机械创新设计永动机

第一篇：机械创新设计永动机

华东交通大学·机电学院

机械创新设计第二次作业·永动机

10机械六班何雪刚20100310010616

一、本次设计利用的是磁力原理，之所以称为永动，是在保证磁铁的磁性没有消除的情况下。大家都知道，没有能量事物是不可能运动起来的，在高中的时候我们都学了物理，了解第一类、第二类永动机是不可能做成的！那我们要做成永动机首先要考虑的是永动机的能量问题，否则就是无稽之谈了！下面我介绍一下我设计的简单永动机模型！

二、○1可先看看下面几张分开的图片。如图所示、转动体在轴承上可以保证转动，在轴上分布着很多分支体，在每个分支体上我们可以看到，都镶嵌了一块磁石（N极和S极）。我们知道磁铁同极相斥，异极相吸的原理！本次设计用的就是这一原理，从图中可以看出，轴上分支的磁石N,S极都按一定规律分布（分支左侧、右侧）。○2另外我们还需要一个比较大的环形磁石，如图所示内圈为N极，外圈为S极（其实内为S极，外为N极也行，不过此时永动机顺时针旋转）。○3当我们将环形磁石从上往下运动时，我们可以看到分支开始逆时针转动起来，并且随着环形磁铁的下降，分支转动的越快。当环形磁石刚好套在分支那一时刻，分支体转的最快！其实我们可以固定环形磁石这个时刻的位置，并用卡子卡住轴的分支体，使它静止。

于是当我们拔出卡子，永动机就开始运动起来！○4受力分析：套上环形磁石后，分支上的小型磁石受到力的作用。如图，小磁铁N极受到逆时针的排斥力，小磁铁S极受到逆时针的吸引力，于是转轴在力与矩的作用下转动起来！只要磁石没有消磁，永动机就可以动起来！○5本次设想，只是从理论上分析与设计，并没有参与实际运作！鉴于我水平有限，并没有学运动与仿真，所以没有使用伺服机让永动机运动起来即没有演示视频！以下几张我用proe制作的图片仅供参考！{图中蓝色代表N极，红色代表S极}。

第二篇：机械创新设计.

机械创新设计实训设计说明书

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目录

摘要..................................................................................................................................................3 1 课题背景及意义...........................................................................................................................3

1.1 课题背景............................................................................................................................3 1.2 创新设计意义....................................................................................................................3 2 设计条件与要求...........................................................................................................................3

2.1..............................................................................................................................................3 2.2..............................................................................................................................................3 2.3..............................................................................................................................................3 3 方案选择.......................................................................................................................................4

3.1..............................................................................................................................................4 3.2..............................................................................................................................................4 3.3..............................................................................................................................................4 4 结构设计.......................................................................................................................................4

4.1..............................................................................................................................................4 4.2..............................................................................................................................................4 5 分析计算.......................................................................................................................................4

5.1..............................................................................................................................................4 5.2..............................................................................................................................................5 6 创新点及应用...............................................................................................................................5

6.1..............................................................................................................................................5 6.2..............................................................................................................................................5 6.3..............................................................................................................................................5 7 总结..............................................................................................................................................5

7.1..............................................................................................................................................5 7.2..............................................................................................................................................5 8 参考文献.......................................................................................................................................5

摘要 课题背景及意义

1.1 课题背景

1.2 创新设计意义 设计条件与要求

2.1

2.2

2.3 方案选择

3.1

3.2

3.3 结构设计

4.1

4.2 分析计算

5.1 理论分析与计算

5.2 工作原理 创新点及应用

6.1

6.2

6.3 总结

7.1

7.2 参考文献

附图： 附图一 附图二 …… 附图N

第三篇：机械创新设计

机械创新设计中的机构创新设计

摘要

机械创新设计是指规划构思出新颖有价值的机械产品的活动过程，而机构创新是机械创新设计的一个重要方面。本文首先简述了机械创新设计的内涵，随后针对机构创新方面进行了举例说明，最后以折叠式担架车为实例对机构创新在机械设计创新中的应用进行了简要介绍。关键词

机械 创新 设计 机构 再生 原理

一、机械创新设计概述

1、引言

机械设计是指根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。一般来说，机械设计分为以下几步：第一步就是敢发现问题，感悟需求；第二步是弄清问题的本质；第三步是寻求问题的科学原理解，解决问题都是要遵循科学原理或利用科学规律、现象；第四步是选定科学原理解，规划工艺动作，规划功能；第五步是机械系统的构思，尺度综合；第六步是机械系统的评价选优；第七步是对被选定机械系统作结构设计；第八步是造型包装设计。

创新是以新思维、新发明和新描述为特征的一种概念化过程。起源于拉丁语，它原意有三层含义，第一，更新；第二，创造新的东西；第三，改变。创新是人类特有的认识能力和实践能力，是人类主观能动性的高级表现形式，是推动民族进步和社会发展的不竭动力。

机械创新设计是充分发挥设计者的创造力和智慧，利用人类已有的相关科学理论、方法和原理，进行新的构思，设计出新颖、有刨造性及实用性的机构和机械产品[1]。

2、机械创新设计的内涵

狭义的机械创新设计是指规划构思出新颖有价值的机械产品的活动过程，它的标志是设计产品具有新颖性。广义的机械创新设计应该包括设计思想方法、手段的创新。一般情况下，机械创新设计被理解为狭义的。

从机械的定义、机械设计过程看机械创新设计的内涵主要在以下几方面[2]： 1)产品功能的创新设计。包括满足人类需求的全新功能的产品和增加新功能的产品的创造。

2)完成产品功能的新的科学原理的运用。

3)实现工艺动作的新规划，用工艺动作完成产品功能是机械产品的重要特征。4)机械系统的创新组合。

5)机构创新，包括基本机构的演变创新和机构的组合创新。

6)结构创新。机器由具体的功能结构结合而成，结构元素的变化构成机械创新设计最为具体的部分。

7)检测控制系统创新。8)产品造形创新。

机械创新设计的实质内容是“新”字，构成一个机械产品的某一部分相对于旧有产品而言，具有新颖价值，其设计过程中就进行了创新设计。机械创新设计只是机械设计过程中，对产品规划构思的某些部分作了新颖有价值的设计。机械创新设计只是机械设计中的一个环节，前者不能取代后者。

本文将针对机构创新这一点，阐述机构学相关理论在机械创新设计方面的应用。

二、机械创新设计中的机构创新

1、新机构的创新设计

任何一个设计，其首要工作应明确设计目的和设计任务以及设计出机构应实现的功能。机械系统的功能分析是机构创新设计中非常重要的环节，是后续设计的基础。最基本的功能分析是确定输入、输出运动形式和相关约束条件，从而总结出为实现所需功能所需的机构自由度、各类型构件数目、机构中各类运动副的分配情况等[3]。在进行机械装置的功能分析之后，可根据现有的单铰运动链图谱找出满足机构自由度要求和基本功能要求的单铰运动链，且这些仅含连杆与转动副的所有单铰运动链原型可作为下一步创新综合的基础。

例如，要求设计一个能较精确地实现预期运动规律(将转动变换为移动)的传动系统——凸轮控制机构。则可确定凸轮为原动件，滑块为输出构件，该凸轮要求恒速转动，以驱动滑块沿固定导轨移动。而滑块要按规定的行程作往复运动。按以上要求分析，机构的自由度为l，应选择F=l的运动链，而满足需求的最简单运动链为平面四杆链。由于机构中存在凸轮高副，且输出为移动副，则应对四杆机构进行运动副的替代，不难发现替代后运动链为1R1P1Z[4]形式(R为转动副、P为移动副、Z为凸轮高副)。同时可明确输入运动为转动，构件1为驱动件(即为凸轮)，输出运动为移动，构件3为输出件(滑块)，构件2为相对固定的机架，从而得到其机构简图如图2-1所示。滚子4并非运动链中的构件，在此只是起到减少凸轮副磨擦损耗的作用。

图2-1平面四杆运动链替代后的机构

若要满足力或运动的扩大功能，则可分别选择瓦特链与斯蒂芬森链为原型的六杆运动链并使机构中同时存在凸轮高副和齿轮高副。先来讨论瓦特链的形式，如图2-2所示。根据运动副替代方法，可将瓦特链中的构件2与转动副B和C替代为凸轮副HS，构件l则为凸轮；构件4与转动副E和G替代为齿轮副HS，构件3为齿轮，构件5为齿条也即是滑块。接下来确定出三元素杆6为机架，即可设计出机构运动简图，如图2-3所示。图中l为主动凸轮，通过主动凸轮带动齿轮3摆动，再通过齿轮齿条的啮合，实现滑块5的往复移动输出，达到预期功能。

图2-2 替代后的瓦特链

图2-3 根据瓦特链创作的机构

再来看斯蒂芬森链，如图2-4所示。可将构件2和转动副B和C替代为凸轮副HS，构件1则为凸轮；构件5与转动副E和F替代为齿轮副HS，构件3为齿轮，构件6为齿条。此时三元素杆3既是与凸轮连接的从动杆，又是齿轮。三元素杆6则

既可能成为带固定齿条的机架(如图2-5a所示)，也可能成为与机架通过移动副连接的齿条滑块(如图2-5b所示)。从而可能得出两种不同结构的机构。

图2-4替代后的斯蒂芬森链

图2-5 根据斯蒂芬森链创新出的机构

图2-5a方案是以构件6为带固定齿条的机架，当输入转矩驱动凸轮1转动时，利用凸轮传动使齿轮3实现往复摆动，由于齿轮3与机架6所含齿条的啮合，齿轮3的中心相对于机架6成往复直线运动，再通过齿轮3与滑块4的铰接，最终形成滑块4相对于机架6的往复直线运动输出。图2-5b方案是以构件4为机架，通过凸轮驱动输入转动，再通过凸轮1将转动传递给齿轮3，齿轮3与滑块齿条6啮合，使滑块齿条6相对机架4作往复移动输出。在上述方案中为减少凸轮上的磨擦损耗均采用了滚子结构。

2、基于原机构的再生创新与综合

另一种基于现有装置的再生创新综合，其设计全过程可分如下5步：(1)明确所设计机器的功能要求，并作相关调研；(2)根据已有的机构将其转换成仅含构件和转动副的单铰运动链；(3)是根据原型单铰运动链的基本特性进行构型综合，即在机构自由度保持不变的情况下，根据需要可适当调整原机构杆件数，并对其各类运动链型综合而获得所有独立异构的运动链；(4)是根据设计的功能需求与约束条件，选取满足条件的运动链，并进行机构的演化与创新；(5)最后进行机构的结构化设计，得到机械装置的运动简图[5]。现以一个凸轮控制机构的创

新设计为例作简单讨论。

已知一凸轮控制机构使一个大质量M，按给定的行程D作往复运动，要求根据创新综合方法，提出其它设计方案，并要求比原机构能获得更大的机械效益。

首先应明确机构设计的基本功能是用机械效益大的凸轮控制机构去驱动连接点P，同时机构的自由度应为1。为简化问题，仅研究驱动点P之前的传动机构，它是F=1的凸轮摇杆机构，其对应运动链如图2-6所示。

图2-6 传动部分运动链图

接下来进行运动链的综合。因创新机构需要获得更大的机械效益，故应考虑增加机构杆件数。为保证自由度不变，最少应增加2个杆件，则得到新装置应为六杆运动链，它仅有2种独立异构型式，即瓦特链与斯蒂芬森链。以斯蒂芬森链为例，根据功能需求进行结构的演化。因该装置为凸轮控制机构，必然进行运动副的替代，即用一个凸轮副去替代运动链中的一个二元素杆与2个转动副，故得到演化后运动链，如图2-7所示，其中虚线表示的Hs即是凸轮副的替代部分[6]。

图2-7 斯蒂芬森链的代替

3、机构创新设计应用实例

折叠式担架车车能在急救中快速实现担架与担架车的转换，大大降低了急救时间。

图3-1 折叠式担架车的机构运动简图

如图3-1所示，台板承担病人，支杆和连杆通过若干个转动副与台板相连。该设备中应用了4个万向轮，同高度的4个为一组，展开时一组工作，折叠时另一组工作。连杆之间由转动副连接，该担架车由2套这种杆机构组合而成，其中左右对称的支杆－触板连杆－短连杆分别组成2套复合铰链。根据需要该车有2个工作状态：高位工作状态和低位工作状态。高位工作状态是该车作为担架车急救时推行所用；而低位工作状态则是该车作为担架或进入救护车时所用[7]。

当需要将担架车折叠或将其推上救护车时，只需要挨着锁死挂钩的急救人员将挂钩7旋转就可以打开，如图2所示。其后面的急救人员用力向前推，前面的支杆3’撞到车沿，向里面扣进来。由长连杆6’，短连杆5’和触板连杆4’组成的杆机构也就是E点向右上方移动，之后带动长连杆6’，在连杆6’的作用下，向右拉动支杆3，支杆3也随动向里面扣进去。随后由触板连杆4，短连杆5和长连杆6组成的杆机构，也就是B点向左上方移动，带动长连杆6，同时又给支杆3’ 一个向里面扣的力。这样就实现了自动平稳折叠的功能。在支杆全部收进去后，旋转挂钩，挂在车体的台板L点的柱销上，就实现了折叠时的锁死，其示意图如图3-2所示。

图3-2 折叠式担架车示意图

如果想要将担架车展开，只要将L点挂钩旋转，向外扳动一个触板连杆。例如扳动触板连杆4’，如图3-3所示，由连杆组成的转动副短连杆5’和触板连杆4’运动到一条直线上。连在E点的长连杆6’驱动支杆3展开。长连杆6也就是H点向右下方运动，同时驱动触板连杆4，短连杆5组成的转动副成一条直线，驱动支杆3展开，最后经长连杆之间它们相互作用成展开状态。展开后将挂钩挂在支杆的柱销上进行锁死。

图3-3 折叠式担架车的折叠状态

结论

进行机械创新设计要有两个必要条件：一是充分获取适用的知识；二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。运用机构学原理进行机械设计创新，首先要学习掌握相关的机构理论与已有的结构，才能在创新思维的指导下进行创新设计。参考文献

[1] 潘兆庆，周济.现代设计方法概论[M].北京：机械工业出版社，1991.[2] 孙建明.浅谈机械创新设计[M].全国机械设计教学研究，2005：52-54 [3] 黄茂林，秦伟.机械原理[M].重庆：重庆大学出版社，2002.[4] Johnson R C.机械设计综合[M].陆国豪，译.北京：机械工业出版杜.1987.[5] 罗金良，黄茂林.自适应运动链的构型综合及应用研究[J].机械设计与研究.2006，22(5)： [6] 冯俊.机构创新综合方法的应用[J ].机械设计,2009(4):45-47.[7] 王志学，刘一鸣，贾连斌，王凤兰.折叠式担架车机构创新设计[J].机械设计，2010（8）：

第四篇：机械创新设计

《创新设计》单元测验1

一、单项选择题

1、齿轮轮齿的啮合所构成的运动副属于（）。(C)A、移动副 B、低副 C、高副 D、转动副

2、新产品设计开发的第一个阶段是（）。(B)A、研究设计阶段 B、调查决策确定阶段 C、样机试制阶段 D、方案设计阶段

3、机械零件由于某些原因不能（）时称为失效。(C)A、工作 B、连续工作 C、正常工作 D、负载工作

4、下面不属于机械零件的失效形式的是（）。(D)A、整体断裂 B、过大的残余变形 C、表面破坏 D、摩擦

5、下面不属于机械零件的设计准则的是（）。(A)A、美观准则 B、刚度准则 C、强度准则 D、可靠性准则

6、通常把机构解释为（）。(A)A、具有确定相对运动构件的组合B、具有确定相对运动元件的组合

C、具有确定相对运动机件的组合 D、具有确定相对运动零件的组合

7、在平面机构中，机构的原动件的自由度应为（）。(B)A、0 B、1 C、2 D、3

8、在平面机构中原动件数目（）机构的自由度时，该机构的运动将不完全确定。(C)A、大于 B、等于 C、小于 D、以上都不正确

9、平面机构具有确定运动的条件是（）。(B)A、机构的自由度大于零

B、机构的自由度等于原动件数

C、机构的自由度大于1 D、机构的自由度小于零

10、在一个零件的磨损过程中，代表使用寿命长短的是（）。(B)

11、国家知识创新体系包括（）。(D)

A、知识创新体系 B、技术创新体系 C、知识传播系统和知识应用系统 D、以上均是

12、目前世界上的发明专利（）掌握在发达国家手里。(A)A、90% B、80% C、70% D、60%

13、我国关键技术对外依存率达到（），与发达国家的差距还非常大。(B)A、40% B、50% C、60% D、70%

14、美国经济学家舒彼特在1912年出版的“经济发展理论”中提出创新的具体内容包括（）。(D)A、采用新技术 B、生产新产品 C、研制新材料和开辟新市场 D、以上均是

15、在国际竞争中，国防、工业、农业等领域内的竞争越来越表现魏科学技术能力和人才的竞争，特别是（）的竞争。(B)A、高技能型人才 B、创新型人才 C、高学历型人才 D、科技复合型人才

16、从创新的内容来看，一般把创新分为（）。(C)A、知识创新和技术创新两部分 B、知识创新和应用创新两部分 C、知识创新、技术创新和应用创新三部分 D、应用创新和技术创新两部分

17、知识创新又称为（）。(C)A、技术创新 B、应用创新 C、理论创新 D、文化创新

18、社会实践中，创新方式指（）。(D)

A、由无到有的创新 B、从由到新的创新 C、凭空创新 D、包括A和B项

19、自行车和缝纫机应属于（）。(A)A、机器 B、机构 C、通用零件 D、专用零件 20、一般的机械钟表应属于（）。(B)A、机器 B、机构 C、通用零件 D、专用零件

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21、（）可以用来代替人的劳动，完成有用的机械功或实现能量转换。(B)A、机构 B、机器 C、构件 D、零件

22、构件是机器中每一个独立（）的刚性单元体。(B)A、制造 B、运动 C、分析 D、设计

26两构件在未构成运动副之前，在空间中它们共有（）个相对自由度。(D)A、3 B、4 C、5 D、6

29、在平面机构中，如果引入一个平面低副（转动副和移动副），则提供（）个约束。(B)A、1 B、2 C、3 D、4 30、在平面机构中，如果引入一个平面高副，则提供（）个约束。(A)A、1 B、2 C、3 D、4

二、多项选择题

1、(ABCD)要进行机械创新首先应了解机械原理（）方面。

A、机构结构和运动分析基本知识 B、机器动力学

C、常用机构的分析与设计 D、机械系统的方案设计

2、机械原理研究的对象是（）。(AD)A、机构 B、构件 C、运动副 D、机器

3、机构结构分析的主要内容和目的是（）。(ABCD)A、研究机构的组成及机构运动简图的绘制

B、掌握机构具有确定运动的条件 C、研究机构的组成原理 D、研究机构的结构分类

4、关于运动副的解释下面的叙述正确的是（）。(ABC)A、运动副是一种连接

B、运动副由两个构件组成

C、组成运动副的两个构件之间有相对运动 D、运动副可以由一个构件组成

5、在绘制机构的运动简图的过程中，下面的叙述（）必须明确表示出来。(ABCD)A、构件的数目和长度

B、运动副的类型、数目和运动副之间的相对位置 C、机构的原动件 D、机构的机架

6、下面关于运动的分类，按照运动副接触部分的几何形状分类的有（）。(ABC)A、圆柱副 B、球面副 C、螺旋副 D、移动副

7、下面的机器是利用机械的振动来工作的有（）。(ABD)A、按摩机 B、振动台 C、发电机 D、振动运输机

8、对于静不平衡的转子，只需要（）就可以获得平衡。(AB)A、在同一个平面内增加一个平衡质量

B、在同一个平面内除去一个平衡质量

C、分别在两个平面内各增加一个平衡质量 D、分别在两个平面内各除去一个平衡质量

三、判断题

1、从运动学的角度看，机构与机器是相同的。（）(A)

3、各种机构都是用来传递与变换运动和力的可动装置（）。(A)

5、机构是把一个或多个构件的运动，变换成其他构件所需运动的确定运动构件系统（）。(A)

6、机器中独立运动的刚性单元体，称为零件（）。(B)

7、一个构件可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若干不同零件组装起来的刚性体（）。(A)

8、虚约束对运动不起作用，也不能增加构件的刚性（）。(B)

9、若两个构件之间组成两个导路平行的移动副，在计算自由度时应算作两个移动副（）。(B)

11、当机构的自由度F>0，且等于原动件数，则该机构具有确定的相对运动（）。(A)

12、虚约束对机构的运动不起作用（）。(B)

14、机构的运动不确定，就是指机构不能具有相对运动（）。(B)

15、机构的运动简图是用来表示机构结构的简单图形（）。(B)

16、在绘制机构运动简图时，必须按比例绘制，否则，不能表明构件之间的相对运动关系（）。(A)

18、平面机构中如果有4个构件在同一处用铰链连接在一起，则它们构成了4个转动副（）。B

共 3 页 第 ２ 页

19、平面机构中的虚约束，如果制造、安装精度不够时，会成为真约束（）。(B)

21、从机构组成看，机构可看作为构件与运动副的组合，也可以看作为原动件与机架和从动件的组合（）。(A)

22、只要两个以上的构件汇交在一起，并有回转副存在，就一定存在复合铰链（）。(B)

24、机构中有一个固定不动的构件称为机架，故机架相对于地面肯定是固定不动的()。(B)

25、构件是组成机构的基本要素之一，而运动副是机械原理中最重要的概念之一（）。(A)

26、从运动学的角度分析，任何机器都是由若干（两个以上）构件组合而成（）。(A)

27、构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的系统称为运动链（）。(A)

29、同一机构因所取的原动件不同，有可能成为不同级别的机构，但当机构的原动件确定后，杆组的拆法和机构的级别就一定了（）。(A)30、当机械自锁时，机械已经不能运动，所以此时机械所能克服的生产阻抗力为小于等于零的值（第 ３ 页

共 3 页。(A)）

第五篇：机械创新设计

机械创新设计作业

1.前言

机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业械手”

在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。

2.创新内容和过程

根据日常生活中的老虎钳观察，通过逆向思维方法进行对经典老虎钳进行改造，对老虎钳运动进行综合分析结合用液压缸进行驱动的特点进行创新设计。

2.1创新所依据的思想、原理、方法

类比思想，通过类比思想对人手大拇指的加持运动，进行分析想象经过抽象思维进行简化建模。从而寻求最佳的解决方案。

逆向思维思维也叫求异思维，它是对司空见惯的似乎已成定论的事物或观点反过来思考的一种思维方式。敢于“反其道而思之”，让思维向对立面的方向发展，从问题的相反面深入地进行探索，树立新思想，创立新形象。当大家都朝着一个固定的思维方向思考问题时，而你却独自朝相反的方向思索，这样的思维方式就叫逆向思维。人们习惯于沿着事物发展的正方向去思考问题并寻求解决办法。其实，对于某些问题，尤其是一些特殊问题，从结论往回推，倒过来思考，从求解回到已知条件，反过去想或许会使问题简单化。大家都非常熟悉老虎钳结构，当它与我们熟知的液压气动装置结合就可以成为一个可用的自动化装置。

2.2创新的原理方案

第一步寻找各种钳子的图片，分析合理性找到适合做机械手的一种。

总长300，厚度60，最宽处100，画零件图。

第三步，进行三维建模。

装配。

第四步，改进和动画模拟。frame.avi

第五部，创建工程图

总结或结论，本次创新设计通过对传统日用工具-手钳的观察，改进，重新设计使老虎钳用于自动化设备成为可能。本产品适用于加持锻件、型材等重型，大型物件。具有结构简单，运行可靠的特点能作为机械自动化设备的子系统的一部分，具有模块化的特点。但由于本人能力有限，该作品也具有它自然的缺陷，如过于笨重臃肿，不灵活动态特性不好等缺陷，希望得到老师的指导和斧正。