1、2023-2-15机械创新设计实例分析机械创新设计实例分析机械创新设计实例分析机械创新设计实例分析10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 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 目前，应用最广泛的往复式内燃机目前，应用最广泛的往复式内燃机由气缸、活塞、连杆、曲轴等主要机件由气缸、活塞、连杆、曲轴等主要机件和其他辅助设备组成。和其他辅助设备组成。活塞式发动机工作时具有吸气、压活塞式发动机工作时具
2、有吸气、压缩、做功缩、做功(燃爆燃爆)、排气、排气4个冲程，做功冲个冲程，做功冲程输出转矩，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 这种往复式活塞发动机存在以下明这种往复式活塞发动机存在以下明显的缺点。显的缺点。(1)(1)工作机构及气阀控制机构组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，成复杂，零件多；曲轴等零件结构复杂，工艺性差。工艺性差。机械创新设计实例分析 (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随转速
3、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。而产生强烈振动。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。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。2.2.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，无曲轴式活塞发动机采用机构替代的方法
4、，以凸轮机构代替发动机中原有的曲柄滑块机构，取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，消原有的关键件曲轴，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 机械创新设计实例分析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，经输出轴输出端部的滑块在凸轮槽中滑动而推动凸轮转
5、动，经输出轴输出转矩。活塞往复两次，凸轮旋转转矩。活塞往复两次，凸轮旋转360360。系统中没有飞轮，。系统中没有飞轮，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、
6、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 机械创新设计实例分析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。的发展，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 汪克尔所设计的旋转式发动机简图如汪克尔所设计的旋转式发动机简图如图所示，它由椭
7、圆形的缸体图所示，它由椭圆形的缸体1 1、三角形转子、三角形转子2(2(转子的孔上有内齿轮转子的孔上有内齿轮)、外齿轮、外齿轮3 3、吸气口、吸气口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 机械创新设计实例分析 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(做功做功)和排和排气气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
8、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，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。对外做功。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 机械创新设计实例分析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
9、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
10、开闭进排气阀门的功能，设计可续工作。转子各表面还兼有开闭进排气阀门的功能，设计可谓巧妙。谓巧妙。(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。行星齿轮机行星齿轮机构构 10.1 10.1 新型内燃机的开发实例新型内燃机的开发实例 机械创新设计实例分析 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，它一面绕自身轴线自转，一面绕，它一面绕自身轴线自转，一面绕中心外齿轮中心外齿轮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
11、心外齿轮的齿数比转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比是是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，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。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结构设计。旋转式发动机结构简单，只
12、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 机械创新设计实例分析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、旋转速度范围大率相同时，具有体积小、重量轻、
13、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。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。们得到更
14、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 机械创新设计实例分析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
15、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
16、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。机械创新设计实例分析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
17、，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 机械创新设计实例分析3.设计方案设计方案 在方案设计阶段，通过对圆柱凸轮的各种加工方案进行
18、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
19、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 机械创新设计实例分析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。(2)工件回转运动(即X轴)的
20、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 机械创新设计实例分析5.主要创新点
21、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、
22、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 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 机械创新设计实例分析10.3 10.3 全自动送筷机创新设计实全自动送筷机创新设计实例例 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，因此设计一种自动送筷机具
23、有很大的实用性。如图所示为全自动送筷机外观图。机械创新设计实例分析2.设计过程设计过程 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：朝上竖直送朝上竖直送 ；水平横向送；水平竖向送。水平横向送；水平竖向送。通过多次模拟实验发现，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%；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
24、10.3 10.3 全自动送筷机创新设计实全自动送筷机创新设计实例例 机械创新设计实例分析2)出筷机构的选择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.1箱体；2筷子；3移动凸轮(推杆)；4推板；5滑块；6连杆；7曲柄机械创新
25、设计实例分析 3)电动机的选择电动机的选择 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 1阶梯推杆；2推出最长筷；3推出较短筷；4推出最短筷机械创新设计实例分析 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
26、。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3双都抽走后，上方筷子必然失去支撑而下落到箱体底部。阶梯推杆斜面的作用：一是起振动作用；二是防止筷子未对准出口时被顶断，如图所示。当筷子未对准出口、顶在箱体壁上时，筷子在阶梯推杆的斜面上滑过。经过多次作用，只有筷子对准出口时才能被顶出。斜面推杆作用示意图1筷子；2箱体；3斜面推杆；4筷子出口机械创新设计实例分析4.主要创新点主要创
27、新点 机构创新点 将曲柄滑块机构与移动凸轮机构(阶梯斜面推杆)有机组合，能实现多项功能：一是机构组合本身结构非常简单、紧凑，可大幅度降低成本及机器的结构尺寸；二是阶梯推杆可有效地防止筷子被卡住而不能自由下落的现象；三是斜面推杆能有效防止筷子未对准出口而被机器顶断的现象；四是斜面推杆可适用所有不同横截面的筷子。机械创新设计实例分析10.4 自行车设计实例 1自行车的演变史 17世纪初期人们开始研究用人力驱动车轮的交通工具。机械师加赛纳首先提出一种手驱动的方式，驾驶者骑在车座上，用力拉一条绕在车上并能带动轮子转动的环状绳子，使车前进。1816年至1818年在法国出现了两轮间用木梁联接的双轮车，骑车
28、者骑坐在梁上，用两脚交替蹬地来推动车子前进。这种车称为“趣马”(Hobby Horse)，如图例10-la。当时它是贵族青年的玩物。一种真正的双轮自行车(Bicycle)是1830年由苏格兰铁匠麦克米伦发明的。他在两轮小车的后轮上安装曲柄，曲柄与脚踏板用两根连杆相连，如图例10-1b，只要反复蹬踏悬在前支架上的踏板，驾驶者不用蹬地就可驱动车子前进。曲柄+连杆+脚踏板式机械创新设计实例分析 为了提高骑行的速度，法国人拉利门特在1865年进行了改进，将回转曲柄置于前轮上，骑行者直接蹬踏曲柄驱车前进。此时前轮装在车架前端可转动的叉座上，能较灵活地把握方向；后轮上有杠杆制动，骑行者对车的控制能力加强了
29、，如图例101c。这种自行车脚踏板转动一周，车子前进的距离与前轮周长相等。为了加快速度，人们不断增大前轮直径(但为了减轻重量，同时将后轮缩小)，有的前轮大至56in(1.42m)、64in(1.63m)，甚至80in(2.03m)，如图例101d。如此结构使骑行者上下车很不方便且不安全，影响了这种“高位自行车”的使用。机械创新设计实例分析 1879年英格兰人劳森又重新考虑采用后轮驱动，设计了链传动的自行车，采用较大的传动比，从而排除了采用大轮子的必要性，使骑行者安全地骑坐在合适高度的座位上，它称为安全自行车，如图例101e。在这时期随着科学技术的发展，自行车结构还做了不少改进。如采用受力合理的
30、菱形钢管支架，这样既提高了强度，又能减轻重量；用滚动轴承提高效率；1888年邓洛普引人充气轮胎，使自行车行走更加平稳。由此，自行车逐渐定型，成为普遍使用的交通工具；由于不断提出新的需求，经过种种改革，使自行车的功能和结构逐步完善起来，而从开始研究到定型差不多经过了80年。机械创新设计实例分析机械创新设计实例分析机械创新设计实例分析 2、新型自行车的开发 随着科学技术发展，人们生活水平不断提高，发现原有自行车有不少缺点，同时也根据需要提出一些希望点，在此基础上开发了多种新型自行车。1)助力车，为省力开发出多种助力车，为避免对环境的污染，电动车较受欢迎，小巧的电机和减速装置放于后轮毂中，直接驱动车
31、轮，电源则采用干电池。2)考虑宜人性的新型车 英国发明家伯罗斯发明躺式三轮车(图例102)，车上座位根据人体工程学设计，躺式蹬车省力，时速可达50km。机械创新设计实例分析摇杆式自行车(图例103)将回转蹬踏变为两脚往复蹬踏，这样能充分使人蹬车时在90-120范围内做有用功，而去除做无用功的动作。两摆杆通过链条分别带动超越离合器使后轮转动。机械创新设计实例分析 3)传动系统的变异 链传动易磨损掉链。新开发的齿轮传动自行车(图例104)脚蹬带动齿轮通过传动轴将运动传至后轮，提高传动效率。传动体包覆，无绞人裙摆、裤脚之忧。上海凯瑞驰自行车公司已生产这种自行车系列。根据需要将单速车改型为变速车，最多
32、可达15种变速。开发自适应调速装置，在上坡或蹬踏阻力大处自动调至低速挡。机械创新设计实例分析4)塑料自行车 工程塑料的引入对自行车性能有很大改进。碳纤维自行车采用碳纤维模压做成整体无骨架式车身(图例105)。其特点是强度高，避免有焊接薄弱点；无横梁，重心低，行车便于控制；流线外形，风阻小；重量轻(约11kg，比金属架车轻1.5kg)；速度快(比金属架车每公里快3s)。在巴塞罗那奥运会，一名美国车手骑着定做的一辆碳纤维自行车取得金牌并破世界纪录。机械创新设计实例分析全塑自行车 图例106所示为，其车架、车轮皆为塑料整体结构，一次模压成型；车把为整流罩式全握把，整车呈流线型。日本伊嘉制作公司开发的
33、全塑自行车整车重量仅7.5kg。机械创新设计实例分析高速自行车高速自行车美国加利福尼亚大学学生弗朗斯等人设计的半躺式Dexter Hysol“猎豹”自行车车速达68.73mileh，创世界新纪录。(猎豹奔跑时速可达68mileh）。图例107所示的这种高速自行车具有以下特点：(1)采用“躺式”，骑车者能发挥最大动力，并减小风阻面积；(2)双级链传动升速；(3)以高强度碳纤维复合材料注塑整体车座和大梁。采用碳纤维车把和立柱，铝制链套和中轴套，连同碳纤维车外罩，全车总重量只有29.5lb(约13.4kg)。(4)采用Hysol宇航粘合剂取代传统紧固件,既减轻重量，又使载荷和应力均布在更大面积上，增
34、加强度，减少振动。(5)运用空气动力学原理对车外罩形状进行优化设计，形成笼罩骑车者的流线型封闭舱，提高空气动力学效率30以上。机械创新设计实例分析 图例108所示为巡警用自行车，车上装有内藏式无线电通话设备、手电筒支架，还配备了便于上被追击用的电动助力装置。双人自行车成家庭型自行车(双人前后蹬踏，中间有几个孩子的车座)由两个人驱动，分别设有单向离合器，使驱动力同时推动车轮而不互相干涉。机械创新设计实例分析7)小型自行车 为便于搬上高楼或放在汽车后厢外出旅游运动，开发了多种折叠式小型自行车。美国开发的一种便于携带的折叠式自行车，折叠后最小体积仅27in 8.5in8.5in，可放于汽车或火车座位
35、底下，打开只需15s。其它类型的自行车 旅行箱式折叠自行车，旅行箱式折叠自行车1，旅行箱式折叠自行车2，具有革新精神的自行车，三合一自行车，世界上最小的折叠自行车机械创新设计实例分析3几点启示 1)小小普通的自行车可以有多种新型原理和结构，而且还会不断改进、翻新。可见处处有创新之物，创新设计是大有可为的。2)人类和社会的需要是创造发明的源泉。社会的需要促使了自行车的演变，也正是社会的需要产生了各种新型功能和结构的自行车。紧紧抓住社会的需要，将使创新设计史具有生命力。3)不断发展的科学理论和新技术的引入，使产品日趋先进和完善。如高速自行车的开发中考虑到空气动力学和人体力学，采用了新型材料和先进结
36、构，还应用计算机辅助手段进行优化，故具有先进的性能。实践证明，充分利用先进设计理论和科学技术是创新设计中必须重视的问题。机械创新设计实例分析10.5 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
37、，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。机械创新设计实例分析二、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机械创新设计实例分析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
38、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 机械创新设计实例分析(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。机械创新设计实例分析(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
39、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，方便操作者使用机械创新设计实例分析(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。机械创新设计实例分析升降机构三维设计图升降机构三维设计图 机械创新设计实例分析三、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
40、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。机械创新设计实例分析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
41、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。机械创新设计实例分析 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
42、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。机械创新设计实例分析(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，如果直径在摩擦圆之内，使摩擦力很大，甚至达到无穷大，且轮椅的越障能力较弱。机械创新设计实例分析(3)驱动摇杆的设计 驱动摇杆采用不锈钢板材，中间开槽，方便销钉在槽内滑动，成滑块机构。主摇杆的运动幅度为45左右。为提高速度，辅摇杆应有大于主摇杆的运动幅度。槽还应保证主摇杆与连杆之间运动时夹角大
43、于90，且角度越大效率越高，辅摇杆与连杆之间角度小于90，且角度越小效率越高。套筒采用管材加工而成，与轴采用小间隙配合，凸轮销钉与摇杆采用过盈配合，摇杆上部采用不锈钢管，同时摇杆与套筒采用焊接结构。1辅摇杆，2固定支架，3连杆，4销钉，5主摇杆 机械创新设计实例分析(4)棘轮的设计 棘轮的轨迹线为偏心圆，方便加工。1棘轮 2销钉 3驱动轮 机械创新设计实例分析驱动机构的三维设计图 机械创新设计实例分析四、整体框架的设计 1.后竖杆的设计 后竖杆采用不锈钢管材，上滑道通过套筒可在后竖杆上滑动，轴5用于固定大轮及摇杆。2.前竖杆的设计 前支杆采用不锈钢管二级套接滑动结构，杆3可在4内上下滑动，2为
44、上滑道，铆接在杆3上，可随杆3上下运动。后竖杆1轴套 2上滑道 3下滑道 4螺母 5轴 前竖杆1下滑道 2上滑道 3一级前支杆 4二级前支杆 机械创新设计实例分析3.大轮轴系的设计 轴通过螺母1、轴套3固定在后支架杆上，限制其六个自由度；主摇杆6和辅摇杆5与轴采用小间隙配合，方便转动；支架板7通过螺母8压紧与轴固定。主、辅摇杆6、5之间也有一定的小间隙，方便转动；着地轮采用滚珠结构固定在轴上；同时左右轴独立设计，独立驱动，便于实现方向调节。机械创新设计实例分析4.座位板的设计 为方便折叠，座位板采用翻板式设计，翻板上再加海绵垫子，更具有人性化思想。5.折叠机构及稳定机构的设计 前后横杆采用可拆卸式设计，同时四根竖杆间通过稳定叉杆联接。可升降省力便携式轮椅 三维设计图2023-2-15机械创新设计实例分析
