机械创新设计第一章

第一章机械创新设计基础知识主要内容：机械的基础知识——机械及其组成、机构及其运动简图、工程中的常用机构机械运动与控制——机械运动形态、机、气、液、电机构的组合以及机械运动的控制

机械创新设计中的创新思维与技法——工程技术人员的创造力、创新思维和常用创新技法

机械创新设计中的创新原理——组合原理、分离原理、还原原理、移植原理、迂回原理和完满原理

1.掌握创新设计对象的结构、运动、原理等基本知识，这样才能透彻地分析所创新设计的对象，才能使创新设计出来的产品符合各种基本要求，便于设计出满足所需功能的创新产品。2.深刻认识和理解创新思维的实质、类型和特点，不仅有助于掌握现有的创造原理及由此而创造出的各种创新技法，而且能够推动和促进对新的创新技法的开拓和探索。3.创新原理是创新设计的基本理论，通过对几种创新原理详细介绍，并辅以简单的实例，帮助学生掌握创新设计的基本方法，培养创新思维，积累创新经验，拓宽知识面，达到提高学生机械创新能力的目的。本章要求第一节机械的基础知识一、机械及其组成1.机械的概念——机械是人们用以代替或减轻体力劳动、改善劳动条件、提高产品质量和生产率的工具。特征：1)它们都是执行机械运动的装置。2)它们都能进行物料或信息的变换与传递，并完成有用的机械功或实现能量转换。注：机构——用来传递运动和力或改变运动形式的构件组合体，不做有用的机械功及能量转换，如剥线钳、门窗启闭的杆件系统等，它们符合机械的第一个特征，也归属机械。

2.机械的分类(1)动力机(又叫原动机)——一种将其它形式的能量转换为机械能的机械。按动力机转换能量的方式不同可分为三大类。第一类：把电能转化为机械能的机械。如三相交流异步电动机、单相交流异步电动机、直流电动机、步进电动机、伺服电动机等第二类：通过燃油、煤、铀等获得热能后再转化为机械能的机械。如汽油机、柴油机、蒸汽机、汽轮机、原子能发动机等第三类：把自然力转化为机械能的机械。如水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能发动机等(2)工作机——利用机械能来完成有用功的机械。工作机中必须包含动力机，否则，只能成为机械装置。动力机的种类有限，而工作机的种类却有多种多样。由于工作机是完成各种复杂动作的机械，它不仅有运动精度方面的要求，也有强度、刚度、安全性、可靠性方面的要求。(3)信息机——通过各种复杂的信息来控制机械运动的机械，是一种特殊的工作机。如打印机是通过计算机指令来控制打印工作的，绘图机、复印机、传真机等都是信息机。

3.机械的组成原动部分——动力源，如电动机、内燃机执行部分——按照人们的要求完成预定任务，如汽车的车轮、车床的主轴和刀架等传动部分——将动力和运动由原动部分传给执行部分的中间传动装置，如汽车的变速箱、减速器、差速器等均属传动部分

控制部分——控制机械的其它基本部分，使操作者能随时实现或终止各种预定的功能，如数控机床的控制系统等二、机构及其运动简图零件——机械中最基本的制造单元，将一些相互间无相对运动的零件组合起来即成为构件，最简单的构件只有一个零件。构件——机械中最基本的运动单元。将一些相互间具有确定相对运动的构件组合起来即成为机构。构件类型1)机架——机构中固结定坐标参考系并视为固定不动的构件2)主动件——驱动机构的外力所作用的构件3)从动件——机构中其余被推动的构件。运动副——两构件直接接触形成的可动联接。运动链——两个以上构件用运动副联接而成的相对可动的多体系统。机械运动简图——构件和运动副用规定符号表示，各运动副的相对位置按一定比例表示，用以说明各机构的相对运动情况。斜轴侧投影

图示为内燃机的机械运动简图。图中1

–2–3–7为动力机构（曲柄滑块机构）；4

–5–7及4

–6–7为配气凸轮机构；1–4为齿轮机构。平面机构——所有构件都只能在一个平面或相互平行的平面上运动的机构。平面机构运动简图——不考虑那些与运动无关的因素（如构件的外形和断面尺寸、组成构件的零件数目、运动副的具体构造等），仅用简单的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示各运动副的相对位置，仅表达平面机构各构件间相对运动关系的简单图形。图示为油田抽油机的机构运动简图三、工程中常用机构的基本类型1.机构的基本型(1)平面连杆机构——低副联结而成的机构

全转动副四杆机构的基本型：曲柄摇杆机构（图a）含有一个移动副四杆机构的基本型：曲柄滑块机构（图b）含有两个移动副四杆机构的基本型：正弦机构（图c）

(2)凸轮机构——凸轮与从动件组成的高副机构直动从动件平面凸轮机构的基本型：直动对心尖底从动件平面凸轮机构（图a）摆动从动件平面凸轮机构的基本型：摆动尖底从动件平面凸轮机构（图b）直动从动件圆柱凸轮机构的基本型：直动滚子从动件圆柱凸轮机构（图c）摆动从动件圆柱凸轮机构的基本型：摆动滚子从动件圆柱凸轮机构（图d）

(3)齿轮机构——齿轮副组成的高副啮合传动机构圆柱齿轮传动机构的基本型——外啮合直齿圆柱齿轮传动机构（图a）圆锥齿轮传动机构的基本型——外啮合直齿圆锥齿轮传动机构（图b）蜗杆传动机构的基本型——阿基米德圆柱蜗杆传动机构（图c）行星齿轮传动机构的基本型——渐开线圆柱齿轮行星传动机构（图d）(4)摩擦轮传动机构——由两个相互压紧的摩擦轮组成，主动轮依靠摩擦力作用带动从动轮(图a)

(5)带传动机构的基本型——利用皮带作为连接主、从动轮的挠性件，依靠带与带轮之间的摩擦力来传递运动的机构(图b)(6)链传动机构的基本型——由链轮与链条组成的具有中间挠性件的啮合传动机构(图c)(7)螺旋传动机构的基本型——由螺杆和螺母组成的螺旋副传动机构(图d)(8)间歇运动机构的基本型——指当主动件作连续运动时，从动件则随之出现周期性停歇状态的机构(9)气、液传动机构的基本型——由气压(b)、液压(a)传动系统控制气缸、液压缸输出动力的机构(10)电磁传动机构的基本型——由电气传动系统控制电磁开关等动作的机构2.机构的组合——把一些基本机构通过适当的方式连接起来，组成一个机构系统，各基本机构均保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。3.组合机构——指若干基本机构通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构。组合机构中的各基本机构已不能保持各自的独立性，所以不能用原基本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。第二节机械运动与控制一、机械运动形态若不考虑空间运动则机械运动形态只有定轴转动（含摆动和间歇转动）、往复移动及平面运动三种。1.匀速转动机构——能将主动件的连续匀速转动变换为从动件的连续匀速转动的机构。如齿轮传动机构2.非匀速转动机构——能将主动件的连续匀速转动变换为从动件的周期性角速度变化的转动的机构。如非平行四边形双曲柄机构

3.往复运动机构——能将主动件的连续转动变换为从动件的往复摆动或往复移动的机构。如曲柄滑块机构4.间歇运动机构——能将主动件的连续转动变换为从动件的间歇转动、摆动或移动的机构。如棘轮机构5.差动机构——能将两个运动合成一个运动的机构。如差动螺旋机构6.实现预期轨迹的机构——从动件上指定点能按预期轨迹运动的机构。如凸轮机构7.可调行程机构——从动件的行程或摆角可调节控制的机构。如偏心调节机构二、机、气、液机构组合

气缸或液压缸系统与连杆系统的组合，也可称其为气、液驱动连杆机构。1.基本形式——由动作缸和活塞杆组合而成，主动件一般均为活塞杆，对于比较复杂的工艺动作，可采用多缸来完成。2.常见运动形式(1)固定缸式机构——单出杆固定缸可直接应用于定位、夹紧、送料、进给等工作中，实现移动到移动的运动变换。(2)摆动缸式机构——活塞相对于缸体的移动转换为从动构件的摆动和缸体本身的摆动。3.控制系统(1)手动控制——利用手动换向阀和流量阀实现机械位置与速度的控制。(2)机动控制——利用机动换向阀实现机械位置的控制。其机械速度的控制仍需手动调节流量阀实现。(3)微机控制——利用电磁换向阀实现机械位置控制时，由于可以电磁铁的通电与失电方式来控制阀芯的动作，故不同阀的顺序动作可由微机通过软件或硬件来实现控制，可实现整个系统的自动化控制。三、机电机构组合

机械技术与微电子技术和信息技术有机结合，集自动控制、智能、机械运动为一体。

机械系统的计算机控制框图四、机械运动的控制

1.机械运动的换向与控制(1)旋转运动的换向与控制1)改变电机转向2）限位开关换向

3)介轮换向轮2、3为介轮，左图轮1、4反向转动；右图轮1、4同向转动。

4)摩擦轮换向5)自身换向机构——利用机构本身的结构特点，使从动件的运动自动换向。如曲柄摇杆机构

(2)直线移动的换向与控制

1)改变电机转向来实现往复直线移动

电机正反转，经齿轮驱动固定在大门上的齿条，使大门往复移动。图b为电动感应推拉门示意图，两扇门固定在带的上下两侧，利用电机的正反转和上下皮带的反向运动完成门的开启与关闭动作。2)液压换向3)自身换向机构——主动件连续转动，从动件作往复的直线移动。如曲柄滑块机构

图示为液压换向传动控制电路图2.机械运动的调速与控制

(1)调速电机——改变电机的工作速度，使电机能在低速大扭矩的条件下工作，是最理想的调速方式。(2)齿轮减速器

(3)其它减速装置——各类带传动、链传动、摩擦传动都可起到减速作用。

(4)变速器

有级变速无级变速

3.机械运动的离合与控制不停止原动机运转的状态下暂时中断执行机构的工作。

4.机械运动的制动与控制缩短机械的停车时间。如机械式制动器、电磁式制动器、液压制动器、液力制动器、气动制动器等。第三节机械创新设计中的创新思维与技法

一、工程技术人员的创造力开发

工程技术人员的创造力是多种能力、个性和心理特征的综合表现，包括观察、记忆、想象、思维、表达、自我控制等能力，文化素质、理想信念、意志性格、兴趣爱好等因素。其中想象能力和思维能力是创造力的核心，这些能力和素质，经过学习和锻炼，都是可以改善提高的。工程技术人员应该具备丰富的知识和经验、高度的创新精神、健康的心理品质、严谨而科学的管理等条件，自觉地开发和提高自己的创造力。注意：要尽力克服思想僵化和片面性，树立辨证观点；摆脱传统思想的束缚，不盲目相信权威；消除胆怯和自卑；克服妄自尊大的排他意识，注意发挥群体的创造意识。二、创新思维创新思维是一种高层次的思维活动，它是建立在常规思维的基础上的人脑机能在外界信息激励下、自觉综合主观和客观信息产生新的客观实体（如工程领域中的新成果，自然规律或科学理论的新发现等）的思维活动和过程。1.创新思维的形成过程

(1)储存准备阶段(2)悬想加工阶段(3)顿悟阶段

2.创性思维的特点(1)突破性与求异性突破性——具备与前人、众人不同的独特见解，突破一般思维的常规惯例，提出新原理，创造新模式，贡献新方法。求异性——敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的习惯挑战，敢于否定自己思想上的“框框”，从新的角度分析问题。(2)连动性

1)纵向连动——针对问题和现象纵向思考，探寻其原因和本质，从而得到新的启示。2)横向连动——根据某一现象联想到特点与其相似或相关的事物，进行“特征转移”而进入新的领域。3)逆向连动——针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从“顺推”到“逆推”，从另一角度探寻新的途径。(3)多向性——即善于从不同的角度想问题。1)发散机制——在一个问题面前，尽量提出多种设想、多种答案，以扩大选择余地。

2)换元机制——灵活地变换影响事物和量的诸多因素中的一个，从而产生新的思路。

3)转向机制——即思维在一个方面受阻时，马上转向另一个方向。

4)创优机制——即用心寻找最优解答，不满足对问题和现象已有的解答或解释。(4)偶然性——即无意之中完成的发明，这反映了偶然性中的洞察力。(5)综合性——对已有材料进行深入分析，综合概括出其规律，或利用已有的信息、现象、概念等组合起来，形成新的技术思想或设计出新产品。

3.影响创新思维的因素先天赋予的能力(遗传的大脑生理结构)——“天赋能力”只是一种资质、一种倾向，一旦遇到合适的条件，“天赋能力”才能充分展现，如果缺少必要的现实条件，“天赋”再高的人也无能为力生活实践的影响(环境对大脑机能的影响)——后天的实践活动对于个人思维能力具有积极意义科学安排的思维训练——思维能力可以通过训练而得到提高，而训练方法是否具有科学性和简单易行等特点对促进掌握创新思维的方法和技巧有很大影响4.创新思维的激发和捕捉

(1)掌握和使用有利于创新思维发展的思维方法——

思维方法是思维和认识问题的途径、具体的步骤和明确的方向。掌握并自觉使用如突破思维定势法、生疑提问法、欲擒故纵松弛法、智慧碰撞法等思维方法。(2)创新思维的捕捉——创新思维是大脑皮层紧张的产物，神经网络之间的一种突然闪过的信息场，信息在新的精神回路中流动，创造出一种新的思路。此时要立刻用笔记下来，紧紧抓住使之物化。三、常用创新技法

1.智力激励法（集思广益法）

(1)激智会法——美国创造学家奥斯本提出的一种方法，通过召开智力激励会来实施的。(2)书面集智法——以笔代口的默写式智力激励法。(3)函询集智法——又称得尔菲法，借助信息反馈，反复征求专家书面意见来获得新的创意。2.提问追溯法(1)5W2H法1)Why？为何设计该产品？采用何种总体布局？……2)What？产品有何功能？是否需要创新？……3)Who？产品用户是谁？谁来设计？……4)When？何时完成该设计？各设计阶段时间如何划分？……5)Where？产品用于何处？在何处生产？……6)Howtodo？如何设计？形状、材料、结构如何？……7)Howmuch？单件还是批量生产？……(2)设问法——针对问题，从不同的角度提出疑问进行启发，以其出现创新成果。

1)转化：该产品能否稍作改动或不改动而移作它用？2)引伸：能否从该产品中引出其它产品？或用其它产品模仿该产品？3)变动：能否对产品进行某些改变？如运动、结构、造型、工艺？……4)放大：该产品放大（加厚、变深、…）后任何？5)缩小：该产品缩小（变薄、变软、…）后任何？6)颠倒：能否正反（上下、前后、…）颠倒使用？7)替代：该产品能否用其它产品替代？8)重组：零件能否互换？9)组合：现有几个产品能否组合为一个产品？或者部件组合、功能组合、……？

(3)反向探求法——对现有的解决方案系统地加以否定或寻找其它的甚至相反的一面，找出新的解决方法或启发新的想法。可以细分为“逆向”和“转向”两类方法。(4)缺点列举法——针对某一方案列出所有缺点和不足，研究改进方法，以探求新方案。(5)向前推演法——从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索，寻找新的想法。

3.联想类推法——通过启发、类比、联想、综合等创造出新的想法以解决问题。(1)相似联想法——通过相似联想进行推理，寻求创造性解法。(2)抽象类比法——用抽象反映问题实质的类比方法来扩展思路，寻求新解法。(3)借用法——从各个领域借用一切有用的信息诱发新的设想，即把无关的要素结合起来找出相似地方的一种借用方法。(4)仿生法——通过对生物的某些特性进行分析和类比，启发出新的想法或创造性方案的一种方法。4.组合创新法——利用事物间的内在联系，用已有的知识和成果进行新的组合而产生新的方案。

(1)组合法——把现有的技术或产品通过功能、原理、模块等方法的组合变化，形成新的技术思想或新的产品。(2)综摄法——通过已知的东西作为媒介，把毫无关联的、不相同的知识要素结合起来，摄取各种产品的长处将其综合在一起，制造出新产品的一种新的创新技法。第四节机械创新设计中的创新原理一、组合原理1.同类组合——指两个或两个以上相同或相似事物的组合。如双人自行车2.异类组合——指两种或两种以上不同类事物的组合。如航天飞机可以看成是飞机与火箭的组合3.附加组合——指在原有事物中补充加入新内容的组合。如加入车载电话、车内局域网、车载导航系统等新技术的现代汽车4.综合组合——将研究对象的各个部分、各个方面和各种因素联系起来加以考虑，从整体上把握事物的本质和规律，有选择地进行重组。如同步带就是摩擦带传动技术与链传动技术的综合二、分离原理——把某一创造对象进行科学的分解或离散，使主要问题从复杂现象中暴露出来，从而理清创造者的思路，便于人们抓住主要矛盾或寻求某种设计特色。1.结构分离创新——对已有产品的结构进行创造性分解，并寻求创新的一种思路。如上“热”下冷的新型电冰箱的设计2.市场细分创新——按照消费者的需要、动机及购买行为的多元性和差异性，将整体市场划分为若干子市场或细分市场，即将消费者区分为若干类似性的消费者群。如姚若松的农用微型耕作机的设计三、还原原理——研究已有事物的创造起点，并追根溯源深入到它的创造原点，或从原点上解决问题，或从原点出发另辟新路，将最主要功能抽出来，研究实现它的手段或方法，用新思想、新技术重新创造该事物。如洗衣机设计：采用还原原理，即还原到洗衣的创造原点——清洁，即将污物从衣物上去掉，于是人们想到了表