1、机械创新设计与制作 杜超 Tel：18702892852 QQ：42040944 Email：,主要教学参考书,1.吕仲文主编，机械创新设计.机械工业出版社. 2005年8月第1版 2.张美麟编著，机械创新设计. 化学工业出版社. 2005年7月第1版 3.黄纯颖，高志等编著，机械创新设计. 高等教育出版社. 2000年7月第1版 4.王玉新主编，机构创新设计方法学. 天津大学出版社. 1996年10月第1版 5.张春林等编著，机械创新设计.机械工业出版社. 1999年4月第1版 6.梁锡昌著，机械创造方法与专利设计实例. 国防工业出版社. 2005年2月第1版 使用教材：李立斌主编，机械创新
2、设计基础 国防科技大学出版社 2002.01第一版,课程的目的,通过本课程的学习，使大家初步掌握创新思维的基本原理、熟悉机械创新的一些具体应用、初步了解机械创新设计的基础知识、机械创新设计的基本理论和方法。 当前，培养大学生的创新能力成为高等学校一项重要的教学改革内容，本课程注重各种创新方法的实际功能效果，引导培养大家创新的兴趣。 通过机械创新设计实例分析、创新设计作品的制作，培养大家的自学创新设计能力和动手能力，拓展综合素质。 为参加全国大学生机械创新设计大赛培养预备人才；增加社会对我们的认可筹码。学以致用，英语,本课程的指导思想,注重理论联系实际； 注重分析问题解决问题能力的培养； 注重激
3、发创新性意识和动手能力培养； 注重专业知识与创新兴趣的结合； 注重团队协作精神，充分发挥大家的创新天赋。,课程的运作方式,教学计划:两部分，1是理论部分10学时，实践22学时(2学分) 实践制作环节： 参考题目的公布（见工程训练中心网页） （一）选题分组准备：1、分组（每4人一组，共11组；分组原则：自选后分）。2、题目选定（或自拟讨论定题）：可以选相同题目，创新点需不同。3、制作时间及场所：见教学计划。要求：综述类似作品特点及不足，意义；画出草图，论证分析可行性、采用的创新方法、创新点，上交作品制作完成计划。 （二）分组讨论论证：下周六下午 1. 定题分组，（组长）组内讨论10分钟（明确：综
4、述类似作品特点及不足；画出草图，论证分析可行性、采用的创新方法、创新点，作品制作完成计划）； 2. 按题号依次论证各自方案的可行性、采用的创新方法、创新点。（自拟题目组优先） 3.讨论结束后，根据存在问题调整计划，组内分工协作（组长，各组成员联络方式）。画出图纸，确定使用材料、器件的类型数量、尺寸大小，预算成本以及计划书并汇报审批。,第一章引言 1.1创造与发明并不神秘,科学技术的最基本特征就是不断进步，不断创新。创新是人类文明进步的原动力。人类历史上有无数的发现、发明和创新对人类的生产、生活产生了非常深远的影响，极大地推动了生产力的发展 。 例子：杂交水稻的研究应用；“杂交水稻之父”袁隆平在
5、试验田发现一株“鹤立鸡群”的水稻培育杂交水稻的方案，经过10多年的研究先后用1000多个品种，做了3000多个杂交组合实验，结果却不令人满意效果：从1950年的13 000万吨增长到1998年的49 000万吨， 创造发明神秘吗？例子： 鲁班发明锯子。 瓦特观察到水烧开后蒸汽能将壶盖顶起，依据这个原理。 阿基米德检验皇冠是否纯金，而发现浮力定理。 牛顿从树上的苹果会掉下来的现象发现万有引力 。海水为什么是咸的，有个经典回答：本来就是咸的 我们在使用铅笔时，常常会由于找不到橡皮擦而烦恼，美国的一位叫海迈的穷画家想到了带来了60万美元的设计费。 美国的一名叫华特曼的保险业务员常常为自来水钢笔漏下一
6、滴墨水而使所填写的表格报废而苦恼,1.2 创新需要勇气和毅力,从上述这些实例可看出 ：创新发明之前都是非常普通的 ；偶然事件触发灵感而开启智慧之窗而获得的 。那么创新发明是轻而易举的事吗? 绝大部分的创新发明都是人们经过长期的探索，不仅需要坚韧不拔的意志和毅力。 诺贝尔为了发明安全的烈性炸药，进行了近20年的实验，在实验中他的弟弟被炸死，父亲受重伤，但他并没有因此而被吓倒退却.终于获得成功。 达尔文经过5年的环球考察之后.又用了20多年的研究才完成巨著物种起源，揭开了生物进化之迷。 发明之王爱迪生 为了找到实用的电灯灯丝材料，经历了无数次的实验，用到了600多种植物纤维，试验了1600多种耐热
7、材料，终于,1.3 创新人才的培养,1.3.1 现代教育应具有5个特征: 1.指导性：科学的学习、思维方法 ；先择业，后就业2.创造性：思维发散；一个半小时我怎么就没想到呢？3.综合性：综合素质 4.社会性：网络时代。国际化 5.终身性：知识的更替周期不断缩短，科学技术的不断创新 1.3.2 创造性人才的培养：创新能力的开发和创造性人才的培养可以从培养创新意识、学习掌握创新原理和创新技法、加强创新实践等方面进行。 1.培养创新意识 例电梯安装；煤球2掌握创新原理和创新技法 通过训练自己集中注意力、发挥想象力，进行扩散思维、求异思维训练等等.能够提高创新思维能力，进而将思维运用到实际中去。,3.
8、加强创新实践 创新实践可分为3个阶段：（1）了解问题:目标是什么“未知量、已知量是那些?情况如何?能满足情况的需要吗?能否决定未知量？是否足够？是否重复或抵触?可以画张图，引入合适的标志，把情况的各部分加以分解。（2）设计方案遇到过这个问题吗?知道相关的问题吗?可能运用什么原理? 通过不同的方法设计各种方案，并进行优化。(3)执行方案实施设计方案，在每一步骤中对方案修改完善，必要时重新设计方案以取得最好的成效。任何一个创新几乎都要经过上述3个阶段，一般最困难的是第二阶段，最关键的往往是第三阶段。,1.4 机械创新设计,1.4.1 设计分为: 1、开发性设计：针对新任务提出新方案 2、变型设计：
9、对已有产品的结构、参数、尺寸等方面进行变异 3、适应性设计：对产品作局部变更或设计一个新部件,1.4.2 机械的功能要求；(1)运动要求;如运动规律、轨迹、行程、速度、加速度、转速、调速范围、运动的精确性等。(2)动力要求:传递的功率、转矩、力、加速性能、效率等。(3)安全要求:强度、刚度、稳定性、热力学性能、摩擦特性、振动、机械工作的安全性及操作人员的安全性等。(4)经济要求设计和制造的经济性、使用和维护的经济性等(5)可靠性和寿命要求:包括零部件和机械实现预期功能的可靠性，零部件和机械的耐磨性、疲劳强度、失效和使用寿命等。(6)机动性要求:对尺寸、体积、重量、功率的要求。(7)环境保护要求
10、:防止污染(噪声、废气、废水、废尘)，防止“三漏”(漏气、漏水、漏油)，无公害和绿色产品等（8)产品造型要求:如美观、人性化，外观、色彩与环境的协调等。,1.4.3 设计思路和设计过程 一般分为四个阶段。1. 产品规划阶段明确设计任务和要求，提出设计任务书 2. 原理方案设计阶段确定工作原理.分解子系统，绘制方案简图 3. 技术方案设计进行总体设计和结构设计.完成产品全部生产图纸，编制设计说明书、工艺卡等技术文件4. 改进设计 。照镜子,第二章如何培养创造能力 2.1 人类的思维,创造的源泉则来自于人类的思维.需要对创造性思维的特点、本质、形成过程、与其他思维的关系有所掌握和认识，这样才能指导
11、我们进行创新思维.增强创新能力。 人类的思维方式: 1.形象思维与抽象思维; 形象思维也称为具体思维，是人脑对客观事物和现象的具体形象的反映。在头脑中对想象出的零件或机器进行分解、组装、设计等思维活动，就属于形象思维。 抽象思维是以抽象的概念、判断和推论为形式的思维方式。形象思维和抽象思维是人类认识过程中不可分割的两个方面，它们互相联系、互相渗透.在创新过程中，应该把两者很好地结合起来，优势互补，从而完成更多的成果。,2.发散思维与收敛思维; 发散思维又叫分散思维、求异思维、开放思维等。从一物思万物，不满足于现成原理和答案.而去寻找尽可能多的答案等。收敛思维也叫集中思维、求同思维等。是一种在大
12、量设想或多方案的基础上寻求某种最佳答案的思维方式。 3.逻辑思维与非逻辑思维; 逻辑思维是抽象思维方式。它是严格遵循逻辑规则按部就班、有条不紊进行的思维，它的主要方法是分析、归纳、综合与演绎非逻辑思维是一种不严格遵循逻辑规律，突破常规，通过想象、直觉、灵感等方式进行的自由思维方式。两个半小时是多少分钟？4.直达思维与旁通思维直达思维始终围绕需要解决的同题进行思考，旁通思维则将问题转化为另一个问题，间接分析求解。联想,2.2 创造性思维的特征,创造性思维是一种人类高层次的思维，它有以下特征 ：1.思维结果的新颖性、独特性它指思维结果的首创性，具备与前人、众人不同的独特见解，思维的结果是过去未曾有
13、过的。电脑培训中心 2.思维方法的多样灵活性、开放性它指对于客观事物或问题，表现出勇于突破思维定势，善于从不同的角度思考问题，善于提出多种解决方案;能根据条件的发展变化，及时改变先前的思维过程，寻找解决问题的新途径。 例子：1=5,2=15，1，2，5，103.思维过程的潜意识自觉性创造性思维的产生，离不开紧张的思维和认真努力为解决问题所作的准备工作，但其出现的时机却往往是思维主体处于一种长期紧张之后的暂时松弛状态，如散步、听音乐、睡觉中。,4.顿悟性创造性思维是长期实践和思考活动的结果，经过反复探索，思维运动发展到一定关节点时，或由外界偶然机遇所引发，或由大脑内部积淀的潜意识所触动，就产生一
14、种质的飞跃。 一生有一千多项发明创造的爱迪生，从小有个习惯，就是把各种闪过脑际的想法记下来。这是一条重要的经验先记下来再说，无论是睡觉还是休闲，心记不如笔记切记此经验。,2.3 影响创造能力的非智力因素,发明创造是人类的一种复杂的活动，它需要人们充分发挥自己的创造力。然而人的创造力不是天生的，而是逐步培养起来的。非智力因素主要包含下面几个方面的基本素质： 1.兴趣和好奇心只有对身边无人注意的事物感到惊奇才是某种才能的显露。用自己的眼睛去看别人看过的东西，在别人司空见惯的东西上能够发现出美来。要想训练和保持自己的好奇心，最有效的方法就是保持或恢复童心。 例子：1、爱迪生自幼就爱“打破砂锅问到底”
15、，从鸡为什么把蛋放在屁股底下、蛋也怕着凉等问题一直追问到“把蛋放在屁股底下暖和暖和就能孵出小鸡吗至此还不满足，他还亲自做个窝，一本正经的礴在上面孵小鸡。没有强烈的好奇心的驱使，爱迪生是不会有此举动的。2、瓦特也曾对水蒸汽顶开壶盖这一平常现象唠唠叨叨地问个没完没了，那么他又问出了什么样的问题呢？,2.进取心“欲穷千里目更上一层楼。”凡是事业取得较大成就者，无不具有较强烈的进取心。要培养自己的进取心，首先得学点辩证法，务必使自己懂得:世界上一切事物都充满着矛盾旧矛盾解决了，新矛盾又会产生。所以没有完美，只是暂时的 3.自信心自信心就是在对自己的能力作出正确估价后，认定自己能实现某种追求、达到即定目
16、标的信心。我国著名教育家陶行知先生曾说过:“人类社会处处是创造之地，天天是创造之时，人人是创造之才。” 天生我才必有用,我辈岂是无为人。在发明的征程上起步就得这般信心十足，从而正确地估价自已，增强自信心。,4.勇气发明创新是富有开拓性的工作一定要有勇气。要敢于面对失败，要敢于冲破习惯势力的阻拦，要敢于冒险去做试验。1763年，欧洲流行天花这种可怕的疾病，凡传染上天花病的人几乎必死无疑，但英国15岁的少年琴纳从一些医生中听到了“得牛痘者几乎不得天花”这样的说法，后来经过36年的试验、研究之后，终于发明了预防天花的新方法接种牛痘。当他自费出版用心血写成的(牛痘的成因与作用)这本小册子后，招来的不是
17、支持、赞扬而是恶毒诽谤和造谣中伤:“以牲畜的疾病来传染人就是亵渎上帝的行为!”“你相信种牛痘的人不会长出牛角吗?有一家报纸公开造谣说:某人的小孩接种牛痘以后，咳嗽的声音像牛叫，而且浑身长出了牛毛。” 5.组织能力组织能力是指对杂乱的局面或事物进行妥善安排，合理调配的指挥运筹能力。,2.4 影响创造能力的智力因素,智力因素是创造力充分发挥的必要条件 ,包括有： 1.想象力：热胀冷缩想象力是人的形象思维能力，要打破习惯性思维对自己的束缚。 2.洞察力洞察力指的是深入细致的观察能力。具有这种能力就可以透过现象看本质，抓住机遇，在别人不注意的事物中产生新的发现和创新。3.动手能力动手能力包括制作、加工
18、、试验及绘图等方面的技能。 4.智能和知识因素知识是创造性思维的基础.也是创造力发展的基础。 5.创造性思维与创造技法创造性思维的外部表现就是人们常说的创造力.创造力是物化创造性思维成果的能力;创造技法是根据创造性思维的形式和特点，在创造实践中总结提炼出来的 .,第三章创新基本原理 3.1 综合创新原理,基本特征:(1)综合能发掘已有事物的潜力.并且在综合过程中产生新的价值;“机一体化”是机械技术与电子技术、液压、气压、光、声、热以及其他不断涌现的新技术的综合。 (2)综合不是将研究对象的各个要素进行简单的叠加或组合而是通过创造性的综合使综合体的性能产生质的飞跃;普通的x光机和计算机都无法对人
19、脑内部的疾病作出诊断，豪斯菲德尔将二者综合，设计出了CT扫描仪，人们利用这种新设备解决了大量的诊断难题，取得了前所未有的成果，促使医学诊断技术产生了飞跃性的发展。,(3)综合创新比起开发创新在技术上更具有可行性，是一种实用的创新思路。右图是一种小型车、钻、铣三功能机床。它是为适应小型企业、修理服务行业加工修配小型零件运用综合原理开发设计出来的小型多功能机床。由图可知，它的设计特点是:以车床为基础.综合钻、铣床主轴箱而成。从大量的创新实践中可知，综合就是创造.,具体综合思路来看有以下情形：(1)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行定理和伽利略运动定律，创建了经典力
20、学体系(2)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，终于发现了元素周期律 (3)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方法，创立了解析几何,(4)综合不同学科能创造出新学科。如:信息科学、生物科学、材料科学、能源科学、空间科学、海洋科学等都属于综合性学科。(5)综合已有的不同技术创造出新的技术。如原子能、电子计算机、激光、遗传、自动化、航天枝术等等。案例1：微积分的创立牛顿曾经说过:“如果说我比笛卡尔看得远一点，那是因为我站在巨人的肩上”。牛顿通过深入比较和分析，发现很多不同的问题在数学上具
21、有共同的特征，这徉，牛顿在综合前人许多特殊成果的基础上，迈出了关键性的一步，建立了关于微积分的一般概念，推导出了微积分的一般运算法则。,案例2：激光的发明 激光是综合近代光学与电子学的产物，它是一种具有优异特性的新光源 ，具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等特点 。 早在1916年，爱因斯坦在关于黑体辐射的研究中提出了“受激福射”的存在。 启示:(1)激光器的发明，充分显示了科学理论对技术发明的预见性。汤斯在爱因斯坦受激辐射理论指导下完成“脉塞的发明，梅曼在肖洛和汤斯设计方案指导下成功地发明激光器，都说明了理论对实际的指导性。技术发明的这种可预见性，要求我们不仅要学习发明的方法.更要学习
22、发明的“科学”。学习发明的思路，要勇于突破传统理论和思维方式的束缚敢于创立和接受新的科学观念。(2)技术发明也要求有一定的技术条件和社会需要。(3)学科的交叉和综合是创新的摇篮。(4)目标明确，主动猎取。,3.2 分离创新原理,分离是与综合相对应的、思路相反的一种创新原理。它是把某个创造对象分解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。 积分法首先是化整为零，再积零为整;力学中把各力分解为坐标上的分力，分力求和后再合成合力;有限元法把连续体分成许多小单元，就可借助计算机对物理量和参数进行计算和分析.解决复杂向题，这些都运用了离散原理。 曹冲称象： 世界
23、闻名的美国自由女神像是法国人民送给美国人民争取独立的珍贵礼物，百年之后， 200吨废料：从自由女神像身上留下来的纪念品,案例：“椰菜娃娃”奇迹 有一种名叫“椰莱娃娃”的玩具风靡美国玩具市场。开始销售并不好，于是罗波尔仔细分析美国社会和人们的心理需求，发现美国由于强调自立，父母和子女很少生活在一起，离婚率也比较高，人们精神上、感情上都存在失落和空虚，为了弥补这种感情上的空白，罗波尔决定对“椰菜娃娃”重新定位和包装，让这种玩具成为人们心目中真正的婴儿。 首先，使其个性化，转向“感情型”：使其在性别、容貌、皮肤、发色、发型、服装等方面各不相同千差万别细致到酒窝 其次， 逼真，扮医生接生，生日 控制产
24、量的手段，有意造成供不应求的局面，激发人们迫切的“领养”欲望 效果不言而喻,3.3 移植创新原理,移植原理能促使思维发散，只要某种科技原理转移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。 (1)把某一学科领域中的某一项新发现移植到另一学科领域，使其他学科领域的研 究工作取得新的突破。 案例：例如:在19世纪中期.病人手术后，刀口化脓十分严重，很多病人(约80%)死于刀口感染，很多人误以为化脓是伤口愈合过程中的必经阶段。 不知道化脓的原因，恰恰在这个时期，法国微生物学家巴斯德发现了细菌，并发现许多疾病都是由细菌引起的。 发明了消毒方法。,(2)把某一学科领域中的某一基本原理或概
25、念移植到另一学科领域之中，促使其他学科的发展。 例如早在1887年赫兹就发现了光电效应，但光电效应的本质和规律却一直没有得到正确的解释。能量子概念使爱因斯坦受到很大的启发，他认为光的传播也有它的不连续的量子化的一面，提出了“光量子”假说，提出光的波粒二象性。爱因斯坦因此获1921年度诺贝尔物理学奖。 (3)把某一学科领域的新技术移植到其他学科领域之中，为另一学科的研究提供有力的技术手段，推动其他学科的发展。,(4)将一门或几门学科的理论和研究方法综合、系统地移植到其他学科，导致新的边缘学科的创立，推动科学技术的发展 。 总之.移植原理能促使思维发散，只要某种科技原理转移至新的领域具有可行性，通
26、 过新的结构或新的工艺，就可以产生创新。 例:陶瓷发动机： 例:磁性轴承 例:钢筋混凝土：法国巴黎有个花匠叫莫里哀，游客经常踩坏花坛，仿照花木的根系,3.4 逆向创新原理,逆向创新原理是从反面、从构成要素中对立的另一面思考，将通常思考同题的思路反转过来寻找解决向题的新途径、新方法。逆向创新法亦称为反向探求法。 司马光砸缸救小孩的故事； 18世纪初，人们发现了通电导体可使磁针转动的磁效应，法拉弟运用逆向思维反向 探求，“能不能用磁产生电呢?”终于在经过9年的探索之后，制造出了世界上第一台感应发电机。,案例：大庆油田的发现 近代地质学从18世纪末兴起于欧洲，主要描述地质构造形态和认识构造现象，而未
27、能揭示地质构造的本质、联系和起源。20世纪20年代，李四光着手创建新的地质力学.他认为地质构造现象都是地壳运动的产物在地壳运动中，由于地应力的作用，使岩石发生形变，因而可以反过来根据地质构造现象来研究力的作用方式，进而探索地壳运动的方向和起源，这种方法被称为“反序法”。李四光不迷信权威，科学的批判精神和创新勇气。1926年他首次发表地球自转速率的变化是地球表面形象变化的主要原因的论文.因为和传统认识不同而中国当时科技相当落后，论文受到了外国权威轻率的否定和嘲讽。在中国有没有石油矿产问题上，美国权威早已得出“陆相无油”、“中国贫油”的结论，他认为是否存在油矿，关键不在十“海相”、“陆相”，而在于
28、有没有生油和储油条件。摘掉了“贫油”的帽子 。,3.5 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，反过来追本溯源，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。 打火机的发明也应用了还原创新原理。它突破现有火柴的框框，把最本质的功能发火功能抽提出来，把摩擦发火改变为气体或液体作燃料的打火机。 无扇叶电风扇的设计是基于电风扇的创造原点是使空气快速流动。人们设计出用压电陶瓷夹持一金属板，通电后金属板振荡，导致空气加速流动的新型电扇。 例:食品保鲜研究 ：根本目的有效地杀灭和抑制微生物、酶类的生长。因此，凡具有这种功能的方法、装置都可以用来保鲜食品
29、。 从这一创新原理出发，瑞典发明家斯坦斯特雷姆大胆地采用微波加热的方法开发出微波灭菌保鲜装置。经过此法处理的食品，不仅能保持原有形态、味道，而且鲜度比冷冻更好，可使食品在常温下保存数月。 例:洗衣机的开发,3.6 价值优化原理,产品的价值与其功能成正比，而与其成本成反比。优化设计的途径有:(1) 保持产品功能不变诵过降低成本，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) 虽成本有所增抵但却使功能大幅度提高，使价值提高;(4) 虽功能有所降低，成本却能大幅度下降使价值提高;,练习： 1，联想手机的用途，手机造型的将来2，2分钟成字3， 下水道盖子4
30、，种4棵树，距离两两相等5，雨伞,催泪瓦斯,第四章 常用创新方法 4.1到何处去搜寻题材,1向生活索取一位名叫吉利的美国人，有一次因为要赶火车，起床急急忙忙刮胡子时不小心将脸刮伤了，他坐在火车上就想能不能设计出不会刮伤脸的安全剃须刀呢? 有一位青年，一次看到了一对姐弟吵架的情形、因为姐姐要使用电熨斗，而弟弟却要用电灯看书，两人为了争抢电源而吵了起来。这位青年名叫松下幸之助 。 2到各自的工作领域去发掘 伽里略在教堂做礼拜时，看到教堂内有一根长绳下面吊着吊灯，这种装置叫摆。,浙江宁波曹万渝是一腿部有残疾的中学生，他感到经常拄着传统的拐杖在车站等车非常吃力，在开会时搬椅子也不方便，于是他发明了可以
31、当座椅用的两用拐杖。,4.2 创新的主要方法,1缺点列举法 针对试电笔要与带电体接斌既不方便也不太安全的缺陷，创造设计出了一种新型的不接触式试电工具感应试电器。 2. 希望点列举法 3. 系统设问法,3. 系统设问法 系统设间法是针对事物系统地罗列向题.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。系统役河可以从下列方面入手: (1)转化。这件物品能否有其他用途?将其稍微改变一下是否还有别的用处? 例：从一种植物的果实粘在身上的现象受到启示，发现了能代替纽扣且非常方便的尼龙搭扣。 (2)引申。有别的东西像这件物品吗?是否可以从这件物品引申设想出其他东
32、西? (3)改变。改变原来的形状、颜色、气味、式样等会产生什么结果?(4)放大或缩小。将这件物品按比例放大、缩小会产生什么结果，单向放大、缩小会怎样? 落地台灯,(5)复杂。在这件物品上可加上别的东西吗?加进一些“佐料” 会怎样? 自行车上缺少装东西的容器；理发用椅子增加了枕头的、架脚的、升降的和仰躺的机构，变成了结构复杂的理发椅。,凸轮机构,(6)精简。从这件物品上抽掉一些东西可以吗?减轻分量或复杂程度效果如何? 为了使鞋穿脱方便，将鞋帮予以简化，得到了拖鞋;将椅子的四条脚简化成中心的一根支柱设计出了可旋转的座椅。 (7)代替。有没有其他物品可以代替这件物品?是否有其他材料、成分、过程或方法
33、可以代替此类材料、成分和过程。洗衣机 (8)重组。交换一下零件位置会怎样?变动序列、改换因果关系、改变速率应提供什么条件、产生何种结果?望远镜眼镜铺里，I8岁的学徒利拍希 (9)颠倒。正反互换会怎样?反过来又会怎徉?能否反转? (10)组合。这件物品与什么东西组合起来效果会更好呢? 将椅子和一对自行车轮组合到一起,4. 信息联想法联想的方式有由一事物联想到在空间或时间上与其相连通的另一事物;联想到与其对立的另一事物;联想到与其类似特点(如功能、性质、结构等)的另一事物二联想到与其有因果关系的另一事物;联想到与其有从属关系的另一事物等等 5专利文献选读法 掌握现有发明的内容和思路，了解最新的发明
34、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 。 6集思广益法 就是“头脑风舞” ，小型“诸葛亮会”，要求与会者严守下列规则: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;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，选择最优设想付诸实施。,案例计算机的发明 启示:(1)技术发明最有可能成功的领域是那些符合时代潮流的领域。每个时代都有与自己时代相应的带头学科领域。这种带头学科主要取决于当时的社会需要首先是经济需要，也包括战争需要要。 (2
35、)技术发明比之科学发现，更依赖于当时的工业技术条件。技术发明的最终结果是物化的实际样品，而不是停留在纸面上的设想。,第五章机构的创新设计 5.1常见机构分析,机构设计时除了要考虑满足基本的运动形式、运动规律或运动轨迹等工作要求外还应注意以下几个方面的要求:(1)机构尽可能简单。可通过选用构件数和运动副较少的机构、适当选择运动副、适当选用原动机等方法来实现;(2)尽量缩小机构尺寸.以减少重量和提高机动性能;(3)应使机构具有较好的动力学性能，提高效率：,5.2各类机构简介,5.2.1 增力机构： 1.杠杆 2.曲杆(肘杆),3. 楔4. 斜面5. 螺旋6. 滑轮 7. 液压增力,5.2各类机构简
36、介,原理动画 5.2.2 夹紧机构： 1.虎钳的快速夹紧机构2.铣床夹紧机构,5.2.3 自锁机构5.2.4 泵机构,第六章 机械传动的创新设计 6.1 传动类型分析,在机器中，将原动系统的动力和运动按预定工作要求传递到工作系统的中间装置，称为传动系统。传动可以通过机、电、液等多种形式来实现。传统的机械传动有:带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等。在机械设计中，原动系统的设计主要是选择原动机，工作系统的工作要求也往往是明确的，因此，传动系统的设计往往成为机械设计的主体。,6.2 各类传动举例,6.2.1 齿轮传动： 1.行星齿轮传动； 动画； 如同自然界的行星一样，即有自转又有公转，因此齿轮2
37、称为行星轮，齿轮1和齿轮的几何轴线固定不动，称为太阳轮，支持行星轮作自转和公转的构件H称为行星架。,2.渐开线少齿差行星齿轮传动装置； 即一方面绕轴线O1作公转一方面又绕其自身轴线O2作反方向自转.通过等速比机构w将行星轮的转动同步传给输出轴V。 3.摆线针轮行星传动装置； 这种传动装置承载能力大，效率高;但加工和安装精度要求高，散热也比较困难。 4. 谐波齿轮传动装置。这种传动可由柔轮直接输出，封闭性好，同时啮合的齿数多，承载能力高，运动精度高，且平稳无冲击，轮齿磨损小、寿命长，传动效率较高，可达0.8一0. 9，但对柔轮材料、加工和热处理要求高，工艺复杂，此外其散热条件也较差。,6.2 各
38、类传动举例,6.2.2 链传动： 1.导轨链传动； 把传动链装入一几何形状的导轨中，再配上与之相啮合的链条作为主动轮，组成导轨链传动。主动轮可以作内啮合布置，还可以作外啮合布置。,2. 非圆链传动；在传统的链传动基础上，把一个链轮(也可以是两个链轮)换成非圆链轮，则可组成非圆链轮(椭圆链轮)传动。非圆链轮传动是一种变速链传动，可把作匀速回转的主动轮的运动变成按某种规律变速回转的从动轮的运动。,3.链条齿圈传动； 4.非链传动自行车。 自行车有许多创新结构形式，如折叠自行车、高速自行车、多功能自行车等等。,6.2 各类传动举例,6.2.3 液力偶合器和液力变矩器 6.2.4 离合器：1.牙嵌离合
39、器；2. 摩擦离合器； (1)单盘式摩擦离合器 ；工作时两离合器相互压紧，靠接触面间产生的摩擦力来传递转矩。 （2）平面接触单盘摩擦式离合器;,3.自动离合器。 自动离合器是一种能根据机器运转参数(如转矩、转速或转向)的变化而自动完成接合与分离动作的离合器。 定向离合器只能传递单向转矩，反向时能自动分离。,第七章 机械的创新设计 7.1 总体方案设计,机械的总体方案设计是紧紧围绕功能的分析、求解和组合实施的。 但从功能分析的角度看，仍主要归纳为由动力、传动、执行、测控四大系统组成。动力系统的功能是为机械提供能量，其功能载体为各种形式的原动机;传动系统则实现动力与执行系统间运动和动力的传递功能包
40、括运动形式、方向、大小、性质的变化，其功能载体可以是电力、液压或机械装置;执行系统通过不同的执行元件为实现工作目的而完成执行功能测控系统实现传感和控制功能，它将机器工作过程中的各种参数和状况检测出来.转化成可测定和控制的物理量.传达到信息处理装置进行处理，并及时发出对各种系统装置的工作指令和控制信号 。,7.1.1总体方案设计；总体方案设计首先要根据产品的功能要求构思工作原理，功能要求与产品的用途、性能等概念不完全相同，如电动机的用途是作原动机，可以是驱动水泵或车床，但反映其特定工作能力的功能是能量转化将电能转化为机械能。 功能的描述要准确、简洁，要抓住本质，在功能分析的基础上应对系统的原理方
41、案进行总休分析，然后将功能系统按总功能、分功能t功能元进行分解，分析功能原理方案的工作原理，分析实现各功能元的原理解法，再将各功能元解的有机组合求得技术系统解(可以是多方案)，删除明显不可行和不理想方案，对较好的方案通过优化，最后求得最佳原理方案。,例1：常见的带式运输机 ： 其主要功能是传送构件。从结构上看，它由电动机、联轴器、减速器、齿轮、轴、输送带、机架等构件组成。电动机为动力源、联轴器、减速器等是传动装置，输送带则是工作装置，实现物料的传送。机架对机器起支承作用，机器由人工控制。,例2：钟表的功能分析,对于钟表以功能分析的不同解法得计时装置的多种新方案,7.1.2编制设计目录；用功能设
42、计法进行原理方案设计后，结合设计的过程和需要，编写出内容清晰、条理性强、提取方便、信息面广的设计目录 7.1.3建立优化设计评价系统； 工程设计问题往往是复杂和多解的。通过功能分析获得尽可能多的方案，然后通过评价从中选择最佳方案，在发散一收敛的过程中创新，这是设计的基本思路，也是产品优化的过程。 对产品(或技术方案)的评价目标一般包含3个方面的内容:(1)技术评价目标:工作性能、加工装配工艺性、维护使用性、技术上的先进性等(2)经济评价目标成本、利润、投资回报率等;(3)社会评价目标:社会效益、市场效应、环境保护、宜人性、节能、可持续发展等。 常用的评价方法有:评分法、加权系数法、模糊评价法等
43、。(1)评分法:用分值作为衡量方案优劣的定量评价评委对各方案每一评价目标分项 评分，再求各方案总分。(2)加权系数法:首先根据各日标的重要程度设置加权系数，评委对各方案每一项评 价目标分项评分，再加权求各方案总分。(3)模糊评价法是用优、良、中、差等不定量的“模糊概念”来评价。,7.1.4总体方案设计实例. 例1：设计一带式运输机的机械传动系统 例2：冲压式蜂窝煤成型机的运动方案设计 1、冲压式蜂窝煤成型机的设计要求与功能冲压式蜂窝煤成型机的功能是将粉煤加入转盘的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。其设计要求和参数为:(1)生产能力:30次/min;(2)电机:Y180L-8， P=11kW，n =7
44、30转/min;(3)机构系统方案应 力求简单,（4）运动关系：图7一5冲压式蜂窝煤成型机示意图 (4)图7一5所示冲头3、脱模盘5、扫屑刷4、模筒转盘1都与上、下移动的滑梁2连成一体。当滑梁下冲时，冲头将粉煤冲压成蜂窝煤，脱模盘将已压成的蜂窝煤脱模。在滑梁上升过程巾，扫屑刷将冲头和脱模盘5粘着的粉煤刷除。模筒转盘上均布了模筒，转盘的间隙运动使加料的模筒进入冲压位置、成型的模筒进入脱模位置、空模筒进入加料位置; （5）为了改善冲压成型的质量，冲压后应有一保压时间;(6)为增大冲头压力，减少原动机的功率冲压机构应有增压功能。,2功能分解与工艺动作分解 蜂窝煤冲压成型的功能分解如图 ：要实现上述分
45、功能应完成以下工艺动作：(1)加料:可利用粉煤重力自动加料;(2)冲压成型:要求冲头上下往复运动;(3)脱模要求脱模盘上下往复运动，可以将它与冲头一起固结在上下往复运动的滑梁上;(4）幻扫屑:要求在冲头、脱模盘向上移动过程中完成;(5)模筒转盘间歇转动以完成冲压、脱模、加料的转换;(6)输送:将成型脱模后的蜂窝煤在输送带土送出成品。,以上六个动作，加料和输送比较简单可不予考虑，增压、冲压和脱模可用一个机构来完成。因此，该成型机的机构系统主要应由三个机构组成:即增压、冲压和脱模机构，扫屑机构，模筒转盘的间歇运动机构。 3.列出机构形态学矩阵,4机构系统运动方案的选择和评定由于表7-6所示的机构形
46、态矩阵只有三个执行构件，故由该矩阵可求出冲压式蜂窝煤成型机的机构系统方案数为 N=3x2x3=18按前述原则，逐一评价这18种方案，最后选定结构比较简单的方案:冲压(增压、脱模)机构为对心曲柄滑块机构.工艺过程转换机构(输送功能)为槽轮机构，清屑机构为固定移动凸轮一移动从动件机构，。,7.2 结构设计,结构设计是机械设计中的一个十分重要的阶段，也是涉及问题最多、最具休、工作量最大的工作阶段。结构设计实际上就是确定产品、零部件的材料、形状、尺寸及相互配置关系，它是原理方案设计的具体化，以满足产品的功能要求。 7.2.1 结构设计的基本步骤；(1)明确决定结构的要求及空间边界条件。决定结构的要求主
47、要包括:与尺寸有关的要求，如传动功率、流量、联接尺寸、工作高度等;与结构布置有关的要求，如物料的流向、运动方位、零部件的运动分配等;与确定材料有关的要求，如耐磨性、疲劳寿命、抗腐蚀能力等。空间边界条件主要包括装配限制范围、轴间距、轴的方位、最大外形尺寸等。(2)对主功能载体进行粗略结构设计。主功能载体就是实现主功能的构件，如减速器的轴和齿轮、机车的主轴、内燃机的曲轴等。在结构设计时应首先对主功能载体进行粗略构形.初步确定主要形状、尺寸，如轴的最小直径、齿轮直径、容器壁厚等，并按比例初步绘制结构设计草图。设计的结构方案可以是多个，要从功能要求出发，选出一种或几种较优的草案，以便进一步修改。,(3
48、)对辅功能载体进行初步的结构设计。主要对轴的支承、工件的夹紧装置、密封、润滑装置等进行设计，以保证主功能载体能顺利工作。设计中应尽可能利用标准件、通用件。(4)对主功能载体、辅功能载体进行详细结构设计。详细设计时，应遵循结构设计基本准则，依据国家标准、规范及较精确的计算结果，完成细节设计。(5)对设计进行经济综合评价。从多个结构设计草案中选择满足功能要求、性能优良、结构简单、成本低的较优方案。(6)结构方案的完善、检查错误。消除综合评价时已发现的弱点，检查在功能、空间相容性等方面是否存在缺陷或干扰因素(如运动干扰)，应注意零件的结构工艺性，如轴的圆角、倒角、铸件壁厚、拨模斜度、铸造圆角等，必要
49、时对结构加以改进并可采纳已放弃方案中的可用结构，通过优化的方法来进一步完善(7)完成总体结构设计方案图。绘制全部生产图纸，结构设计的最终结果是总体结构设计方案图，它清楚地表达产品的结构形状、尺寸、位置关系、材料与热处理、数量等各要素和细节，体现了设计的意图。,7.2.2 结构设计的准则：1.满足功能要求的设计准则；2考虑加工工艺性的设计准则；结构设计中，应力求使设计的零部件加工方便材料很耗少、效率高、生产成本低、符合质量要求。 3.考虑装配的设计准则；加工好的零部件要经过装配才能成为完整的机器，装配质量对机器设备的运行有直接的影响。 4.满足强度等方面要求的设计准则； 足够的强度和刚度是结构设计必须满足的要求。适当的结构设计可以减少载荷引起的应力和变形量，提高结构的承载能力。考虑强度要求，应考虑材料的性质。结构设计时，应设法减小应力集中。 5.考虑造型的设计准则；结构设计时，应注意各部分尺寸比例协调、匀称，形状、色彩和谐统一，简洁明快，使操作者在工作时不易疲劳，并能及时、正确、全面地了解机器的工作状况，进行正确的操作。6.其他设计准则.。回收利用，防腐蚀等。 7.2.3 结构设计的变异 放大缩小、增减机构等,
