机械创新设计实例分析
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➢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 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 型机械、建筑机械等行业。
10.1 新型内燃机的开发实例
3. 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
10.2 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
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。
1. 设计目的
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 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 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 本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 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 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 。
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。
(2) 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
图所示。
行星齿轮机构
10.1 新型内燃机的开发实例
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 中心外齿轮1在缸体3内公转，系杆H转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比 是1.5∶1，这样转子转一周，使曲轴转3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， 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。
吸气：AB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。
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。
排气：内腔容积由大变小，挤压废气由排气口排出。
10.1 新型内燃机的开发实例
1. 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 由气缸、活塞、连杆、曲轴等主要机件 和其他辅助设备组成。
活塞式发动机工作时具有吸气、压 缩、做功(燃爆)、排气4个冲程，做功冲 程输出转矩，对外做功
这种往复式活塞发动机存在以下明 显的缺点。
活塞1 连杆2 气缸3 曲轴4 进气阀5 排气阀6
第十章 机械系统创新设计实例分析
10.1 新型内燃机的开发实例 10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例 10.3 全自动送筷机创新设计实例 10.4 自行车设计实例 10.5 可升降省力便携式轮椅设计
10.1 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(运用类比、组合、替代 等创新技法)进行简单分析。
10.1 新型内燃机的开发实例
3) 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，在输出功率 相同时，具有体积小、重量轻、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。
2. 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，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， 成本降低。
单缸无曲轴式活塞发动机
10.1 新型内燃机的开发实例
➢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பைடு நூலகம்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 转矩。活塞往复两次，凸轮旋转360°。系统中没有飞轮， 控制回转运动平稳。
2) 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、
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
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
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
发展，许多人都在探索旋转式内燃发动机的建造。
1)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 图所示，它由椭圆形的缸体1、三角形转子 2(转子的孔上有内齿轮)、外齿轮3、吸气口 4、排气口5和火花塞6等组成。
旋转式发动机简图
10.1 新型内燃机的开发实例
旋转式发动机在运转时同样也有吸气、压缩、燃爆(做功)和排气 4个动作。
(1) 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。
10.1 新型内燃机的开发实例
(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而 产生强烈振动。往复运动限制了输出轴转速的提高。
(3) 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 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。
10.1 新型内燃机的开发实例
3. 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
10.2 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
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。
1. 设计目的
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 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 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 本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 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 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 。
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。
(2) 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
图所示。
行星齿轮机构
10.1 新型内燃机的开发实例
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 中心外齿轮1在缸体3内公转，系杆H转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比 是1.5∶1，这样转子转一周，使曲轴转3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， 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。
吸气：AB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。
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。
排气：内腔容积由大变小，挤压废气由排气口排出。
10.1 新型内燃机的开发实例
1. 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 由气缸、活塞、连杆、曲轴等主要机件 和其他辅助设备组成。
活塞式发动机工作时具有吸气、压 缩、做功(燃爆)、排气4个冲程，做功冲 程输出转矩，对外做功
这种往复式活塞发动机存在以下明 显的缺点。
活塞1 连杆2 气缸3 曲轴4 进气阀5 排气阀6
第十章 机械系统创新设计实例分析
10.1 新型内燃机的开发实例 10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例 10.3 全自动送筷机创新设计实例 10.4 自行车设计实例 10.5 可升降省力便携式轮椅设计
10.1 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(运用类比、组合、替代 等创新技法)进行简单分析。
10.1 新型内燃机的开发实例
3) 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，在输出功率 相同时，具有体积小、重量轻、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。
2. 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，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， 成本降低。
单缸无曲轴式活塞发动机
10.1 新型内燃机的开发实例
➢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பைடு நூலகம்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 转矩。活塞往复两次，凸轮旋转360°。系统中没有飞轮， 控制回转运动平稳。
2) 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、
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
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
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
发展，许多人都在探索旋转式内燃发动机的建造。
1)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 图所示，它由椭圆形的缸体1、三角形转子 2(转子的孔上有内齿轮)、外齿轮3、吸气口 4、排气口5和火花塞6等组成。
旋转式发动机简图
10.1 新型内燃机的开发实例
旋转式发动机在运转时同样也有吸气、压缩、燃爆(做功)和排气 4个动作。
(1) 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。
10.1 新型内燃机的开发实例
(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而 产生强烈振动。往复运动限制了输出轴转速的提高。
(3) 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 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。