5_原理方案的创新设计

1、第五章 原理方案的创新设计引言引言 方案设计方案设计阶段针对产品的主要功能提出阶段针对产品的主要功能提出原理性的构思，探索解决问题的物理效应原理性的构思，探索解决问题的物理效应和工作原理，并用机构运动简图、液路图、和工作原理，并用机构运动简图、液路图、电路图等示意表达构思的内容。电路图等示意表达构思的内容。 设计一般分为设计一般分为产品规划产品规划、方案设计方案设计、技技术设计术设计、施工设计施工设计等四个阶段。等四个阶段。 引言引言 系统工程方法系统工程方法是将事物当作一个整体系是将事物当作一个整体系统来研究，分析系统各组成部分之间的有统来研究，分析系统各组成部分之间的有机联系和系统与外界环

2、境的关系，是较全机联系和系统与外界环境的关系，是较全面的综合研究方法。面的综合研究方法。 在原理方案设计过程中往往利用在原理方案设计过程中往往利用系统工系统工程程的观点、的观点、方法方法解决复杂的问题。解决复杂的问题。 原理方案的设计原理方案的设计是是发散发散收敛收敛的过程。的过程。从功能分析入手，通从功能分析入手，通过创新构思探求多种过创新构思探求多种方案，然后进行技术方案，然后进行技术经济评价，经优化筛经济评价，经优化筛选，求得最佳原理方选，求得最佳原理方案。案。引言引言求总功能求总功能求功能元解求功能元解系统原理解系统原理解 最佳原理方案最佳原理方案明确任务明确任务黑箱法黑箱法功能树功能

3、树创造技法、设计目录创造技法、设计目录评价法评价法 求功能元求功能元形态学矩阵形态学矩阵总体方案分析总体方案分析创造技法、设计目录创造技法、设计目录探索探索抽象抽象分解分解搜索搜索组合组合收敛收敛 19 19世纪世纪4040年代，美国通用电气公司的工程师年代，美国通用电气公司的工程师迈尔斯首先提出功能迈尔斯首先提出功能(Function)(Function)的概念。的概念。5.1 5.1 功能设计法功能设计法 功能功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述。它与产品的用途、能力、性能等概念的描述。它与产品的用途、能力、性能等概念不尽相同。不尽相同。 功能的描

4、述要功能的描述要准确准确、简洁简洁，合理地抽象，合理地抽象，抓抓住其本质住其本质，避免带有倾向性的提法。，避免带有倾向性的提法。 例例: : 取核桃仁问题的不同功能描述的原理解法。取核桃仁问题的不同功能描述的原理解法。“壳仁分离壳仁分离”是其总功能较合理的描述。是其总功能较合理的描述。5.1.1 5.1.1 功能的描述功能的描述砸壳砸壳外部加压：砸、夹、压、冲、射等外部加压：砸、夹、压、冲、射等压壳压壳外部加压外部加压内部加压：内部加压力内部加压：内部加压力(如通入高压气体如通入高压气体) 整体加压，外压骤减，内压破整体加压，外压骤减，内压破壳壳壳仁分离壳仁分离外部加压外部加压内部加压：内部加

5、压力内部加压：内部加压力(如通入高压气体如通入高压气体) 整体加压，外压骤减，内压破整体加压，外压骤减，内压破壳壳去壳：培育薄壳核桃；用化学方法溶壳去壳：培育薄壳核桃；用化学方法溶壳功能描述功能描述原理解法原理解法 系统工程学用系统工程学用“黑箱法黑箱法”(B1ack Box) (B1ack Box) 分析问分析问题。对于复杂的未知系统，尤如不透明不知其题。对于复杂的未知系统，尤如不透明不知其内部结构的内部结构的“黑箱黑箱”，可以利用外部观测，通，可以利用外部观测，通过分析黑箱与周围环境的联系、输入和输出，过分析黑箱与周围环境的联系、输入和输出，了解其功能、特性，从而进一步探求其内部原了解其功

6、能、特性，从而进一步探求其内部原理和结构。理和结构。 5.1.1 5.1.1 功能的描述功能的描述设计出光电设计出光电转换装置。转换装置。 液体增压装置，如液体增压装置，如不同原理的水泵；不同原理的水泵；各种原理的净衣各种原理的净衣装置装置(包括洗衣机包括洗衣机) 机电系统一般由驱动、传动、执行、测控四机电系统一般由驱动、传动、执行、测控四部分组成。部分组成。 5.1.2 5.1.2 功能分类功能分类执行功能执行功能驱动功能驱动功能传动功能传动功能测控功能测控功能 在功能分析的基础上首先应对系统的原在功能分析的基础上首先应对系统的原理方案进行总体分析。理方案进行总体分析。5.1.3 5.1.3

7、 原理方案的总体分析原理方案的总体分析 在确定的工作对象中，执行功能与在确定的工作对象中，执行功能与工艺过工艺过程程和执行元件密切相关，需要分析其工艺过和执行元件密切相关，需要分析其工艺过程，在较大的领域内进行工作原理的搜索。程，在较大的领域内进行工作原理的搜索。1) 1)数控加工成型法数控加工成型法5.1.3 5.1.3 原理方案的总体分析原理方案的总体分析例例5 51 1 石墨电极加工设备总体原理方案的分析石墨电极加工设备总体原理方案的分析1) 1)现成的数控铣床现成的数控铣床2) 2)研磨成型法研磨成型法3) 3)离散堆积成型法离散堆积成型法4) 4)激光束聚焦法激光束聚焦法2) 2)设

8、计研磨机设计研磨机3) 3)设计快速成型机设计快速成型机4) 4)设计激光加工机设计激光加工机5.1.3 5.1.3 原理方案的总体分析原理方案的总体分析例例5 52 2 螺纹加工机总体原理方案的分析螺纹加工机总体原理方案的分析 切削加工，但车削、铣削刀切削加工，但车削、铣削刀具和工件运动都不同；具和工件运动都不同； 无切屑加工，利用滚压加无切屑加工，利用滚压加工进行搓丝，而由于执行元工进行搓丝，而由于执行元件的不同，也会有不同的搓件的不同，也会有不同的搓丝机方案。丝机方案。5.1.4 5.1.4 功能分解功能分解 利用系统工程分解性原理将功能系统按利用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分

9、功能、总功能、分功能、功能元进行分解，、功能元进行分解，化繁为简，以便通过各功能元解的有机组化繁为简，以便通过各功能元解的有机组合求得技术系统解。合求得技术系统解。 功能分解可图示为树状的功能结构，即功能分解可图示为树状的功能结构，即功能树。功能树起于总功能，按分功能、功能树。功能树起于总功能，按分功能、二级分功能二级分功能分解，其末端为功能元。分解，其末端为功能元。 功能元功能元是可以直接求解的系统最小组成是可以直接求解的系统最小组成单元。单元。5.1.4 5.1.4 功能分解功能分解例例5 53 3 激光分层实体制造设备的功能分析激光分层实体制造设备的功能分析5.1.5 5.1.5 功能求

10、解功能求解1 1功能元解功能元解 对功能元求解，是原理方案设计中重要的对功能元求解，是原理方案设计中重要的搜索阶段。一般通过以下几种方法求解：搜索阶段。一般通过以下几种方法求解： 1) 1)参考借鉴有关产品资料或专利；参考借鉴有关产品资料或专利； 2) 2)利用利用“设计目录设计目录”( (详见详见5.25.2节节) )； 3) 3)运用各种创造技法探索新解法。运用各种创造技法探索新解法。 对于印刷机、点钞机、包装机等都有从成叠对于印刷机、点钞机、包装机等都有从成叠纸中纸中“分纸分纸”的功能元，其功能元解如图。的功能元，其功能元解如图。5.1.5 5.1.5 功能求解功能求解例例5-4 5-4

11、 输送液体原理解法分析输送液体原理解法分析波纹管水泵波纹管水泵1) 1)负压效应负压效应 (1) (1) 利用压力利用压力P P与容积与容积V V的关系，增大容积空间的关系，增大容积空间形成负压吸入液体，减小容积空间形成高压输形成负压吸入液体，减小容积空间形成高压输出液体。出液体。 5.1.5 5.1.5 功能求解功能求解 (2) (2) 利用流速与压力的关系即文丘里喉管原理。利用流速与压力的关系即文丘里喉管原理。喉管原理喉管原理5.1.5 5.1.5 功能求解功能求解2) 2) 惯性力效应惯性力效应 (1) (1)利用离心惯性力将水引出，一般离心利用离心惯性力将水引出，一般离心泵、化工系统的

12、考拉泵都是应用这种原理。泵、化工系统的考拉泵都是应用这种原理。 (2) (2)利用往复运动的惯利用往复运动的惯性力。性力。 惯性泵惯性泵 5.1.5 5.1.5 功能求解功能求解例例5-4 5-4 输送液体原理解法分析输送液体原理解法分析 2) 2) 惯性力效应惯性力效应 虹吸原理虹吸原理 (3) (3)虹吸原理。虹吸原理。5.1.5 5.1.5 功能求解功能求解例例5-4 5-4 输送液体原理解法分析输送液体原理解法分析 3) 3)毛细管效应毛细管效应 热管热管5.1.5 5.1.5 功能求解功能求解2 2系统解系统解 每个功能元的一种功能元解进行有机组合即构每个功能元的一种功能元解进行有机

13、组合即构成一个系统解。各功能元的解分别为成一个系统解。各功能元的解分别为n n1 1、n n2 2、n nm m个，则系统解最多组合出个，则系统解最多组合出N= nN= n1 1n n2 2nnm m 个方案。个方案。 一般采用一般采用形态综合法形态综合法进行组合，将技术系统的进行组合，将技术系统的功能元功能元和相应的和相应的功能元解功能元解分别作为分别作为纵纵横横坐标列为坐标列为形态学矩阵形态学矩阵。功能元解功能元解功能元功能元F1F2.Fi.Fm1 2 3 j nL11 L12 L1n1L21 L22 L2n2Li1 Lij.Lm1 Lm2LI LII5.1.5 5.1.5 功能求解功能求

14、解例例5-5 5-5 行走式挖掘机的原理方案分析行走式挖掘机的原理方案分析1) 1)功能分析功能分析 5.1.5 5.1.5 功能求解功能求解物料取移物料取移取放物取放物驱动驱动传动传动取放取放移物移物驱动驱动传动传动取放取放-E1-E1-D2-D2-C3-C3-B4-B4A1A1例例5-5 5-5 行走式挖掘机的原理方案分析行走式挖掘机的原理方案分析 2) 2)探索功能元解并列出形态学矩阵探索功能元解并列出形态学矩阵 5.1.5 5.1.5 功能求解功能求解功能元功能元 电动机电动机 齿轮传动齿轮传动轨道及车轮轨道及车轮 拉杆拉杆 挖斗挖斗 1A动力动力源源B移位传动移位传动C移移位位D取物

15、传动取物传动E取物取物蜗杆传动蜗杆传动汽油机汽油机轮胎轮胎绳传动绳传动抓斗抓斗气压传动气压传动柴油机柴油机 带传动带传动履带履带 钳式斗钳式斗 2 3液压传动液压传动气垫气垫蒸汽透平蒸汽透平 链传动链传动 4 5液力耦合器液力耦合器液动机液动机气动马达气动马达 6功能元解功能元解3) 3)方案组合方案组合 可能组合的方案数：可能组合的方案数：N=6x5x4x4x3=1440A5-B5-C2-D4-E2 - A5-B5-C2-D4-E2 - 液压轮胎式挖掘机液压轮胎式挖掘机- - 履带式挖掘机履带式挖掘机例例55 55 行走式挖掘机的原理方案分析行走式挖掘机的原理方案分析 3. 3. 最佳系统解

16、最佳系统解 5.1.5 5.1.5 功能求解功能求解 在多个系统解中，首先根据不相容性和在多个系统解中，首先根据不相容性和设计边界条件的限制删去不可行方案和明显设计边界条件的限制删去不可行方案和明显的不理想方案。选择较好的几个方案通过定的不理想方案。选择较好的几个方案通过定量的评价方法评比、优化最后求得最佳原理量的评价方法评比、优化最后求得最佳原理方案。方案。 设计目录是一种设计信息库。它把设计过程设计目录是一种设计信息库。它把设计过程中所需的大量信息有规律地加以分类、排列、中所需的大量信息有规律地加以分类、排列、储存，以便于设计者查找和调用。储存，以便于设计者查找和调用。5.2 5.2 设计

17、目录设计目录 设计目录不同于一般手册和资料，它密切结设计目录不同于一般手册和资料，它密切结合设计的过程和需要编制，每个目录的目的明合设计的过程和需要编制，每个目录的目的明确，提供信息面广，内容清晰有条理，提取方确，提供信息面广，内容清晰有条理，提取方便。便。 为达到这样的要求，必须采用为达到这样的要求，必须采用系统工程方法系统工程方法建立目录，针对有关对象进行系统分析和系统建立目录，针对有关对象进行系统分析和系统搜索。搜索。 用功能设计法进行原理方案设计。功能用功能设计法进行原理方案设计。功能元解是组合原理方案的基础。元解是组合原理方案的基础。5.2.1 5.2.1 原理解法的设计目录原理解法

18、的设计目录 工程系统的基本功能元可归结为工程系统的基本功能元可归结为逻辑功逻辑功能元能元、数学功能元数学功能元和和物理功能元物理功能元三类。三类。基本逻辑关系基本逻辑关系 逻辑功能元逻辑功能元为为“与与”、“或或”、“非非”三三元，主要用于控制功能。元，主要用于控制功能。5.2.1 5.2.1 原理解法的设计目录原理解法的设计目录逻逻辑辑功功能能解解法法目目录录5.2.1 5.2.1 原理解法的设计目录原理解法的设计目录 数学功能元数学功能元分为加减、乘除、乘方和分为加减、乘除、乘方和开方、积分和微分四组，也可按机、强开方、积分和微分四组，也可按机、强电、电子各领域列出有关解法目录。电、电子各

19、领域列出有关解法目录。 5.2.1 5.2.1 原理解法的设计目录原理解法的设计目录 物理功能元物理功能元反映系统中能量、物料及信号变化反映系统中能量、物料及信号变化的物理基本作用，常用的基本物理功能元有变换、的物理基本作用，常用的基本物理功能元有变换、缩放、联接分离、传导、离合、储存等缩放、联接分离、传导、离合、储存等6 6类。类。 “ “变换变换”包括各种类型能量或信号形式的包括各种类型能量或信号形式的转变转变，运动形，运动形式转变，物态的转变等。式转变，物态的转变等。 5.2.1 5.2.1 原理解法的设计目录原理解法的设计目录 “ “缩放缩放”指各种能量、信号向量指各种能量、信号向量(

20、 (力、速度等力、速度等) )或物理量或物理量的的缩小和放大缩小和放大。 “ “联接联接”、“分离分离”包括能量、物料、信号、同质或不包括能量、物料、信号、同质或不同质数量上的同质数量上的结合和分离结合和分离。 “ “传导传导”和和“离合离合”反映能量、物料、信号的反映能量、物料、信号的位置变化位置变化。 “ “储存储存”体现一定时间范围内对能量、物料、信号体现一定时间范围内对能量、物料、信号保存保存的功能。的功能。 物理功能元用物理效应求解，工程系统中常用物理功能元用物理效应求解，工程系统中常用的物理效应有：的物理效应有：力学效应；力学效应；5.2.1 5.2.1 原理解法的设计目录原理解法

21、的设计目录液气效应；液气效应；电力效应；电力效应；磁效应；磁效应； 光学效应；光学效应；热力学效应；热力学效应；核效应。核效应。部分物理功能元的解法目录部分物理功能元的解法目录 5.2.1 5.2.1 原理解法的设计目录原理解法的设计目录部分物理功能元的解法目录部分物理功能元的解法目录 5.2.1 5.2.1 原理解法的设计目录原理解法的设计目录 在一定的物理效应下进一步采用多种机在一定的物理效应下进一步采用多种机构求解，如力的放大功能元解可用基本增构求解，如力的放大功能元解可用基本增力机构和二次增力机构来表达。力机构和二次增力机构来表达。 基本增力机构基本增力机构5.2.1 5.2.1 原理

22、解法的设计目录原理解法的设计目录 设计目录的编制也是采用设计目录的编制也是采用系统工程系统工程分分析的方法和系统搜索的思路。析的方法和系统搜索的思路。5.2.2 5.2.2 设计目录的编制设计目录的编制5.2.2 5.2.2 设计目录的编制设计目录的编制 用机械传用机械传动系统的设动系统的设计目录编制计目录编制为例加以说为例加以说明。明。5.2.2 5.2.2 设计目录设计目录 针对针对“运动方向变化运动方向变化”的功能元去搜索尽的功能元去搜索尽可能多的解，下表列出基本机构目录。可能多的解，下表列出基本机构目录。传动系统传动系统运动方向变化运动方向变化相交轴相交轴平行轴平行轴一般交错轴一般交错

23、轴垂直交错轴垂直交错轴5.2.2 5.2.2 设计目录设计目录通过基本机构的组合还可得到更多的解。通过基本机构的组合还可得到更多的解。5.2.2 5.2.2 设计目录设计目录传动系统传动系统运动形式变化运动形式变化回转回转回转回转回转回转摆动摆动回转回转单向直线单向直线回转回转直线往复直线往复回转回转 -特殊轨迹特殊轨迹摆动摆动摆动摆动摆动摆动单向直线单向直线摆动摆动直线往复直线往复直线直线单向直线单向直线直线直线直线往复直线往复直线往复直线往复直线往复直线往复 针对针对“运动形式变运动形式变化化”的功能元去搜索的功能元去搜索尽可能多的解，列出尽可能多的解，列出基本机构目录。基本机构目录。5.

24、2.2 5.2.2 设计目录设计目录下表列出针对下表列出针对“运动形式变化运动形式变化”的功能元基本机构目录的功能元基本机构目录。 设计目录是计算机辅助设计系统中知识库设计目录是计算机辅助设计系统中知识库的重要内容，为了更好地描述知识还有必要的重要内容，为了更好地描述知识还有必要将每个基本机构作为特定的功能模块列出其：将每个基本机构作为特定的功能模块列出其：5.2.2 5.2.2 设计目录设计目录基本性能特点基本性能特点( (如传动比、功率范围等如传动比、功率范围等) )、 特殊性能特殊性能( (如远距离传动、自锁等如远距离传动、自锁等) )、 评价数据评价数据( (如对性能、成本、工艺性等基

25、本评如对性能、成本、工艺性等基本评价目标的评分或隶属度价目标的评分或隶属度) )等。等。 每个功能模块也列为一个基本目录，这些每个功能模块也列为一个基本目录，这些将是具体选择并确定方案的依据。将是具体选择并确定方案的依据。例例5-7 5-7 设计化工厂双杆搅拌器的机械传动装置设计化工厂双杆搅拌器的机械传动装置 5.2.2 5.2.2 设计目录设计目录已知：该传动装置中电动机转速已知：该传动装置中电动机转速n n960 r960 rminmin，要求两搅拌杆以要求两搅拌杆以240240次次minmin同步往复摆动同步往复摆动( (摆动方摆动方向不限向不限) )。解：解：1 1）功能分析）功能分析

26、双杆搅拌双杆搅拌降速（传动比降速（传动比i=4）回转回转 - 摆动摆动两杆同摆两杆同摆2) 2)机械传动方案综合机械传动方案综合 各分功能解形态学矩阵如下：各分功能解形态学矩阵如下：5.2.2 5.2.2 设计目录设计目录 取三种分功能的各一解法组合得到传动取三种分功能的各一解法组合得到传动装置的一种方案，可组合的最多方案数：装置的一种方案，可组合的最多方案数：N=4x3x2=24功能元功能元降速降速(i=4)回转回转-摆动摆动双杆同摆双杆同摆IIIIII曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构齿轮传动齿轮传动平行四边形机构平行四边形机构摆动导杆机构摆动导杆机构 带传动带传动对称凸轮对称凸轮(摆动从动件摆动从

27、动件) 2 3 4凸轮机构凸轮机构链传动链传动摩擦轮传动摩擦轮传动1功能元解功能元解3) 3)方案评选方案评选 考虑化工厂工作环境恶劣，且摩擦传动体积考虑化工厂工作环境恶劣，且摩擦传动体积相对较大，故选用啮合传动。相对较大，故选用啮合传动。5.2.2 5.2.2 设计目录设计目录方案方案A A： I1+II3+III2I1+II3+III2电动机电动机齿轮传动凸齿轮传动凸轮机构对称凸轮轮机构对称凸轮( (双双摆动杆摆动杆) )特点特点：结构紧凑；：结构紧凑；功能元功能元降速降速(i=4)回转回转-摆动摆动双杆同摆双杆同摆IIIIII曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构齿轮传动齿轮传动平行四边形机构平行四边

28、形机构摆动导杆机构摆动导杆机构 带传动带传动对称凸轮对称凸轮(摆动从动件摆动从动件) 2 3 4凸轮机构凸轮机构链传动链传动摩擦轮传动摩擦轮传动1功能元解功能元解3) 3)方案评选方案评选 5.2.2 5.2.2 设计目录设计目录方案方案B B：I I3 3十十II1II1十十III1III1电动机电动机链传动链传动曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构平行四边形机构平行四边形机构( (双摆动杆双摆动杆) )特点特点：可远距离：可远距离传动，成本较低。传动，成本较低。功能元功能元降速降速(i=4)回转回转-摆动摆动双杆同摆双杆同摆IIIIII曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构齿轮传动齿轮传动平行四边形机构平行四边形机

29、构摆动导杆机构摆动导杆机构 带传动带传动对称凸轮对称凸轮(摆动从动件摆动从动件) 2 3 4凸轮机构凸轮机构链传动链传动摩擦轮传动摩擦轮传动1功能元解功能元解如何产生的？如何产生的？ 前苏联学者 阿利特舒列尔（G.S.Altshuler）及其领导的一批研究人员，从1946年开始，花费1500人年，在分析研究世界各国250万件专利的基础上，提出了“发明问题解决理论”。该理论一直对其他国家保密，直到前苏联解体后，随着一批原苏联科学家移居国外，将该理论介绍给其他国家，对全世界的创新设计领域产生重要影响。5.3 发明问题解决理论(TRIZ）CIA中央情报局 PK克格勃发明问题解决理论发明问题解决理论

30、基本原理是什么？基本原理是什么？ “发明问题解决理论”认为技术系统是不断进化的，进化的动力是解决冲突。“发明问题解决理论”提出消除冲突的发明原理，建立消除冲突的基于知识的逻辑方法。劝架折中发明问题解决理论发明问题解决理论基本方法如何？基本方法如何？ 应用“发明问题解决理论”解决设计问题时，需要首先将待设计的问题表达（翻译）为“发明问题解决理论”的标准问题标准问题，利用该理论所提供的工具，可求得标准标准解解，将标准解表达（翻译）为问题领域的解答，得到领域解，可以得到关于消除技术冲突的有益提示。发明问题解决理论发明问题解决理论怎样分类？怎样分类？ “发明问题解决理论”将工程中的冲突分为两类，一类称

31、为技术冲突，另一类称为物理冲突。 技术冲突指在一个子系统中引入有用功能的同时会在另一个子系统中引入有害功能。 物理冲突指对同一个子系统提出相反的要求。 发明问题解决理论发明问题解决理论 为表示技术冲突,该理论总结了常用的3939个工程参数：通用工程参数名称 七类发明问题解决理论发明问题解决理论 并总结了常用来解决技术冲突的4040条发明原理：发明原理原理原理1：分割：分割断开断开独立独立把一个整体或有联系的事物强行分开把一个整体或有联系的事物强行分开 将一个物体分割成几个独立的部分 电冰箱冷冻箱+冷藏箱 货运汽车动力（机车）+装载（拖车） 将一个物体分割成几个容易组装和拆卸的部分 结构设计构件

32、多个独立的零件分别制造 提高物体的可分性 刀具可拆卸结构刀头+刀杆原理原理2：分离：分离隔开隔开 从混合物中隔离出来从混合物中隔离出来 与其他部分或整体、主体分开与其他部分或整体、主体分开 将一个物体中的有害部分与整体分离 家用空调主机+散热器（噪音大移往室外） 将一个物体中起某种专门作用的部分与整体分离 激光复印机成像功能分离独立功能 成像功能+扫描仪=复印机 成像功能+计算机=打印机 成像功能+通信功能=传真机打印+复印+扫描+传真一体机原理原理3：局部质量：局部质量区别对待区别对待零件由均匀结构改为非均匀结构 局部发挥最佳效能零件不同部位热处理方式不同 齿轮齿面的表面处理。面硬心软 原理

33、原理4：不对称：不对称增加范围增加范围机械零件多为对称设计更简单但是可以采用不对称结构选择范围扩大轮毂设计的非对称结构定位 原理原理5：合并：合并组合组合将空间上相同或者相近的物体合并在一起 收音机+录音机=收录机 多功能手机=电话功能+短信+收音机+将时间上相关的物体合并 铅笔+橡皮便于携带 制冷+加热夏天制冷冬天加热原理原理6：多用性：多用性提高提高性价比性价比 多种功能集于一身 多用工具 多功能手机 电话功能+短信+收音机+mp4+照相+GPS导航+蓝牙+上网 一机多用原理原理7：套装：套装减小减小占用空间占用空间将某个物体放入另一个物体的空降内 地铁车门嵌入式 建筑、装修布线墙内 地暖

34、地板下 将第一个物体嵌入第二个物体内，将第二个物体嵌入第三个物体内 多层伸缩式天线 伸缩式钓鱼竿 多层油缸 原理原理8：质量补偿：质量补偿减小减小质量负载质量负载使一个向上的力与向下的重力相平衡 氢气球悬挂广告牌嵌入式 电梯、立体车库滑轮起重负载配重 精密滑动导轨机械卸载导轨 滚子分担导轨负载导轨导向 原理原理8：质量补偿：质量补偿减小减小质量负载质量负载 通过物体与环境的作用为物体提供向上的作用力，以平衡重力作用 船水的浮力 飞机机翼空气升力 原理原理9：预加反作用：预加反作用抵消抵消有害作用有害作用 梁预加反载荷 机床导轨做成中部凸起 延缓寿命 火车铁轨中凸加长寿命 原理原理10：预操作：

35、预操作预防措施预防措施杜绝意外事件杜绝意外事件螺栓预紧+放松措施轴承预紧零件装配前的防腐处理 原理原理11：预补偿：预补偿事先防范事先防范提高可靠性提高可靠性过载保护系统熔断器安全离合器 原理原理12：等势性：等势性减少能量消耗减少能量消耗 车辆在平路上行走 零件在流水线中移位时尽量在一个平面上 鹤式起重机吊装物体时做水平直线移动 原理原理13：反向：反向逆向思维逆向思维采用与通常动作方向相反的动作，达到相同的目的 配对齿轮的材料不同一软一硬一软一硬 模具硬硬材料凸模软软材料凹模 结果软材料塑性塑性对磨损补偿，延长模具寿命使原来静止的物体运动，原来运动的静止，保持两个物体间原有的相对运动关系

36、车床刀具固定工件运动 改变工件固定刀具运动镗床或铣床镗床或铣床 原理原理14：曲面化：曲面化圆弧与旋转圆弧与旋转 用曲线代替直线，用曲面代替平面，用球代替立方体 倒角、圆角减少应力集中 拱形梁提高强度 等强度梁特殊母线形状使圆轴各截面弯矩相等 用回转运动取代直线运动 机械设计旋转运动旋转运动 更简单 旋转运动产生的离心力离心力特殊作用特殊作用 洗衣机甩干甩干 离心铸造离心铸造减少铸件外表面缺陷 原理原理15：动态化：动态化灵活性灵活性使物体各个部分之间、动作之间自动调节，实现最佳工作状态 形状记忆弹簧随温度变化伸缩开闭温室天窗 柴油机调速器 像超越离合器将物体分解为既互相连接，又可以相对运动的

37、多个部分 凸缘联轴器刚性连接，要求精度高 万向节联轴器适应两轴角度误差 十字滑块联轴器适应两轴径向误差用垫片调节轴向间隙原理原理16：未达到或超过：未达到或超过放宽放宽问题简化问题简化 齿轮设计齿宽一宽一窄解决齿宽装配、加工及累计误差造成的错位 公差不是理想的100% 原理原理17：维数变化：维数变化多维多维增加增加 将一维线性运动改为二维平面运动或三维空间运动 计算机储存方式纸带（一维）磁盘/光盘（二维） 将来三维存储技术飞跃 将单层排列的物体变为多层排列 光盘库多层叠放光盘方便抓取 立体车库增加存储量 利用给定表面的反面 磁盘由单面双面原理原理18：振动：振动 使物体处于振动状态增加振动频

38、率共振 电磁振动或压电振动替代机械振动 刀具振动切削工艺 电动剃须刀、电动雕刻刀、振动式电动剪刀振动上料机均匀定向上料（移动物体） 筛子筛物料 电子表石英振荡器更准确原理原理19：周期性作用：周期性作用周而复始周而复始 用周期性动作代替连续动作；已有的改变动作频率 过盈装配压入法周期性敲击法 内燃机活塞等周期性工作 自动装配线上传送带（链） 周期性装配操作原理原理20：有效作用连续性：有效作用连续性提高效率提高效率 系统连续性工作所有部件满负荷 消除动作过程中的间隙连续旋转代替往复直线运动 计算机打印机打印头连续往复打印 内燃机爆发行程做功飞轮储能输出保证内燃机持续运动 卡尔逊复印机平板上布静

39、电+曝光+显影+定影 现代复印机多个工作头围绕硒鼓复印可以循环进行 搓丝滚丝原理原理21：紧急行动：紧急行动减少有害作用时间减少有害作用时间 以最快速度完成有害操作 激光焊接法加温时间短，影响范围小 减少焊接变形 热处理高频或中频电流加热零件表面原理原理22：变有害为有益：变有害为有益 机器报废零件方便拆卸 垃圾分离设备回收有用物质 高压容器灌口密封结构外侧消弱内侧加强原理原理23：反馈：反馈纠正纠正 补偿补偿 反馈系统有效纠正偏差保证系统工作正常 自行车前轮转向把延长线在轮子与地面接触点前面 向心力形成回位力矩原理原理24：中介物：中介物传递传递 减缓减缓带（链条）机械传动的中介物长距离传动

40、复印机布墨粉玻璃球静电吸墨粉 硒鼓强静电再吸布墨粉到硒鼓上形成墨粉图像机器安装底座上的减震垫减少振动对环境的影响大型风机减震问题原理原理25：自服务：自服务自我保护意识自我保护意识 自润滑轴承自身材料孔隙含润滑剂随温度应力变化渗出润滑省略了特别的润滑措施.SF-1 通用型钢基无给油自润滑轴承1 无油润滑或少油润滑，可在使用时不保养或少保养；2 耐磨性能好，摩擦系数小，使用寿命长；3 有适量的弹塑性，能将应力分布在较宽的接触面上,提高轴承的承载能力；4 静动摩擦系数相近，从而保证机械的工作精度；5 能使机械减少振动，降低噪音，防止污染，改善劳动条件；6 在运转过程中能形成转移膜,起到保护对磨轴的

41、作用；7 对于磨轴的硬度要求低，从而降低了相关零件的加工难度；8 薄壁结构，质量轻，可减小机械体积；9 钢背面可电镀多种金属,，可在腐蚀介质中使用；目前已广泛应用于各种机械的滑动部位。 铸铁润滑性原理原理26：复制：复制替代物替代物 用简单、廉价的复制品代替复杂昂贵的物体 虚拟设计动态虚拟仿真虚拟装配干涉检查虚拟应力分析 模拟训练虚拟现实 仿生法（仿生学）人工心脏 机器人 机器动物原理原理27：低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐：低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体用的物体低替代物低替代物 用再生材料木材、农作物茎秆代替木材做家具、建材 用铁芯包铜代替铜导线 用塑料模具代替金属模具 钢塑材料

42、代替铝合金等稀有金属材料 用模型试验代替实物试验原理原理28：机械系统的替代：机械系统的替代低替代物低替代物 用具有视觉、听觉、味觉或嗅觉系统代替机械系统 用光、声传感器代替机械（位置）传感器 用电动机调速代替机械变速 用声、光信号传递机器运行原理原理29：气动与液压结构：气动与液压结构 将物体的固态部分用气体或液体替代，利用气压、液压缓冲作用 表面的润滑高压气体或液体隔开表面流体静压润滑原理原理30：柔性壳体或薄膜：柔性壳体或薄膜 用柔软壳体或薄膜替代传统结构 建筑物或广场顶部柔软壳体（织物）或薄膜材料施工方便结构轻巧安全 机器内部柔软材料隔开成多箱 各自润滑方案原理原理31：使用多孔材料：使用多孔材料 失重铸造或烧结大量孔隙材料含油轴承、流体过滤器、轻质结构零件 材料上打孔减重 带孔结构原理原理32：改变颜色：改变颜色传达信息传达信息 重要信息醒目色危险信息红色 方便观察透明结构原理原理33：同质性：同质性相同材料接触不发生化学或电化学反应 零件热膨胀系数相同温度变化不易错位 生产备料方便报废时方便处理原理原理34：抛弃与修复：抛弃与修复减载减载抛弃失去功能的部件，补充或修复损耗部分 火箭发射中，抛弃废料箱减轻负载原理原理35：参数变化：参数变化参数参数 控制控制 季节（温度）决定润滑油类型 电饭煲温控器锅底温度传感器改变铁磁粉