机械系统创新设计实例分析

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第10章,机械系统创,新,新设计实例,分,分析,10.1,新,新型内燃,机,机的开发实,例,例,10.2,圆,圆柱凸轮,数,数控铣削装,置,置的创新设,计,计实例,10.3,全,全自动送,筷,筷机创新设,计,计实例,10.4,小,小型钢轨,砂,砂带成形打,磨,磨机设计实,例,例,10.1,新,新型内燃,机,机的开发实,例,例,本实例就新,型,型内燃机开,发,发中的一些,创,创新技法(,运,运用类比、,组,组合、替代,等,等创新技法)进行简单,分,分析。,1.往复,式,式内燃机的,技,技术矛盾,目前，应用,最,最广泛的往,复,复式内燃机,由,由气缸、活,塞,塞、连杆、,曲,曲轴等主要,机,机件和其他,辅,辅助设备组,成,成。,活塞式发动,机,机工作时具,有,有吸气、压,缩,缩、做功(,燃,燃爆)、排,气,气4个冲程,，,，做功冲程,输,输出转矩，,对,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,活塞发动机,存,存在以下明,显,显的缺点。,(1),工作机构及,气,气阀控制机,构,构组成复杂,，,，零件多；,曲,曲轴等零件,结,结构复杂，,工,工艺性差。,(2),活塞往复运,动,动造成曲柄,连,连杆机构较,大,大的往复惯,性,性力，此惯,性,性力随转速,的,的平方增长,，,，使轴承上,的,的惯性载荷,增,增大，系统,由,由于惯性力,不,不平衡而产,生,生强烈振动,。,。往复运动,限,限制了输出,轴,轴转速的提,高,高。,(3),曲轴回转两,圈,圈才有一次,动,动力输出，,效,效率低。,上述问题引,起,起了人们改,变,变现状的愿,望,望，社会的,需,需求促进产,品,品的改造和,创,创新，多年,来,来，在原有,发,发动机的基,础,础上不断开,发,发了一些新,型,型发动机。,2.无曲,轴,轴式活塞发,动,动机,无曲轴式活,塞,塞发动机采,用,用机构替代,的,的方法，以,凸,凸轮机构代,替,替发动机中,原,原有的曲柄,滑,滑块机构，,取,取消原有的,关,关键件曲轴,，,，使零件数,量,量减少，结,构,构简单，成,本,本降低。,单缸无曲轴,式,式活塞发动,机,机,10.1,新,新型内燃,机,机的开发实,例,例,一般圆柱凸,轮,轮机构是将,凸,凸轮的回转,运,运动变为从,动,动杆的往复,运,运动，而此,处,处利用反动,作,作，即当活,塞,塞往复运动,时,时，通过连,杆,杆端部的滑,块,块在凸轮槽,中,中滑动而推,动,动凸轮转动,，,，经输出轴,输,输出转矩。,活,活塞往复两,次,次，凸轮旋,转,转,360,。系统中,没,没有飞轮，,控,控制回转运,动,动平稳。,这种无曲轴,式,式活塞发动,机,机若将圆柱,凸,凸轮安装在,发,发动机的中,心,心部位，可,在,在其周围设,置,置多个气缸,，,，制成多缸,发,发动机。通,过,过改变圆柱,凸,凸轮的凸轮,轮,轮廓形状可,以,以改变输出,轴,轴的转速，,达,达到减速增,矩,矩的目的。,这,这种凸轮式,无,无曲轴发动,机,机已用于船,舶,舶、重型机,械,械、建筑机,械,械等行业。,10.1,新,新型内燃,机,机的开发实,例,例,3.旋转,式,式内燃发动,机,机,在改进往复,式,式发动机的,过,过程中，人,们,们发现如果,能,能直接将燃,料,料的动力转,化,化为回转运,动,动必将是更,合,合理的途径,。,。类比往复,式,式蒸汽机到,蒸,蒸汽轮机的,发,发展，许多,人,人都在探索,旋,旋转式内燃,发,发动机的建,造,造。,1),旋转式发动,机,机的工作原,理,理,汪克尔所设,计,计的旋转式,发,发动机简图,如,如图所示，,它,它由椭圆形,的,的缸体1、,三,三角形转子2(转子的,孔,孔上有内齿,轮,轮)、外齿,轮,轮3、吸气,口,口4、排气,口,口5和火花,塞,塞6等组成,。,。,旋转式发动,机,机简图,10.1,新,新型内燃,机,机的开发实,例,例,旋转式发动,机,机在运转时,同,同样也有吸,气,气、压缩、,燃,燃爆,(,做功,),和排气,4,个动作。,吸气：,AB,弧所对的内,腔,腔容积由小,变,变大，产生,负,负压效应，,由,由吸气口将,燃,燃料与空气,的,的混合气体,吸,吸入腔内,。,压缩：内腔,由,由大变小，,混,混合气体被,压,压缩。,燃爆：高压,状,状态下，火,花,花塞点火使,混,混合气体燃,爆,爆并迅速膨,胀,胀，产生强,大,大的压力驱,动,动转子，并,带,带动曲轴输,出,出运动和转,矩,矩，对外做,功,功。,排气：内腔,容,容积由大变,小,小，挤压废,气,气由排气口,排,排出。,10.1,新,新型内燃,机,机的开发实,例,例,2)旋转,式,式发动机的,设,设计特点,(1)功,能,能设计。内,燃,燃机的功能,是,是将燃气的,能,能量转化为,回,回转的输出,动,动力，通过,内,内部容积变,化,化，完成燃,气,气的吸气、,压,压缩、燃爆,和,和排气4个,动,动作以达到,目,目的。旋转,式,式发动机抓,住,住容积变化,这,这个主要特,征,征，以三角,形,形转子在椭,圆,圆形气缸中,偏,偏心回转的,方,方法达到功,能,能要求。而,且,且三角形转,子,子的每一个,表,表面与缸体,的,的作用相当,于,于往复式发,动,动机的一个,活,活塞和气缸,，,，依次平稳,地,地连续工作,。,。转子各表,面,面还兼有开,闭,闭进排气阀,门,门的功能，,设,设计可谓巧,妙,妙。,(2),运,运动,设,设计,。,。偏,心,心的,三,三角,形,形转,子,子如,何,何将,运,运动,和,和动,力,力输,出,出？,在,在旋,转,转式,发,发动,机,机中,采,采用,了,了内,啮,啮合,行,行星,齿,齿轮,机,机构,，,，如,图,图所,示,示,。,行星,齿,齿轮,机,机构,10.1,新,新型,内,内燃,机,机的,开,开发,实,实例,三角,形,形转,子,子相,当,当于,行,行星,内,内齿,轮,轮,2,，它,一,一面,绕,绕自,身,身轴,线,线自,转,转，,一,一面,绕,绕中,心,心外,齿,齿轮,1,在缸,体,体,3,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,新型,内,内燃,机,机的,开,开发,实,实例,3),旋,旋,转,转式,发,发动,机,机的,实,实用,比,比,旋转,式,式发,动,动机,与,与传,统,统的,往,往复,式,式发,动,动机,相,相比,，,，在,输,输出,功,功率,相,相同,时,时，,具,具有,体,体积,小,小、,重,重量,轻,轻、,噪,噪声,低,低、,旋,旋转,速,速度,范,范围,大,大以,及,及结,构,构简,单,单等,优,优点,，,，但,在,在实,用,用化,生,生产,的,的过,程,程中,还,还有,许,许多,问,问题,需,需要,解,解决,。,。,随着,生,生产,科,科学,技,技术,的,的发,展,展，,必,必然,会,会出,现,现更,多,多新,型,型的,内,内燃,机,机和,动,动力,机,机械,。,。人,们,们总,是,是在,发,发现,矛,矛盾,和,和解,决,决矛,盾,盾的,过,过程,中,中不,断,断取,得,得进,步,步。,而,10.1,新,新型,内,内燃,机,机的,开,开发,实,实例,10.2,圆,圆柱,凸,凸轮,数,数控,铣,铣削,装,装置,的,的创,新,新设,计,计实,例,例,本实,例,例就,圆,圆柱,凸,凸轮,加,加工,原,原理,开,开发,中,中运,用,用综,合,合创,新,新技,法,法、,反,反求,创,创新,法,法，,通,通过,创,创造,性,性的,综,综合,和,和巧,妙,妙的,构,构思,，,，使,综,综合,体,体发,生,生质,的,的飞,跃,跃，,做,做了,简,简单,的,的说,明,明，,从,从而,体,体现,出,出综,合,合创,新,新是,一,一种,更,更具,实,实用,性,性的,创,创新,思,思路,。,。,1.,设计,目,目的,圆柱,凸,凸轮,作,作为,一,一种,机,机械,传,传动,控,控制,部,部件,，,，具,有,有结,构,构紧,凑,凑、,工,工作,可,可靠,等,等突,出,出优,点,点，,但,但其,加,加工,制,制作,比,比较,困,困难,。,。东,北,北大,学,学东,软,软集,团,团生,产,产的,医,医用,全,全身,CT,扫描,机,机，,有,有一,对,对复,杂,杂的,圆,圆柱,凸,凸轮,，,，过,去,去一,直,直采,用,用手,工,工加,工,工，,不,不仅,制,制造,精,精度,低,低，,而,而且,劳,劳动,强,强度,大,大，,生,生产,效,效率,低,低，,成,成本,高,高。,为,为此,，,，负,责,责机,械,械加,工,工的,东,东北,大,大学,机,机械,厂,厂提,出,出要,研,研制,一,一种,精,精度,较,较高,、,、操,作,作方,便,便、,成,成本,较,较低,的,的圆,柱,柱凸,轮,轮加,工,工装,置,置，,故,故于,2002,年年,末,末，,其,其成,立,立了,跨,跨年,级,级的,研,研究,小,小组,，,，开,始,始对,这,这一,问,问题,进,进行,研,研究,。,。经,过,过一,年,年多,的,的时,间,间，,完,完成,了,了圆,柱,柱凸,轮,轮数,控,控铣,削,削装,置,置的,综,综合,创,创新,设,设计,，,，由,东,东北,大,大学,机,机械,厂,厂完,成,成制,造,造，,并,并成,功,功地,投,投入,使,使用,，,，满,足,足了,圆,圆柱,凸,凸轮,加,加工,的,的精,度,度和,生,生产,率,率的,要,要求,。,圆柱,凸,凸轮,数,数控,铣,铣削,装,装置,包,包括,工,工作,台,台直,线,线运,动,动坐,标,标轴,和,和工,件,件回,转,转运,动,动坐,标,标轴,，,，在,加,加工,圆,圆柱,凸,凸轮,时,时，,本,本装,置,置根,据,据数,控,控加,工,工程,序,序控,制,圆柱,凸,凸轮,数,数控,铣,铣削,本装,置,置由,简,简易,CNC,装置,控,控制,驱,驱动,器,器，,驱,驱动,两,两个,高,高精,度,度步,进,进电,动,动机,，,，两,个,个电,动,动机,分,分别,控,控制,分,分度,头,头的,转,转动,和,和滚,珠,珠丝,杠,杠的,直,直线,运,运动,，,，由,分,分度,头,头带,动,动工,件,件做,回,回转,进,进给,运,运动,，,，滚,珠,珠丝,杠,杠则,带,带动,工,工作,台,台做,直,直线,方,方向,的,的进,给,给运,动,动，,由,由普,通,通立,式,式铣,床,床进,行,行切,深,深调,整,整，,从,从此,实,实现,了,了一,条,条凸,轮,轮槽,的,的连,续,续加,工,工。,2.,工,工,作,作原,理,理,10.2,圆,圆柱,凸,凸轮,数,数控,铣,铣削,装,装置,的,的创,新,新设,计,计实,例,例,3.,设,设,计,计方,案,案,在方,案,案设,计,计阶,段,段，,通,通过,对,对圆,柱,柱凸,轮,轮的,各,各种,加,加工,方,方案,进,进行,深,深入,的,的分,析,析研,究,究得,出,出：,对,对于,复,复杂,的,的、,多,多导,程,程圆,柱,柱凸,轮,轮，,理,理想,的,的加,工,工方,法,法是,采,采用,带,带回,转,转台,的,的四,轴,轴立,式,式加,工,工中,心,心或,带,带自,驱,驱动,式,式铣,刀,刀的,车,车削,中,中心,加,加工,，,，但,这,这两,种,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