机械系统创新设计89机械系统创新实例
机械创新设计案例
机械创新设计案例概述机械创新设计是指基于机械原理和工程知识的创新设计过程。
机械创新设计案例是指以机械创新设计为基础，通过解决实际问题和满足需求的方式，创造出新的机械产品或改进现有机械产品的设计案例。
在这篇文章中，我们将介绍一些机械创新设计的案例，并探讨其在工程领域中的应用和意义。
案例一：自动化垃圾分类系统在现代社会中，垃圾分类成为了一个重要的环保问题。
传统的垃圾分类方式需要人工操作，效率低下且容易出错。
为了解决这个问题，某公司设计了一套自动化垃圾分类系统。
该系统通过使用机器视觉技术和机械臂控制系统，能够精准地识别和分拣垃圾。
用户只需将垃圾投放到系统中，系统便能够自动地将不同种类的垃圾分拣到不同的垃圾桶中。
这种自动化垃圾分类系统不仅大大提高了垃圾分类的效率，还减少了人力成本和环境污染。
案例二：智能电动自行车随着城市化进程的不断加快，电动自行车成为了一种常见的交通工具。
然而，传统的电动自行车存在电量不稳定、续航里程不够长等问题。
为了解决这些问题，一家公司开发了一款智能电动自行车。
这款智能电动自行车配备了一套先进的电池管理系统和能量回收系统。
电池管理系统能够根据用户的习惯和行驶条件，智能地控制电池的放电和充电，提高电池的使用寿命和续航里程。
能量回收系统能够将制动过程中产生的能量转化为电能，回馈给电池进行充电，进一步延长续航里程。
这款智能电动自行车不仅解决了传统电动自行车的短板，还提升了用户的乘坐体验。
案例三：无人驾驶汽车无人驾驶汽车是近年来快速发展的机械创新设计领域。
它基于人工智能、传感器和控制系统等技术，能够在无需人类干预的情况下自主行驶。
这种创新设计不仅在交通运输领域中具有重要意义，还对未来的城市规划和交通系统的发展产生了深远的影响。
无人驾驶汽车通过使用激光雷达、摄像头和超声波传感器等技术，能够实时感知周围环境的情况，并做出相应的决策。
它能够通过精确的导航算法和先进的控制系统，安全地驾驶在不同的路况下。
机械系统创新设计-89机械系统创新实例
2.任意连杆点 K的同迹连杆机构
在图7－3a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 －3a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7－3b，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7－3b这样一个图形而获得它的另 外两个同迹连杆机构的尺寸。
（4）机器人的眼睛 研究机器人的眼睛有两种方法：
用摄像机输入图像，然后用计算机软件进行图像
2.原始机构选择
⑴行星传动的选择－外激波摆动活齿传动。
①组成结构及传动原理 如图7－1所示为外激波摆动活齿传动的结构模型和 传动原理图。外激波摆动活齿传动是由三部分组成：外 激波器H由内轮廓偏心套和转臂滚针轴承组成；活齿轮G 是由活齿架和一组摆动活齿组成，相当于内齿行星轮， 活齿架为具有等分驻齿槽的筒状构件，与机架固联或与 输出轴固联；中心轮K为外齿轮，齿形为摆动活齿几何中 心运动轨迹的内等距线，与输出轴固联或与机架固联。
第二节
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。
机械系统创新设计
机械系统创新设计引言机械系统创新设计是一门涉及机械工程领域的学科，旨在通过创新设计和技术创新，提高机械系统的性能、效率和可靠性。
随着科学技术的不断进步和社会的发展，机械系统在各个领域都发挥着重要作用。
因此，对机械系统进行创新设计，能够推动机械工程的发展和应用。
机械系统创新设计的意义机械系统创新设计的意义在于提高机械系统的性能和效率，满足不同场合和需求的要求。
机械系统的创新设计可以带来以下几方面的好处：1.提高生产效率：通过创新设计，可以减少机械系统的能量损失和资源浪费，提高生产效率，降低生产成本。
2.提高产品质量：通过创新设计，可以改进机械系统的工艺流程，提高产品的制造精度和质量，增强产品的竞争力。
3.提高系统可靠性：通过创新设计，可以优化机械系统的结构和布局，提高系统的可靠性和稳定性，降低故障率和维修成本。
4.降低环境污染：通过创新设计，可以减少机械系统的能源消耗、废气排放和噪音产生，降低对环境的影响，实现可持续发展。
5.推动产业发展：通过创新设计，可以推动机械工程产业的发展和技术进步，提高国家经济实力和竞争力，为社会进步做出贡献。
机械系统创新设计的方法机械系统创新设计的方法包括以下几个方面：1.系统分析：对机械系统进行全面系统的分析，包括机械部件的结构、功能和性能等方面，以便找出系统存在的问题和改进的空间。
2.创新思维：在机械系统创新设计过程中，需要注重创新思维的培养和应用。
通过跨学科的合作、启发式思考等方式，发掘机械系统的创新点和潜在的解决方案。
3.集成设计：机械系统创新设计需要考虑多个因素的综合影响。
通过集成设计的方法，将多个功能、性能和要求相互融合，实现系统整体的最优化。
4.模拟仿真：通过使用计算机辅助设计软件，进行机械系统的模拟仿真分析。
通过模拟分析，可以评估不同设计方案的性能和效果，提出改进意见。
5.试验验证：在机械系统创新设计完成后，需要进行试验验证。
通过实际试验，验证设计方案的可行性和效果，及时发现问题并加以解决。
机械系统创新设计实例分析课件
设计与制造的协同与融合
1 2 3
数字化设计与制造 采用数字化设计与制造技术，实现机械系统的数 字化建模、仿真和优化，提高设计质量和制造效 率。
设计与制造的协同 实现设计与制造的协同，包括工艺规划、生产计 划、质量控制等方面的协同，提高生产效率和产 品质量。
制造资源优化与配置 利用物联网和大数据技术，实现制造资源的优化 配置和调度，提高生产效率和资源利用率。
创新构思与方案设计
明确设计目标
确定机械系统的功能需求、 性能参数和限制条件。
创新构思
运用创造性思维，提出多 种设计方案，筛选并优化 可行性方案。
方案设计
绘制机械系统的结构图或 原理图，标注关键参数和 注意事项。
初步设计与详细设计
初步设计
根据方案设计结果，进行整体结 构布局，确定主要部件的形状和
尺寸。
背景介绍
介绍工业机器人的应用场景和 现有技术的优缺点。
设计方案
提出针对性的设计方案，包括 结构优化、性能提升和功能扩 展等。
问题分析
针对某一特定应用场景，分析 现有机器人的不足和需要改进 的方面。
改进效果
对比改进前后的性能指标和实 际应用效果，评估设计方案的
可行性和优越性。
PART 04
机械系统创新设计的案例 分析
PART 05
机械系统创新设计的未来 趋势与挑战
新材料与新工艺的应用
高性能轻质材料
采用钛合金、复合材料等高性能轻质材料，提高 机械系统的强度和刚度，同时降低重量。
3D打印技术
利用3D打印技术进行快速原型制造，实现复杂结 构的制造，提高生产效率。
高效精密加工技术
采用数控机床、机器人等高效精密加工设备，实 现高精度、高效率的机械系统制造。
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异。图7－15c（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7－15下a-e五个结构。
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图7－15
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第
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。
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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7－2a所示为一平行四边形机构，
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•2 •1 •吸气
•压缩
•燃爆
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•排气
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第四节 联轴器的创新设计
• 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7－9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
带和带轮间的摩擦力来传递运动和动力。带传动的优点是结
构简单、传动平稳、能缓和冲击和过载打滑，缺点是传动比
较小且不准确，且在结构上从动带轮占据的空间没有充分利
用。
• 3.活齿减速带轮的形成
•
由外激波摆动活齿传动与带传动机构的从动带轮合二为
一形成的行星减速带轮，是一种新型减速装置。它具有带传
动可靠性高、减振能力强等优点，又保持了摆动活齿传动无
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•
图7－1外激波摆动活齿传动的结构模型和传动原理图
•② 传动比计算。
•③ 外齿中心轮的齿形综合。
•④ 外激波摆动活齿传动的优缺点。
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• ⑵带传动的选择
•
带传动由带轮、带和支承件组成。利用张紧在带轮上的
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
•
理论上从图7－10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7－11下图所示的一款新结构的联
轴器，还有图7－12所示的上、下两款不同的新款结构的联轴器。
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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
－2c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
－2d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。
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。
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•
第一个同迹连杆机构设计如图7
－2b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
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。
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得它的另外两个同迹连杆机构的尺寸。
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图7－3
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•
图7－4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，
等为评判标准，从上述8个可能性方案中优选出图7－14d、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7－15）。
•
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
• 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。
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• 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
－3a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7－3b，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7－3b这样一个图形而获
• 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7－10及图7－11上图。
• ⑶新型联轴器构思
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：
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。
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图7－4
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3.应用实例
• 图7－5是车轮六杆悬挂装置。
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第三节 新型内燃机的开发
1.往复式内燃机的技术矛盾：
• 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。
W输出机构带来的一系列优点，并成功地克服了外激波摆动
活齿传动外激波器尺寸大带来的动平衡性能差的缺点。
• ⑴带轮与外激波器的组合
• ⑵带轮激波器使绕固定轴传动的带轮成为外激波器的一部分
• ⑶卸荷带轮设计
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第二节 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
行开发创新设计。
•
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。
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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、
机械系统创新设计-89机 械系统创新实例
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2020/11/18
机械系统创新设计89机械系统创新实 例
2.原始机构选择
⑴行星传动的选择－外激波摆动活齿传动。 ①组成结构及传动原理
如图7－1所示为外激波摆动活齿传动的结构模型和 传动原理图。外激波摆动活齿传动是由三部分组成：外 激波器H由内轮廓偏心套和转臂滚针轴承组成；活齿轮G 是由活齿架和一组摆动活齿组成，相当于内齿行星轮， 活齿架为具有等分驻齿槽的筒状构件，与机架固联或与 输出轴固联；中心轮K为外齿轮，齿形为摆动活齿几何中 心运动轨迹的内等距线，与输出轴固联或与机架固联。
• 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。