• 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பைடு நூலகம்进步。而在开发设计过程中敢于突破，善于运用类
• (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。
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机械创新设计实例分析
•10.1 新型内燃机的开发实例
•3) 旋转式发动机的实用比
•旋转式发动机简图
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机械创新设计实例分析
•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。
•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。
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•10.3 全自动送筷机创新设计实例
• 本实例就开发新型全自动送筷机采用的创新思维(新型、实用、快捷)
和创新技法(系统分析法、组合创新法、形态分析法、机构构型创新设计法 等)作了一些简单的介绍，以期对创新设计有所启发。
•1. 设计目的 • 学生每天到食堂就餐都得从筷筒里胡乱地抓取筷子，这样既不方便
机械创新设计实例分析
•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。
•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。
•圆柱凸轮数控铣削装置传动原理图
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• 本装置由简易CNC 装置控制驱动器，驱动两 个高精度步进电动机，两 个电动机分别控制分度头 的转动和滚珠丝杠的直线 运动，由分度头带动工件 做回转进给运动，滚珠丝 杠则带动工作台做直线方 向的进给运动，由普通立 式铣床进行切深调整，从 此实现了一条凸轮槽的连
PPT文选档演择模板 了第三种方案。
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•2) 出筷机构的选择
➢可供选择的出筷机构(利用机构组合创新法
和机构构型创新设计进行分析)有盘形凸轮机
构、摆动导杆机构、曲柄摇杆机构、曲柄滑
块机构等。
•1箱体；2筷子；3移动凸轮(推杆)；
•4推板；5滑块；6连杆；7曲柄
➢通过模拟实验，分析对比，发现盘形凸轮
续加工。
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•10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例
•3. 设计方案
• 在方案设计阶段，通过对圆柱凸轮的各种加工方案进行深入的分
析研究得出：对于复杂的、多导程圆柱凸轮，理想的加工方法是采用带 回转台的四轴立式加工中心或带自驱动式铣刀的车削中心加工，但这两 种机床价格昂贵，东北大学机械厂近期难以购买这两种机床。
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。
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•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。
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•10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例
•4. 功能及特点
• (1) 圆柱凸轮数控铣削装置包括工作台直线运动坐标轴(Z轴)和工件回 转运动坐标轴(X轴)，采用德国BERGER LAHR高精度步进电动机驱动，德国 ENGEL HARDT两轴CNC系统控制。X向脉冲当量为0.0009°；Z向脉冲当量为
•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 。
•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。
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•机单械缸创新无设计曲实例轴分式析 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，而此处利用反动作，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。
• 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。
• (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。
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•活塞1 •连杆2 •气缸3 •曲轴4 •进气阀 5 •排气阀 6
0.001mm，可以完成圆柱凸轮复杂凸轮槽的连续、自动化加工。
• (2) 工件回转运动(即X轴)的机械传动由普通分度头完成，其蜗杆涡轮 的降速比大(i=40)、传动精度高、价格便宜。
• (3) 工作台的直线运动(即Z轴)采用双螺母垫片式滚珠丝杠螺母传动，
并采用滚珠导轨支承，其摩擦力小、运动灵敏、精度高、刚度大。
• (4) 数控编程采用CAD/CAM一体化编程方法。在CAXA/ME的支持下，首先 绘制圆柱凸轮的展开曲线，然后生成G代码程序，最后利用R232接口将加工 程序传输给数控系统。编程过程精确、直观、方便、灵活。
•该装置可完成各种圆柱凸轮的精确自动化加工，另外还可以加工各种平面 凸轮。
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➢通过多次模拟实验发现，朝上竖直送取筷子最为方便，但筷子的水平移动 距离长，所需水平推力也大，会导致机器的结构复杂，成本增加；
➢水平横向送筷子，由于筷子尺寸、形状、大小及摆放的不规则，能顺利取 出筷子的概率不足30%；
➢水平竖向送筷子不仅出筷顺畅，而且在抽出筷子后，在重力作用下筷子会 自由下落，省去了机械传动成本，这种方式取筷也比较方便。因此，最终
机械创新设计实例分析
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2020/11/18
机械创新设计实例分析
•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。
•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。
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机械创新设计实例分析
•10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例
•2. 工作原理
•圆柱凸轮数控铣削装置包括工作台直线运动坐标轴和工件回转运动坐标轴， 在加工圆柱凸轮时，本装置根据数控加工程序控制工件作旋转进给运动和直 线进给运动，通过普通立式铣床工作台的垂直运动进行切深调整，这样就可 以实现一条凸轮曲线槽的连续自动化加工。本装置的传动原理如图所示。
机械创新设计实例分析
•10.2 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例
•5. 主要创新点
• (1) 工件回转运动采用标准分度头传动，简化了设计制造，降低了研制成 本。在研制过程中，通过分析对比选择了合理的驱动位置，保证了传动精度， 这种方法在国内尚属首次。
• (2) 工作台的直线运动采用先进的滚珠丝杠传动，并采用滚动导轨支承， 其传动灵活、精度高、刚度大。
• 创新思路拟在普通立式铣床上，加装高精度数控装置，将传统的机 械技术与现代高新数控技术和电子技术等有机地综合在一起，从而实现 高精度的可靠加工要求。
• 因此根据数控技术越来越普及以及简易数控系统价格比较便宜的 现状和特点，东北大学机械厂决定设计一个简易的圆柱凸轮数控铣削装 置。将该装置放置在普通立式铣床上，由普通立式铣床的主轴做切削运 动，由其工作台的垂直方向运动进行切深调整，该装置则根据数控加工 程序控制工件做旋转进给运动和直线进给运动，实现一条凸轮曲线槽的 连续自动化加工。这种加工方法成本很低，加工自动化程度较高，操作 方便，加工精度高，且能满足圆柱凸轮不断改型的要求。
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