5__机械运动方案设计与创新

预加反作用 预操作
18
19 20
振动
周期性作用 有效作用的 连续性
28
29 30
机械系统 的替代
气动与液 压结构 柔性壳体 或薄膜
38
39 40
加速强氧 化
惰性环境 复合材料
下面介绍几个常见的原理与工程实例
（1）分割原理
将一个物体分成相互独立的部分：例如一辆
卡车加拖车代替一辆载重量大的卡车。
使物体分成容易组装或拆卸的部分：例如花
机械创新设计(MCD)
华中农业大学
王树才
王树才
Wsc01@
5 机械运动方案设计与创新
5.1

机械产品的开发过程
开发一个新的机械产品一般经历四个阶段：
产品规划——市场需求调查；科技信息调研；论证
必要性，可行性，确定产品功能目标。
方案设计——进行系统的功能分析与设计；工作原理构
三、
利用技术冲突解决原理
冲突广泛存在于产品的设计之中，解决冲突是创新 设计的核心。 冲突类型很多：
1）物理矛盾 TRIZ理论中，当系统要求一个参数向相反方向变化时，就构成了物理 矛盾，例如，系统要求温度既要升高，也要降低；质量既要增大， 也要减小；缝隙既要窄，也要宽等。这种矛盾的说法看起来也许会 觉得荒唐，但事实上在多数工作中都存在这样的矛盾。 例：现在手机制造要求整体体积设计得越小越好，便于携带，同时又要 求显示屏和键盘设计得越大越好，便于观看和操作，所以对手机的 体积设计要求具有大、小两个方面的趋势，这就是手机设计的物理 矛盾。 2）技术冲突 技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用 的引入或有害作用的消除导致一个或几个子系统变坏。技术冲突常 表现为一个系统中两个子系统之间的冲突。
多功能小刀、超市购物车、套椅等
(5)动态化原理

使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调 整，以达到优化的性能。如可调整驱动轮，可调整
座椅，可调整反光镜等。


划分一个物体成具有相互关系的元件，元件之间 可以改变相对位臵。如计算机蝶形键盘、活动扳手。 如果一个物体是静止的，使之变为运动的或可改 变的。如螺旋角可变的螺杆输送机，弹簧沿着旋转轴的
划分模块时要注意模块在整个系统中的作用 及其更换的可能性与必要性；要注意保持模块在功 能及结构方面的独立性与完整性；模块间的结构要 素应便于分离与联接；模块的划分不能影响系统的 主要功能。 模块的组合有开式与闭式组合，组合的原则 是以求用较少模块组合成更多不同功能的变形产品。
模块化设计实例——齿轮减速器系列设计
二、功能分类
1）按机电产品各组成部分具体功能进行分类：
o
o
o
o
驱动功能——为系统提供能量，它接受测控部分发出 的指令，驱动执行部分工作。其功能载体为各种类型 原动机。 传动功能——传递驱动和执行部分之间的运动和动力。 包括运动形式、性质、方向、大小的变换。其功能载 体可以是机械式、液压气动式、电磁式等。 执行功能——实现和完成产品的最终功能。简单系统 可用简单的构件实现特定的动作；复杂的系统有多个 执行功能，各动作需要协调与配合。 测控功能——包括检测、传感与控制。它把系统工作 过程中各种参数和工作状况检测出来，变换成可测定 和可控制的物理量，传送到信息处理部分，并发出对 各部分的工作指令和控制信号。
五、

40条技术冲突的解决原理
在对全世界专利进行分析研究的基础上， 有关专家提出了40条技术冲突的解决原 理，实践证明，这些原理对于指导设计 人员的发明创造具有重要的作用。 40条技术冲突的解决原理如下表所示：
序号
名称
序号
名称
序号
名称
序号
名称
1
2 3
分割
分离 局部质量
11
12 13
预补偿
等势性 反向
园浇花用的软管，可按需要用快速接头连接成所 需要的长度。 增加物体相互独立部分的程度：例如挖掘机 铲斗的唇缘是容易损坏的部件，将其设计成可分 割的几部分，既可方便的将损坏部分更换。 活字印刷、分装食物、百叶窗
（2）局部性质原理

将物体或环境的均匀结构变成不均匀结构。如用
变化中的压力、温度或密度代替常定的压力、温度或密 度。
一、建立设计目录
设计目录是一种设计信息库，他把设计过程中 所需要的大量信息有规律的加以分类、排列、储 存，以便设计者查找、调用。 下表是部分物理功能的设计目录
二、参考、借鉴相关产品的资料或专利
例1 分纸原理：印刷、点钞、包装
例2 液体输送原理：利用负压效应设计波纹管水泵； 利用毛细管效应设计封闭热管，用于人造卫星 和冻土层输油管保温等。
3）机构的基本功能
变换运动的形式——转动，移动，摆动，间歇运动 变换运动的速度——减速，增速，变速 变换运动的方向 进行运动的合成与分解 对运动进行操纵与控制 实现给定的运动位置与轨迹 实现某些特殊功能——增力，增程，微动，急回，夹
紧，定位等




三、功能的分解
将产品的总功能进行分解成分功能，子功能，乃至功 能元，使功能分析与设计更加方便。 功能分解可图解为树状结构，如下图所示：
模块名称
箱体 97
齿轮 85.6
轴 77.4
轴承 98.4
端盖 98.6
通用化程 度（%）
5.2 工作原理的构思与设计
工作原理是指实现产品功能最基本形式。创新设计的 核心是原理创新。按新的原理工作的机器、设备、仪 器才具有竞争力。 构思新的工作原理一般可通过以下的途径来解决： 1.建立设计目录 2.参考、借鉴相关产品的资料或专利 3.利用技术冲突解决原理 4.充分应用可利用资源

使组成物体的不同部分完成不同的功能。如餐盒
被分成放放热食、冷食、饮料等各自不同的空间。

使组成物体的每一部分都最大限度的发挥作用。
如带有起钉器的榔头。若组成机器的某个零部件没有最 大限度的发挥作用，则应对其改进设计。 例：为了防治矿山坑道里的粉尘，向工具(钻机和料 车的工作机构)呈锥体状喷洒小水珠。水珠愈小，除尘效 果愈好．但小水珠容易形成雾，这使工作困难．解决办 法：环绕小水珠锥体外层再造成一层大水珠。

它有两种模块化形式：一种是在在相同的基础件结构上，选用不 同模块组成跨系列产品。如德国生产的双柱坐标镗床，通过改变 测量系统模块，还可得到一种专门用于测量的产品。另一种是在 基础不同的跨系列产品中，选用相同功能的模块。如自卸车与载 重汽车，选用同样的变速箱与制动器等通用模块。
3）模块的划分与组合：

例如锯片的改进设计：利用局部质量原理，可
使用双列齿，将锯齿制成高度不同，交叉排列的 形状，短齿比长齿宽，长齿用来切削，短齿用来 清洁切削表面。这样既保证了表面粗糙度，又提 高了切削速度。
（3）不对称原理

将物体的形状由对称变为不对称。如不对称搅拌
容器，或对称容器不对称叶片。
如果物体是不对称的，则增加其不对称程度。
2）按系统中各部分的基本物理功能进行分类 基本物理功能反映系统中三个基本要素（能量、物 料、信息）变换的物理作用




变换功能——能量的类型，运动的形式，材料的性质，物态，讯号 类型等变换。具有类型变换特征。 缩放功能——三要素量的缩放，能量的缩放，物理量的缩放，讯号 的缩放等。具有大小特征。 联结功能——三要素同质或不同质的数量上的结合，物料的混合与 分离等。具有数量特征。 储存功能——具有时间的特征。如物料的存储，能量的存储等。 传导功能——三要素在不同位臵通过电、光、机构、等变化传导， 具有位臵特征。 离合功能——使系统时而接通、切断。具有时间位臵的特征。
例如：解决取出核桃仁的问题，功能描述不同，解 决该问题的思路与方法就会受到影响。
功能 描述
工作原理 工艺动作
砸壳 外部加压 砸、压、冲、射等
压壳 外部加压 内部加压 壳仁 外部加压 分离 内部加压 去壳 砸、压、冲、射等 通高压气，外压骤减，内压破壳 砸、压、冲、射等 通高压气，外压骤减，内压破壳 培育薄壳品种，化学法脆皮、溶壳
3）技术冲突出现的几种情况：
在一个子系统中引入一种有用功能，导致另一个 子系统产生有害功能，或加强了一种已存在的有 害功能。 消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能变 坏。 有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系 统或系统变得复杂。

技术冲突实例
自行车的车闸，目前的设计很容易受到天气的 影响，下雨天，瓦圈表面与闸皮之间的摩擦系数降 低，减少了摩擦力，降低了骑车人的安全性。一种 改进设计为可更换闸皮型，即有两类闸皮，好天气 用一类，雨天换另一类。 设计中的冲突为，将闸皮设计成可更换型，增加了 骑车人的安全性，但必须备有闸皮可用，还要更换， 使操作复杂。
21
22 23
紧急行动
变有害为 有益 反馈
31
32 33
多孔材料
改变颜色 同质性
4
5 6 7
不对称
合并 多用性 套装
14
15 16 17
曲面化
动态化 未达到或超 过的作用 维数变化
24
25 26 27
中介物
自服务 复制 代替
34
35 36 37
抛弃与修 复
参数变化 状态变化 热膨胀
8
9 10
质量补偿
a．一个物体位于另一物体之内，而后者又位于第三 个物体之内，等等。 b．一个物体通过另一个物体的空腔。
例：“弹性振动超声精选机是由两个互相夹紧的半波 片构成。其特征是，为了减小精选机的长度和增大它的稳定 性，两个半波片制成相互套在一起的空锥体(苏联发 明证书 ~186781)。在苏联发明证书0462315中，也采用该解决方案 来缩小变压器压电元件输出部分的外形尺寸。在苏联发明证 书~304027中， 金属拉制设备的”玩偶“是由拉摸组成．