機械創(chuàng)新設(shè)計作業(yè)

《機械創(chuàng)新設(shè)計》課程作業(yè)

題目：護欄清潔機___________

目錄

1前言

1、1課題的意義目的及背景

1、2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢

1、3課題的指導(dǎo)思想

1、4所要解決主要問題

2原理方案設(shè)計

2、1功能設(shè)計法的簡介

2、2功能分析

2、3功能原理分析

2、4功能分解并列出功能樹

2、5功能求解列出功能元解形態(tài)學(xué)矩陣

2、6組合形成幾種可用原理方案

2、7建立評價目標(biāo)進行方案評價

3機構(gòu)設(shè)計

3、1機構(gòu)設(shè)計原則的運用與討論

3、2機構(gòu)的選型

3、3機構(gòu)方案評價

3、4機構(gòu)的構(gòu)型

4結(jié)構(gòu)設(shè)計

4、1概述

4、2結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計

4、3設(shè)計結(jié)果介紹

5結(jié)論

6謝辭

7附件

摘要

工業(yè)化的建設(shè)使城市人口與車輛逐年增多，人、車道路交通產(chǎn)生很大的矛盾,

幾乎所有道路擁擠的地方都安上了護欄隔離,城市公路中央護欄可以引導(dǎo)駕駛員

的視線，以防車輛駛出路外造成交通事故。隔離護欄經(jīng)過日曬雨淋,經(jīng)常就是臟兮

兮的，不僅影響路容的整潔美觀，而且護欄本身容易損耗。城市公路中央護欄的清

洗，不僅就是為了整潔的市容，而且能夠延長護欄的使用壽命。為了保持城市公路

中央護欄良好的引導(dǎo)視線功能與清潔美觀，需要對護欄進行定期清洗。人工清洗

護欄的勞動強度大，清洗效率低，每人每天大約只能清洗600米左右。白天車流量

很大，人工清洗護欄不安全且影響交通，一般在晚上車流量相對較小時清洗，而晚

上清洗時經(jīng)常有發(fā)生車撞環(huán)衛(wèi)工人的事故。于就是城市公路中央護欄清洗機的出

現(xiàn)具有實際的意義。。

關(guān)鍵詞：護欄清潔；智能化；環(huán)衛(wèi)

機械創(chuàng)新設(shè)計作業(yè)

1前言

1.1、課題的意義目的及背景

目前,針對城市道路護欄的清洗方式主要有兩種:人工清洗與借助汽車所配

高壓水洗刷清洗。但人工清洗環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度大、清洗效率低，一般每人每

天只能清洗300米左右的護欄;且環(huán)衛(wèi)工人作業(yè)時身處于高速行駛的機動車輛中

間，容易發(fā)生安全事故,尤其就是在交通道路比較狹窄的地段危險系數(shù)更高;經(jīng)常

身處汽車噪音大、車量尾氣濃度高的工作環(huán)境下對工人的身心健康也造成了很大

的損害。車載式高壓水洗刷清洗一次性投入過高,一般中小城市難以承受;且由于

車輛行駛路線不能保證與道路護欄平行,無法清洗護欄處就目前國內(nèi)的情況來瞧,

絕大部分城市的道路護欄的清洗工作依然靠人來清洗。在車行逆向的部分表面；

耗水量大,清洗效果不佳,對城市交通也有一定影響。

我國擁有655個大中型城市,全國各大中小城市,需要清洗的城市護欄更。各

市、各區(qū)、各縣對其需求都很顯著，新型護欄清洗設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢與成本優(yōu)勢的

運用都將降低傳統(tǒng)的人力清洗過程所造成的人力資本的耗費。本項目可以運用于

城市道路護欄，高速公路護欄、公園、社區(qū)等護欄的清洗，各省市區(qū)市政集團各

市區(qū)環(huán)衛(wèi)部門、物業(yè)公司、各單位后勤集團、各高速公路養(yǎng)護單位都將可能成為

本項目產(chǎn)品的潛在用戶。一般情況,2-3個月護欄就需要一次清洗,如采用人工

方式,按300m/人/天,人工費0、1元/m算,若某城市的護欄總長為1000km,則每

年除去耗材費用，僅人工投入就需要45萬元,我國655個城市的投入就為2.9475

億元，數(shù)額巨大,并且容易引發(fā)交通事故,造成額外賠償。如采用車載式清洗方式，

買臺售價都在15萬元以上,按照每個城市采購10兩車計算,總的投資成本9,825

億元,并且耗水量大,冬季容易造成路面結(jié)冰，引發(fā)交通事故。因此本項目具有廣

闊的市場前景。

1、2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢

(1)國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢：

從國內(nèi)情況瞧,隨著城市道路里程的不斷增加,對護欄養(yǎng)護工作提出了新的、更

高的要求，其研制開發(fā)工作因而也備受重視，在引進、消化、吸收國外先進技術(shù)的

基礎(chǔ)上,近幾年來獲得了一定成都的發(fā)展。目前已實現(xiàn)市場銷售的護欄清洗機械

主要有:北京科力威清潔機械廠生產(chǎn)的永江牌護欄清洗車、山西省交通科學(xué)研究

院開發(fā)研制的HXC-300型高等級公路護欄清洗車,采用液壓機構(gòu)驅(qū)動自動調(diào)控

的立體高速滾刷,可同時刷洗護欄兩面,并根據(jù)護欄的高矮寬窄，自動進行伸縮調(diào)

整,最高可對1、6米的護欄進行清洗，但浪費水資源,成本太高，價錢最低也在三

十五萬元人民幣以上。目前處于研究狀態(tài)的的有海軍工程大學(xué)舉行第三屆全國

大學(xué)生機械創(chuàng)新大賽上獲一等獎的浙江大學(xué)的作品新型高速公路護欄清洗裝置

與華中科技大學(xué)的作品護欄清洗機,能過實現(xiàn)自動化清洗，但沒有設(shè)置避障系統(tǒng)，

同時護欄尺寸發(fā)生變化時難以適應(yīng),并沒有在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。所以開發(fā)一

種適合中國國情的低成本、高效率的護欄清洗裝置具有一定的現(xiàn)實意義與良好的

市場前景。

(2)國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

從國外情況瞧,上世紀(jì)80年代中期新建公路速度趨于平緩,道路護欄養(yǎng)護工作

已經(jīng)提到十分重要的位置(如美國每年要花費150億美元維護本國400萬km公路

網(wǎng)；法國國營及A級道路中國道里程共29700km,用于國道養(yǎng)護的機械、車輛就達

6萬多臺)。為適應(yīng)養(yǎng)護工作需要，國外工業(yè)發(fā)達的國家將大量的資本與開發(fā)精力

開始投向養(yǎng)護機械的研制生產(chǎn),從而使國外養(yǎng)護機械得到了迅速發(fā)展。其產(chǎn)品類

型與技術(shù)均達到了比較完善的高度。

1、3課題的指導(dǎo)思想

護欄清洗機以護欄為導(dǎo)軌,采用履帶側(cè)邊驅(qū)動前進,結(jié)合平行四邊形機構(gòu)實

現(xiàn)越障;兩對清洗刷刷與水循環(huán)系統(tǒng)有效地保證良好的清洗效果。

1、4所要解決主要問題

(1)建議機構(gòu)制作問題

(2)自動導(dǎo)向裝置問題

(3)實現(xiàn)無人干預(yù)、自動行走設(shè)計

2原理方案設(shè)計

2、1功能設(shè)計法的簡介

方案設(shè)計階段針對產(chǎn)品的主要功能提出原理性的構(gòu)思,搜索解決問題的物理

效應(yīng)與工作原理，并利用機構(gòu)運動簡圖、液路圖、電路圖等表達構(gòu)思內(nèi)容。

原理方案設(shè)計對于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝、成本、性能與使用維護等都有很大的

影響。方案設(shè)計就是決定產(chǎn)品水平與競爭能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此原理方案的創(chuàng)新

設(shè)計有著舉足輕重的作用。

工程設(shè)計的內(nèi)容錯綜復(fù)雜，如果孤立靜止地分析其某方面的問題，得出的結(jié)

論往往就是片面的、局限的。系統(tǒng)工程方法就是將事物當(dāng)作一個整體系統(tǒng)來研究,

分析系統(tǒng)各組成部分之間的有機聯(lián)系與系統(tǒng)與外界環(huán)境的關(guān)系，就是較全面的綜

合研究方法。在原理方案設(shè)計過程中，往往利用系統(tǒng)工程的觀點、方法解決復(fù)雜

的問題。

原理方案的設(shè)計就是“發(fā)散一一收斂”的過程。此過程中，往往就是通過功

能設(shè)計法來入手的。

功能設(shè)計法的目的在于,按照能量流、物質(zhì)流、信息流將產(chǎn)品開發(fā)的內(nèi)容分

解,從而在設(shè)計的初始階段明確產(chǎn)品設(shè)計所要求的功能。用功能設(shè)計法進行原理

方案設(shè)計就是緊緊圍繞功能的分析、求解與組合實施的。

功能就是產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)特定的工作能力抽象化的描述。它與產(chǎn)品的用途、

能、性能等概念不盡相同。功能的描述要準(zhǔn)確、簡潔，合理地抽象，抓住其本質(zhì)，

避免帶有傾向性的提法,這樣能避免方案構(gòu)思時形成種種框框，使思路更為開闊。

本組創(chuàng)新設(shè)計既就是按照功能設(shè)計法的一般步驟進行了原理方案設(shè)計。分為

總功能分析、工作原理分析與功能描述、功能元求解、系統(tǒng)求解、優(yōu)化系統(tǒng)解。

2、2功能分析

總功能分析遵循一些基本原則：

a、能量守恒原則，即任何流入系統(tǒng)的能量等于系統(tǒng)輸出與存儲的能量。

b、物質(zhì)守恒原則，即任何流入系統(tǒng)的質(zhì)量等于系統(tǒng)流出與儲存的質(zhì)量。

c、列出所有與系統(tǒng)相互作用的對象或系統(tǒng)界面。

d、用動詞來表達總功能中的能量流、物質(zhì)流與信息流。

總功能分析常用方法為黑箱法，本設(shè)計的黑箱法描述如圖2、1所示。

總功能分析的黑箱法對本組設(shè)計的整體概述即就是將對護欄進行清洗并行

走,在黑箱里實現(xiàn)護欄的清洗，同時實現(xiàn)機器的行走。黑箱內(nèi)具體的內(nèi)容將會在功

能設(shè)計法接下來的步驟中構(gòu)思出來。

2、3功能原理分析

清洗裝置設(shè)有動力源，清洗裝置至少包括動力源、升降機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、推

桿式裝夾機構(gòu)、與清洗機構(gòu),動力源為液壓缸與升降機構(gòu)與伸縮機構(gòu)較接傳遞動

力,裝夾機構(gòu)的推桿一端與動力源液壓缸用銷軸固定，另一端與裝夾機械手用銷

軸固定,清洗機構(gòu)的清洗刷與機械手連接。

機車上設(shè)有水源,機車側(cè)設(shè)有安裝座,清洗裝置安裝在安裝座上。如下圖2、

2

圖2、2護欄清洗

所述的升降機構(gòu)包括機座、升降油缸;所述的升降油缸固定安裝在機座上。

所述的伸縮機構(gòu)包括固定底座、大臂、小臂、液壓缸；固定底座下表面與升

降機構(gòu)用銷軸連接,上表面與大臂銷軸連接,大臂液壓缸用銷軸與固定底座連接，

大臂與小臂銷軸連接，小臂液壓缸固定連接在大臂上，小臂一端與小臂液壓缸銷

軸連接，小臂另一端與裝夾機構(gòu)連接。如圖2、3

圖2、3

所述的推桿式裝夾機構(gòu)包括裝夾固定機座、推桿、機械手、液壓缸;裝夾固

定機座上表面與伸縮機構(gòu)的小臂銷軸連接,下表面設(shè)有機械手固定架,并與機械

手銷軸連接,推桿與裝夾固定機座中心孔配合,一端與裝夾機構(gòu)液壓缸銷軸連接,

另一端與機械手銷軸連接。

清洗機構(gòu)包括清洗刷及固定銷軸;清洗刷為一對長方體形,相向布置,與機

械手固定連接。如圖2、4

本發(fā)明提供的護欄清洗機，它主要就是搭載在現(xiàn)有的灑水車上，由所搭載

的機車提供前進的動力與水源。通過其裝在車身側(cè)面的升降機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、推

桿式裝夾機構(gòu)及清洗機構(gòu)的清洗刷對道路護欄進行清洗與保養(yǎng),當(dāng)清洗工作結(jié)束

后，可將升降機構(gòu)降下，將伸縮機構(gòu)收縮放置在車身的一側(cè)。這樣在非工作狀態(tài)可

以正常行駛而不會影響交通，使用方便。

本發(fā)明的清洗機構(gòu)有效的解除了城市道路人工清洗的繁雜勞動,彌補了目

前其她清洗車的不足,而且具有結(jié)構(gòu)合理,成本低,效率高，節(jié)能，自動化程度高，

操作簡單,安全性高。

首先清洗機功能在機器操縱下即可進行，并無特異之處，但可以考慮在夾持

裝置上設(shè)計一下改變夾持動作與加持機構(gòu)。如圖2、5

圖2、5

所述清洗組件由滾刷支架與分別固定于所述滾刷支架上的柱狀滾刷與防濺

罩組成，其特征在于:所述調(diào)節(jié)機構(gòu)包括活動連接于所述固定架與所述清洗組件

之間的連接架、設(shè)置于所述連接架上、用于調(diào)節(jié)所述清洗組件上下位置的升降油

缸、用于調(diào)節(jié)所述清洗組件在正常范圍內(nèi)上下位移的斜置式伸縮油缸、用于調(diào)節(jié)

清洗組件左右擺動幅度的水平向擺動調(diào)節(jié)油缸；以及用于調(diào)節(jié)清洗組件垂直面前

傾、上仰的垂直向擺動調(diào)節(jié)油缸組。本實用新型適用于公路護欄的清洗。

手部它具有人手某種單一動作的功能，由于抓取物件的形狀不同，手部有夾

持式與吸附式等形式。

夾持式手部就是由手指與傳力機構(gòu)所組成，手指就是直接與物件接觸的機構(gòu),

常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型與平移型。

吸附式手部有負壓吸盤。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓

吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式與真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類與帶孔

的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力有直

流電磁鐵與交流電磁鐵產(chǎn)生。

由于清洗欄桿時,不適合用吸附式,所以我們采用的就是夾持式的構(gòu)件。

2、4功能分解并列出功能樹

一般技術(shù)系統(tǒng)都比較復(fù)雜,難以直接求得滿足總功能的原理解?？衫孟到y(tǒng)

工程方法通過分解功能元解的有機組合求得技術(shù)系統(tǒng)解。

功能分解可表示為樹狀的功能結(jié)構(gòu),稱為功能樹。通過對分功能的大體描述

可以獲得較詳盡的功能元構(gòu)架如下圖2、60

將各功能元解合理組合可以得到多個系統(tǒng)原理解。

一般采用形態(tài)綜合法進行組合，將技術(shù)系統(tǒng)的功能元與相應(yīng)的功能元解分別

作為縱、橫坐標(biāo)列為系統(tǒng)解的形態(tài)學(xué)矩陣綜合表。將每個功能元的一種功能元解

進行有機組合即構(gòu)成一個系統(tǒng)解。

探求葛總功能元解并列出形態(tài)學(xué)矩陣綜合表，如表2、1所示。

表2、1護欄清潔機原理方案形態(tài)學(xué)矩陣綜合表

功能元功能元解

123456

A動力源電動機汽油機柴油機蒸汽透液動機氣動馬達

平

B腰部回轉(zhuǎn)液壓傳動蝸輪蝸桿

C夾持裝置吸附式夾持式

D夾持裝置升降旋轉(zhuǎn)平移

運動

2、6組合形成幾種可用原理方案

在多個系統(tǒng)解中，首先根據(jù)不相容性與設(shè)計邊界條件的限制刪去不可行的方

案與明顯不理想的方案，選擇較好的幾個方案通過定量的評價方案評比、優(yōu)化，

最后求得最佳原理方案。

可能組合的方案數(shù)N為

N=6X2X2X3=72

經(jīng)過功能分析法我們求得了多個系統(tǒng)解,但這些原理方案并不一定滿足最初

的設(shè)計背景與產(chǎn)品分析結(jié)論,需要歲這些系統(tǒng)解進行評價。

2、7建立評價目標(biāo)進行方案評價

工程設(shè)計要解決的就是復(fù)雜、多解的問題。獲得盡可能多的方案，然后通過

評價從中選擇最佳方案,在發(fā)散-收斂的過程中創(chuàng)新，這就是合理設(shè)計的重要思

路。在設(shè)計各階段確定工作原理方案、機構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)方案的過程中，都要進行

搜索與篩選,通過逐段評價才能得到價值優(yōu)化的合理方案。評價不僅要對方案進

行科學(xué)分析與評定，還應(yīng)針對方案在科技、經(jīng)濟方面的弱點加以改進與完善。廣

義的評價實質(zhì)上就是產(chǎn)品開發(fā)的優(yōu)化過程。

對一個產(chǎn)品或技術(shù)方案進行科學(xué)的評價,首先應(yīng)確定其評價目標(biāo)以作為評價

的依據(jù),然后再針對評價目標(biāo)給予定性或定量的評價。在總評價目標(biāo)的分解與各

分目標(biāo)評價值的組合過程中,仍采用系統(tǒng)工程分析方法。

評價目標(biāo)的內(nèi)容：

作為產(chǎn)品或技術(shù)方案評價依據(jù)的評價目標(biāo)(評價準(zhǔn)則)一般包含以下三個方

面的內(nèi)容：

(1)技術(shù)評價目標(biāo):工作性能指標(biāo)、加工裝配工藝性、使用維護性、技術(shù)上的先進

性等。

(2)經(jīng)濟評價目標(biāo):成本、利潤、投資回收期等。

⑶社會評價目標(biāo):方案實施的社會影響、市場效應(yīng)、節(jié)能、環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)

展等。

首先我們通過對比等手段將那些實際情況不符的設(shè)計以及市面上已有的設(shè)

計進行了刪除。初步按照前述分析選定組合A3-B1Y2的原理方案。

然后設(shè)立評價目標(biāo)對需要進一步評價的系統(tǒng)解進行定量的評價，見表2、20

表2、2護欄清潔機初定原理方案評價目標(biāo)

性能參數(shù)運行速度、清洗質(zhì)量

運行參數(shù)維修性、壽命

經(jīng)濟性價格

社會性外觀

定量評價時需根據(jù)各目標(biāo)的重要程度設(shè)置加權(quán)系數(shù)。

加權(quán)系數(shù)就是反映目標(biāo)重要程度的量化系數(shù)，加權(quán)系數(shù)大意味著重要程度

高。為便于分析計算,取各評價目標(biāo)加權(quán)系數(shù)gi<l,且Egi=l。

加權(quán)系數(shù)值一般由經(jīng)驗確定或采用強制判定法計算。強制判定法操作時將評

價目標(biāo)與比較目標(biāo)分別列于判別表的縱、橫坐標(biāo)上，如表2-3所示。根據(jù)評價目

標(biāo)的重要程度兩兩加以比較,并在相應(yīng)格中給出評分。兩目標(biāo)同等重要各給2分;

某項比另一項重要分別給3分與1分;某項比另一項重要得多則分別給4分與0

分。最后通過計算求出各加權(quán)系數(shù)gi。

式中，k「各評價目標(biāo)的總分；I

n-評價目標(biāo)數(shù)。

表2、3護欄清潔機初定原理方案的加權(quán)系數(shù)判別表

淤較目標(biāo)

運行速度價格維修性壽命外觀K.加權(quán)系數(shù)

運行速度'

X3444150、375

價格1X334110、275

維修性01X2360、15

壽命012X360、15

外觀0011X20、05

￡ki=40Sgt=l

目標(biāo)樹就是分析表達評價目標(biāo)的一種有效手段。

為便于定性或定量評價，用系統(tǒng)分析方法對目標(biāo)系統(tǒng)進行分解并圖示，將總

目標(biāo)具體化為目標(biāo)元,從而形成目標(biāo)樹,如下圖所示2、7

方案評定為可行、較好的原理方案。

3機構(gòu)設(shè)計

3、1機構(gòu)設(shè)計原則的運用與討論

一個好的機械原理方案能否實現(xiàn),機構(gòu)設(shè)計就是關(guān)鍵。而機構(gòu)設(shè)計中最富有

創(chuàng)造性、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是機構(gòu)形式的設(shè)計。常用的機構(gòu)形式設(shè)計方法有兩大類,

即機構(gòu)的選型與機構(gòu)的構(gòu)型。但機構(gòu)形式的設(shè)計具有多樣性與復(fù)雜性，滿足同一

原理方案的要求可采用或創(chuàng)造不同的機構(gòu)類型。在進行機構(gòu)形式設(shè)計時,除滿足

運動形式運動規(guī)?；蜻\動軌跡要求外，還應(yīng)遵循以下幾項原則。

⑴機構(gòu)盡可能簡化原則：

即完成同樣運動要求，應(yīng)優(yōu)先選用構(gòu)件數(shù)與運動副數(shù)較少的機構(gòu)，這樣可以簡

化機器的構(gòu)造，從而減小質(zhì)量、降低成本;同時也可減少由于零件的制造誤差而形

成的運動鏈的累積誤差,提高零件加工工藝性，增強機構(gòu)工作可靠性。運動鏈簡短

還有利于提高機構(gòu)的剛度，減少產(chǎn)生振動的環(huán)節(jié)。

(2)適當(dāng)選擇運動副

在基本機構(gòu)中，高副機構(gòu)只有3個構(gòu)件與3個運動副，低副機構(gòu)則至少有4

個構(gòu)件與4個運動副。因此，從減少構(gòu)件數(shù)與運動副數(shù)及簡化設(shè)計等方面考慮,

應(yīng)優(yōu)先采用高副機構(gòu)。但從低副機構(gòu)的運動副元素加工方便、容易保證配合精度

以及有效高的承載能力等方面考慮，應(yīng)優(yōu)先采用低副機構(gòu)。所以選擇何種機構(gòu)，應(yīng)

根據(jù)具體設(shè)計要求全面衡量得失，盡可能做到“揚長避短”。

在一般情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮低副機構(gòu)，而且盡量少采用移動副(制作中不易保

證高精度，運動中易出現(xiàn)自鎖)。在執(zhí)行構(gòu)件的運動規(guī)律要求復(fù)雜，采用連桿機構(gòu)很

難完成精確設(shè)計時,應(yīng)考慮采用高副機構(gòu)，如凸輪機構(gòu)或連桿-凸輪組合機構(gòu)。

⑶適當(dāng)選擇原動機

執(zhí)行機構(gòu)的形式與原動機的形式密切相關(guān)，不要僅局限于選擇電動機驅(qū)動形

式。在只要求執(zhí)行構(gòu)件實現(xiàn)簡單的工作位置變換的機構(gòu)中,采用氣缸或液壓缸比

較方便，同采用電動機驅(qū)動相比,可省去一些減速傳動機構(gòu)與運動變換機構(gòu)，從而

可縮短運動鏈，簡化結(jié)構(gòu)，且具有傳動平穩(wěn)、操作方便、易于調(diào)速等優(yōu)點。

止匕外，改變原動機的傳輸方式也可能使結(jié)構(gòu)簡化。在一臺機器中只采用一個

原動機驅(qū)動不一定就就是最簡方案。

(4)盡量縮小機構(gòu)尺寸原則

機械的尺寸與質(zhì)量隨所選用的機構(gòu)類型不同而有很大差別。眾所周知，在相

同的傳動比情況下，周轉(zhuǎn)輪系減速器的尺寸與質(zhì)量比普通定軸輪系減速器要小的

多。

⑸使機構(gòu)具有較好的動力學(xué)特性原則

機構(gòu)在機械系統(tǒng)中不僅起到傳遞運動的作用，而且還要起到傳遞與承受力或

力矩的作用,因此要選擇有較好的動力學(xué)特性的機構(gòu)。因此就要求相應(yīng)機構(gòu)要采

用傳動角較大的機構(gòu)，采用增力機構(gòu)與對稱布置的機構(gòu)。

通過以上分析可知，本組的設(shè)計與選定原理方案的實現(xiàn)都相對較簡單明了，沒

有一種切片機涉及多少傳動傳力的復(fù)雜情況，也沒有聯(lián)系機電系統(tǒng)的的必要。所

以機構(gòu)設(shè)計不會考慮電動機、運動副等情況，更沒有必要加上這些瞧似能實現(xiàn)高

度自動化的機構(gòu)。

創(chuàng)新設(shè)計的目的就是為了實用方便，由此本設(shè)計機構(gòu)通過機構(gòu)選型便可以得

到滿意結(jié)果,而且會相對快速簡單，沒有必要進行學(xué)識要求更高的機構(gòu)構(gòu)型來尋找

結(jié)果。

3、2機構(gòu)的選型

所謂機構(gòu)的選型就是指利用發(fā)散思維的方法，將前人創(chuàng)造發(fā)明的各種機構(gòu)按

照運動特性或可實現(xiàn)的功能進行分類,然后根據(jù)原理方案確定的執(zhí)行構(gòu)件所需要

的運動特性或?qū)⒁獙崿F(xiàn)的功能進行搜索、選擇、比較與評價，選出合適的機構(gòu)形

式。

一般機構(gòu)選型可分為按運動形式要求選擇機構(gòu)與按機構(gòu)特定功能進行選型。

(1)按運動形式要求選擇機構(gòu)

機構(gòu)選型一般先按執(zhí)行構(gòu)件的運動形式要求選擇結(jié)構(gòu)，同時還應(yīng)考慮機構(gòu)

的特點與原動機的形式。

實現(xiàn)同一功能或運動形式要求的機構(gòu)可以有多種類型，造型時應(yīng)盡可能搜

索到現(xiàn)有的各種機構(gòu)，以便選出最優(yōu)方案。

（2）按機構(gòu)特定功能進行選型

當(dāng)機器執(zhí)行動作的功能（如夾緊、分度、定位、制動、導(dǎo)向等）很明確時，

設(shè)計者可按照其功能要求查閱有關(guān)手冊，分析具有相應(yīng)功能的各類機構(gòu)，進行選

擇。方案設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計要求進行選型,并進行綜合評價。

本組設(shè)計的清洗機,確定按照液壓傳動與連桿傳動的運動形式要求選擇機構(gòu)。運

動形式就是液壓傳動、連桿傳動還有滑塊往復(fù)移動。所以查閱資料可知能夠

知道實現(xiàn)往復(fù)運動的機構(gòu)有以下幾種：

①曲柄搖桿機構(gòu)：

具有一個曲柄與一個搖桿的錢鏈四桿機構(gòu),通常，曲柄為主動件且等速轉(zhuǎn)動,

而搖桿為從動件作變速往返擺動,連桿作平面復(fù)合運動。曲柄搖桿機構(gòu)中也有用

搖桿作為主動構(gòu)件，搖桿的往復(fù)擺動轉(zhuǎn)換成曲柄的轉(zhuǎn)動。圖3、1

圖3、1

②凸輪機構(gòu)：

由凸輪,從動件與機架三個基本構(gòu)件組成的高副機構(gòu)。凸輪就是一個具有曲

線輪廓或凹槽的構(gòu)件,一般為主動件，作等速回轉(zhuǎn)運動或往復(fù)直線運動。凸輪機構(gòu)

在應(yīng)用中的基本特點在于能使從動件獲得較復(fù)雜的運動規(guī)律。圖3、2

丞2[二0

tanct丸r2)

圖3、2

③曲柄滑塊機構(gòu)：

用曲柄與滑塊來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動與移動相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機構(gòu)。圖3、3

圖3、3

這些機構(gòu)都就是在機械設(shè)計之中經(jīng)常用到的，其中有很多就是通過電機驅(qū)動

的機械機構(gòu)。雖然都能實現(xiàn)往復(fù)運動,但就是傳動效率低,不適合本設(shè)計的選擇要

求。

換而言之,本設(shè)計需要電機帶動增加傳動效率，一定要做到相對省力的機構(gòu)

設(shè)計,否則也就是與設(shè)計初衷不相符的。在這些要求下,通過查找資料發(fā)現(xiàn)挖掘機

的設(shè)計與本設(shè)計的原理方案非常近似，但運動的轉(zhuǎn)化,采用的工作原理并不相同，

所以我們采用了挖掘機的組合式動臂。

下圖為組合式動臂的兩種形式圖3、4

圖3、4

3、3機構(gòu)方案評價

在經(jīng)過機構(gòu)選型之后下面開始對于機構(gòu)方案進行評價。首先要確定評價指標(biāo)

與評價體系,然后就是典型機構(gòu)的性能、特點的評價。

滿足同一運動形式或功能要求的機構(gòu)方案有很多，對這些方案應(yīng)從運動性

能、工作性能及動力性能方面進行綜合評價。需要指出的就是，各項評價指標(biāo)及

其具體項目，就是根據(jù)機械系統(tǒng)設(shè)計的主要性能要求與機械設(shè)計專家的意見設(shè)定

的。對于不同的設(shè)計任務(wù),應(yīng)根據(jù)具體情況擬定不同的評價體系。

只有建立科學(xué)的評價體系，才可能避免個人決定的主觀片面性,減少盲目性,

從而提高設(shè)計質(zhì)量。如表3、1

表3-1機構(gòu)方案評價指標(biāo)及其具體項目

評價指標(biāo)運動性能A工作性能B動力性能C經(jīng)濟性D結(jié)構(gòu)緊湊E

具體項目①運動規(guī)①效率高①承載能①加工難易①尺寸

律、運動軌低；力；②維護方便②質(zhì)量

跡；②使用范圍②傳力特性③結(jié)構(gòu)復(fù)雜

②運轉(zhuǎn)速性；③能耗大小性

度、運動精③振動、噪

度聲

在確定了評價指標(biāo)之后開始對典型機構(gòu)性能、特點進行評價。本設(shè)計采用的

連桿機構(gòu)與液壓機構(gòu)都就是最常用的機構(gòu),它們具有結(jié)構(gòu)簡單，易于應(yīng)用等特點,

其設(shè)計方法已為廣大設(shè)計人員所熟悉,成為首選機構(gòu)。下面對兩種機構(gòu)進行分析。

如表3、2

性能指標(biāo)具體項目連桿機構(gòu)液壓機構(gòu)

運動性能A①運動規(guī)律、運動只能達到有限精一般作定傳動比

軌跡；確位置轉(zhuǎn)動或移動

②運轉(zhuǎn)速度、運動較低高

精度

工作性能B①效率高低；一般高

②使用范圍較大較小

動力性能c①承載能力；較大較大

②傳力特性；一般較好

③振動、噪聲較大較小

經(jīng)濟性D①加工難易易較難

②維護方便性較方便方便

③能耗大小一般一般

結(jié)構(gòu)緊湊E①尺寸較大較小

②質(zhì)量較小一般

③結(jié)構(gòu)復(fù)雜性復(fù)雜簡單

表3、2

3、4機構(gòu)的構(gòu)型

當(dāng)初步選出的機構(gòu)形式不能滿足預(yù)期的功能要求，或雖能滿足功能要求但存

在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動精度低、動力性能欠佳等缺點時,可以采用構(gòu)型的方法重新構(gòu)

筑結(jié)構(gòu)形式。

機構(gòu)構(gòu)型的基本思路：以通過選型初步確定的機構(gòu)方案為雛形,通過組合、變

異、再生等方法進行突破,獲得新的機構(gòu)。機構(gòu)構(gòu)型的方法有很多，例如利用組合

原理構(gòu)型新機構(gòu)、利用機構(gòu)的變異構(gòu)型新機構(gòu)或利用再生運動連法構(gòu)型新機構(gòu)。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計

4、1概述

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)就是在原理方案設(shè)計與機構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，確定滿足功

能要求的結(jié)構(gòu)方案,其內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的類型與組成,結(jié)構(gòu)中所有零部件的形狀、尺

寸、位置、數(shù)量、材料、熱處理方式與表面狀況等,所確定的結(jié)構(gòu)方案除應(yīng)能夠

實現(xiàn)原理方案所規(guī)定的動作要求，還應(yīng)能滿足設(shè)計對結(jié)構(gòu)的強度、鋼度、精度、

穩(wěn)定性、工藝性、壽命、可靠性等方面的要求。一般而言,結(jié)構(gòu)設(shè)計就是機械設(shè)

計中涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要特性之一就是設(shè)計問題的多解性,既滿足同一原理方案

要求的機械結(jié)構(gòu)并不就是唯一的，通過機構(gòu)設(shè)計得到一個可行的結(jié)構(gòu)方案一般并

不難,而機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)就是在眾多的可行結(jié)構(gòu)方案中尋找最優(yōu)方案?，F(xiàn)有

的數(shù)學(xué)方法能夠根據(jù)完整的數(shù)學(xué)模型從一個可行方案出發(fā),在一個單峰區(qū)間內(nèi)尋

求到局部最優(yōu)解，但就是并不能遍歷全部的可行區(qū)域,找出所有的局部最優(yōu)解,并

從中找出全局最優(yōu)解。要得到最好的設(shè)計方案,就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作

用。

本組設(shè)計結(jié)構(gòu)比較簡單，所以此環(huán)節(jié)中我們按照機構(gòu)方案的變異設(shè)計法來對

已有的產(chǎn)品設(shè)計概念進行變異引用，最終組合作為我們的新設(shè)計方案。

4、2結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計就是創(chuàng)造性思維與技法的重要應(yīng)用。所謂的變異設(shè)

計就就是從一個已知的、可行的結(jié)構(gòu)方案出發(fā)，通過變換得到新的可行方案。通

過對這些方案中參數(shù)的優(yōu)化，可以得到多個局部最優(yōu)解，再通過對這些局部最優(yōu)解

的分析與比較，就可以得到較優(yōu)解或全局最優(yōu)解。變異設(shè)計的目的就是盡可能多

地尋求滿足設(shè)計要求的獨立設(shè)計方案，以便對其進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。通過變異設(shè)

計得到的獨立設(shè)計方案數(shù)量越多,覆蓋范圍越廣，通過優(yōu)化得到全局最優(yōu)解的可能

性就越大。

變異設(shè)計的基本方法:首先通過對已有結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的分析，得出一半結(jié)構(gòu)設(shè)

計方案中所包含的技術(shù)要素構(gòu)成，然后再分析每一個技術(shù)要素的合理取值范圍，通

過對這些技術(shù)要素在各自的合理取值范圍內(nèi)的充分組合，就可以得到足夠多的獨

立結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

變異設(shè)計的目的就是為設(shè)計提供大量的可供選擇的設(shè)計方案,使設(shè)計者可以

對其進行評價與決策，并進行參數(shù)優(yōu)化。

一般機械結(jié)構(gòu)的技術(shù)要素包括零件的幾何形狀、零件之間的連接、零件的材

料及熱處理方式。主要有工作表面的變異、連接的變異、支承的變異及材料的變

異等。

由于我們知識范圍有限，加之結(jié)構(gòu)比較簡單，所以變異設(shè)計得到最優(yōu)解數(shù)量不

會太多，但我們認(rèn)為只要就是能夠?qū)崿F(xiàn)本組創(chuàng)新設(shè)計的目標(biāo)就可以。首先通過查

閱信息資料，我們從最基本的各功能結(jié)構(gòu)出發(fā)，進行結(jié)構(gòu)的變異。

夾持機構(gòu)：

清洗普通護欄的夾持機構(gòu)就是執(zhí)行動作的直接機構(gòu)，這樣的部分通常會想到

靠氣缸或連桿控制兩側(cè)板子擠壓護欄（例如圖4、1、4、2）,但就是連桿機構(gòu)過多,

夾板夾持護欄面積小，不穩(wěn)定。所以本組設(shè)計中為了節(jié)約成本，制作簡單，采用程序

控制夾板的往復(fù)移動夾持護欄（例如圖4、3）。并且夾板采用高強度、硬度的材料,

便于夾持，更穩(wěn)定。

圖4、1

連桿機構(gòu)：

采用挖掘機的組合式動臂（上置式）,組合式動臂由輔助連桿與螺栓連接而成。

結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，剛度相同時，結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大,但其可替換的工作裝置較多，通用性較

好。下圖分別為連桿機構(gòu)靜止時與運動時（靠兩個氣缸控制伸縮）。圖4、2

圖4、2

液壓傳動：

最基本的就是帕斯卡原理、〃在密閉空間內(nèi)，液體壓強向各個方向均勻傳遞〃、

壓強通常也經(jīng)常叫成壓力、1、動力元件，例如油泵，使液壓油（或其她介質(zhì)）產(chǎn)生

壓強2、控制元件，控制液壓油的壓力，流量與流動方向3執(zhí)行元件，例如油缸與

馬達,把液體的壓強變成機械推力（油缸），或者轉(zhuǎn)矩（馬達）、在壓強相同的情況下,

油缸活塞的面積越大,機械推力就越大。

液壓傳動優(yōu)點

1）傳動平穩(wěn)

2）質(zhì)量輕體積小

3）承載能力大

4）容易實現(xiàn)無級調(diào)速

5）易于實現(xiàn)過載保護作介質(zhì)，使液壓傳動裝置能自動潤滑,因此元件的使用壽命

較長。

4、3設(shè)計結(jié)果介紹

對上述結(jié)構(gòu)按照變異設(shè)計理念進行改變設(shè)計之后便可以實現(xiàn)最終的三維實

體建模,形象地展現(xiàn)本組護欄清潔機的設(shè)計。最后便就是造型設(shè)計環(huán)節(jié)，但這需要

我們對造型設(shè)計有一定的了解與認(rèn)識，以便設(shè)計出美觀又合理的造型，且受力要

均勻。

造型設(shè)計涉及了工程技術(shù)、人機工程學(xué)、價值工程與可靠性技術(shù)，還涉及生

理學(xué)、心理學(xué)、美學(xué)與市場營銷學(xué)等領(lǐng)域，就是將先進的科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代審美觀

念有機地結(jié)合起來，使產(chǎn)品達到科學(xué)與美學(xué)、技術(shù)與藝術(shù)、材料與工藝的高度統(tǒng)

一，既不就是純工程設(shè)計,也不就是純藝術(shù)設(shè)計,而就是將技術(shù)與藝術(shù)結(jié)合為一體

的創(chuàng)造性設(shè)計活動。

我們小組一起討論后決定出了最滿意、最合理的設(shè)計造型,并進行了三維建

模,三維建模的主視圖、后視圖及等軸測圖如下所示：