机械创新设计(第二章)

原动机：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、（电能→机械能） 柴油机、汽油机、蒸汽机、燃气轮机、原子能发动机 （热能→ 机械能） 水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能 发动机（自然能→ 机械能） 原动机的选择：有电力供应处，优先考虑使用各类电动机 三相交流异步电机常作工、矿、企业等单位设备的原动机 单相交流异步电动机在家用电器上广泛应用； 直流电动机因其可以调速，易于实行自动控制，在机电一 体化设备中广泛应用；
f (l1 , l 2 , l3 , l 4 , )
L1 L2 L3 L4 0
无误差时机构的封闭矢量方程为
有误差时机构的封闭矢量方程为：
L1 L1 L2 L2 L3 L3 L4 L4 0
图2-26 共轭凸轮的摆动滚子从动件
图2-27 曲柄的结构
图2-28 连杆组件
图2-29 转动副的结构示意图
连杆、摇杆：视具体情况设计 （4）块状类构件的结构设计：块状类构件大都作移动，其结 构与运动副的结构有关。 3．机械零件组合成构件的方法 组合方法：螺纹联接、焊接、粘接、过盈配合 常见的例子：较大的蜗轮（铸铁轮毂与青铜轮缘组合） 内燃机连杆 滑动轴承座
第二章 机械创新设计的基础适应
第一节 机械的基础知识
一、机械及其组成
1．机械的概念 1）机械首先必须是执行机械运动的装置 2）机械必须进行物料或信息的变换与传递，并完成 有用的机械功 3）机械中要完成能量的转换 机械的分类：原动机，工作机和信息机 2．机械的组成 原动机，工作机（包括传动装置），控制装置，见 图 2—1、2—2、2—3
二、运动副的结构设计
运动副的结构创新设计对提高机械的性能与寿命有重大帮助 1．转动副的结构设计 滚动轴承：机械效率高 滑动轴承：结构简单，形成动压润滑时也有较高的效率 2．移动副的结构设计 高副式移动副：低副式移动副 重力封闭 ： 形封闭
图2-30：a.常见移动副 b.重力封闭 c.重力封闭与形封闭 组合 d.重力封闭点接触式 e.柱面移动副 f.带滑键的柱面 移动副 g. 形封闭点接触式移动副 h. 形封闭结构 i.滚 子与轮轨接触形成的移动副构图 j.滚子与滑槽形成的移动副 3．高副的结构设计 滚子导轨（滚动导轨）代替平面摩擦导轨：滚子直径、宽度、 ：密封，润滑 滚子的间距，定位措施等都需进行严格的结构设计。 滚珠丝杠代替普通丝杠也需进行结构设计；
第三节 机械运动简图及其结构设计
1．机构系统的运动简图设计：根据产品的功能目标和动作 要求，设计出机械系统的运动方案，并确定传动机构、执行机 构以及各种控制的参数和尺寸。 2．运动简图 机械的结构设计 机械的结构图（装配图） 一、构件的结构设计 1．构件的结构设计原则 1）选材料；2）选择毛坯；3）确定形状与尺寸；4） 强度、刚度、安全性、可靠性的校核；5）与其它构件的关系； 6）运动空间及运动干涉；6）经济性；8）维修、安装方便。 2．常用构件的结构设计 常用构件：齿轮、凸轮、杆状构件、块状构件、具有复杂形 状的构件
见图2-6、2-7
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，称之为机构的组合。 在机构的组合系统中，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。
故机构的分析和设计方法仍然适合机构组合系统中的各机构。 串联机构 并联机构 3．组合机构 组合机构与机构的组合有本质不同。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。组合 机构中的各基本机构已不能保持各自的独立性，也不能用原基 本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。
1．要考虑创新产品是否有社会效益或经济效益 离开社会效益的创造活动毫无意义，只会浪费宝贵的时间和精力。 某发明家花费大精力研究了椭圆仪，因无经济效益而搁浅；在知 识经济时代，不能转换为经济效益的发明将不被采用。 2．要考查国内外是否存在你要创新设计的产品或专利 进行文献检索与市场调研对创新设计是有帮助的。 3．正确理解创新的含义，提倡在所熟悉的领域内进行发明创造 在工程中经常出现，机械专业人员查阅大量资料设计出来 一种电子线路，自认为是一种发明，而电子工程人员却认为是 很普通的电路，同样，电子技术人员好不容易“创新”设计出 一个机械装置，机械工程人员却认为毫无创新，工程中，出现 自己认为是发明，别人不认为是发明，实际上也不是发明的现 象大都是跨行业的缘故。
（1）齿轮的结构设计 齿轮轴 整体式：圆盘状，腹板式，轮副式
图2-19
图2-19 外齿轮的结构示意图
分体式：齿圈+轮毂 内齿轮的退刀槽
图2-20
图2-20 内齿轮的结构示意图
（2）凸轮类构件的结构设计 ①按尺寸：凸轮轴，盘状凸轮
弹簧锁合 （图2-21） ②按锁合方式
几何锁合
沟槽式（图2-22a） 封闭形状结构 （图2-22b、c
（2）齿轮机构 圆柱齿轮传动机构 圆锥齿轮传动机构 蜗杆传动机构 行星齿轮传动机构 见图2-4
见图2-5
（3）凸轮机构 直动从动件平面凸轮机构 摆动从动件平面凸轮机构 直动从动件圆柱凸轮机构 摆动从动件圆柱凸轮机构 带传动 （4）挠性元件传动 链传动 图2-8 （5）液、气传动基本型 图2-9 （6）螺旋传动机构 图 2-10(a) （7）电磁传动机构的基本型 图2-10(b) （8）间歇运动机构的基本型：外棘轮机构、外槽轮机构 图2-11a
4．创新设计是一个科学的过程，以知识为支撑点 某发明家设计、制造了一种无级变速器，操作灵活简便，但 受载时发热过大，效率过低，难于应用工程实际。因此，创新 设计不是凭空想象，应以知识为支撑点。 5．创新活动是艰苦，长期的工作积累过程 6．环境、压力、事业心、兴趣是创新成功的重要因素 7．善于观察，注意积累 8．正确的思维方法是通向创新成功之路 首先通过发散思维构思出多种方案，比较鉴别后，形成新 的思路与方案，创新活动是一种复杂的思维活动，思维方式存 在很大差异，但总的思维方式还是有条理的。 形象思维与抽象思维 发散思维与收敛思维 逻辑思维与非逻辑思维 直达思维与旁通思维 逆向思维 类比思维
√ √
√ √
√ √
3．机械系统的发展 机械技术与电子技术控制技术的结合，机械系统由刚性机 械向柔性机械系统演化，使机电一体化的机械系统发展很快 刚性机械系统 图2-18a 改进的刚性机械系统 图2-18b 柔性机械系统 图2-18c 直接驱动式的机械系统 图2-18d
图2-18 机械系统的演变过程框图
表2-1 机械系统的基本组成形式
类 型 编 线性 非线性 号 原动机 原动性 原动机 传动机构 执行机构 机械系统 的输出运动
线性 机构
√ √
非线性 机构
线性 机构
√
非线性 机构
简单 运动
√
复杂 运动
1 2 3 4
5 6
√ √ √ √ √ √
√ √ √ √ √ √ √
√ √ √
√ √
√ √
7 8
√ √
则：
L1 L2 L3 L4 0 n Li 0
i 1
注意：①在保证机构位置精度的前提下精确求解
Li
困难
②现行方法：按经验确定各构件尺寸公差 计算误差最大值与最小值 若超差则重新调整各构件公差
第四节
创新设计过程中的创新思维方法
①创新设计不是简单的模仿或技术改造 ②创新设计应具有突破性、新颖性、创造性、实用性、社会效 益 ③创新活动是一个复杂的思维过程 一、创新活动中的注意事项 1．要考虑创新产品是否有社会效益或经济效益 2．是否存在你要创新设计的产品或专利
所有的运动副结构设计，为了↓相对运动中的摩擦，应考虑：
密封，润滑的方式。
三、机构系统的结构设计 连杆机构设计较难，杆件形状千变万化，也是创新成果最多 的领域 同一机构—可设计出性能、用途、外形完全不同的机械。
连杆机构的杆状变化尚没有找出一定的规律，目前主要凭 坚实的基础知识、丰富的实践经验。
如机构简图为图示的双曲柄机构，既可设计成泵；也可设 计成轴系结构。 连杆机构设计时要注意的问题 1）各构件的运动不能发生干涉 图2-32 2）在机械平衡的基础上，把安装配重与结构设计一并考虑。 3）机构系统的运动精度。
图2-24 圆柱滚子改为圆锥滚子结构示意图 滚子的结构型式 图2-25 滚动轴承、锥面、弧面、球面 共轭凸轮的摆动滚子从动件：可调滚子位置摆杆 图2-26b 可调摆杆臂式从动件 图2-26c （3）杆类构件的结构设计 曲柄：圆盘销轴状、曲轴状、杆件状 图2-27
图2-25 滚子结构
图2-26 共轭凸轮的摆动滚子从动件
将检测到的输出结果与输入指令的误差随时进行修正， 此种控制方式为闭环控制。 将输出结果返回输入端与输入指令比较的过程，称为反馈控制
伺服电动机
模拟伺服控制 数字伺服控制 软件伺服控制
第二节 机械系统及其发展
一、机械系统的基本组成形式 根据原动机、传动机构、执行机构的不同组合以及机械 系统运动输出特性的不同，机械系统的基本组成形式见表2-1所 示。
水轮发电机
二坐标机床的工作台
二、机械运动系统 指机械中的传动机构和工作执行机构，可以是机构的基 本型，也可以是机构组合，或组合机构。 1．机构的基本型：指最基本的、最常用的机构型式 主要有以下几种：
（1）四杆机构 ①全转动副四杆机构的基本型 ②含有一个移动副四杆机构的基本型 ③含有二个移动副四杆机构的基本型
尖底 ③按从动件型式 滚子 平底 滚子的结构型式 图2-25 滚动轴承、锥面、弧面、球面 共轭凸轮的摆动滚子从动件：可调滚子位置摆杆 图2-26b
可调摆杆臂式从动件 图2-26c （3）杆类构件的结构设计 曲柄：圆盘销轴状、曲轴状、杆件状
图2-27
图2-22 形封闭凸轮结构示意图
图2-23 双滚子结构示意图