机械创新设计 课件 模块二 项目十一 机械创新设计典型案例 课件

《机械创新设计》任务一新型内燃机的开发

项目十一机械创新设计典型案例（一）往复式内燃机的技术缺陷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、做功、排气四个冲程，如图2-11-1所示，其中只有做功冲程输出转矩，对外做功。往复式活塞发动机存在的缺点：（1）结构复杂，工艺性差。曲柄滑块机构及气阀控制机构结构复杂，零件较多，且加工过程较为困难。（2）往复惯性力大，振动明显。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。同时往复运动限制了输出轴转速的提高。（3）效率低。曲轴回转两圈才有一次动力输出。（二）无曲轴式活塞发动机无曲轴式活塞发动机是在原有发动机基础上，用凸轮机构代替曲轴滑块机构开发形成的。该类型发动机取消了原有的曲轴，减少了零件数量，简化了结构，降低了成本。日本名古屋机电工程公司生产的二冲程单缸发动机就是一种无曲轴式活塞发动机，如图2-11-2所示，其关键部分是圆柱凸轮动力传输装置。1-火花塞2-气缸盖3-气缸4-活塞5-连杆6-圆柱凸轮7-滑动导轨8-发动机主体框架9-飞轮和点火装置10-输出轴图2-11-2

单缸无曲轴式活塞发动机该单缸无曲轴式活塞发动机的工作原理如下：活塞4做往复运动，带动连杆5端部的滑块在凸轮槽中滑动，从而推动圆柱凸轮6转动，经输出轴10输出转矩。活塞往复运动两次，凸轮旋转360°，即输出轴输出1转。发动机中设有飞轮，可实现回转运动的平稳进行。若将圆柱凸轮安装在发动机中心位置，并在其周围设置多个气缸，该单缸无曲轴式活塞发动机就可演化成多缸发动机。通过改变圆柱凸轮的凸轮轮廓形状可以改变输出轴转速，调节输出转矩。目前这种凸轮式无曲轴发动机应用越来越广泛，重型机械，建筑机械、船舶等行业设备中均可见到此类发动机的身影。（三）旋转式内燃发动机

该旋转式发动机是由德国工程师汪克尔于1945年发明的，通过三角形转子在椭圆形气缸内偏心旋转来实现做功的。如图2-11-3所示。1.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、火花塞4、排气口5和吸气口6等组成。如图2-11-4所示。旋转式发动机运转时同样有吸气、压缩、燃爆(做功)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行程。如图2-11-5所示。旋转式发动机一图2-11-3

旋转式发动机

图2-11-4

旋转式发动机简图

图2-11-5

旋转式发动机工作过程（三）旋转式内燃发动机

2.性能特点（1）旋转式发动机以三角形转子在椭圆形气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配合运动相当于一个往复式的活塞和气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。（2）采用内啮合行星齿轮机构，来实现运动和动力输出，如图2-11-6所示。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。发动机的输出曲轴则相当于系杆H。旋转式发动机一图2-11-6

行星齿轮机构

转子内齿轮与中心外齿轮的齿数比Z2/Z1=1.5，则nH/n2=3，即三角形转子转一周，使曲轴转3周，输出转速较高。

由工作原理可知，该型旋转式发动机曲轴每转一圈就产生一个动力行程，而四冲程往复发动机曲轴每转两圈才产生一个动力行程，因此旋转式发动机功率容量比是四冲程往复发动机的两倍。（3）旋转式发动机结构简单。取消了连杆、活塞及气门开闭控制机构，只有三角形转子和输出轴两个运动构件，外加一个化油器和若干个火花塞。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。

（二）无曲轴式活塞发动机1.工作原理该旋转式发动机结构如图2-11-7至图2-11-13所示，其组成部件如下：1为外壳，2、3、4为阀板，5为旋转内壳，6为主轴，7为左关阀器，8为减压沟，9为左配气门，10为右配气门，11为传动杆，12为轴承，13为后端盖，131为环形轮盘，132为轴承座，133为连接筋，14为螺丝孔，15为机座，16为前端盖，17为阀板容置凹槽，18为扭簧，19为铰轴，20为铰座，21为进气通道，22为排气通道，23为进气腔A，24为进气腔B，25为右关阀器。旋转式发动机二（二）无曲轴式活塞发动机发动机的环形腔室被左右两个配气门隔离成上半腔室和下半腔室，上半腔室的左侧和下半腔室右侧是进气通道，二者相通，同时通入高压气体；上半腔室的右侧和下半腔室的左侧是排气通道，二者相通，可排出气体。上半腔室和下半腔室内至少有一个阀板，腔室内的高压气体推动阀板均沿顺时针方向旋转。如图2-11-12所示，当阀板3顺时针运行至右配气门10附近，经过外壳内壁上的减压沟8时，阀板3左侧高压腔内气体经过减压沟8进入低压腔，经过排气减压后，阀板3方便闭合。当阀板3触碰到右关阀器25的限位轮时，阀板3逐渐闭合，阀板3的外表面与旋转内壳5的外圆周表面共面，二者融为一体，使阀板3顺利通过右配气门10，从而进入下半腔室内。当阀板3通过右配气门10后，阀板3在扭簧18和离心力的作用下打开，进入下半腔室内的高压气体继续推动阀板3和旋转内壳5转动。（二）无曲轴式活塞发动机如图2-11-13所示，当阀板2经过左配气门9时，阀板3正位于上半腔室内，且完全打开与外壳1的内壁密封接触，左配气门9的进气通道21通入的高压气体，阀板3的左侧为高压腔，右侧为低压腔，在阀板3的两侧形成压力差，推动阀板3沿顺时针方向转动，此时低压腔内的气体经右配气门10的排气通道22排出；同理，位于下半腔室内的阀板4完全打开与外壳1的内壁密封接触，右配气门10的进气通道21通入高压气体，阀板4的右侧为高压腔，左侧为低压腔，在阀板4的两侧形成压力差，推动阀板4也沿顺时针方向转动，此时低压腔内的气体经左配气门9的排气通道22排出。在阀板3、4的共同推动下，旋转内壳5和主轴6一同沿顺时针方向转动。（二）无曲轴式活塞发动机2.性能特点（1）主机外壳和旋转内壳之间形成环形腔室，环形腔室的上下两端被两个配气门分割成两个腔室，每一个腔室内至少有一个可活动的阀板与旋转内壳接触，阀板在两侧高低压气体的推动下转动，进而推动旋转内壳和转轴一起转动，实现压力能转化为机械能。（2）阀板采用“逗号”型结构，扣合后上表面与旋转内壳的外圆周面共面，配合紧密，避免了阀板通过配气门时的漏气现象。（3）利用关阀器来完成阀板的自动闭合，通过在外壳内壁上的减压沟来完成逐渐排气减压的过程，阀板的扣合过程顺利、平稳。（4）一个机位始终保持有两个气室做功，功率比较大；高压气体做功时无泄漏，能源利用率高。《机械创新设计》任务二蜂巢穿梭车设计

项目十一机械创新设计典型案例一、设计思想及内容蜂巢密集式仓储系统，如图2-11-14所示，蜂巢式网格状货架呈蜂巢形状，全部由方形竖井式货格构成，货格之间的传统巷道变为仓储货格，从而极大的提高了仓储空间利用率。高精度交叉式导轨呈网格状，位于货架顶部，横向纵向交叉分布，即为蜂巢穿梭车的行走轨道。图2-11-14

一种蜂巢式仓储方案蜂巢穿梭车，是蜂巢式自动化仓储系统中最重要的搬运装置，如图2-11-15所示，包括行走机构、卷扬机构和夹持机构，可以实现X、Y方向的稳定快速移动，并可以在Z方向夹住货箱，完成货箱的存放。图2-11-15三维建模方案二、蜂巢穿梭车行走机构设计在蜗轮蜗杆顶升行走机构中，两个驱动电机A、D负责行走，两个驱动电机B、C完成升降。在X方向，电机A由万向联轴器连接驱动轴；在Y方向，电机D通过减速器连接驱动轴。两组顶升机构，每组蜗杆轴和安装900轮的偏心轮构成（如图2-11-16所示），蜗杆轴两头对称安装有旋向相反的蜗杆，蜗杆轴由同步带连接，以便同时顶升。每4个轮子一组，其中两个为主动轮，其它两个为从动轮。当穿梭小车沿着X方向行走时，驱动电机A动作，主动轮转动。当到达指定位置时，驱动电机A停止动作，驱动电机C开始动作，蜗杆轴转动，带动同步带，四组蜗轮蜗杆啮合转动，带动偏心轮同时下降，直到8个小轮在同一平面，小车稳定停止。如图2-11-18所示。该方案行走机构选用万向联轴器传动，连接可靠，适应性广，寿命长，行走时两轮驱动，两轮从动；升降机构选择蜗轮蜗杆传动，传动比大，结构紧凑，传动平稳，能自锁，但效率低，发热量大，易磨损，成本高。（一）蜗轮蜗杆式升降行走机构二、蜂巢穿梭车行走机构设计（一）蜗轮蜗杆式升降行走机构1-车体2、13-蜗杆轴3-减速伺服电机4、12-同步带轮5-同步带6-蜗杆轴支撑座7-万向传动轴

8-纵向驱动减速电机9-电机支架10-同步带张紧轮11-张紧轮固定座14-横向驱动减速电机

15-驱动轴16、17-扭力臂固定座18-轴承座孔19、24-横向行走从动轮20、23-横向行走驱动轮

21、26-纵向行走驱动轮22、25-纵向行走从动轮36-横梁图2-11-16

行走机构二、蜂巢穿梭车行走机构设计（一）蜗轮蜗杆式升降行走机构二、蜂巢穿梭车行走机构设计电动缸式顶升行走机构方案，如图2-11-19所示：（二）电动缸式升降行走机构图2-11-19

电动缸式顶升行走机构方案二、蜂巢穿梭车行走机构设计在电动缸式顶升行走机构中，两个驱动电机A、B负责行走，两个电动缸C、D进行升降。在X方向，电机A与驱动轴由同步带连接，两个平行轴由同步带连接，以便进行四轮驱动；在Y方向，电机B与驱动轴由同步带连接，两个套有滚筒的平行轴由同步带连接，以便进行四轮驱动。两组升降机构有两个电动缸构成，并有滑轨滑块进行导向。当穿梭小车沿着X方向行走时，驱动电机A动作，主动轴和从动轴由同步带连接，同时转动，四轮驱动。当到达指定位置时，驱动电机A停止动作，电动缸C、D动作，将Y方向行走机构下降，以便8个小轮在同一平面，小车稳定停止。该方案行走机构选用同步带传动，传动比准确，噪声小，耐磨性好，寿命长，行走时四轮驱动，动力性能好；升降机构选择电动缸元件，体积小巧，性能稳定，控制方便。（二）电动缸式升降行走机构图2-11-20

横向行走轮下降、纵向行走轮升起状态示意图三、卷扬机构设计卷扬机构如图2-11-21所示，主要包括卷扬电机，卷筒以及钢带等，两个卷筒通过一对大小相同的齿轮和同步齿形带可以实现相反转动。钢带是由图2-11-22装置进行加紧的，零件1焊接在滚筒上，零件1圆面和卷筒内圆面之间留有适当的间隙，以便钢带能够插入，然后由螺钉3将零件2装配在零件1上，零件2下面的圆面会紧紧的压住钢带，最后由顶丝4顶住钢带。当穿梭小车进行货物存放时，卷扬电机动作，两个卷筒同时相反转动，将钢带卷起，此时就能将货箱取出。四、夹持机构设计如图2-11-23所示，在小车夹持机构中，电动缸为驱动，连杆机构可以对称动作。8个挂钩，分别安装在八个滑块上，滑块A、C、H、F是连接在一起的，滑块B、D、E、G是连接在一起的，以便进行联动。在夹持机构的下面，安装有进行导向的导向杆。当电动缸动作的时候，滑块A、C、H、F向X方向动作，由于连杆作用，同时滑块B、D、E、G向-X方向动作，最后将货箱钩住。四、夹持机构设计五、结论（1）穿梭车车体较小，节约空间，最大程度的增加了仓储面积。多辆穿梭车协同作业，沿互相垂直交叉的轨道行走，从而提高车辆作业的灵活性，提高了分拣速度，快速完成密集订单。（2）穿梭车的行走装置，通过其纵向行走机构和横向行走机构的交替