11）摆动从动件圆柱凸轮机构的基本型摆动滚子从动件圆柱凸轮机构（12）带传动机构的基本型可演化为V带传动机构、圆带传动机构、活络V带传动机构、同步齿形带传动机构。平带传动机构（13）链传动机构的基本型可演化为多排套筒滚子链条传动机构、齿形链条传动机构。套筒滚子链条传动机构（14）液压、气动传动机构的基本型可演化为摆动油缸和气动缸。缸体不动的液压油缸和气动缸（15）螺旋传动机构的基本型可演化为梯形螺旋传动机构、矩形螺旋传动机构、滚珠丝杠传动机构。三角形螺旋传动机构（16）电磁传动机构的基本型电磁传动机构（17）间歇运动机构的基本型棘轮机构与槽轮机构3.2机构的组合把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成一个机构系统，称为机构的组合。其中各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。3.3组合机构组合机构是指若干基本机构通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构。其中各基本机构已不能保持各自的独立性，必须采用新的分析与设计方法。4.动力系统（原动机）按能量转换的方式可分为三大类：4.1电能→机械能包括：三相交流异步电动机、单相交流异步电动机、直流电动机、步进电动机等。（1）三相交流异步电动机特点：体积小、力矩大，常作为动力设备的原动机。（2）单相交流异步电动机特点：使用方便，在家用电器中得到广泛应用。单相交流异步减速电动机（3）直流电动机特点：可以进行调速，易于实现自动控制，在机电一体化设备中得到广泛应用。（4）步进电动机特点：要求分度或步进运动的场合可采用步进电动机。采用脉冲信号控制，将脉冲信号转化为电动机的角位移。步进电动机驱动器（5）直线电动机特点：直接提供直线运动，减少了中间转换运动链，结构简单，反应速度快，灵敏度高，适合于高速和高精度的应用场合。螺旋传动直线电机铁芯同步直线电机4.2热能→机械能包括：柴油机、汽油机、燃汽轮机、原子能发动机等。在要求输出功率大，大范围移动的场合得到广泛应用。柴油机汽油机4.2热能→机械能包括：柴油机、汽油机、燃汽轮机、原子能发动机等。在要求输出功率大，大范围移动的场合得到广泛应用。燃汽轮机转子4.3自然力→机械能包括：水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能发动机等。风力机三峡水轮机转子5.控制系统机械控制电气控制—应用最广泛液压控制气动控制综合控制现代控制系统设计需要应用微机技术、接口技术、模拟电路、数字电路、传感器技术、软件设计、电力拖动等知识，且向自动化、精密化、高速化、智能化方向发展。可控制对象：（1）以位移、速度、加速度、温度、压力等数量的大小为控制对象分为模拟控制和数字控制。（2）以事物的有、无、动、停、高、低等逻辑状态为控制对象逻辑控制。1.刚性机械系统运动具有不可逆性，一般泛指机械装置与电气装置独立组合的机械系统，只有简单的开、关、正反转、停止等独立的控制要求。传统的机械，如车床、铣床、钻床、起重机等都属于刚性机械系统。第二节机械系统及其发展普通电动机变速机构减速机构执行机构负载2.改进的刚性机械系统以电子控制的调速电机取代了机械变速装置。调速电动机减速机构执行机构负载电子调速系统3.柔性机械系统运动具有可控性，借助传感器或控制电路，通过微机按位置、位移、速度、压力、温度等参数实施智能化控制。如数控机床、机器人等。伺服电动机减速机构执行机构负载伺服控制系统4.直接驱动式柔性机械系统省去了传动机构，有更高的运动精度、更快的响应速度，有很好的应用前景。直接驱动电机负载伺服控制系统第三节机械结构设计与创新结构设计是将机构和构件具体化为某个零件或某个部件的形状、尺寸、联接方式、顺序、数量等具体结构方案的过程，用以实现机械对它的工作要求。具体化过程中要考虑材料的力学性能、零部件的功能、工作条件、加工工艺、装配、使用、成本、安全、环保等各种因素的影响。工程知识是从事结构设计工作的前提，巧妙构型与组合是结构创造性设计的核心。1.机械结构设计原则选择合适的构件材料；具有良好的加工工艺性；选择适当的截面形状与尺寸；重要零件进行强度、刚度计算与校核；考虑构件之间的可联接性；构件之间不能发生运动干涉；考虑经济性，尽量降低成本；维修、安装方便；符合人机工程学。2.实现零件功能的结构设计与创新（1）功能分解零件的每个部位各承担着不同的功能，具有不同的工作原理。将零件功能分解、细化，会有利于提高其工作性能，有利于开发新功能，也使零件整体功能更趋于完善。螺钉是一种最常用的联接零件，其主要功能是联接。联接可靠、防止松动、提高联接寿命、抵抗破坏能力是设计的主要目标。螺钉功能可以分解为螺钉头、螺钉体、螺钉尾三个部分。螺钉头又可分为扳拧功能与支撑功能；螺钉体分为定位功能与联接功能；螺钉尾又导向与保护功能。十字槽圆头木螺钉c型开槽沉头自攻螺钉内六角花形沉头螺钉不同的螺钉头类型演化出不同的螺钉类型。内六角圆柱头轴肩螺钉内六角花形盘头螺钉滚花小头螺钉开槽长圆柱端紧定螺钉开槽沉头不脱出螺钉方头短圆柱锥端紧定螺钉内六角平端紧定螺钉开槽平端紧定螺钉十字槽圆头木螺钉不同的螺钉尾类型演化出不同的螺钉类型。各部分功能的变化会衍生出种类繁多的螺钉类型。长吊环螺钉带环长吊环螺钉焊接英制眼型螺栓活节螺栓自攻螺钉眼式螺栓叉板螺栓U型螺栓空心螺钉各部分功能的变化会衍生出种类繁多的螺钉类型。（2）功能组合是指一个零件可以实现多种功能，这样可以使整个机械系统更趋于简单化，简化制造过程，减少材料消耗，提高工作效率，是结构创新设计的一个重要途径。3.结构元素的变异与演化结构元素主要是指结构的形状、数量、位置、联接等要素。经过变异的结构元素可适应不同的工作要求，或比原有结构具有更良好而完善的功能。摩擦棘轮内棘轮双动棘轮外棘轮双向棘轮2双向棘轮14.适应材料性能的结构设计与创新结构形状要有利于材料性能的发挥。材料的性能主要包括：密度、硬度、强度、刚度、耐磨性、磨合性、耐腐蚀性、传导性（导电、导热、导磁）等。零件结构形状设计应做到：扬长避短、刚柔并济、性能互补、合理搭配。扬长避短拉应力压应力拉应力压应力铸铁的抗压强度比抗拉强度高得多，因此铸铁机座的肋板就要设计成承受抗压状态，以充分发挥其优势。上图结构设计（b）优于（a）。（a）（b）（a）14个刚性零件和6个转动副（b）单片的柔性元件刮雨器——充分发挥塑性材料的优势一种新的设计方法——免装配设计DesignforNo-Assembly(DNA)一体化订书机——充分发挥塑性材料的优势5.方便制造与操作的结构设计与创新在满足使用功能的前提下，设计者应力求使所设计的产品结构工艺简单、消耗少、成本低、使用方便，操作容易、寿命长。最简单、精练的设计就是最好的设计！（a）（b）（a）（b）方案（b）加工方便，工艺性较好方案（b）增加圆柱面，利于卡盘装卡。（a）（b）联接结构的简化创新设计方法有很多种，下面简单介绍智力激励法、提问追溯法、联想类推法、返向探求法、系统分析法、组合创新发六种。第四节创新设计方法1．智力激励法人的创造性思维特别是直觉思维在受激发情况下能得到较好地发挥。一批人集合在一起，针对某个问题进行讨论时，由于各人知识、经验不同，观察问题的角度和分析问题的方法各异，提出的各种主意能互相启发，填补知识空隙，启发诱导出更多创造性思想，通过激励、智慧交流和集智达到创新的目的。智力互激，思维共振，自由的思想产生创新的火花。这种方法的讨论原则：进行随心所欲、设想新颖，但有的放矢、不空谈的自由发言。不批评别人的设想。不提倡少数服从多数。不过早下结论。总结各种设想，下次再议。2．提问追溯法提问追溯法是有针对性地、系统地提出问题，在回答问题过程中，便可能产生各种解决问题的设想，使设计所需要的信息更充分，解法更完善。提问追溯法有奥斯本体温法、阿诺尔特提问法、希望点列举法、缺点列举法。3．联想类推法通过由此及彼的联想和异中求同，同中求异的类比，寻求各种创新解法。利用联想进行发明创新是一种常用而且十分有效的办法。类比联想由一事物或现象联想到与其有类似特点的其他事物或现象，从而找出创新解法。想象力比知识更重要，知识是有限的，而想象力是知识进化的源泉。4．返向探求法将人们通常思考问题的思路反转过来，从背逆常规的途径探寻新的解法，因此返向探求法亦称逆向思维法。例如声音即是振动那么振动为什么不能复现原声呢？通过这样的反问，发明了留声机。类似的还有电动机和发电机，金属材料的热处理和冷处理等。司马光砸缸是对逆向思维的经典解释。5．系统分析法对于技术系统，根据其组成中影响其性能的全部参量，系统地依次分析搜索，以探索更多和解决问题的途径。笨但却有效的方法，需要进行艰苦细致的工作。6．组合创新法组合创新法是将现有技术和产品通过功能、原理、结构等方面的组合变化形成新的技术思想的和新产品。组合法应用的技术单元一般是已经成熟和比较成熟的技术，不需要从头开始，因而可以最大限度地节约人力、物力和财力。组合创新的类型很多，常用的有性能组合、原理组合、功能组合、结构重组、模块组合等。功能组合：如集复印、打印、扫描、网络功能于一体的数字办公系统；带橡皮的铅笔，带U盘的手表等。技术组合：CT扫描仪将X射线技术与计算机图像识别技术结合，本质并无原理性的突破，然而却成为20世纪医学界最重大的发明成果之一。材料组合：合金、合成纤维、导电塑料等。