机械创新设计简介与基础知识

2 机械创新设计简介与基础知识

在新的世纪里竞争日益激烈，科学技术依然是推动人类社会进步的第一生产力。创新是人类文明进步的原动力，是技术和经济发展的源泉，也是培养和造就人才的重要途径，在世界进入知识经济的时代，创新更是一个国家国民经济可持续发展的基石。人类的科技已经到达很高的水平，特别是机械行业，传统的设计水平进步很慢。而现在人们的需求也越来越高，所以人们迫切需要创新设计。

2.1创新设计概论

创新设计是一种现代设计方法，它是研究设计程序、设计规律和设计思维与方法的一门新型综合性科学。在机械设计过程中，创新设计对更大程度的满足人类生产和生活的需要，促进经济的发展和社会的进步有非常重要的作用。

说起创新设计大家总觉得很神秘、陌生。其实回想历史上的许多发明家，我们不难看出，创新发明其实有时候只是我们身边存在的小问题，经过我们思考之后加上灵感找到解决问题的方法或是发现新的事物。比如传说鲁班爬山时手被草割破，经过他的仔细思考发明了至今仍在使用的锯子；还有瓦特观察大水烧开后能将壶盖顶起，依据这个原理他发明了蒸汽机，导致了第一次工业革命。

另外创新设计需要勇气和毅力。大家一定知道袁隆平先生历尽磨难研究成功杂交水稻的事迹。这正是告诉了我们在进行创新设计过程中要破除思想封锁，树立信心，持之以恒，最终一定能解决问题。但是我们也需要逐步培养起分析创新设计可行性的能力，不能盲目到想要发明一种以水为燃料的内燃机。

2.2 机械创新设计（MCD）的概念及创新人才培养

机械创新设计（MCD）是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果（含理论、方法、技术、原理等），进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。其目的是由所要求的机械功能出发，改进、完善现有机械或创造发明新机械实现预期

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的功能，并使其具有良好的工作品质及经济性。所以培养创新人才要做到如下几点：

第一；要勇于创新和善于探索，有信心，勇气和创意。

第二：要掌握创新原理和创新技法。我们应通过学习和训练培养良好的创造心理，并要多思考多练习，将思维运用到实际中去，以提高创新的技法。

第三：要有创新的物质条件和精神条件。

第四：要有创新的意识，有较强的逻辑思维能力。创新不是空想，更不是不切合实际的想象，应该拥有创新的意识和较强的逻辑思维能力，能够把感性认识上升到理性认识，能够透过现象看其内在的本质，而且不能将思维停留在过去或现有的模式中，这样才可能创造出新颖先进的产品。

第五：加强创新实践。在实践中锻炼创新能力更胜于学习理论知识。创新设计实践包括了解问题、设计方案和执行方案三个阶段。

2.3 创新设计的分类

机械创新设计通常分为以下几种类型。

1.开发性设计 即在工作原理、结构等完全未知的情况下，针对新任务提出新方案，开发设计出以前没有的新产品。例如有人利用磁铁的同极相斥异极相吸的原理设计了一种磁力驱动装置，该装置使用固定磁铁与旋转磁铁同极相对，使两磁铁间出现相斥的力，先由外力启动，然后由永久磁铁的磁力驱动转子继续旋转，并向外输出能量，从而产生一种洁净、高效廉价的新能源。

2.变型设计应包括转用创新 即将某一已有的成熟的技术和结构进行适当变异，设计出使用领域更广的产品。

3.适应性设计 亦称反求设计。针对已有的产品设计，在消化吸收的基础上，对产品作局部变更或设计出一个新部件，使产品更能满足使用要求。

4.组合创新设计 将已有的零部件组合成为一种新产品，实现一种新的整体功能。例如，世界上的第一辆汽车就是组合创新的优秀成果，它是将汽车时代以前就有的转向装置、刹车装置、弹簧悬架等组合在一起成为新的交通工具。组合创新设计要求组合后的产品在性能上具有1+1＞1的效果，而在结构上则为

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1+1＜1。

开发设计以开拓、探索创新，变型设计通过变异创新，适应性设计在吸取中创新，组合创新设计，则是在结构或机构的综合上创新。总之，创新是各种创新设计的共同点。

2.4创新设计的特点

创新设计具有以下特点：

1.创新设计是有目的、有约束的创造活动。它以满足社会需要为出发点，为社会提供实现预期功能的产品。因此创新设计的创造模式为：社会需要→设计→产品。

2.创新设计离不开继承。创新设计当然要求不断的更新换代，但是任何一种创新设计都是在前人设计或是理论的基础上进行改造、创新发展起来的，是一种“继承+创新”的成果。

3.创新设计的模糊性。创新设计的过程不如传统的再现性设计那样明确。因此当你拿到一个设计课题时，必须先进行需求调查，考虑已有条件分析其可行性，然后进行创新思维，所以说创新设计是一个探索的过程。

2.5 机械创新设计的基础知识

在上面的介绍中我们了解了机械创新设计的概念和特点等，也知道了进行机械创新设计需要具备很多的条件（包括创新设计的原理和方法），在介绍机械创新设计的基本原理和方法前，我们还应该掌握机械创新设计的基础知识。只有有了具备了创新设计的条件，再结合机械创新设计的基础知识、原理和方法，才能在实际工程领域的创新实践中发挥出很好的成绩。

2.5.1机械的基础知识 1.机械的概念

机械是机构和机器的总称。我们在实际工程的领域中，常把具体的机械叫机器或机构，把机器中的机械运动系统叫机构。从功能变换的观点看，机构与

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机械有很大的区别。机器指用来根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，而机构都是用来传递与变换运动和力的可动装置。

机械是用来传递运动或动力的能完成有用机械功的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。其特点如下：

1）机械首先必须是执行机械运动的装置。

2）机械必须进行物料或信息的变换与传递，并完成有用的机械功。 3）机械中必须要完成能量的转换。

执行机械运动的装置是机械的主体，该部分是创新设计的重点内容。其运动方案部分相当于机械原理中的机构运动系统简图的设计。是否完成有用的机械功是辨别能否成为机械的关键条件。从机械学的角度看，电视机、计算机不是机械，这是因为它们的内部结构不是执行机械运动的装置，也没有克服外力作机械功。而剥线钳、手摇钻、门窗启闭的杆件系统等装置，因没有能量的转换，一般称之为机构，由于机构也是执行机械运动的装置，故纳入机械的概念中。根据机械的特点，还可把机械分为动力机、工作机和信息机。

动力机：一般也叫原动机，是一种把其它形式的能量转化为机械能的机械。按原动机转换能量的方式可分为三大类。

第一类有三相交流异步电动机、单向交流异步电动机、直流电动机、步进电动机等，它们都是把能量转化为机械能的机器。

第二类有柴油机、汽油机、蒸汽机、燃汽机轮、原子能发动机等，它们都是通过燃煤、油、铀获得热能再转化为机械的机器。

第三类有水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能发动机等，它们都是把自然力转化为机械能的机器。

根据原动机输出的数学性质，还可以把原动机划分为线性原动机和非线性原动机。

当原动机输出的位移（或转角）函数为时间的线性函数时，称为线性原动机。如交、直流电动机是线性原动机。

当原动机输出的位移（或转角）函数为时间的非线性函数时，称为非线性原动机。如步进电机、伺服电机是非线性原动机。非线性原动机包括控制系统，

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也可作为线性原动机使用，其最大特点可具有可控性。

弹簧力、重力、电磁力、记忆合金的热变形力都可以提供驱动力，但已不属于原动机的范畴。

工作机：工作机是指利用原动机提供的动力实现物料或信息的传递，克服外载荷而作有用机械功的机械。大部分机械都是工作机，工作机中必须包含原动机。否则，只能称为机械装置。汽车、起重运输等机械通过搬运物料而作机械功，各类金属加工机床也是通过物料的传递或转移而作机械功。原动机的种类有限，而工作机的种类却是多种多样。由于工作机是完成各种复杂动作的机械，它不仅有运动精度的要求，也有强度、刚度、安全性、可靠性的要求。

信息机：信息机也是一种工作机，只不过是通过各种复杂的信息来控制机械运动。如打印机是通过计算机的指令来控制打印工作的，绘图机、复印机、传真机、收音机都是信息机。

2. 机械的组成

掌握机械的组成我们可以参照图2-1所示的机械组成的示意图。

辅助系统，例如润滑、显示、照明等 原动机 传动机构 执行机构 控制系统

图2-1 机械组成的示意图

如上图所示，机械一般由原动机、机械运动系统、控制系统和辅助系统组成。机械运动系统可以是单一的工作执行机构，也可以是由机械传动机构和工

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作执行机构的组合。控制系统可以是手柄、按钮式的简单装置或电路，也可以是集微机、传感器、各类电子元件为一体的强、弱电相结合的自动化控制系统。

控制系统可以是原动机直接进行控制，也可以通过控制元件对传动机构或工作机构进行控制。

发电机 扇叶

伺服电动机 X 水轮机

电动机 伺服电动机 Y 工作台

a） b） c）

图 2-2 无转动机构的机械

图2-3 油田抽油机机构简图 1—电动机 2—带传动 3—减速箱

4—ABCDE 为连杆机构

工程中，有些机械没有传动机构，而是由原动机直接驱动执行机构。如水利发电机组、电风扇、鼓风机以及一些用直流电动机驱动的机械，都是没有传

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动机构。随着电机调速技术的发展，无传动机构的机械有增加的趋势。图2-2所示为机械中没有传动机构。

图2-2a为水力发电机，图2-2b为鼓风机，图2-2c为二坐标机床的工作台。 具有传动机构的机械占大多数。图2-3所示的油田抽油机就是具有代表性的机械。

图2-3中，带传动与齿轮减速箱为传动机构，起缓冲、过载保护、减速的作用。连杆机构ABCDE为执行机构，圆弧状驴头通过绳索带动抽油杆往复运动。

3. 机械运动系统

机械运动系统主要指机械中的传动机构和工作执行机构，从机构学的角度看问题，二者是相同的，只不过在机械中所起的作用不同。有些机械中有时很难分清传动机构和执行机构，故二者统称为机械运动系统。机械运动系统可以是机构的基本型，也可以是机构的基本型的机构组合或组合机构。

1） 机构的基本型

机构的基本型是指最基本的、最常用的机构型式。目前，最常见的机构有连杆机构(图2-4a)、凸轮机构(图2-4b)、齿轮机构(图2-4c)、带传动机构(图2-4d)、蜗杆传动机构(图2-4e)等，由于基本型的确定原则尚无确切说明，这里就不再对这些常见机构进行划分了。

a) b) c)

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d) e)

图2-4 常见机构类型

2） 机构的组合

形象的来说，机构就是一部机器的骨骼图，在实际应用中，单一的机构经常不能满足不同工作的需要。把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成一个机构系统，称为机构的组合。在机构的组合系统中，各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。在机械运动系统中，机构的组合系统应用很广泛。

例如，图2-5所示的铁板运输机中，定轴齿轮1把运动传递给齿轮2，定轴齿轮1上的曲柄通过连杆机构ABCD把运动传递给系杆H。齿轮2、3、4与系杆H构成一个差动轮系，该轮系的两个输入均为主动轮1提供，最后由齿轮3输出。可见，该系统中的连杆机构和差动轮系机构都没有因为互相连接而影响自己的机构特性。

图2-5

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我们创新设计机构时，要把握机构组合系统中的各机构均保持其原来的特性的原则，应该对机构组合系统中的各个机构进行独立的分析与设计。

3） 组合机构

在分析创新设计类型时，我们知道有一种创新叫组合创新设计。组合机构就包含其中，它是机构创新的重要方法之一。

我们首先应该清楚，组合机构是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，可见，它与与机构组合有本质的不同。组合机构中的各基本机构已不能保持各自的独立性，所以我们就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。每种组合机构都有各自的分析和设计方法。

常见的组合机构有齿轮—连杆组合机构、齿轮—凸轮组合机构、凸轮—连杆组合机构。组合机构常用于完成复杂运动的机械系统中。如图2-6所示的齿轮连杆组合机构，它就是实现较复杂运动轨迹的机械系统。其中的五杆机构ABCDE的两个输入运动是通过齿轮1、2的运动来实现的，适当的选择机构尺寸与齿轮传动比，可得到预定的连杆曲线。

图2-6 齿轮连杆组合机构

4. 机械的控制系统

随着机械行业的不断发展控制系统在机械中的作用也越来越突出，我们在进行机械创新设计时也可以将思维转移到这一领域，用自动化甚至智能化的控制系统来代替传统的手工操作。

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目前机械设备中的控制系统常见的有：机械控制、电气控制、液压控制、气动控制及综合控制。其中以电气控制的应用最为广泛，与其它控制形式相比有很多优点。

电气控制系统的特点是：体积小，操作方便，无污染，安全可靠，可进行远距离控制。其原理和方法是：通过不同的传感器可把位移、速度、加速度、温度、压力、色彩、气味、等物理量的变化转变为电量的变化，然后由控制系统进行处理。

由于计算机技术和自动控制技术的发展，现代机械的控制系统更加先进、复杂，可靠性也大大增加，可对运动时间、运动方向与位置、速度等参数进行准确的控制。

总之，现代的机械控制系统集计算机、传感器、接口电路、电器元件、光电元件、电磁元件等硬件环境及软件环境为一体，而且正向自动化、精密化、智能化、高速化的方向发展，其安全性、可靠性的程度不断提高。在机电一体化机械中，机械的控制系统将起更加重要的作用，我们应该重视在这一领域的创新设计。

2.5.2 机械系统及其发展 1. 机械系统的基本组成形式

根据原动机、传动机构、执行机构的不同组合以及机械系统运动输出特性 的不同，机械系统的基本组成形式见表2-1所示。

表2-1中的线性机构是指机构传动函数为线性函数的机构。如齿轮机构、螺旋传动机构、带传动机构及链传动机构等都是线性机构。而机构传动函数为非线性函数的机构，则称为非线性机构。如凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构等则是非线性机构。

类型1和2是最基本、最常见的机械系统。如电动卷扬机属类型1，鄂式破碎机属类型2。类型5在数控机床、机器人等自动机械中得到了广泛的应用。其它类型则少见其应用。

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表2-1 机械系统的基本组成形式 传动机构 执行机构 机械系统的输类 原动机 出运动 型 线性原动机 非线性原动机 线性机构 非线性机构 线性机构 非线性机构 简单机构 复杂机构 编 号 1 √ 2 √ 3 √ 4 √ 5 6 7 8 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 2. 机械系统的发展与演变

我们在学习专业知识时了解到，机械系统分为刚性机械系统和柔性机械系统，其划分的依据就是机械系统的运动是否具有可控制性。

1） 刚性机械系统

刚性机械系统一般是指机械装置与电器装置独立组合的机械系统，其特点就是不具有可控性。我们常见传统机械，例如：车床、铣床、刨床、钻床、起重机等都属于刚性机械系统。

2） 柔性机械系统

柔性机械系统即可借助传感器或控制电路，通过微机按位置、位移、速度、加速度、压力、温度等参数实施智能化控制的机械系统。其特点是具有可控性。数控机床和机器人都属于柔性机械系统。

3） 机械系统的发展

电子技术的飞速发展正在改变传统的机械系统，电子技术与机械技术

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不断的紧密结合，并诞生了机械电子学这一新的学科。刚性机械系统也正向柔性机械系统演化，使机电一体化的机械系统发展很快。图2-7为机械系统的演变过程框图。图a为典型的刚性机械系统；图 b 为改进的刚性机械系统，以电子控制的调速电机取代了机械变速装置。图c所示框图已演化为柔性机械系统；图d所示框图为直接驱动式的柔性机械系统，由于该系统中省去了传动机构，有更高的运动精度，其应用日益广泛。

从机械系统的演变过程可以看出，随着机械电子学的诞生与发展，刚性机械系统正在向柔性机械系统发展，我们应该加快这一演化，把这个转换也作为机械创新设计的重点对象，推进机械系统发展水平的进一步提高。

普通电变速机减速机构 a)

执行机构 负载 电子调速系减速机构 调速电动机 b)

伺服控制系减速机构 伺服电动机 c) 执行机构 负载 执行机构 负载 伺服控制系负载 直接驱动电 d)

图2-7 机械系统的演变过程框图

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3 创新基本原理

创新和创造是人类一种有目的、有约束探索活动，人们在长期的创新实践中总结了基本的创新原理，这些原理给从事机械创新设计的人员提供参考。下面系统的介绍几种创新原理：

3.1 综合创新原理

机器分解开来无非是一些机构要素（如齿轮、齿条、链轮、链条、皮带、连杆、螺丝、凸轮等）综合而成；但是，用上述的机构要素并不能随意的拼凑成一部机器，因为一部机器有其内在的组合、合成规律。而综合的真正意义就是指将研究对象的各个方面、各个部分和各种要素有机的联系起来，从而从整体上把握事物的本质和规律。

综合创新，是运用综合法则的创新功能去寻求新的创造。其基本模式如下图所示：

输入 已知事物A 综合 已知事物B 新事物C

我们在进行机械创新设计的过程中要注意：并不是任何的综合都能产生新的机械创新设计产品。比如将台钻用螺钉固定在车床的床头箱顶盖上，虽然是一种综合，但不是一种创新设计产品。因为综合不是将对象的各个构成要素的简单相加，而是按其内在联系合理的组合起来，使综合后的整体作用导致创新性的发现，这才实现了组合后的产品在性能上具有1+1＞1的效果，而在结构上则为1+1＜1。当然在机械创新设计实践中不乏综合创新的实例。

例如，现在广泛应用的同步带传动，就是将啮合传动与摩擦带传动技术综合而产生的，它具有传动功率大、传动准确等优点。

下面列举一些创新实践：综合已有的不同科学原理可以创造出新的原理，如：牛顿综合开普勒的天体运动定理和伽利略运动定律，创建了经典力学体系；

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综合已有的事实材料可以发现新规律，如：门捷列夫综合已知元素的原子属性与原子量、原子价的关系的事实和特点，发现了元素周期表；综合已有的不同科学方法创造出新方法，如：笛卡尔引进了坐标系综合几何学方法和代数法，创立了解析几何。这些都证明了综合就是创造，而且综合创新比起开发创新在技术更具有可行性，是一种使用的创新思路。

3.2 分离创新原理

分离创新原理与综合创新原理相对应，思路相反。它是把某个创造对象分离或离散为有限个简单的局部，把问题分解，使主要矛盾从复杂现象中分离出来解决的思维方法。分离原理的创新模式如下图：

输入

已知事物A 分离 输出

新事物B或C

分离创新原理在数学、力学和机械行业等领域得到广泛应用。例如在机械行业，组合夹具、组合机车、模块化机床就是分离创新原理的运用。

机械设计过程中，一般都是将问题分解为许多子系统和单元，对每一个子系统和单元进行分析和设计，然后综合，分离创新原理则是与其思路相反。脱卸式衣服、隐形眼镜都是分离创新的实例，还有很多的例子告诉了我们分离创新原理的方法和可行性。然而我们在实际创新设计过程中要知道，分离与综合虽思路相反，但往往要相辅相成，要考虑局部与局部、局部与整体的关系，分中有合，合中有分。

3.3 移植创新原理

把一个研究对象的概念，原理和方法等运用与或渗透到其他研究对象，而取得成果的方法，就是移植创新。

移植方法一直都应用于植物的移植嫁接、医疗领域的人体器官移植等。同样，在科学技术的发展过程中，移植方法也是一种应用广泛的创新原理。在实际创新设计中，我们通过把某一科学领域的新发现、新技术或基本原理移植到

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另一科学领域或者是将一门或几门科学的理论和研究方法综合、系统的移植到其他学科领域之中，以获得科学技术的发展，从而得到更多创新的成果。

我们还应该明确移植创新的定义，比如拉链广泛应用于服装领域，如过将拉链应用于书包上，这并不能算得上是移植创新。因为这是显而易见的事，而且两个领域跨度很小。一般来说，在移植创新过程中两个技术领域相距越远，移植的难度越大，就相应的会产生更高水平的创新设计。

移植的原理方法和大量的创新实践证明：移植原理能促进思维发散，只要某种科技原理转至新的领域具有可行性，通过新的结构或新的工艺，就可以产生创新。

例：人们不断地设计新型高效节能的发动机，前几年，人们开发出了陶瓷发动，它以高温陶瓷制成燃气涡轮的叶片、燃烧室等部件，或以陶瓷部件取代传统发动机中的汽缸内衬、活塞帽、预燃室、增压器等。陶瓷发动机具有耐腐蚀、耐高温性能，可以采用廉价燃料，可以省去传统的水冷系统，减轻了发动机的自重，因而大幅度地节省能耗、降低成本，增大了功效，是动力机械和汽车工业的重大突破。

3.4 逆向创新原理

我们在进行机械创新设计的过程中，逆向思维也占据其非常重要的地位。我国自古流传司马光砸缸的故事，就是逆向思维方法的经典例子。

逆向创新原理是从反面，从构成要素中对立的另一面思考，将通常思考问题的思路反转过来，寻求解决问题的新途径、新方法。逆向创新法又称反向探求法。

反向探求法一般有三个主要途径：功能性反向探求、结构性反向探求和因果关系反向探求。

创新思维具有独创性、连动性、多向性、综合性、和洞察力五个特点。其中的逆向连动思维形式十分重要。习惯性思维是人们创新设计中的障碍，它往往束缚人的思路。我们应该能突破这种习惯的束缚，多问为什么，发现问题，我们可以试着把问题颠倒，反向探求，也许可以得到创新性的收获。例如：18世纪初，人们发现了通电导体可使磁针转动的磁效应，法拉第运用逆向思维探

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求，“能不能用磁产生电呢？”于是经过长时间的探索与实验后他制造出了世界上第一台感应电动机，为人类进入电气化时代开辟了道路。

3.5 还原创新原理

从事机械行业的人都明白，机器或机构想要达到一个目的，并不是只有一个途径，我们可以选择最简单、经济的方案来实现目的。必要时需要创新设计，此时我们只需抓住本质，而不必局限于在原有基础上的改进等。这就用到还原创新原理。

还原法则又称抽象法则，即回到根本、回到事物的起点。暂时放下所研究的问题，反过来追根溯源，分析问题的本质，从本质出发另辟蹊径进行创新的一种模式。

日本有一家食品公司，想生产自己的口香糖，却找不到做口香糖原料的橡胶，他们将注意力回到“有弹性”的起点上，设想用其他材料代替橡胶，经过多次失败后，他们用乙烯、树脂代替橡胶，再加入薄荷与砂糖，终于发明出日本式的口香糖，畅销市场。这个例子告诉我们：在进行还原创新过程中，最重要的是把起点放在事物最本质的功能上，而不是从所要实现的功能出。

还原换元是还原创新的基本模式。所谓换元，是通过置换或代替有关技术元素进行创造。在实际创新实践中我们可以理解为灵活地变换影响事物质和量的诸多因素的某一个或某些，从而产生大量的创新思路。

3.6 价值优化原理

任何机械产品的创新设计都是在寻找最优方案，在方案的制定和筛选时，要综合考虑产品的实用性、工艺性、经济性等因素。其中的价值优化也是一种创新过程。

价值工程就是揭示产品的价值、成本、功能之间的内在联系。它以提高产品的价值为目的，提高技术经济指标。它最早是美国开始研究的。在设计、研制产品的时，设计研制所需成本为C，取得功能为F，则产品的价值V为：

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可见，产品的价值与其功能成正比，而与其成本成反比。设计创造具有高价值的产品，是人们追求的目标。价值优化或提高价值的知道思想，也是创造活动应遵循的理念。但优化设计并不一定每项性能指标都达到最优，一般可寻求一个综合考虑功能、技术、经济、使用等因素后都满意的系统，有些从局部看来不是最优，但从总体来看是相对最优。于是，优化设计的途径可以总结为：

（1）保持产品功能不变，通过降低成本，达到提高价值的目的； （2）不增加成本的前提下，提高产品的功能质量，以实现价值的提高； （3）虽成本有所增加，但却使功能大幅度提高，使价值提高； （4）虽功能有所降低，成本却大幅度下降，使价值提高；

（5）不但使功能增加，同时也使成本下降，从而使价值大幅度提高。这是最理想的途径，也是价值优化的最高目标。

以上介绍了创新基本原理，在实际创新设计中，我们要熟知这些原理和技法。但是这些创新原理和创新技法难免存在一定的局限性，我们要明白真正的科学规律存在与事物之中，我们应该多从实践中来理解这些原理并得到直观的结论，不能受到已有原理的束缚，打破思维定势，才能创新。

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4 常用创新方法

我们在进行机械创新设计时，第一步就是要分析社会大众的需求，否则再好的创新设计都没有生命力；其次就是要考虑到所研究的课题是否科学、实用；然后才是通过不断的实践掌握创新设计的方法，这样最终才实现了创新设计的目的。

4.1 搜寻题材的方法

首先我们应该收集题材，这是创新设计的关键，一个合理新颖的题材就是创新设计成功的一半。人们在创新设计实践中一般采用两种方法来搜寻题材。

（1）向生活索取 世界上不存在尽善尽美的事物，向生活索取创新设计的题材就是一个在不完美中追求完美的过程。生活中用的门窗合页是“死结”，安装后再拆下来相当费事，给维修和清洁工人带来了很大的不便。下图是西北电讯工程学院附中学生陈延辉设计的这种一端可以插入和抽出的活动合页。

图4-1 活动合页

（2）到各自的工作领域去挖掘 我们在长期从事某一工作的过程中，就会对专业的现状相当熟悉；更能了解其中的不足和我们真正需要的事物。这样我们便能方便的选择课题，而且成功的可能性也更大。

伞是我们生活中的必需品，但是普通伞的体积大，旅行时不容易携带，人们可能会想到能否将伞折叠起来方便携带呢？以为任职于制伞公司的童工树田英一，他巧妙的在伞上安装一根弹簧，就可以将伞折叠，轻巧地收藏起来。而打开伞时，弹簧的拉力使得伞不向外翻。

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图4-2 折叠伞

4.2 创新的主要方法

创新的主要方法有下面几种： 4.2.1 缺点列举法

克服缺点就意味着进步，意味着查的更新。

如果有意识的将你所熟悉的事物的缺点一一列举出来，并进行分析，随时做笔记纪录，找出你感受最深、最急需解决而又可能解决的问题，对症下药，作为创新发明的选题，这样便有可能创新，这种创新技法就叫做缺点列举法。

要使用这种方法进行创新设计，就要做到在生活中注意身边的事物的缺点与不足；提出缺点（例如方法有：征集用户意见，同类产品进行对比，召开缺点列举会等。）；之后就分析整理缺点，确定创新目标；最关键的当然是对主要缺点进行改进，运用个中创新思维与激发进行创新设计。

4.2.2 希望点列举法

希望是人们内心期待达到的某中目的或期待出现的某中情况，是人类需求心理的反映。

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人们总是不满足于现状，对未来充满希望和向往。希望代表着人们的某种新企盼，希望点的背后隐藏着事物的新问题和新矛盾。将这些希望予以具体化，并列举、归类和概括出来，往往就成为一个可选的发明课题。

例如：我们都知道自行车的曲轴可以随时向前踩或者向后踩，知识由于自行车上的棘轮机构，使得自行车只能单向前进。一位日本青年根据这个产生了一个很好的构想，那就是将二轮车的直轴直接改成曲轴，如下图所示，脚站在曲轴上，这样用脚去踩时，由于踩法不同，车子就可以随意的前进或后退了。

图4-3 进退自如的脚踏玩具

4.2.3 系统设问法

（a） （b）

图4-4手动唧筒

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针对事物系统地罗列问题，然后逐一加以研究、讨论，多方面扩展思路，就像原子的链式反应那样，从单一物品中萌生出许多新的设想，这就叫做系统设问法。系统设问法可以从以下方面入手：转化、引申、改变、放大或缩小、复杂、精简、代替、重组、颠倒和组合。

1.转化

转化就是根据存在的物品，设想它本身或经过稍微改变后是否能有其他的用途。

下面举一个转化的例子：农村水井打水用的手动唧筒（图4-4（a））就是滑块四杆机构(图4-4(b))的应用实例。

2. 引申

就是根据已知事物设问是否有与其相似的物品，从而引申设想出另一事物，得到创新。

港口用的起重机就是双摇杆机构引申来的，如图4-5所示，当AB杆摆动时，CD杆也摆动，连杆CB上的E点作近似的水平运动，使其在起吊重物时减少能量的损失。

3. 改变

就是设问改变已知事物的颜色、形状、气味、式样等特征时，能否产生创新。

图4-6所示的为一车门启闭机构，利用反平行四边形引申而来。其运动特点为构件1、3作转向相反的转动，保证左、右车门同时启闭。其中的反平行四边形机构则是从平行四边形引申而来的。

4. 放大或缩小

就是设想将现存的事物，经过按比例放大或缩小或是单向放大或缩小，能否得到新的事物。

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图4-5 港口起重机

a) b)

图4-6 车门启闭机构

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图4-7 汽车前窗刮雨器

汽车出现后，人们为下雨天开车时雨水会遮住驾驶员的视线而烦恼。为此有人利用“放大或缩小”这一方法设计出了图4-7所示的汽车前窗刮雨器。它是利用曲柄摇杆机构将摇杆的一端延长，利用摇杆延长部分的往复摆动实现刮雨动作。

5. 复杂

就是设想在一个物品上加上别的东西，从而获得更加良好的性能和功能等，实现创新。

例如：图4-8所示的星形发动机。它是由六个曲柄滑块机构组成，六个活塞的往复运动同时通过连杆传给公用曲柄A，其输出传动是六个曲柄滑块机构输出传动的代数和，与单缸发动机相比，其输出扭矩波动小，可以部分或全部消除振动力。

图 4-8 星形发动机

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6. 精简

精简就是设想从一物品上精简掉一部分，减轻其重量或复杂程度，从而设法得到创新的一种方法。

图4-9 柔性四杆机构 图4-10 手动夹钳

在实际创新设计实践中可以在机构中，将运动副精简，由柔性关节代替铰链，由结构本身的预期弹性变形来实现运动和力的传递。如图4-9所示的柔性四杆机构和图4-10所示的手动夹钳即为新的柔顺机构，它没有刚性运动副，不需装配，不需润滑，具有体积小、重量轻、制造和维修费用低、使用寿命长等优点。

7. 代替

就是设想用一种物品来代替正在使用的物品，或是用其他材料、成分、过程或方法来代替此物品的材料、成分、过程或方法，从而得到一种创新。

（a） (b)

图4-11 偏心轮机构

例如：在曲柄滑块机构中，若需要曲柄较短，或需要滑块行程较小，这时可以使用盘状结构代替曲柄，这样就得到了如图4-11所示的偏心轮机构。回转

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中心A到偏心轮几何中心B的距离（称为偏心距）相当于曲柄滑块机构中的曲柄长度。偏心轮机构在剪床、冲床及鄂式破碎机等机械设备中得到广泛应用。

8. 重组

就是设想将一个物体的组成部分进行调换、重组，或是以一定的条件改变序列、因果关系和速率等，以产生一种新事物。

9. 颠倒

图4-12 可逆式折叠椅

就是设想将一种结构或功能正反互换来实现更多、更好的功能或是产生一种新结构。

如图4-12所示的可逆式折叠椅就是利用这种方法设计的，其椅面和靠背正反面分别做成硬的和软的两面，可以翻转，热天坐硬面，冬天坐软面。

10. 组合

图4-13 织布机开口机构

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就是设想将已知的物体与另一物体按照适当的方式组合起来，以加大其功能或是得到另一新事物。

如图4-13所示的织布机开口机构，它由曲柄滑块机构和转动导杆机构串联

?180组合而成。曲柄1以等角速度转动时，机构5就能实现每转后停歇的运动要求。

我们在实际机械创新设计实践中，运用系统设问法时应该以上述10个方面为参照，大胆提出设想，如果能像上述例子一样找到解决问题的答案，都可以作为创新设计的选题。

4.2.4 信息联想法

创新的发展重在突破，却也离不开继承，所以了解、继承他人或前人的成果非常重要。要提高创新能力，必须收集信息，利用信息。

我们将自己每天耳闻目睹的大量信息加以筛选，从中挑出新的、奇的、与技术有关的科学发现和技术发明，通过思维加以联想，往往可以产生或提出一个新的发明问题。这种方法叫做信息联想法。

联想的方式有：由一事物联想到空间或时间上与其相连通的另一事物；联想到与其对立的事物；联想到与其类似特点（如功能、性质、结构）的另一事物；联想到与其有因果关系的另一事物；联想到与其从属关系的另一事物等等。

4.2.5 专利文献选读法

从事机械创新设计，可以选择专利文献为主要媒体来获取信息，专利文献是最有代表性、数量最大的情报信息来源。通过阅读大量的专利文献，即可掌握现有发明的内容和思路，了解最新的发明成果，避免重复他人的工作和侵权行为，又可对不完善的部分加以改进，作为你的课题，进行再发明。

据资料统计，1985年～1995年中国发明协会向社会推荐和宣传的发明创造成果有1万多项，其中有15%转化为生产力；而这10年中我国的专利实施率仅在25%～30%左右。可见采用专利文献法进行创新设计十分可观，我们只要针对其中的不实用的部分进行改进和完善，往往就会获得良好效果。

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0.1 压气孔 激光束

激光腔 高压气流

0.1 抽气腔 激光腔 抽气孔

图4-14（a）压气式气动窗口示意图

0.1 调压腔 图4-14（b）抽气式气动窗口示意图

抽气腔 激光束

激光腔 调压阀

抽气孔

图4-14（c）双腔抽气式大功率气体激光器气动窗口示意图 20世纪80年代初，国际科技情报联机系统还没有在我国投入使用，但是当时的年轻学者岳超瑜凭借着顽强的毅力，查阅了大量的专利文献，终于从浩如烟海的文献中找到了一些有关气动窗口的最新发明专利和报道。其中包括如图4-14（a）所示的英国科学家发明的“压气式气动窗口”和图4-14（b）所示的美国人发明的“抽气式气动窗口”。其中英国人的设计由于工作会导致内腔污染，无法投入使用，而美国的发明存在造价高、激光质量差、结构和运行原理不足等缺点。岳超瑜对这两项发明进行分析和研究后，设计出图4-14（c）所示的双腔抽气式大功率气体激光器气动窗口，他的创新设计克服了上述两种设计的缺点，使腔内气流平衡，也密封了工作腔。

4.2.6 集思广益法

集思广益法是美国创造工程学家奥斯本于1945年首次提出的，原文是“Brain storming”，直译就是“头脑风暴”。这种方式是以开小型的交流讨论会来进行，与会人数一般为5～10人，要求与会者严格遵守下列规则：

1）畅所欲言，想到就说，意见越多越好；

2）静听别人的发言，从中受到启发，以使自己的意见更加完善；

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3）欢迎荒诞和使人发笑的发言，设想越奇越好，能否采用另当别论； 4）禁止批评别人的发言，这一点很重要。

会后对会上的各种设想进行整理评价，选择最优的设想付诸实施。 运用上面介绍的六种方法，一般可以确定待发明的课题。这只是成功的开始，真正创新设计也是一个艰苦努力的过程。在进行创新设计时，我们要联系实际需要，根据事物的品质、构造、功能、特征对各中构想或方案进行分析、比较、判断，先分析出最佳的方案，然后再运用创新的逆向思维和正向思维，对问题进行类比、综合、联想，集思广益，同时反复的进行绘图、试验、制作样品和模型，并不断的改进，一个发明才有可能真正的完成。

4.3 创新机构举例

下面我们再结合两个相关的例子来说明创新设计的原理和方法：图4-15（a）所示的是螺钉自动上料整列机构，广泛应用于标准件生产企业。在螺钉没有车丝或搓丝以前，螺钉是无规则的盛放在料盘中，当左边的黑色输送槽上下运动时，螺钉通过物料的自重进行整列，在槽身中令钉头向上，如不其然，在槽身上下运动时，令其重新掉入料盘，螺钉在左侧槽身中上升至与右侧贮料槽以备加工。图4-15（b）所示的胶丸（或子弹）整列机构也是利用被整列的物体自行做物料整列动作，从图中所示胶丸或子弹的构造形状可见：它的重心在圆柱形部分，当黑色滑块左右移动时推移被整列的物体到达右方槽内尖角时便可以由物料的重心自行整列，使圆柱体朝下，尖端朝上。

这两个例子同是了重心原理的机构综合创新设计。这两个例子具有相似性，在创新设计时用了综合创新原理，而后者在创新设计中就能用信息联想法。我们还能发现这两个机构都没有强制运动链，而是利用力学原理创新设计的。机构学本来就是从力学分离出来的，所以用力学原理来指导机构创新十分有意义。在解决整列物料的思路上设计者突破用什么强制运动链、纯刚体机构解决物料整列的框框，将思路回归到起点，另寻捷径，想到用力学原理解决这一问题，这是还原创新原理的应用，当然将力学原理应用到机构学也应用了移植创新原理。

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图4-15（a）用上下运动的 输送嵌入 图4-15（b）自行整列机构 槽（用右黑色运动体）在料盘内上 下运动令螺钉自行嵌入整列的机型

综合上述可见，在进行机械创新设计的过程中，应该充分发挥正向和逆向思维的能力，灵活有机的综合运用创新设计的基本原理和方法，必要时只是以此为借鉴，不能被之束缚，敢于尝试自己的方法。

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5 机械创新设计的一般过程

设计过程是指从明确设计任务书到编制技术文件所进行的整个工作流程。机械设计的思路一般为：产品规划→原理方案设计→技术方案设计→改进设计。下面我们对比常规机械设计的过程来说明机械创新设计的一般过程。

5.1 常规机械设计一般过程

常规机械设计过程一般可以分为四个阶段：①机械总体方案设计。设计者根据设计任务书的要求，广泛收集同类机械或相近机械的性能参数，使用情况，优缺点等技术和数据，而后便可进入机械总体方案设计阶段。机械总体方案设计在很大程度上决定未来机械的面貌，对机械的性能成本有很大影响。②机械的运动设计。设计者根据设计任务书的要求，对选定的一种设计方案进行运动综合，以满足根据机械的用途、功能和工艺条件而提出的运动规律、机构的位置或某点轨迹的要求。机械运动设计的内容包括机构主要尺寸的确定，机械运动参数的分析，传动比的确定与分配等。③机械的动力设计。在运动设计的基础上，确定作用在机械系统各构件上的载荷并进行机械的功率和能量计算。机械动力设计的内容包括动力分析、功能关系、真实运动求解、速度调节和机械的平衡等。④机械的结构设计。结构设计的任务是根据机械中各构件的工况参数和失效形式，选定的材料种类和热处理方式，确定其合理的几何形状和机构尺寸，即把机构运动简图中用符号表示的所有构件都绘制成具体的零件工作图、部件装配图和机械的总装图。

5.2 机械创新设计的一般过程

机械创新设计（MCD）是相对常规设计而言的，它特别强调人在设计过程中，特别是在总体方案结构设计阶段中的主导性及创造性作用。MCD是易门有待开发的新的设计技术和方法。由于技术专家们采用的工具和建立的结构学、运动学与动力学模型不同，但其实质是统一的。综合起来，MCD基本过程主要由综合过程、选择过程和分析过程组成。

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图5-1 机械创新设计的一般过程

如图5-1所示为中国的技术专家提出的机械创新设计的一般过程，它分为四个阶段：

（1）确定（选定或发明）机械的基本原理 它可能涉及机械学对象的不同层次、不同类型的机构组合，或不同学科知识、技术的问题。

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（2）机构尺寸综合及其运动参数优选 优选的结构类型对机械整体性能和经济性具有重大影响，它多伴随新机构的饿发明。

（3）机构运动尺寸综合及其运动参数优选 其难点在于求得非线性方程组的完全解（或多解），为优选方案提供较大的空间。

（4）机构动力参数综合及其动力参数优选 其难点在于参数量大、参数值变化域广的多维非线性动力学方程组的求解，这是一个急待深入研究的课题。

完成上述机械工作原理、结构学、运动学、动力学分析与综合的四个阶段，便形成了机械设计优选方案。然后进入机械结构创新设计阶段。主要解决基于可靠性、工艺性、安全性、摩擦学的结构设计问题。

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参考文献：

⑴ 李立斌主编.机械创新设计基础.长沙：国防科技大学出版社，2002

⑵ 张春林，曲继方，张美麟编著.机械创新设计.北京：机械工业出版社，1999

⑶ 李学荣编著.新机器机构的创造发明.重庆：重庆出版社，1988 ⑷ 实用机械设计编写组编著.实用机械设计手册.第二版.北京：机械工业出版社，1994 ⑸ 陈书法，李耀明，孙星钊编著.花生挖掘铲动力分析与试验.农业机械学报，2005 ⑹ 尚书旗，王方艳，刘曙光，赵忠海，王建春编著.花生收获机械的研究现状与发展趋势.农业工程学报，2004

⑺ 原思聪主编.机械工程CAD技术.西安：陕西科学技术出版社，2001 ⑻ 孙恒，陈作模主编.机械原理.北京：高等教育出版社，2001

⑼ 濮良贵，纪名刚主编.机械设计.第七版.北京：高等教育出版社，2001

⑽ .中华人民共和国农业行业标准 花生收获机作业质量(N Y/ 7502 - 2002).农业学报，2001

⑾ 丁保江,唐殿明,付华良,董晓伟编著.小型背负式花生联合收获机的设计研究. 山东省聊城市农业机械科学研究所，2005

⑿ 刘莹,艾红主编.创新设计思维与技法.北京：机械工业出版社，2003 ⒀ 同济大学主编.单斗液压挖掘机.第二版.北京：中国建筑工业出版社，1986

⒁ 贾晶霞，张东兴，杨德秋.薯类收获机振动筛伤薯机理计算机模拟与分析. 农业机械学报，2005

⒂ 王方艳，梁洁，尚书旗，刘曙光，姜元志. 花生收获机传动系统的运动机理分析与参数优化. 农业机械学报，2006

⒃ Shang Shuqi , Wang Jiangang, Wang Fangyan, Liu Shuguang, Jiang Yuanzhi. Design principle and analyses of the motion characteristics of 4H-2 type peanut harvester. 农业工程学报，2005

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