機械創(chuàng)新設計第一章

第一章機械創(chuàng)新設計基礎知識主要內容：機械的基礎知識——機械及其組成、機構及其運動簡圖、工程中的常用機構機械運動與控制——機械運動形態(tài)、機、氣、液、電機構的組合以及機械運動的控制

機械創(chuàng)新設計中的創(chuàng)新思維與技法——工程技術人員的創(chuàng)造力、創(chuàng)新思維和常用創(chuàng)新技法

機械創(chuàng)新設計中的創(chuàng)新原理——組合原理、分離原理、還原原理、移植原理、迂回原理和完滿原理

1.掌握創(chuàng)新設計對象的結構、運動、原理等基本知識，這樣才能透徹地分析所創(chuàng)新設計的對象，才能使創(chuàng)新設計出來的產品符合各種基本要求，便于設計出滿足所需功能的創(chuàng)新產品。2.深刻認識和理解創(chuàng)新思維的實質、類型和特點，不僅有助于掌握現(xiàn)有的創(chuàng)造原理及由此而創(chuàng)造出的各種創(chuàng)新技法，而且能夠推動和促進對新的創(chuàng)新技法的開拓和探索。3.創(chuàng)新原理是創(chuàng)新設計的基本理論，通過對幾種創(chuàng)新原理詳細介紹，并輔以簡單的實例，幫助學生掌握創(chuàng)新設計的基本方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，積累創(chuàng)新經驗，拓寬知識面，達到提高學生機械創(chuàng)新能力的目的。本章要求第一節(jié)機械的基礎知識一、機械及其組成1.機械的概念——機械是人們用以代替或減輕體力勞動、改善勞動條件、提高產品質量和生產率的工具。特征：1)它們都是執(zhí)行機械運動的裝置。2)它們都能進行物料或信息的變換與傳遞，并完成有用的機械功或實現(xiàn)能量轉換。注：機構——用來傳遞運動和力或改變運動形式的構件組合體，不做有用的機械功及能量轉換，如剝線鉗、門窗啟閉的桿件系統(tǒng)等，它們符合機械的第一個特征，也歸屬機械。

2.機械的分類(1)動力機(又叫原動機)——一種將其它形式的能量轉換為機械能的機械。按動力機轉換能量的方式不同可分為三大類。第一類：把電能轉化為機械能的機械。如三相交流異步電動機、單相交流異步電動機、直流電動機、步進電動機、伺服電動機等第二類：通過燃油、煤、鈾等獲得熱能后再轉化為機械能的機械。如汽油機、柴油機、蒸汽機、汽輪機、原子能發(fā)動機等第三類：把自然力轉化為機械能的機械。如水輪機、風力機、潮汐發(fā)動機、地熱發(fā)動機、太陽能發(fā)動機等(2)工作機——利用機械能來完成有用功的機械。工作機中必須包含動力機，否則，只能成為機械裝置。動力機的種類有限，而工作機的種類卻有多種多樣。由于工作機是完成各種復雜動作的機械，它不僅有運動精度方面的要求，也有強度、剛度、安全性、可靠性方面的要求。(3)信息機——通過各種復雜的信息來控制機械運動的機械，是一種特殊的工作機。如打印機是通過計算機指令來控制打印工作的，繪圖機、復印機、傳真機等都是信息機。

3.機械的組成原動部分——動力源，如電動機、內燃機執(zhí)行部分——按照人們的要求完成預定任務，如汽車的車輪、車床的主軸和刀架等傳動部分——將動力和運動由原動部分傳給執(zhí)行部分的中間傳動裝置，如汽車的變速箱、減速器、差速器等均屬傳動部分

控制部分——控制機械的其它基本部分，使操作者能隨時實現(xiàn)或終止各種預定的功能，如數(shù)控機床的控制系統(tǒng)等二、機構及其運動簡圖零件——機械中最基本的制造單元，將一些相互間無相對運動的零件組合起來即成為構件，最簡單的構件只有一個零件。構件——機械中最基本的運動單元。將一些相互間具有確定相對運動的構件組合起來即成為機構。構件類型1)機架——機構中固結定坐標參考系并視為固定不動的構件2)主動件——驅動機構的外力所作用的構件3)從動件——機構中其余被推動的構件。運動副——兩構件直接接觸形成的可動聯(lián)接。運動鏈——兩個以上構件用運動副聯(lián)接而成的相對可動的多體系統(tǒng)。機械運動簡圖——構件和運動副用規(guī)定符號表示，各運動副的相對位置按一定比例表示，用以說明各機構的相對運動情況。斜軸側投影

圖示為內燃機的機械運動簡圖。圖中1

–2–3–7為動力機構（曲柄滑塊機構）；4

–5–7及4

–6–7為配氣凸輪機構；1–4為齒輪機構。平面機構——所有構件都只能在一個平面或相互平行的平面上運動的機構。平面機構運動簡圖——不考慮那些與運動無關的因素（如構件的外形和斷面尺寸、組成構件的零件數(shù)目、運動副的具體構造等），僅用簡單的線條和符號來代表構件和運動副，并按一定比例表示各運動副的相對位置，僅表達平面機構各構件間相對運動關系的簡單圖形。圖示為油田抽油機的機構運動簡圖三、工程中常用機構的基本類型1.機構的基本型(1)平面連桿機構——低副聯(lián)結而成的機構

全轉動副四桿機構的基本型：曲柄搖桿機構（圖a）含有一個移動副四桿機構的基本型：曲柄滑塊機構（圖b）含有兩個移動副四桿機構的基本型：正弦機構（圖c）

(2)凸輪機構——凸輪與從動件組成的高副機構直動從動件平面凸輪機構的基本型：直動對心尖底從動件平面凸輪機構（圖a）擺動從動件平面凸輪機構的基本型：擺動尖底從動件平面凸輪機構（圖b）直動從動件圓柱凸輪機構的基本型：直動滾子從動件圓柱凸輪機構（圖c）擺動從動件圓柱凸輪機構的基本型：擺動滾子從動件圓柱凸輪機構（圖d）

(3)齒輪機構——齒輪副組成的高副嚙合傳動機構圓柱齒輪傳動機構的基本型——外嚙合直齒圓柱齒輪傳動機構（圖a）圓錐齒輪傳動機構的基本型——外嚙合直齒圓錐齒輪傳動機構（圖b）蝸桿傳動機構的基本型——阿基米德圓柱蝸桿傳動機構（圖c）行星齒輪傳動機構的基本型——漸開線圓柱齒輪行星傳動機構（圖d）(4)摩擦輪傳動機構——由兩個相互壓緊的摩擦輪組成，主動輪依靠摩擦力作用帶動從動輪(圖a)

(5)帶傳動機構的基本型——利用皮帶作為連接主、從動輪的撓性件，依靠帶與帶輪之間的摩擦力來傳遞運動的機構(圖b)(6)鏈傳動機構的基本型——由鏈輪與鏈條組成的具有中間撓性件的嚙合傳動機構(圖c)(7)螺旋傳動機構的基本型——由螺桿和螺母組成的螺旋副傳動機構(圖d)(8)間歇運動機構的基本型——指當主動件作連續(xù)運動時，從動件則隨之出現(xiàn)周期性停歇狀態(tài)的機構(9)氣、液傳動機構的基本型——由氣壓(b)、液壓(a)傳動系統(tǒng)控制氣缸、液壓缸輸出動力的機構(10)電磁傳動機構的基本型——由電氣傳動系統(tǒng)控制電磁開關等動作的機構2.機構的組合——把一些基本機構通過適當?shù)姆绞竭B接起來，組成一個機構系統(tǒng)，各基本機構均保持原來的結構和運動特性，都有自己的獨立性。3.組合機構——指若干基本機構通過特殊的組合而形成的一種具有新屬性的機構。組合機構中的各基本機構已不能保持各自的獨立性，所以不能用原基本機構的分析和設計方法進行組合機構的設計。第二節(jié)機械運動與控制一、機械運動形態(tài)若不考慮空間運動則機械運動形態(tài)只有定軸轉動（含擺動和間歇轉動）、往復移動及平面運動三種。1.勻速轉動機構——能將主動件的連續(xù)勻速轉動變換為從動件的連續(xù)勻速轉動的機構。如齒輪傳動機構2.非勻速轉動機構——能將主動件的連續(xù)勻速轉動變換為從動件的周期性角速度變化的轉動的機構。如非平行四邊形雙曲柄機構

3.往復運動機構——能將主動件的連續(xù)轉動變換為從動件的往復擺動或往復移動的機構。如曲柄滑塊機構4.間歇運動機構——能將主動件的連續(xù)轉動變換為從動件的間歇轉動、擺動或移動的機構。如棘輪機構5.差動機構——能將兩個運動合成一個運動的機構。如差動螺旋機構6.實現(xiàn)預期軌跡的機構——從動件上指定點能按預期軌跡運動的機構。如凸輪機構7.可調行程機構——從動件的行程或擺角可調節(jié)控制的機構。如偏心調節(jié)機構二、機、氣、液機構組合

氣缸或液壓缸系統(tǒng)與連桿系統(tǒng)的組合，也可稱其為氣、液驅動連桿機構。1.基本形式——由動作缸和活塞桿組合而成，主動件一般均為活塞桿，對于比較復雜的工藝動作，可采用多缸來完成。2.常見運動形式(1)固定缸式機構——單出桿固定缸可直接應用于定位、夾緊、送料、進給等工作中，實現(xiàn)移動到移動的運動變換。(2)擺動缸式機構——活塞相對于缸體的移動轉換為從動構件的擺動和缸體本身的擺動。3.控制系統(tǒng)(1)手動控制——利用手動換向閥和流量閥實現(xiàn)機械位置與速度的控制。(2)機動控制——利用機動換向閥實現(xiàn)機械位置的控制。其機械速度的控制仍需手動調節(jié)流量閥實現(xiàn)。(3)微機控制——利用電磁換向閥實現(xiàn)機械位置控制時，由于可以電磁鐵的通電與失電方式來控制閥芯的動作，故不同閥的順序動作可由微機通過軟件或硬件來實現(xiàn)控制，可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化控制。三、機電機構組合

機械技術與微電子技術和信息技術有機結合，集自動控制、智能、機械運動為一體。

機械系統(tǒng)的計算機控制框圖四、機械運動的控制

1.機械運動的換向與控制(1)旋轉運動的換向與控制1)改變電機轉向2）限位開關換向

3)介輪換向輪2、3為介輪，左圖輪1、4反向轉動；右圖輪1、4同向轉動。

4)摩擦輪換向5)自身換向機構——利用機構本身的結構特點，使從動件的運動自動換向。如曲柄搖桿機構

(2)直線移動的換向與控制

1)改變電機轉向來實現(xiàn)往復直線移動

電機正反轉，經齒輪驅動固定在大門上的齒條，使大門往復移動。圖b為電動感應推拉門示意圖，兩扇門固定在帶的上下兩側，利用電機的正反轉和上下皮帶的反向運動完成門的開啟與關閉動作。2)液壓換向3)自身換向機構——主動件連續(xù)轉動，從動件作往復的直線移動。如曲柄滑塊機構

圖示為液壓換向傳動控制電路圖2.機械運動的調速與控制

(1)調速電機——改變電機的工作速度，使電機能在低速大扭矩的條件下工作，是最理想的調速方式。(2)齒輪減速器

(3)其它減速裝置——各類帶傳動、鏈傳動、摩擦傳動都可起到減速作用。

(4)變速器

有級變速無級變速

3.機械運動的離合與控制不停止原動機運轉的狀態(tài)下暫時中斷執(zhí)行機構的工作。

4.機械運動的制動與控制縮短機械的停車時間。如機械式制動器、電磁式制動器、液壓制動器、液力制動器、氣動制動器等。第三節(jié)機械創(chuàng)新設計中的創(chuàng)新思維與技法

一、工程技術人員的創(chuàng)造力開發(fā)

工程技術人員的創(chuàng)造力是多種能力、個性和心理特征的綜合表現(xiàn)，包括觀察、記憶、想象、思維、表達、自我控制等能力，文化素質、理想信念、意志性格、興趣愛好等因素。其中想象能力和思維能力是創(chuàng)造力的核心，這些能力和素質，經過學習和鍛煉，都是可以改善提高的。工程技術人員應該具備豐富的知識和經驗、高度的創(chuàng)新精神、健康的心理品質、嚴謹而科學的管理等條件，自覺地開發(fā)和提高自己的創(chuàng)造力。注意：要盡力克服思想僵化和片面性，樹立辨證觀點；擺脫傳統(tǒng)思想的束縛，不盲目相信權威；消除膽怯和自卑；克服妄自尊大的排他意識，注意發(fā)揮群體的創(chuàng)造意識。二、創(chuàng)新思維創(chuàng)新思維是一種高層次的思維活動，它是建立在常規(guī)思維的基礎上的人腦機能在外界信息激勵下、自覺綜合主觀和客觀信息產生新的客觀實體（如工程領域中的新成果，自然規(guī)律或科學理論的新發(fā)現(xiàn)等）的思維活動和過程。1.創(chuàng)新思維的形成過程

(1)儲存準備階段(2)懸想加工階段(3)頓悟階段

2.創(chuàng)性思維的特點(1)突破性與求異性突破性——具備與前人、眾人不同的獨特見解，突破一般思維的常規(guī)慣例，提出新原理，創(chuàng)造新模式，貢獻新方法。求異性——敢于對司空見慣或“完美無缺”的事物提出懷疑，敢于向傳統(tǒng)的習慣挑戰(zhàn)，敢于否定自己思想上的“框框”，從新的角度分析問題。(2)連動性

1)縱向連動——針對問題和現(xiàn)象縱向思考，探尋其原因和本質，從而得到新的啟示。2)橫向連動——根據(jù)某一現(xiàn)象聯(lián)想到特點與其相似或相關的事物，進行“特征轉移”而進入新的領域。3)逆向連動——針對現(xiàn)象、問題或解法，分析其相反的方面，從“順推”到“逆推”，從另一角度探尋新的途徑。(3)多向性——即善于從不同的角度想問題。1)發(fā)散機制——在一個問題面前，盡量提出多種設想、多種答案，以擴大選擇余地。

2)換元機制——靈活地變換影響事物和量的諸多因素中的一個，從而產生新的思路。

3)轉向機制——即思維在一個方面受阻時，馬上轉向另一個方向。

4)創(chuàng)優(yōu)機制——即用心尋找最優(yōu)解答，不滿足對問題和現(xiàn)象已有的解答或解釋。(4)偶然性——即無意之中完成的發(fā)明，這反映了偶然性中的洞察力。(5)綜合性——對已有材料進行深入分析，綜合概括出其規(guī)律，或利用已有的信息、現(xiàn)象、概念等組合起來，形成新的技術思想或設計出新產品。

3.影響創(chuàng)新思維的因素先天賦予的能力(遺傳的大腦生理結構)——“天賦能力”只是一種資質、一種傾向，一旦遇到合適的條件，“天賦能力”才能充分展現(xiàn)，如果缺少必要的現(xiàn)實條件，“天賦”再高的人也無能為力生活實踐的影響(環(huán)境對大腦機能的影響)——后天的實踐活動對于個人思維能力具有積極意義科學安排的思維訓練——思維能力可以通過訓練而得到提高，而訓練方法是否具有科學性和簡單易行等特點對促進掌握創(chuàng)新思維的方法和技巧有很大影響4.創(chuàng)新思維的激發(fā)和捕捉

(1)掌握和使用有利于創(chuàng)新思維發(fā)展的思維方法——

思維方法是思維和認識問題的途徑、具體的步驟和明確的方向。掌握并自覺使用如突破思維定勢法、生疑提問法、欲擒故縱松弛法、智慧碰撞法等思維方法。(2)創(chuàng)新思維的捕捉——創(chuàng)新思維是大腦皮層緊張的產物，神經網絡之間的一種突然閃過的信息場，信息在新的精神回路中流動，創(chuàng)造出一種新的思路。此時要立刻用筆記下來，緊緊抓住使之物化。三、常用創(chuàng)新技法

1.智力激勵法（集思廣益法）

(1)激智會法——美國創(chuàng)造學家奧斯本提出的一種方法，通過召開智力激勵會來實施的。(2)書面集智法——以筆代口的默寫式智力激勵法。(3)函詢集智法——又稱得爾菲法，借助信息反饋，反復征求專家書面意見來獲得新的創(chuàng)意。2.提問追溯法(1)5W2H法1)Why？為何設計該產品？采用何種總體布局？……2)What？產品有何功能？是否需要創(chuàng)新？……3)Who？產品用戶是誰？誰來設計？……4)When？何時完成該設計？各設計階段時間如何劃分？……5)Where？產品用于何處？在何處生產？……6)Howtodo？如何設計？形狀、材料、結構如何？……7)Howmuch？單件還是批量生產？……(2)設問法——針對問題，從不同的角度提出疑問進行啟發(fā)，以其出現(xiàn)創(chuàng)新成果。

1)轉化：該產品能否稍作改動或不改動而移作它用？2)引伸：能否從該產品中引出其它產品？或用其它產品模仿該產品？3)變動：能否對產品進行某些改變？如運動、結構、造型、工藝？……4)放大：該產品放大（加厚、變深、…）后任何？5)縮小：該產品縮?。ㄗ儽?、變軟、…）后任何？6)顛倒：能否正反（上下、前后、…）顛倒使用？7)替代：該產品能否用其它產品替代？8)重組：零件能否互換？9)組合：現(xiàn)有幾個產品能否組合為一個產品？或者部件組合、功能組合、……？

(3)反向探求法——對現(xiàn)有的解決方案系統(tǒng)地加以否定或尋找其它的甚至相反的一面，找出新的解決方法或啟發(fā)新的想法?？梢约毞譃椤澳嫦颉焙汀稗D向”兩類方法。(4)缺點列舉法——針對某一方案列出所有缺點和不足，研究改進方法，以探求新方案。(5)向前推演法——從一個最初的設想按一定方向逐步向前探索，尋找新的想法。

3.聯(lián)想類推法——通過啟發(fā)、類比、聯(lián)想、綜合等創(chuàng)造出新的想法以解決問題。(1)相似聯(lián)想法——通過相似聯(lián)想進行推理，尋求創(chuàng)造性解法。(2)抽象類比法——用抽象反映問題實質的類比方法來擴展思路，尋求新解法。(3)借用法——從各個領域借用一切有用的信息誘發(fā)新的設想，即把無關的要素結合起來找出相似地方的一種借用方法。(4)仿生法——通過對生物的某些特性進行分析和類比，啟發(fā)出新的想法或創(chuàng)造性方案的一種方法。4.組合創(chuàng)新法——利用事物間的內在聯(lián)系，用已有的知識和成果進行新的組合而產生新的方案。

(1)組合法——把現(xiàn)有的技術或產品通過功能、原理、模塊等方法的組合變化，形成新的技術思想或新的產品。(2)綜攝法——通過已知的東西作為媒介，把毫無關聯(lián)的、不相同的知識要素結合起來，攝取各種產品的長處將其綜合在一起，制造出新產品的一種新的創(chuàng)新技法。第四節(jié)機械創(chuàng)新設計中的創(chuàng)新原理一、組合原理1.同類組合——指兩個或兩個以上相同或相似事物的組合。如雙人自行車2.異類組合——指兩種或兩種以上不同類事物的組合。如航天飛機可以看成是飛機與火箭的組合3.附加組合——指在原有事物中補充加入新內容的組合。如加入車載電話、車內局域網、車載導航系統(tǒng)等新技術的現(xiàn)代汽車4.綜合組合——將研究對象的各個部分、各個方面和各種因素聯(lián)系起來加以考慮，從整體上把握事物的本質和規(guī)律，有選擇地進行重組。如同步帶就是摩擦帶傳動技術與鏈傳動技術的綜合二、分離原理——把某一創(chuàng)造對象進行科學的分解或離散，使主要問題從復雜現(xiàn)象中暴露出來，從而理清創(chuàng)造者的思路，便于人們抓住主要矛盾或尋求某種設計特色。1.結構分離創(chuàng)新——對已有產品的結構進行創(chuàng)造性分解，并尋求創(chuàng)新的一種思路。如上“熱”下冷的新型電冰箱的設計2.市場細分創(chuàng)新——按照消費者的需要、動機及購買行為的多元性和差異性，將整體市場劃分為若干子市場或細分市場，即將消費者區(qū)分為若干類似性的消費者群。如姚若松的農用微型耕作機的設計三、還原原理——研究已有事物的創(chuàng)造起點，并追根溯源深入到它的創(chuàng)造原點，或從原點上解決問題，或從原點出發(fā)另辟新路，將最主要功能抽出來，研究實現(xiàn)它的手段或方法，用新思想、新技術重新創(chuàng)造該事物。如洗衣機設計：采用還原原理，即還原到洗衣的創(chuàng)造原點——清潔，即將污物從衣物上去掉，于是人們想到了表