第五章机械创新设计2精品PPT课件
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强或互补的结构设计方法。
自攻螺钉
传统结构
改进结构
用钻头钻底孔 用丝锥攻螺纹
螺钉＋丝锥
螺钉＋钻头＋丝锥
三、结构的简化创新
将复杂的结构进行简化设计，保持原有功能不变，且 结构简单、新颖，便于制造、安装、调整和维护。
软盘驱动器中的铰链
弹性金属片（焊接）
原有结构
新结构
仪表中的连接结构
原结构
改进结构
弹性元件
（二）功能面形状变换
螺钉头部形状 拧紧力量大小不一，占用空间大小不一
手拧 手拧
内六角 扳手
用十字改锥
用平改锥
摇杆与挺杆接触面形状
摇杆
挺 杆
原结构
横向作用力在挺杆中产生弯矩
改进结构
二、结构的组合创新
复习：综合创新原理
已知事物 A 已知已事知物 B
……
综合
新已事知物
结构的组合创新： 将不同功能和特点的结构组合起来，实现功能集成、增
三、机构的原理移植创新
移植创新原理：将某个学科、领域中的原理、技术、方法 等，应用或渗透到其它学科、领域中，为解决某一问题提 供启迪、帮助的创新方法。
原理移植
技术移植
移植
方法移植
结构移植 材料移植
液压
气动
声音
重力
机构设计
光
电
磁
例1：电话机磁开关
弹性叶片 永久磁铁
弹性叶片被磁铁 吸住，电路不通
提高刚度和强度的设计
提高精度的设计
（一）提高刚度和强度的设计
轴外伸端处带轮与轴的结构设计
弯
矩
轴 受 弯 矩 作 用
作 用 在 直 径 较 大
的
套
上
（二）提高精度的设计
精密车床的主轴
B
A
L
a
δ
δΑ
δB
前端轴承A的误差 δΑ引起 的主轴端部误差 δ
后端轴承B的误差 δB引起 的主轴端部误差 δ
保持高精度、 可靠性高
局限性 ：只用来传递微幅运动。
例2 机械手机构
功能仿生法
哈工大与德国宇航中心合作研制出 HIT/DLR灵巧手样机
◆ 有4个手指, 共13个自由度, 每个手指有4个关节、3个自 由度, 拇指另有一个开合的自由度。 ◆ 共有零件600多个, 电子元器件1600多个, 传感器89个。 ◆ 尺寸略大于人手, 整体重量1.8千克。 ◆ 采用机电一体化设计方法, 所有的驱动、传动、传感及 电气系统等集成在手指或手掌内。 ◆ 在同类机器人灵巧手中处于国际领先地位.
运料槽 固定槽
广泛应用于标准件生产中
例4：振动供料机构
料道
工件
槽体 板簧
底座
铁芯线圈 衔铁 减振弹簧
料道
利用电磁力产生振动
工件
槽体 板簧
底座
铁芯线圈 衔铁 减振弹簧
物料移动机理分析
料道向右上方移动， 工件随之移动。
料道向左下方移动，工件 由于惯性并不随之返回。
料道又向右上方移动，工 件随之移动。但工件和料 道的相对位置已改变。
衣物与筒壁
水的搅动作用
洗涤液的作用
纤维变形 弯 拉曲伸 扭转
污垢 剥落
使衣物变形充分
提高洗衣机 增加衣物变形的频率 性能的措施 加大水和衣物间的相对速度
水流不断改变方向（防止衣物缠绕）
设计参数
波轮的高度和直径
突肋的形状、数量和尺寸
要进行大量的试验，通过改变波轮的 参数，调整水流。
（如教材表31-2所示）
高温下制成的形状
使用形状记忆合金的铆钉连接 （单程记忆合金）
插入孔中
加热到 高温
低温下施力变形
电流变液 （Electro-rheological Fluid， ER）
一种机敏材料，胶体悬浮状液体。用外加电场可控制其 流动阻力。
电场增强，流动阻力增大。
主动半轴
ER 材料
从动 半轴
电流变液 离合器
五、提高性能的创新
传送带
三、机构的仿生创新
仿生创新法
原理仿生法 结构仿生法 功能仿生法
例1 柔顺机构
柔顺片断
翅膀
F
结构仿生法 柔顺机构
蜜蜂的翅膀
柔顺机构
完全利用构件自身的弹性变形来完成运动和力的传 递和转换的机构。
出现在 20 世纪 70 年代，美国。
优点
没有 运动副
零件数目少 无摩擦磨损 无运动副间隙
结构简单，重量轻
在设计中前轴承的精度比后轴承高一级。
δ
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢你的到来
学习并没有结束，希望大家继续努力
Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
固定触点
磁铁被挪开，叶片 下落，电路接通
例2：温控继电器
触点 f
触点 a
温度较低，杠杆处于图 示位置。触点 f 闭合。
温度升高，双金属片变 形，杠杆顺时针方向转动， 触点 a 闭合。
杠杆
双金 属片
刀口
例3：螺钉自动整列机构
用机械手逐个抓取？
太复杂了！ 效率也太低！
螺钉自动整列机构
利用螺钉的自重自动整列
F＝13
F＝21
人手模型
哈工大 HIT/DLR 灵巧手模型
第二节
结构的创新
结构创新设计的思路
结构的变异创新
结构的组合创新
结构的简化创新
结构材料的变异创新
提高性能的创新
一、结构的变异创新
结构变异的方法
结构参数调整
功能面形状变换
（一）结构参数调整
波轮式洗衣机
洗涤机理
摩擦作用
衣物与衣物 衣物与波轮
Fra Baidu bibliotek
例5：振动提升机
小结
螺钉自动整列机构
振动供料机
惯性振动提升机
利用电磁力产生振动
利用离心惯性力 产生振动
利用重力
利用振动与惯性
直接根据力学原理的机构
转动鼓 压刷
1. 转动鼓吸取一张商标纸
2. 商标纸经过粘胶滚子时带上胶
3. 商标纸被吹压在商品盒上
4. 压刷将商标纸贴牢
商标纸
吹吸气泵
粘胶滚子
产品盒
结构简单，便于操作 承受的力较小
四、结构材料的变异创新
变换材料
采用新型材料
（一）变换材料
铰链节叉
铸铁结构
钢板结构
质量轻 节省材料 可大批量生产，成本低
（二）采用新型材料
形状记忆合金 一种机敏材料。
高温下制成所需的形状──在低温下改变形状── 重新升温后，恢复原来形状。
单程记忆合金：冷却后不能恢复原低温时的形状 双程记忆合金：冷却后能恢复原低温时的形状
自攻螺钉
传统结构
改进结构
用钻头钻底孔 用丝锥攻螺纹
螺钉＋丝锥
螺钉＋钻头＋丝锥
三、结构的简化创新
将复杂的结构进行简化设计，保持原有功能不变，且 结构简单、新颖，便于制造、安装、调整和维护。
软盘驱动器中的铰链
弹性金属片（焊接）
原有结构
新结构
仪表中的连接结构
原结构
改进结构
弹性元件
（二）功能面形状变换
螺钉头部形状 拧紧力量大小不一，占用空间大小不一
手拧 手拧
内六角 扳手
用十字改锥
用平改锥
摇杆与挺杆接触面形状
摇杆
挺 杆
原结构
横向作用力在挺杆中产生弯矩
改进结构
二、结构的组合创新
复习：综合创新原理
已知事物 A 已知已事知物 B
……
综合
新已事知物
结构的组合创新： 将不同功能和特点的结构组合起来，实现功能集成、增
三、机构的原理移植创新
移植创新原理：将某个学科、领域中的原理、技术、方法 等，应用或渗透到其它学科、领域中，为解决某一问题提 供启迪、帮助的创新方法。
原理移植
技术移植
移植
方法移植
结构移植 材料移植
液压
气动
声音
重力
机构设计
光
电
磁
例1：电话机磁开关
弹性叶片 永久磁铁
弹性叶片被磁铁 吸住，电路不通
提高刚度和强度的设计
提高精度的设计
（一）提高刚度和强度的设计
轴外伸端处带轮与轴的结构设计
弯
矩
轴 受 弯 矩 作 用
作 用 在 直 径 较 大
的
套
上
（二）提高精度的设计
精密车床的主轴
B
A
L
a
δ
δΑ
δB
前端轴承A的误差 δΑ引起 的主轴端部误差 δ
后端轴承B的误差 δB引起 的主轴端部误差 δ
保持高精度、 可靠性高
局限性 ：只用来传递微幅运动。
例2 机械手机构
功能仿生法
哈工大与德国宇航中心合作研制出 HIT/DLR灵巧手样机
◆ 有4个手指, 共13个自由度, 每个手指有4个关节、3个自 由度, 拇指另有一个开合的自由度。 ◆ 共有零件600多个, 电子元器件1600多个, 传感器89个。 ◆ 尺寸略大于人手, 整体重量1.8千克。 ◆ 采用机电一体化设计方法, 所有的驱动、传动、传感及 电气系统等集成在手指或手掌内。 ◆ 在同类机器人灵巧手中处于国际领先地位.
运料槽 固定槽
广泛应用于标准件生产中
例4：振动供料机构
料道
工件
槽体 板簧
底座
铁芯线圈 衔铁 减振弹簧
料道
利用电磁力产生振动
工件
槽体 板簧
底座
铁芯线圈 衔铁 减振弹簧
物料移动机理分析
料道向右上方移动， 工件随之移动。
料道向左下方移动，工件 由于惯性并不随之返回。
料道又向右上方移动，工 件随之移动。但工件和料 道的相对位置已改变。
衣物与筒壁
水的搅动作用
洗涤液的作用
纤维变形 弯 拉曲伸 扭转
污垢 剥落
使衣物变形充分
提高洗衣机 增加衣物变形的频率 性能的措施 加大水和衣物间的相对速度
水流不断改变方向（防止衣物缠绕）
设计参数
波轮的高度和直径
突肋的形状、数量和尺寸
要进行大量的试验，通过改变波轮的 参数，调整水流。
（如教材表31-2所示）
高温下制成的形状
使用形状记忆合金的铆钉连接 （单程记忆合金）
插入孔中
加热到 高温
低温下施力变形
电流变液 （Electro-rheological Fluid， ER）
一种机敏材料，胶体悬浮状液体。用外加电场可控制其 流动阻力。
电场增强，流动阻力增大。
主动半轴
ER 材料
从动 半轴
电流变液 离合器
五、提高性能的创新
传送带
三、机构的仿生创新
仿生创新法
原理仿生法 结构仿生法 功能仿生法
例1 柔顺机构
柔顺片断
翅膀
F
结构仿生法 柔顺机构
蜜蜂的翅膀
柔顺机构
完全利用构件自身的弹性变形来完成运动和力的传 递和转换的机构。
出现在 20 世纪 70 年代，美国。
优点
没有 运动副
零件数目少 无摩擦磨损 无运动副间隙
结构简单，重量轻
在设计中前轴承的精度比后轴承高一级。
δ
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢你的到来
学习并没有结束，希望大家继续努力
Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
固定触点
磁铁被挪开，叶片 下落，电路接通
例2：温控继电器
触点 f
触点 a
温度较低，杠杆处于图 示位置。触点 f 闭合。
温度升高，双金属片变 形，杠杆顺时针方向转动， 触点 a 闭合。
杠杆
双金 属片
刀口
例3：螺钉自动整列机构
用机械手逐个抓取？
太复杂了！ 效率也太低！
螺钉自动整列机构
利用螺钉的自重自动整列
F＝13
F＝21
人手模型
哈工大 HIT/DLR 灵巧手模型
第二节
结构的创新
结构创新设计的思路
结构的变异创新
结构的组合创新
结构的简化创新
结构材料的变异创新
提高性能的创新
一、结构的变异创新
结构变异的方法
结构参数调整
功能面形状变换
（一）结构参数调整
波轮式洗衣机
洗涤机理
摩擦作用
衣物与衣物 衣物与波轮
Fra Baidu bibliotek
例5：振动提升机
小结
螺钉自动整列机构
振动供料机
惯性振动提升机
利用电磁力产生振动
利用离心惯性力 产生振动
利用重力
利用振动与惯性
直接根据力学原理的机构
转动鼓 压刷
1. 转动鼓吸取一张商标纸
2. 商标纸经过粘胶滚子时带上胶
3. 商标纸被吹压在商品盒上
4. 压刷将商标纸贴牢
商标纸
吹吸气泵
粘胶滚子
产品盒
结构简单，便于操作 承受的力较小
四、结构材料的变异创新
变换材料
采用新型材料
（一）变换材料
铰链节叉
铸铁结构
钢板结构
质量轻 节省材料 可大批量生产，成本低
（二）采用新型材料
形状记忆合金 一种机敏材料。
高温下制成所需的形状──在低温下改变形状── 重新升温后，恢复原来形状。
单程记忆合金：冷却后不能恢复原低温时的形状 双程记忆合金：冷却后能恢复原低温时的形状