头号玩家网站：7机械创新设计-第七章

  a)凸轮机构；b)摇杆滑块机构；c)曲柄摇杆齿轮 齿条机构；d)正弦机构。其中a)的运动行为评价 最高，b)次之，c)、d)更次之。

  a)汽车刮水器机构；b)四杆齿轮组合机构；c) 六杆齿轮组合机构；d)带调节装置的电影抓片 机构。其中b)、c)的运动行为评价最高，d)次 之，a)较差。

  挑线机构运动特性的差异 机构名称 输出运动范围 输出速度要 运动行为 可调性 求 评分

  •打磨机的工作过程： 将打磨机推至工作区间，放下接触轮，然后预 调打磨头与钢轨的接触位置； 根据钢轨病害诊断结果（由专门设备完成）， 确定分次打磨的实际切深，再细调并锁定； 最后开机至一定转速，合上离合器，开始打磨。 打磨机由人力推动进给，打磨效果用专门的检 验设备检验。

  •⒈刺布机构的评价 •方案a＞方案b •方案a＞方案c •方案a＞方案d •方案a＞田岛方案 •方案b＞方案c •方案d＞方案c •田岛方案＞方案c 根据以上优序关系，可以认为方案a最好，方 案b、d和田岛居中，方案c较差。

  • 往复式活塞发动机存在的缺点： •1)工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多。曲 轴等零件结构较为复杂，工艺性差。 •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大，使轴承上惯性载 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。 现存的问题，引起人们改变现状的愿望，社会 的需要，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的发动机。

  在上述创新构思基础上，通过功能设计法，设 计出了小型砂带打磨机，其总体方案见左下图。

  该打磨机由打磨系统和行走 系统组成。打磨系统安装在滑板 6上，滑板可在导轨上移动，导 轨固定在带四个行走轮的减振底 盘上。滑板移动至预定位置，可 通过锁紧机构8加以固定。两个 打磨头4经两个带滚动轴承的多 片摩擦离合器3，分别由两台汽 油机2驱动，打磨头与钢轨相对 接触位置的调节和锁定由竖直方 向和轨距方向的螺旋调节机构5 进行。底盘轮轴上装配可调间隙 的圆柱滚子轴承，使打磨机通过 时其曲线具有随轨自适性。

  1945年德国工程师汪克尔经长期研究，突破了 汽缸密封这一关键技术，使旋转式发动机首次运转 成功。 •1.旋转式发动机的工作原理 • 旋转式发动机由椭圆形的缸体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。 旋转式发动机运转时同 样有吸气、压缩、燃爆(作功) 和排气四个动作。由于三角 形转子有三个弧面，因此每 转一周有三个动力冲程。

  •2.旋转发动机的设计特点 •⑴功能设计——旋转式发动机以三角形转子在椭圆 形汽缸中偏心回转的方法达到容积变化，以完成燃 气的吸气、压缩、燃爆、排气四个动作的功能要求。 • 三角形转子的每一个表面与缸体的作用相当 于往复式的一个活塞和汽缸依次平稳连续地工作。 转子各表面还兼有开闭进排气阀门的功能，设计可 谓巧妙。 •⑵运动设计——采用内啮合行星齿轮机构，来实现 运动和动力输出。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则是发动机的输出曲轴。

  1988年上海协昌有限公司引进日本的刺绣机技 术，成功研制了GY4-1型电脑多头绣花机。该机目 前在国际制衣工业上属先进的缝纫刺绣设备，适用 于服装、床上用品、窗帘以及刺绣工艺品等产品的 刺绣花样图案。

  图示为砂带张紧快换机构。 砂带的张紧通过改变张紧轮与驱动轮之间的中 心距来实现。现采用弹簧手柄式砂带快换机构来实 现砂带磨削中的张紧。 机构运动原理如下：转动手柄1，带动拉杆3， 使支架4在支杆8中左右移动。若支架带动张紧轮6向 右压缩弹簧2，则缩短了张紧轮与驱动轮之间的中心 距，便于装卸砂带。反之，弹簧推动支架张紧砂带。 为保证张紧可靠， 在调整后用螺钉5将 支架与支杆固定。

  •本体知识的概念：指在某一应用领域中设计某一机 械系统时所遵循的知识的本质和内涵。 •把家用和工业缝纫机的挑线刺布机构作为形成本体 知识的示教例子，利用机器学习方法分得出两类机 构和本体知识。 三种刺布机构的示教例子

  a)曲柄滑块刺布 机构(GB型) b)曲柄滑槽刺布 机构(36型) c)六连杆滑块刺 布机构(田岛型)

  •(3)成型打磨头部件的相似诱导移植设计 相似诱导移植是指借助类似或相近结构和技术， 移植相似元中的部分要素或全部要素，结合当前具 体问题，使求解该问题的有用信息幅度大幅度提升， 以至于形成突发性灵感思维，从而获得当前问题的 解决。 右图为打磨头传动示意图，图中驱动轮1、张 紧轮2和接触轮3为实体式，张紧轮与接触轮均采 凹型结构，形状与钢轨轮廓相 用 似，接触轮的轮廓曲线采用仿 轮缘踏面曲线，X锯齿形外缘， 在轮缘上沿圆周方向开平行的 环形消气沟槽，以防止运行中 砂带憋气，提高磨削质量和效 率。

  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。相对四冲程往复发动机曲轴每 转两周才产生一个动力冲程，推知旋转式发动机功 率容量比是四冲程往复发动机的两倍。 •⑶结构设计——旋转式发动机结构相对比较简单，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 和若干个火花塞，但无需连杆、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到2/3。

  • 目前应用最广泛的往复式内燃机由汽缸、活塞、 连杆、曲轴等主要机件和其他辅助设备组成。 • 活塞式发动机的主体是曲柄滑块机构，它利用 气体燃爆使活塞在汽缸内往复移动，经连杆推动曲 轴作旋转运动，输出转矩。 活塞式发动机工作时具有吸气、 压缩、作功、排气四个冲程，其中 只有作功冲程输出转矩，对外做功。

  •2.设计过程 •(1)总体创新构思 在小型打磨机的总体构思中，突破原产品的约 束，提出以下创新点： •1)采用移植创造原理，把切削加工中的砂带磨削技 术引入打磨机的设计中，变刚性打磨为柔性打磨， 从而改善磨削质量； •2)在柴油机气缸盖等复杂曲面砂带磨削装置的诱导 启发下，构思出快速、准确打磨钢轨轮廓面的成型 打磨头； •3)现有小型砂轮打磨机都是单轨行驶，由于道岔宽 度宽于单轨宽度，所以不能打磨道岔，为此运用变 性创造原理和技法，设计出双轮行走部分，解决了 打磨道岔的问题。

  • (2) 打磨磨具的移植创新 • 砂带磨削有如下特性： • 1)高效——磨削效率约为砂轮磨削4倍以上。 • 2)低耗——一般砂轮旋转运动所消耗的能量约占总 功率的15%～20%，而维持砂带运动的功率占 4%～10%，工作时，磨削发热低。 • 3)适合使用的范围广——可打磨各种钢轨及进行各种复杂 形面的修整。 • 4)磨削质量好——表面粗糙度值可小于Ra0.1～ 0.5μm，在工件表面的残余应力状态及微观裂纹等 方面，优于砂轮磨削。 • 5)寿命较高——由于涂附磨料磨具的新发展和静电 植砂砂带的使用，以及抗“粘盖”添加剂的采用， 砂带常规使用的寿命可达8～12h。

  •电脑多头绣花机基本功能： •①使机针刺穿绣料形成线环的功能； •②使底线与面线交织的功能； •③输送和抽紧面线的功能； •④使绣料送进的功能； •⑤绣线换色的功能。

  GY4-1型电脑多头绣花机参考日本东海缝纫机 有限公司田岛刺绣机研制而成。但田岛刺绣机的挑 线刺布机构在美国、德国、意大利等国已经申请了 专利，因而GY4-1型电脑多头绣花机很难进入国际 市场。针对这样的一种情况，协昌公司提出了避开田岛 刺绣机的专利保护，进行 挑线刺布机构方案的适应 性设计，以生产新型的电 脑多头绣花机系列新产品。 图示为田岛刺绣机的 挑线刺布机构。它的专利 申请建立在挑线机构使用 凸轮机构的基础上。 在进行改型设计时应 尽可能的避免使用凸轮。

  •⒈刺布机构的方案生成 • 根据机械运动系统智能化概念设计的理论及 其计算机实现方法的研究所开发出的一种概念设计 平台原型系统1MCDP表明，能够准确的通过刺布机构的本 体运动行为，得到刺布机构的备选方案。

  •1)安全实用，轻便，二人能搬动； •2)能打磨道岔； •3)能较准确打磨标准钢轨轮廓面； •4)打磨效率高，质量好，调节方便。

  上述性能要求中的大部分是现有小型打磨机不 具备的，也就是新型打磨机应达到的基本功能要求。

  法以凸轮机构代替发动机中原有的曲轴滑块机构， 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。 • 日本名古屋机电工程公司生产的二冲程单缸发 动机采用无曲轴式活塞发动机，其关键部分是圆柱 凸轮6动力传输装置。 活塞往复运动时，通过连杆端部 的滑块7在凸轮6槽中滑动而推动凸轮6 转动，经输出轴10输出转矩。活塞往 复两次，凸轮旋转360°，即输出轴输 出1转。

  •⒉挑线机构的评价 •田岛方案＞方案c •方案b＞方案d＞方案a 四杆齿轮组合机构和六杆齿轮组合机构的评价 基本相同(六杆机构略好于四杆机构)，但它们稍逊 于田岛的挑线机构。 由于田岛专利不在刺布 机构中，为了不改变原机构 安装孔的位置，仍选用田岛 的刺布机构。挑线机构选用 六杆机构。得出新型挑线刺 布机构如右图所示。

  火车钢轨是轨道结构最重要的部件，它直接承受 车辆荷载。钢轨打磨技术可用来消除钢轨的波形磨 耗、车轮擦伤、轨头裂纹、接头的马鞍形磨耗和轨 道表面裂纹萌生等，控制钢轨表面接触疲劳的发展。 • 钢轨打磨机类型： • 一是进口的大型钢轨打磨列车； 二是各铁路单位自行研制的小型钢轨 打磨机。 特点：砂轮为磨具，前者价格昂贵， 能耗大，砂轮耗材大等；后者的功能 和应用有局限性，打磨效率低，打磨 质量差。

  轨距方向的螺旋调节机构5用以实现接触轮与钢 轨的轨距方向的正确接触和施力，其设计也选用了 差动螺旋机构。 它们焊接在装有燕 尾型导轨的滑板上，一 端与底板支撑梁固定在 一起，螺杆可通过螺纹 孔旋进，机构能够自锁。 为严格保证滑板的定位， 滑板可通过四个专用的 锁紧机构固定在底盘架 上。

  图示为磨削量进给调节机构——属于竖直方向 的螺旋调节机构，用以控制接触轮与钢轨的正确接 触和施力。设计中采用了差动螺旋装置。 支架1上的螺纹与手轮螺杆7的螺纹构成一螺旋 副，与接触轮6联接在一起的螺母4中的螺纹与螺杆7 的螺纹构成另一螺旋副，两螺旋副组成差动螺旋机 构。套筒3通过螺钉2与支架1 固联为一体，螺母4可在套筒 3内移动。为使打磨接触轮工 作可靠，调整结束后，用紧 定螺钉5将螺母4固定在套筒3 上。