第七章 机构创新设计.docx

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第七章机构创新设计

第七章机构创新设计

第一节　同轨迹连杆机构

第二节　新型内燃机的开发

第三节　联轴器的创新设计

第四节　抓斗的原理方案创新设计

第五节　过载保护装置的机械结构设计

实例

　第一节　同轨迹连杆机构

　同轨迹四连杆机构是指自由度f相同、输入构件的运动规律相同、输出构件上的一点轨迹相同的一组连杆机构，但这组连杆机构的运动学尺寸不同，所以其受力状态、动态性能有巨大差异。

因而，同轨迹连杆机构的形成方法是机构创新设计的重要方法之一。

　形成同轨迹连杆机构的罗伯特－契贝谢夫定理是由美国数学家萨姆尔·罗伯特于1875年和俄国学者契贝谢夫于1878年分别发现的，因此称为“罗伯特－契贝谢夫定理”。

该定理的内容是：

由一个四杆铰链机构发生的一条连杆曲线，还可以由另外两个四杆铰链机构发生出来。

或表述为同一连杆曲线，可以用三个不同的机构来实现。

1.连杆点k位于连杆两铰链连线上的同迹连杆机构

图形缩放原理如下图7－1a所示为一平行四边形机构，由平行四边形obkd与机架在o点铰接而成。

a点为bk杆延长线上的一点。

连接ao得交点c。

当a点沿任意给定轨迹运动时，c点将给出与a点相似但缩小了的轨迹。

⑴ao除以co与ab除以kb的值是相等的为常数m（射线定理）。

⑵当此四边形作为一刚体绕o转动一角度时，a点转到a'，按射线定理有aa'与cc'的比值与ao与co的比例等于常数m。

a点的一切运动都是这两部分运动的合成。

因此c点的运动是以缩小的比例模拟a点的运动，反之亦然。

图7－1连杆点k在连杆线上的同还连杆机构

　第一个同迹连杆机构设计如图7－1b所示，在原始机构上作平行四边形导引机构bodk。

曲柄c0cdo为所示的第一个同迹连杆机构，k为连杆cd延长线上的点。

所示曲柄拉摇杆机构的尺寸，如图中下面的公式。

　第二个同迹连杆机构设计如图7－1c所示，在原始机构上作平行四边形导引机构a0ake。

双摇杆机构a0efco为所求的第二个同迹连杆机构。

第三个同迹连杆机构设计如图7－1d所示，co是两具同迹连杆机构中共同的新机架的固定铰链点，机架的三个固定铰链点a0与o，a0与co，o与co。

2.任意连杆点k的同迹连杆机构

在图7－2a中，四杆机构a0a1b1b0为a1b1上有附加连杆点k的原始机构。

由罗伯特－契贝谢夫定理决定的另两个四杆机构为a0a2c2c0和b0b3c3c0。

在这3个同迹连杆机构中有四个相似三角形；有三个不同的平行四边形。

获得两个同迹连杆机构尺寸的a·凯莱作图法：

想象7－2a中机架铰链a0、b0、c0没有结牢，随后拉动a0、b0、c0互相脱开，直到各个连杆机构的曲柄、连杆和从动件形成一条直线，便得到图7－2b，后者的机架距离不等于前者，但两图中所有活动构件的长度是正确的，所有的角度也是正确的。

对于任一给定的带连杆点的铰链四杆机构，都可以作出如图7－2b这样一个图形而获得它的另外两个同迹连杆机构的尺寸。

图7－2的左上图就不能用a·凯莱作图法，因为三个连杆机构压缩成一条直线。

把o1abo2作为一个原始机构，为了找到连杆ab延长线上k点的同轨迹机构，在机架o1o2的延长线上作o3，使o1o2：

o2o3＝ab：

bk，然后，依次作三个平行四边形。

于是得到了同迹四杆机构o2o3b2c2，c2b2延长线上点k与原始机构中的k点轨迹相同。

图7－2的左上的a、b两图是描绘同一连杆曲线的四杆机构和六杆机构。

还可求出另两个同迹六杆机构，如图7－3的下面两图。

图7－2任意连秆点x的同还连杆机构

如图7-3所示，如果轨迹点k是在直线段ab或它的延长线上，a·凯莱作图法就不能用了，因为三个连杆机构压缩成一条直线。

把o1abo2作为一个原始机构，为了找到连杆ab延长线上k点的同轨迹机构，在机架olo2的延长线上作o3，使olo2：

o2o3＝ab：

，然后，依次作平行四边形o1a1ka，o2b2kb和o3c1kc2。

于是得到了同迹四杆机构o2o3b2c2，c2b2延长线上的k点与原始机构o1abo2中的k点轨迹相同。

根据罗伯特一契贝谢夫定理求出的这三个同迹铰饺四杆机构16可以导出三个六杆机构，它们也发生同样的连杆曲线。

图7-3连杆点p在连杆延长线上

在图7-4a中，构件a0a2总是与连杆三角形的边a1k保持平行，而构件b0b3总是与连杆三角形的边blk保持平行。

由于边alk与blk的夹角y是不变的，则构件a0a2和b0b3在各个机构位置也构成等角y，因此，这两个构件可以用一个匀速传动机构连接起来。

例如,如图7-4b所示，用一个平行四边形机构a0db3b0。

将它们连结起来，这样就形成了六杆机构a0da2kb3b0,其中的k点描绘出与四杆机构人a0a1b1b0中的k点同样的连杆曲线。

图7-4描绘同一连杆曲线的四秆机构和六杆机构

同理，可以求出另两个同迹六杆机构。

如图7-5所示．按照罗伯特一契贝谢夫定理。

图示六个导引杆中每两个杆：

a0a2和b0b3、a0a1和c0c3、b0b1和c2c0总是具有相等的角速度。

可以用平行四边形将它们连结起来。

先分析bob1和c2c0，如图7-4a所示；b0b1//b3k，c2c0//c3k，由于b3k与c3k的夹角不变，则b0bl与c2c0的夹角也保持不变。

用平行四边形c0c2db0将它们连接起来，这样就形成了六杆机构b0dc2kb1c0。

再分析a0a1和c0c3，如图7-4b所示：

图7-4b描绘相同连汗曲线的两个六杆机构a0a1//a2k，c0c3//c2k，由于a2k与c2k的夹角a不变，则a0a1与c0c3的夹角也为a保持不变。

用平行四边形a0d'c3c0将它们连接起来，这样就形成了六杆机构a0d'c3ka1c0。

平面导引机构：

是一种在参考平面上引导一个物体颠序通过给定位置的装置。

当采用连杆机构作导引机构时，连杆一般用作导引杆，常要求连杆相对机架作导引。

图7－5描绘相同连杆曲线的两个六杆机构

下面应用罗伯持——契贝谢夫定理，在求解图7-5a所示描绘相同连杆曲线的六杆机构的基础上．分析六杆导引机构。

如图7-6所示，因为b0bl和c0c2的交角b1b0d＝角b3kc3，因此平行于c0c2的等长的导向杆b0d与b0bl固联，于是产生了与连秆三角形a1b1k相似的三副件b0bld。

如果将长度等于kc2的一个构件ed连接于导引杆b0d上，并将一个长度为＝c0c2的构件ek接于k、e两点，就形成了平行四边形c2ked，则构件ek相对于构件b0d的运动与kc2相对于构件c0c2运动相同，于是，铰链点e描绘的曲线ke与连杆点k的连杆曲线kk相同，因此，所得到的图7-6b所示的机构将引导互k杆作精确平行于自身的运动。

由于这个被平行导引的构件de可以用三个四杆机构的六个导引杆中任一个相连，所以总共有六个机构能够将一个导引杆沿着同一条连杆曲线作平行导引。

平面导引六重实现为综合平面导引机构创造厂条件。

图7-6六杆平面导引机构

3.应用实例：

图7-7所示六杆车轮悬待装置为六杆平面直线导引机构。

它是在原始机构一曲柄摇杆机构a0abb0上增加导引杆a0a'和a'e'形成的。

曲柄摇秆机构a0abb0上的连杆点e作垂直于地面的近似直线运动，为四铰链直线轨迹机构。

应用罗伯持一契贝谢夫定理，进行平面直线导引机构综合，找到e’点．使其运动轨迹与e点的运动轨迹相同，亦作垂宣于地面的近似直线运动。

因此，连杆ee’作垂直于地面的平行运动。

这样，可保证车辆在行驶中，车轮平面石致因路面高低而造成的歪斜。

图7-7六秆车轮悬持装置

第二节　新型内燃机的开发　

1.往复式内燃机的技术矛盾

⑴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。

⑵机构运动惯性力大，因此增大轴承惯性载荷，使系统不平衡产生振动，也限制了输出轴转速的提高。

⑶曲轴回转两周才又一次动力输出，效率低。

图7－8往复式内燃机　　　　　　　　　　　　　图7－9单缸无曲轴式活塞发动机

2.无曲轴式活塞发动机

结构创新：

利用机构等效代换原理。

以反凸轮机构代还原发动机的曲柄滑块机构。

使零件减少，结构简单，成本降低。

运动原理：

活塞往复运动，由推杆端部的滑块在凸轮槽中滑动致使凸轮转动，再经输出轴输出转矩。

性能特点：

系统中不需要飞轮，转动平稳；通过改变凸轮轮廓形状可以改变输出轴转速，达到减速增矩的目的。

应用：

重型机械、船舶、建筑机械等

3.旋转式内燃发动机（直接将燃料的动力转化为回转运动输出）

组成情况：

椭圆形汽缸，三角形转子（转子的内孔上有齿），外齿轮，吸气口，排气口，火花塞。

工作原理：

吸气、压缩、燃爆、排气。

随着这四个物理功能致使三角形转子与椭圆汽缸之间的空腔体积发生变化，则转子进行转动。

性能特点：

结构简单，零件数量比往复发动机少40%，体积减少50%，重量下降1/2到2/3；但存在汽缸上产生振纹的问题。

其原因是与密封片的材料与形状有关。

运动设计：

三角转子相当于行星内齿轮2，系杆h是发动机的输出轴，1为中心轮，并且：

z2/z1=1.5,则：

nh/n2=3。

见图7－10。

图7－10旋转式发动机运行过

第三节　联轴器的创新设计

　联轴器是机械中用来联接两轴使之一同回转并传递扭矩的一种装置。

随机械科学的发展，种类机械、机床的转速、载荷、工作环境变化多端，现有联轴器已不能满足要求，因此从客观上要求设计人员不断研制新型的联轴器或改进的联轴器以适应不同工况。

1.联轴器的分类

根据联轴器是否补偿两轴位移的偏移，是否具有弹性元件，可作图7－11所示的分类。

下面通过对机床行业对联轴器的需求情况和发展趋势的分析，仅对可移式联轴器进行开发创新设计。

图7－11联轴器分类

图7－12联轴器系统结构

图7－13联轴器功能树

　从系统结构及对现有可移式联轴器进行抽象分析，可知联轴器总功能为联接两轴并传递扭矩t及转速n；分功能为联接功能、传递功能、补偿调节功能、润滑密封功能、吸震缓冲功能、维修再生功能等。

2.创新构思

⑴工作原理的创新构思　

　利用机械设计方法学基本原理将联轴器的主要分功能作为可变元素，运用各种创造技法对可变元素进行变化，列出形态矩阵表，从表中组合，获得新方案。

确定元素为：

a－联接功能；b－传递功能；c－补偿调节功能，运用智力激励法、相似类比法等创造技法，对可变元素进行变化，分析如下

　　①实现联接的作用效应有形联接、力联接、化学分子联接等。

联接性质：

刚性、弹性。

　　②实现传递功能。

作用效应有：

摩擦效应、啮合效应、磁效应、粘附效应等。

措施有：

齿轮传动、带传动、摩擦轮传动、链传动、液压传动、蜗杆传动等。

　　③实现补偿调节功能。

作用效应：

构件相对运动、构件变形等。

措施：

增加元件的活动度，加入中间元件、增加弹性元件等。

⑵结构创新构思

　将结构中完成主要功能的主要零件的主要表面（功能面）进行变型，功能面变形的主要参数是形状、大小、位置、顺序、材料。

联轴器的主要功能面是左、右联轴器和中间元件的配合面。

　　变化可变元素，将工作原理和结构中的可变元素的变化列成形态矩阵表，见图7－12及图7－13上图。

表7－1形态矩阵

　　　表7-2块状f3

表7-3圈状f4

⑶新型联轴器构思

理论上从图7－13中组合构思，可获得多种联轴器方案。

其中有多种是可行的方案，包括现有的联轴器方案和具有创新原理结构的联轴器方案，举例说明如图7－14下图所示的一款新结构的联轴器，还有图7－14所示的上、下两款不同的新款结构的联轴器。

图7－14新款结构的联轴器（i）

图7－15新款结构的联轴器（ii）

图7－16新款结构的联轴器（iii）

　第四节　抓斗的原理方案创新设计

抓斗是重型机械的一种取物装置，主要用来就地装卸大量散粒物料．用于河口、港口、车站、矿山、林场等处。

目前使用的一些抓斗，还不能完全满足装卸要求，长撑杆双额板抓斗虽应用广泛，但由于其具有闭合结束时闭合力呈减小趋势的致命弱点，影响抓取效果。

其他类型的抓斗虽有使用，但不很普通，也存在各自的缺点，故市场上希望有一种装卸效率高、作业快、功能全、适用广的散货抓斗。

本文从设计方法学和创造学的角度出发，通过对抓斗的功能分析，确定可变元素，列出形态矩阵表，组合出多种抓斗原理方案，再评价择优，从而得到符合设计要求曲原理方案，为设计人员提供抓斗原理方案设计的新思路。

在分析调查的基础上，运用缺点列举法、实现希望法等创造技法，制定抓斗开发设计任务见表7-4。

表7-4抓斗开发任务设计书

在分析调查的基础上，运用缺点列举法、实现希望法等创造技法，制定抓斗开发设计任务见表7—4。

运用反求工程设计方法，对起重机一般取物装置作反求分析，得起重功能树如图7—17所示。

图7-17起重机功能树

由现有抓斗可知，抓斗的主要特点是额板运动，结合设计任务书．得抓斗的功能树如图7—18所示。

图7-18抓斗功能树

抓斗的功能结构图如图7—19所示。

所谓功能结构图是一种图形，它包括了对系统的翰人及输出的适当描述．为实现其总功能所具有的分功能和功能元以及它们之间的顺序关系。

图7-19抓斗功能结构图

确定了功能结构图，也就明确了为实现其总功能所具有的分功能和功能元以及它们之间的相互关系，利于寻找实现分功能相功能元的作用效应。

按设11方法学理论，如果一种作用效应能实现二个或一个以上的分功能或功能元，则机构将大大简化，运用反求工程设计方法，确定抓斗可变元素为：

a——能实现支承、容料和启闭运动的原理机构

b——能完成启闭动作、加压、自锁的动力装置（即动力源形式）

运用各种创造技法，对可变元素进行变换（即寻找作用效应），建立形态矩阵表（见表7—5）。

表7-5抓斗原理方案形态矩阵表

理论上，表7—2中任意两个元素的组合就形成了某一种抓斗的工作原理方案。

尽管可变元素只有a、b两个，但理论上可以组合出5x5＝25种原理方案，其中包括明显不能组合在一起的方案。

经分析得出明显不能组合在一起的方案有：

a2b22、a4b1、a4b22、a4b3、a4b4、a5b1、a5b21、a5b3、a5b4，把这些方案排除，剩16种方案，而常见的一些抓斗工作原理方案基本包含在这16种内，如a1b1组合，就是耙集式抓斗的工作原理方案。

除此之外，这16种方案中包含了一些创新型的抓斗。

方案评价过程是一个方案优化的过程，希望所设计的方案能最好地体现设计任务书要求，并将缺点消除在萌芽状态，为此，从矩阵表中抽象出抓斗的评价准则为：

a——抓取力大，适应难抓物料b——可在空中任一位置启闭c—一装卸效率高d——技术先进e——结构易实现f——经济性好，安全可靠

根据这六项评价难则，对抓斗可行原理方案进行初步评价，见表7—6。

表7-6抓斗可行原理方案初步评价表

注：

表中“√”表示能实现或能满足准则要求；“×”表示不满足或不能实现准则要求；“？

”表示信息量不足，待查。

从表7—6中可知，能满足六项准则的有6种方案，即alb3、a1b4、a2b3、a3b3、a3b4。

为进一步缩小搜索区域，在确定最佳原理方案之前时进行全面的技术经济评价和决策。

研究这6种初步评价获得的可行方案，发现：

为了实现装卸效率较高源形式选择液压或气压。

为进一步筛选、取优，这里不妨对液压和气压作（见表7—7）。

表7-7动力源采用液压和气压的抓斗性能比较表

由表7—7可知，液压传动相比气压传动具有明显的优点，液压传动的抓斗功率密度大，结构紧凑，重量轻，调速度性能好，运转平稳、可靠，能自行润滑，易实现复杂控制。

气肤传动明显的优点是：

结构简单，维护使用方便，成本低，工作寿命长，工作介质（压缩空气）的传输简单，只易获得。

对于抓斗设计，要求抓取能力强，重量轻，结构紧凑，经济性好，维护方便。

通过分析比较，权衡主次，选择液压传动作为控制动力源较优。

经过筛选，剩＝种方案，即aib3、a2b3、a3b5。

将这二种方案大概构思，画出其简图分别如图7—20、图7—21、图7—22所示；

图7-20a1b3方案简图图7-21a2b3方案简图图7-22a3b3方案简图

a1b9组合为液压双领板或多领板抓斗，需二个或二个以上液压缸。

a2b5组合为液压长撑杆双领板或多领板抓斗，只需一个液压缸。

a3b5组合为液压剪式抓斗，二个液压缸。

通过以上的分析，经过评价、筛选确定了这三种抓斗原理方案。

可以对照设计任务书作进一步定性分析（见表7—8）。

表7—8a1b3、a2b3、a3b3性能比较表

从表7—8中得出：

a1b3能较好地满足设计要求，其不足是结构稍复杂；a2b3无法防止散漏这至关重要的性能要求；a3b3液压缸行程大，这在技术上很难实现．故最后确定alb3为最佳原理设计方案。

以上是利用设计方法学和创造学原理对抓斗开发设计中的原理方案创新设计进行了研究，在设计过程中还应注意以下几点：

1）评价过程中应充分利用集体智慧，提高评价准确性，在定性分析方法无法得出结论时，可用加权的方法进行定量分析”。

2）一次次地比较、筛选．实际上是逐步寻找薄弱环节，是一个优化的过程。

3）在最佳原理方案确定之后的设计中，也应当充分运用设计方法学和创造学的展本原理进行创新设计。

比如，在抓斗的结构设计中，要充分发挥设计人员的创造性，确定结构设计中的可变元素，对可变元素进行变化、创新得出最佳设计。

第五节　过载保护装置的机械结构设计

1.偏心轮连杆机构

图7－21所示的偏心轮连杆机构。

主动轮1通过偏心轮2驱动连杆头3。

连杆4将运动传递给摇臂5，从而驱动从动轴6。

要求设计一个功能可靠、制造方便的过载保护装置，它可使得当从动轴过载时，连杆机构的运动和力的传递中断，但主动轴仍可继续运转。

此外，要求过载中断以后，该装置容易恢复到先前状态。

过载精度为±3%，主动轴转速50r/min，转矩400n·m，生产批量2台。

图7－23偏心轮连杆机构

1—主动轮2—偏心轮3—连杆头4—连杆5—摇臂6—从动轴

2.过载保护装置的设计

　　在以上偏心轮中设计过载保护装置的设计方案有许多。

从功能结构层次上看，可将过载保护装置安置在不同的构件上，比如可以安置在主动轴上、连杆铰链、从动轴上。

这里只讨论过载保护装置安置于主动轴的情况。

从物理原理层次上看，有机械式、电动式、液压式、气压式和电磁式等多种方式，这里只讨论简单的机械式。

尽管如此限制设计方案空间，但通过功能分析，仍可得到8种基本结构方案（见图7－24）。

　　　　　图7－248种基本过载保护装置结构方案

以可靠的功能，方便装配、调节，较少的磨损和较低的噪声等为评判标准，从上述8个可能性方案中优选出图7－24d、f、h所示3种较好的结构方案。

以此3种方案作为基本结构，运用变元法，对每个基本结构再作变化，又可得到8种结构设计新方案（如图7－25）。

上述过载保护装置的16种结构方案从物理原理的角度看，不外乎是变形和摩擦两种，绝大部分的差异仅仅是结构细节上的差异。

图7－25c（上）在16个方案中是最佳结构设计，但通过变元法，仍可继续改进，如图7－25下a-e五个结构。

图7－25变元所得的8种过载保护装置结构方案

图7－26变元所得的8种过载保护装置结构方案