第二章 机械创新设计基础知识

第二章 机械创新设计基础知识
第一节 机械的基础知识
1. 复习机械的概念，明确设计范围
机器的三特征：
1）由一系列的运动单元体所组成。

2）各运动单元体之间都具有确定的相对运动。

3）能转换机械能或完成有用的机械功以代替或减轻人们的劳动。

具有以上1、2两个特征的实体称为机构。

机器与机构总称为机械。

2. 机械的组成
机器的组成：
原动部分－是工作机动力的来源，最常见的是电动机和内燃机。

工作部分－完成预定的动作，位于传动路线的终点。

传动部分－联接原动机和工作部分的中间部分。

控制部分－保证机器的启动、停止和正常协调动作。

3. 传动与执行机构 — 机械运动系统
机械运动系统可以是机构的基本型，也可以是机构基本型的机构组合或组合机构。

3.1 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，是机构设计的基本依据。

（1） 全转动副四杆机构的基本型
（2） 含有一个移动副四杆机构的基本型
（3） 含有两个移动副四杆机构的基本型
（4） 圆柱齿轮传动机构的基本型
（5） 圆锥齿轮传动机构的基本型
（6） 蜗杆传动机构的基本型
（7） 行星齿轮传动机构的基本型
（8） 直动从动件平面凸轮机构的基本型
（9） 摆动从动件平面凸轮机构的基本型
（10） 直动从动件圆柱凸轮机构的基本型
（11） 摆动从动件圆柱凸轮机构的基本型
机械 机器 机构 动力机 — 把其它形式的能量转化为机械能。

工作机 — 完成有用的机械功。

通用机构
专用机构 信息机 — 通过复杂的信息来控制机械运动。

（12）带传动机构的基本型
（13）链传动机构的基本型
（14）液压、气动传动机构的基本型
（15）螺旋传动机构的基本型
（16）电磁传动机构的基本型
（17）间歇运动机构的基本型
3.2 机构的组合
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。

其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。

3.3 组合机构
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。

其中各基本机构已不能保持各自的独立性，必须采用新的分析与设计方法。

4. 动力系统（原动机）
按能量转换的方式可分为三大类：
4.1 电能→机械能
包括：三相交流异步电动机、单相交流异步电动机、直流电动机、步进电动机等。

（1）三相交流异步电动机
特点：体积小、力矩大，常作为动力设备的原动机。

（2）单相交流异步电动机
特点：使用方便，在家用电器中得到广泛应用。

（3）直流电动机
特点：可以进行调速，易于实现自动控制，在机电一体化设备中得到广泛应用。

（4）步进电动机
特点：要求分度或步进运动的场合可采用步进电动机。

采用脉冲信号控制，将脉冲信号转化为电动机的角位移
（5）直线电动机
特点：直接提供直线运动，减少了中间转换运动链，结构简单，反应速度快，灵敏度高，适合于高速和高精度的应用场合。

4.2 热能→机械能
包括：柴油机、汽油机、燃汽轮机、原子能发动机等。

在要求输出功率大，大范围移动的场合得到广泛应用。

4.3 自然力→机械能
包括：水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能发动机等。

5. 控制系统
机械控制
电气控制—应用最广泛
液压控制
气动控制
综合控制
现代控制系统设计需要应用微机技术、接口技术、模拟电路、数字电路、传感器技术、软件设计、电力拖动等知识，且向自动化、精密化、高速化、智能化方向发展。

可控制对象：
（1）以位移、速度、加速度、温度、压力等数量的大小为控制对象
分为模拟控制和数字控制。

（2）以事物的有、无、动、停、高、低等逻辑状态为控制对象
逻辑控制。

第二节机械系统及其发展
1.刚性机械系统
运动具有不可逆性，一般泛指机械装置与电气装置独立组合的机械系统，只有简单的开、关、正反转、停止等独立的控制要求。

传统的机械，如车床、铣床、钻床、起重机等都属于刚性机械系统。

2. 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。

3. 柔性机械系统
运动具有可控性，借助传感器或控制电路，通过微机按位置、位移、速度、压力、温度等参数实施智能化控制。

如数控机床、机器人等。

4. 直接驱动式柔性机械系统
省去了传动机构，有更高的运动精度、更快的响应速度，有很好的应用前景。

第三节机械结构设计与创新
结构设计是将机构和构件具体化为某个零件或某个部件的形状、尺寸、联接方式、顺序、数量等具体结构方案的过程，用以实现机械对它的工作要求。

具体化过程中要考虑材料的力学性能、零部件的功能、工作条件、加工工艺、装配、使用、成本、安全、环保等各种因素的影响。

工程知识是从事结构设计工作的前提，巧妙构型与组合是结构创造性设计的核心。

1.机械结构设计原则
选择合适的构件材料；
具有良好的加工工艺性；
选择适当的截面形状与尺寸；
重要零件进行强度、刚度计算与校核；
考虑构件之间的可联接性；
构件之间不能发生运动干涉；
考虑经济性，尽量降低成本；
维修、安装方便；
符合人机工程学。

2. 实现零件功能的结构设计与创新
（1）功能分解
零件的每个部位各承担着不同的功能，具有不同的工作原理。

将零件功能分解、细化，会有利于提高其工作性能，有利于开发新功能，也使零件整体功能更趋于完善
（2）功能组合
是指一个零件可以实现多种功能，这样可以使整个机械系统更趋于简单化，简化制造过程，减少材料消耗，提高工作效率，是结构创新设计的一个重要途径。

3. 结构元素的变异与演化
结构元素主要是指结构的形状、数量、位置、联接等要素。

经过变异的结构元素可适应不同的工作要求，或比原有结构具有更良好而完善的功能。

4. 适应材料性能的结构设计与创新
结构形状要有利于材料性能的发挥。

材料的性能主要包括：密度、硬度、强度、刚度、耐磨性、磨合性、耐腐蚀性、传导性（导电、导热、导磁）等。

5. 方便制造与操作的结构设计与创新
在满足使用功能的前提下，设计者应力求使所设计的产品结构工艺简单、消耗少、成本低、使用方便，操作容易、寿命长。

第四节创新设计方法
创新设计方法有很多种，下面简单介绍智力激励法、提问追溯法、联想类推法、返向探求法、系统分析法、组合创新法六种。

1．智力激励法
人的创造性思维特别是直觉思维在受激发情况下能得到较好地发挥。

一批人集合在一起，针对某个问题进行讨论时，由于各人知识、经验不同，观察问题的角度和分析问题的方法各异，提出的各种主意能互相启发，填补知识空隙，启发诱导出更多创造性思想，通过激励、智慧交流和集智达到创新的目的。

2．提问追溯法
提问追溯法是有针对性地、系统地提出问题，在回答问题过程中，便可能产生各种解决问题的设想，使设计所需要的信息更充分，解法更完善。

提问追溯法有奥斯本体温法、阿诺尔特提问法、希望点列举法、缺点列举法。

3．联想类推法
通过由此及彼的联想和异中求同，同中求异的类比，寻求各种创新解法。

利用联想进行发明创新是一种常用而且十分有效的办法。

类比联想由一事物或现象联想到与其有类似特点的其他事物或现象，从而找出创新解法。

4．返向探求法
将人们通常思考问题的思路反转过来，从背逆常规的途径探寻新的解法，因此返向探求法亦称逆向思维法。

例如声音即是振动那么振动为什么不能复现原声呢？通过这样的反问，发明了留声机。

类似的还有电动机和发电机，金属材料的热处理和冷处理等。

5．系统分析法
对于技术系统，根据其组成中影响其性能的全部参量，系统地依次分析搜索，以探索更多解决问题的途径。

6．组合创新法
组合创新法是将现有技术和产品通过功能、原理、结构等方面的组合变化形成新的技术思想的和新产品。

组合法应用的技术单元一般是已经成熟和比较成熟的技术，不需要从头开始，因而可以最大限度地节约人力、物力和财力。

组合创新的类型很多，常用的有性能组合、原理组合、功能组合、结构重组、模块组合等。