机械系统设计概述(一)机械系统由若干机械装置组成的一...

2-1机械系统创新设计

一、机械系统设计概述

（一）机械系统

由若干机械装置组成的一个特定系统，称为机械系统。如图2—1所示（a）图为数控磨床，（b）图为小型甘蔗收割机都是由若干装置、部件和零件组成的两种功能和构造各异的机械系统。它们是一个由确定的质量、刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。机械零件和构件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功能相互联系而分别组成了各个子系统。

（a）

图2—l（b）

１.机械系统的特性

（１）整体性

机械系统是由若干个子系统构成的统一体，虽然各子系统具有各自不同的性能，但它们在结合时必须服从整体功能的要求，相互间须协调和适应。一个系统整体功能的实现，并不是某个子系统单独作用的结果，一个系统的好坏，最终体现在其整体功能上。因此，必须从全局出发，确定各子系统的性能和它们之间的联系，设计中并不要求所有子系统都具有完美的性能，即使某些子系统的性能并不完善，但如能与其他相关子系统得到很好的协调，往往也可使整个系统具有满意的功能，

（２）相关性

系统内部各子系统之间是有机联系的，它们之间相互作用、相互影响，形成了特定的关系。如系统的输入与输出之间的关系、各子系统之间的层次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联系等，都取决于各子系统在系统内部的相互作用和相互影响的有机联系。某一子系统性能的改变，将对整个系统的性能产生影响。

（３）目的性

系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存在的目的。因此，系统应实现所要求的功能，排除或减少有害的干扰。

（４）环境适应性任何一个系统都存在于一定的物质环境中，外部环境的变化，会使系统的输入发生变化，

２.机械系统的组成

现代机械种类繁多，结构也愈来愈复杂。但从实现系统功能的角度看，主要由动力系统、传动系统、执行系统、操纵及控制系统等于系统组成。每个子系统又可根据需要往下分解为更小的子系统。

（１）动力系统

动力系统包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源。动力机输出的运动通常为转动，而且转速较高。选择动力机时，应全面考虑执行系统的运动和工作载荷、机械系统的使用环境和工况以及工作载荷的机械特性等要求，使系统既有良好的动态性能，又有较好的经济性。．

（２）传动系统

传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置。传动系统有下列主要功能：

(a)减速或增速把动力机的速度降低或增高，以适应执行系统工作的需要。

(b)变速当用动力机进行变速不经济、不可能或不能满足要求时，通过传动系统实行变速(有级或无级)，以满足执行系统多种速度的要求。

(c)改变运动规律或形式把动力机输出的均匀、连续、旋转的运动转变为按某种规律变化的旋转或非旋转、连续或伺歇的运动，或改变运动方向，以满足执行系统的运动要求。

(d)传递动力把动力机输出的动力传递给执行系统，供给执行系统完成预定任务所需的转矩或力。

如果动力机的工作性能完全符合执行系统工作的要求，传动系统也可省略，而将动力机与执行系统直接连接。

(3)执行系统

执行系统包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状或位置，或对作业对象进行检测、度量等，以进行生产或达到其他预定要求的装置。不同的功能要求，对运动和工作载荷的机械特性要求也不相同，因而各种机械的执行系统不同。执行系统通常处在机械系统的末端，直接与作业对象接触，是机械系统的主要输出系统。因此，执行系统工作性能的好坏，将直接影响整个系统的性能。执行系统除应满足强度、刚度、寿命等要求外，还应充分注意其运动精度和动力学特性等要求。，

(4)操纵系统和控制系统

操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。二者的主要区别是：操纵系统一般是指通过人工操作来实现启动、离合、制动、变速、换向等要求的装置；控制系统是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制装置等。良好的控制系统可以使机械处于最佳运行状态，提高其运行稳定性和可靠性，并有较好的经济性。

此外，根据机械系统的功能要求，还可有润滑、计数、行走、转向等系统。

3.现代机械的功能要求

，

其具体功能的要求也有很大差异。例如，起重机械是一种有间歇运动的机械，主要用于物品的装卸，其基本功能要求是起升重量、起升高度、起升速度、运行速度、生产率、作业范围及经济性，以及工作过程的安全性、可靠性、稳定性、操纵性、对周围环境的适应性等；而机床是工作母机，其主要的功能要求是加工精度等。

各种机械的功能要求大体上可归纳为：

(1)运动要求如速度、加速度、转速，调速范围、行程、运动轨迹以及运动的精确性等。

(2)动力要求包括传递的功率、转矩、力和功效等．

(3)体积和重量要求如尺寸、重量、功率、重量比等。

(4)可靠性和寿命要求包括机械和零部件执行功能的可靠性、零部件的耐磨性和使用寿命等。

(5)安全性要求包括强度、刚度、热力学性能、摩擦学特性、振动稳定性、系统工作的安全性及操作人员的安全性等。

(6)经济性要求包括机械设计和制造的经济性、使用和维修的经济性等。

(7)环境保护要求如防噪、防振、防尘、防毒，“三废”(废气、废水、废渣)的治理，对人员和设备的安全性等。

(8)产品造型要求如外观、色彩、与环境的协调性等。

(9)其他要求不同机械还可有一些特殊要求，如精密机械要求能长期保持其精度并有良好的防振性；经常搬动的机械要求安装、拆卸、运输方便；户外型机械要求良好的防护、防腐和密封；食品和药品加工机械要求不污染被加工产品等。

(二)机械系统设计

设计是人类改造自然的基本活动之一，设计是复杂的思维过程，设计过程蕴含着创新和发明。设计的目的是将预定的目标，经过一系列规划与分析决策，产生一定的信息(文字、数据、图形)而形成设计，并通过制造，使设计成为产品，造福人类。机械系统设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势、赢得用户，并取得较好的经济效益。

机械系统设计有以下三类不同的设计：

(1)开发性设计在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计以往没有过的新型机械。这是一种完全创新的设计。

(2)适应性设计在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或设计一个新部件，使机械产品在质和量方面更能满足使用要求。

(3)变型设计在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之适应于更多的容量要求。这里的容量含义很广，如功率、转矩，加工对象的尺寸，传动比范围等等。

在机械产品设计中，开发性设计十分重要。即使是进行适应性设计和变型设计，也应在“创新”上下功夫。“创新”可以使开发性设计、适应性设计和变型设计别具一格，从而提高产品的工作性能。

１.设计内容

1）系统功能设计

一项产品的推出总是以社会需求为前提，或为满足社会生产活动的需要，或为满足人们生活的需要，没有需求就没有市场，也就失去了产品存在的价值和依据。所谓需求，就是对功能的需求．

根据价值工程原理，产品的价值常用产品的总功能与成本之比值来衡量。为了提高产品的价值，一般可以采取增加功能，成本不变；功能不变，降低成本；增加一些成本以换取更多的功能；降低一些功能，以使成本较大幅度地降低；增加功能，降低成本等措施。显然，增加功能，降低成本的措施是较理想的，但也是最困难的，通常，随着功能的增加，产品的成本也会随之上升。

（2）可靠性设计

可靠性是衡量系统质量的一个重要指标．所谓可靠性，是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。规定功能的丧失称为失效，对于可修复的系统，其失效也称故障。靠性技术是研究系统发生故障或失效的原因及预防措施的一门技术。

机械系统工作时，由于各种原因难免发生故障或失效，在研究和设计阶段对可能发生的故障或失效进行预测和分析，掌握其原因，并采取相应的预防措施，则系统的失效率将会减小，可靠性也随之提高。实践表明，机械系统的可靠性是由设计决定的，而制造、管理等其他阶段的工作只是起保证作用。如果设计时考虑不当，不能使零部件具有必要的可靠性，则无论制造得多么好，维护得多么细心，都无法弥补设计中的缺陷。

２.机械系统设计思路

机械系统设计时，必须考虑整个系统的运行，而不只是关心各组成部分的工作状态和性能。如只以改善零部件的特性为重点，对于各零部件之间的相互作用和影响考虑较少，则虽然对零部件的设计考虑得很仔细，但设计的系统仍然不够理想。用最好的零部件，不一定能组成好的系统。

（1）机械系统分解

机械系统分解是把复杂的系统分解为若干个相联系的、相对比较简单的予系统，分解能使设计和分析比较简便。还可根据需要将各子系统再分解为更小的子系统，依次逐级分解，直至能进行适宜的设计和分析为止。

（2）机械系统分析

机械系统分析不同于一般的技术经济分析，它是从系统的整体优化出发，采用各种工具和方法，对系统进行定性和定量分析的过程。系统分析时，不仅要分析技术经济方面的有关问题，而且还要分析各子系统之间的联系因素，并且作出评价，为决策者选择最优系统方案提供主要依据。

（３）机械系统建模

机械系统常采用图像模型和数学模型，由于计算技术和手段的发展，数学模型的应用越来越广，尤其是在需要对系统进行精确的定量分析的场合，均须建立数学模型。

在建立模型时，必须全面考虑其影响因素，分清主次，尽可能如实描述系统的主要特征。在能满足系统主要设计要求的前提下，应尽量简化，以需要、简明、易解为原则。

（4）机械系统优化

兼

顾，系统优化就是应用最优化理论和方法，对各候选方案进行最优化计算，以获得最优的系统方案。

（5）机械系统评价

优化后的系统方案可能是一个，也可能是几个，为了进行决策，必须对各优化方案进行评价。对系统评价时应考虑的因素很多，如各项功能、可靠性、成本、寿命、工期、使用性及人类工程学等。

３.机械系统设计的主要过程

不论哪一类设计，为了提高机械设计的质量，必须有一个科学的设计程序。其主要过程如下所述。

（1）产品规划

对产品开发中的重大问题要进行技术、经济、社会各方面条件的详细分析，对开发可能性进行综合研究，提出可行性报告，其内容主要有：

(a)产品开发的必要性，市场需求预测；

(b)有关产品的国内外水平和发展趋势；

(c)预期达到的最低目标和最高目标，包括设计水平、技术、经济、社会效益；

(d)提出设计、工艺等方面需要解决的关键问题；

(e)现有条件下开发的可能性及准备采取的措施；

(f)预算投资费用及项目的进度、期限。

(2)方案设计

需求是以产品的功能来体现的，功能与产品设计关系是因果关系，但又不是一一对应的。体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理。因此，方案设计就是在功能分析的基础上，通过创新构思、搜索探求、优化筛选取得较理想的工作原理方案。

对于机械产品来说，机械系统方案设计的主要内容为：

(a)根据产品的要求，在功能分析和工作原理确定的基础上进行工艺动作构思和工艺动作分解，确定执行构件所要完成的运动。

(b)采用机构选型、组合的方法，初步拟定各执行构件动作相互协调配合的运动循环图，进行机械运动方案的设计(即机构系统的型综合和数综合)。

(3)总体设计与结构设计

将机械的构型构思和机械系统运动方案简图具体转化为机器及其零部件的合理结构。也就是要完成机械产品的总体设计、部件和零件设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书等有关技术文件。

总体设计必须要有全局观念，不仅要考虑机械本身的内部因素，还应满足；总功能、人机工程、造型美学、包装和运输等各种外部因素，按照简单、合理、经济的原则妥善地确定机械中各零部件之间的相对位置和运动关系。总体布置时一般总是先布置执行系统，然后再布置传动系统、操纵系统及支承形式等。通常都是从粗到细，从简到繁，需要反复多次才能确定；

结构设计时要求零件、部件设计满足机械的功能要求，零件的结构形状要便于制造加工．常用零件尽可能标准化、通用化、系列化。结构设计时一般先由总装草图分拆成部件、零件草图，

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根据功能关系，建立系统运动方程式，求解真实运动、速度波动的调节和机械的平衡等。最后还要编制技术文件，如设计说明书、标准件、外购件明细表、备件、专用工具明细表等。

(4)改进设计

根据样机性能测试数据、用户使用以及在鉴定中所暴露的各种问题，进一步作出相应的技术完善工作，以确保产品的设计质量。这一阶段是设计过程不可分割的一部分，通过这一阶段的工作，可以进一步提高产品的性能、可靠性和经济性，使产品更具生命力。

以上设计过程的各个阶段是相互联系、相互依赖的，有时还要反复进行，经过不断修改与完善，才能获得较好的设计。

二、机械创新设计的概念及过程

设计是人类社会最基本的一种生产实践活动，强调创新设计是要求在设计中更充分发挥设计者的创造力，利用最新科技成果，在现代设计理论和方法的指导下，设计出更具有竞争力的新颖产品。

（一）机械创新设计的概念

机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力和智慧，利用人类已有的相关科学理论、方法和原理，进行新的构思，设计出新颖、有创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动。

1.机械创新设计与常规机械设计的关系

机械的类型、用途、性能和结构的特点虽然千差万别，但它们的设计过程却大多遵循着同样的规律。概括起来说，常规机械设计过程一般可分为四个阶段：①机械总体方案设计；②机械的运动设计；③机械的动力设计；④机械的结构设计。

常规设计一般是在给定机械结构或只对某些结构作微小改动的情况下进行的，其主要内容是进行尺度设计、动力设计和结构设计。机械创新设计是相对常规设计而言的，它特别强调人在设计过程中，特别是在总体方案设计阶段中的主导性及创造性作用。

2.机械创新设计与机械创造发明的关系机械的创造发明大多属于机械结构方案的创新设计。创造发明过程及方法的专著已问世，但大多是作宏观概括的论述，缺少具体的可操作性。学生学过之后；在机械创新设计的原理、方法及实现等方面仍缺少实用的知识。机械创新设计要完成的一个核心内容，就是要探索机械产品创新发明的机理、模式及方法，要具体描述机械产品创新设计过程，并将它程式化、定量化，乃至符号化、算法化。

（二）机械创新设计的过程

机械创新设计的目标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的功能，并使其具有良好的工作品质及经济性。

图2-2所示为机械创新设计的一般过程，它分四个阶段：

1.确定机械的基本工作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。

2．机构结构类型综合及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，它多伴随新机构的发明。因此，结构类型综合及其优选，是机械设计中最富有创造性、最有活力

(广度与深度)、经验、灵感和

想像力等众多方面。

3．机构运动尺度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。随着优化法、代数消元法等数学方法引入机构学，使该问题

有了突破性进展。

2-2

4．机构动力学参数综合及其动力参数优选其难点在于动力参数量大、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，便形成了机械设计的优选方案。而后，即可进入机械结构创新设计阶段。

（三）机械创新设计的特点

1．独创性机械创新设计必须具有独创性和新颖性。设计者应追求与前人、众人不同的方案，打破一般思维的常规惯例，提出新功能、新原理、新机构、新材料，在求异和突破中体现创新。

2．实用性机械创新设计必须具有实用性。纸上谈兵无法体现真正的创新。发明创造成果只是一种潜在的财富，只有将它们转化为现实生产力或市场商品，才能真正为经济发展和社会进步服务。设计的实用化主要表现为市场的适应性和可生产性两方面。

3．多方案选优机械创新设计涉及多种学科，如机械、液压、电力、气动、热力、电子、光电、电磁及控制等多种科技的交叉、渗透与融合。应尽可能从多方面、多角度、多层次寻求多种解决问题的途径，在多方案比较中求新、求异、选优。以发散性思维探求多种方案，再通过收敛评价取得最佳方案，这是创新设计方案的特点。

三、机械创新设计中的创新思维与技法

机械创新设计是人类创造活动的具体领域，需要设计者对创新思维的特点、本质、形成过程有所掌握，认识创新思维与其它类型的思维、创新原理、创新技法的关系等。创新设计不是简单的模仿或技术改造，而应具有突破性、新颖性、创造性、实用性以及带来的社会效益性。

（一）创造力开发

创造力是多种能力、个性和心理特征的综合表现，包括观察、记忆、想像、思维、表达、自我控制等能力，文化素质、理想信念、意志性格、兴趣爱好等因素。其中想像能力和思维能力是创造力的核心，它是将观察、记忆所得信息有控制地进行加工变换，创造表达出新成果的整个创造活动的中心。这些能力和素质，经过学习和锻炼，都是可以改善和提高的。

机械设计人员应该具备丰富的知识和经验、高度的创新精神、健康的心理品质、严谨而科学的管理方法等条件，自觉地开发和提高自己的创造力。此外，要尽力克服思想僵化和片面性，树立辩证观点；摆脱传统思想的束缚，不盲目相信权威；消除胆怯和自卑；克服妄自尊大的排他意识，注意发挥群体的创造意识。这样有了正确的思想基础，加强创新思维的锻炼，掌握必要的创新技法，必然产出创新成果。

（二）创新思维

创新思维是一种高层次的思维活动，创新思维的主要特点有：综合性、跳跃性、新颖性、潜意识的自觉性、顿悟性、流畅灵活性等。

．创新思维的形成过程

创新思维的形成过程大致可分为三个阶段：

(1)储存准备阶段这一阶段就是明确要解决的问题，围绕问题收集信息，

并试图使之概括化和系统化，使问题和信息在脑细胞及神经网络中留下印记。大脑的信息存储和积累是诱发创新思维的先决条件，存储愈多，诱发愈多。

(2)悬想加工阶段在围绕问题进行积极的思索时，大脑会不断地对神经网络中

的递质、突触、受体进行能量积累，为产生新的信息而运作。这一阶段人脑能总体上根据各种感觉、知觉、表象提供的信息，认识事物的本质，使大脑神经网络的综合、创造力有超前力量和自觉性。在准备之后，一种研究的进行或一个问题的解决，难以一蹴而就，往往需经过探索尝试。故这一阶段也常常叫做探索解决问题的潜伏期、孕育阶段。

(3)顿悟阶段人脑有意无意地突然出现某些新的形象、新的思想，使一些长久未能解决的问题在突然之间得以解决。进入这一阶段，问题的解决一下子变得豁然开朗。创造主体突然间被特定情景下的某一特定启发唤醒，创新意识猛然被发现，以前的困扰顿时一一化解，问题顺利解决。这一阶段是创新思维的重要阶段，被称为“直觉的跃进”、“思想上的光芒”。

2．影响创新思维的因素

一个人创新思维能力的形成和发展，现代心理学家做过许多试验。试验结果表明，影响创新思维能力的主要因素有：一是先天赋予的能力(遗传的大脑生理结构)。“天赋能力”只是一种资质、一种倾向，一旦遇到合适的条件，“天赋能力”才能充分展现，如果缺少必要的现实条件，“天赋”再高的人也无能为力；二是生活实践的影响(环境对大脑机能的影响)，后天的实践活动对于个人思维能力具有积极意义；三是科学安排的思维训练。思维能力可以通过训练而得到提高，而训练方法是否具有科学性和简单易行等特点，对促进掌握创新思维的方法和技巧有很大影响。

3．创新思维的激发和捕捉

创新思维是艰苦思维的结果，是建立在知识、信息积累之上的高层次思维，创新思维的激发离不开这些基础。此外，还应注意下列问题：

(1)掌握和使用有利于创新思维发展的思维方法思维方法是思维和认识问题的途径、具体的步骤和明确的方向。如分散思维及相应的方法、直觉思维及相应的方法、动态有序思维及相应的方法等，都是有利于创新思维发展的思维形式和方法。此外，还应了解和掌握并自觉使用如突破思维定势法、生疑提问法、欲擒故纵松弛法、智慧碰撞法等思维方法，只有熟练掌握和使用良好的思维方法，才能发挥我们自身巨大的创新思维的潜能。

(2)创新思维的捕捉创新思维是大脑皮层紧张的产物，神经网络之间的一种突然闪过的信息场。信息在新的精神回路中流动，创造出一种新的思路。这种状态由于受大脑机理的限制，不可能维持很久时间，所以创新思维是突然而至而悠然飞去。如不立刻用笔记下来，紧紧抓住使之物化，等思维“温度”一低，连接线一断，就再难寻回。

（三）常用创新技法

创新技法是以创新思维为基础，通过时间总结出的一些创造发明的技巧和方法。由于创新设计的思维过程复杂，有时发明者本人也说不清楚是用哪种方法获得成功的，但通过不断的实践和对理论的总结，大致可总结出以下几种方法。

．智力激励法(集思广益法)

智力激励法是一种典型的群体集智法。其中包括以下一些方法：

(1)激智会法这是一种发挥集体智慧的方法，是美国创造学家奥斯本提出的一种方法。它是通过召开智力激励会来实施的。一般步骤为：会议主持人明确会议主题并确定参加会议人选，经过一段时间的准备后，召开会议，会议上要想方设法造成一种高度激励的气氛，使与会者能突破种种思维障碍和心理约束，提出自己的新概念、新方法、新思路、新设想，各抒己见，借助与会者之间的知识互补、信息刺激和情绪鼓励，提出大量有价值的设想与方案，经分析讨论，整理评价，评出最优设想付诸实施。

(2)书面集智法在推广使用群体集智法的过程中，人们发现存在一些局限性。如有的创造性强的人喜欢沉思，但会议无此条件；会上表现力和控制力强的人会影响他人提出的设想；会议严禁批评，虽然保证了自由思考，但难于及时对众多的设想进行评价和集中。为此，出现了基本激励原理不变但操作形式和规则有异的改进型技法。其中最常用的是书面集智法，即以笔代口的默写式智力激励法。一般步骤为：确定会议议题，邀请6名与会者参加，组织者给每人发卡片，要求每人在第一个5min内在卡片上写出3种设想，然后卡片相互交换，在第二个5min内，要求每人根据他人设想的启发再在卡片上写出3种新的设想。如此循环下去，半小时内可得108种设想。然后在收集上来的设想卡片中，根据一定的评判准则筛选出有价值的设想。

(3)函询集智法函询集智法又称得尔菲法，其基本原理是借助信息反馈，反复征求专家书面意见来获得新的创意。一般步骤为：组织者针对需要解决的问题以征询表形式分寄有关专家，限期索取书面回答；组织者收到复函后概括整理，按综合后的意见以新——轮的征询表再寄有关专家，使其在别人设想的激励启发下提出新的设想或对已有设想予以补充或修改。如此反复多次，就可得到有价值的新设想。

2．提问追溯法

提问追溯法在思维方面具有逻辑推理的特点。它是通过对问题进行分析，加以推理以扩展思路，或把复杂问题进行分解，找出各种影响因素，再进行分析推理，从而寻求问题解答的一种创新技法。其中包括以下一些方法：

(1)5W2H法5W2H法的运用步骤是：针对需要解决的问题，提出7个疑问，从中启发创新构思。以设计新产品为例提问如下：

1)Why?为何设计该产品?采用何种总体布局?……

2)What?产品有何功能?是否需要创新?……

3)Who?产品用户是谁?谁来设计?……

4)When?何时完成该设计?各设计阶段时间如何划分?……

5)Where?产品用于何处?在何处生产?……

6)Howtodo?如何设计?形状、材料、结构如何?……

7)Howmuch?单件还是批量生产?……

5W2H法的特点是：适合用于任何工作，对不同工作的发问具体内容不同。可以突出其中任何一问，试求创新构思。

(2)设问法设问法的运用步骤是：针对问题，从不同的角度提出疑问进行启发，以其出现创新成果。以设计新产品为例，可从以下角度设置问题：

转化该产品能否稍作改动或不改动而移作它用?

2)引伸能否从该产品中引出其它产品?或用其它产品模仿该产品?

3)变动能否对产品进行某些改变?如运动、结构、造型、工艺?……

4)放大该产品放大(加厚、变深、……)’后如何?

5)缩小该产品缩小(变薄、变软、……)后如何?

6)颠倒能否正反(上下、前后、……)颠倒使用?

7)替代该产品能否用其它产品替代?

8)重组零件能否互换?

9)组合现有几个产品能否组合为一个产品?或者部件组合、功能组合、……?

设问法的特点是：可从不同角度提问题。可把问题列成检核表，逐一检查，并可补充扩展。检核表可以变型，成为进一步针对具体问题的检核表。例如对产品设计过程提问：增加功能、提高性能、降低成本、增加销售等。

(3)反向探求法对现有的解决方案系统地加以否定或寻找其它的甚至相反的一面，找出新的解决方法或启发新的想法。可以细分为“逆向”和“转向”两类方法。

(4)缺点列举法针对某一方案列出所有缺点和不足，研究改进方法，以探求新方案。

(5)向前推演法从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索，寻找新的想法。

3．联想类推法

联想类推法是通过启发、类比、联想、综合等创造出新的想法以解决问题。主要有以下一些方法：

(1)相似联想法通过相似联想进行推理，寻求创造性解法。例如通过河蚌育珠的启示，在牛胆中埋人异物，刺激牛产生胆结石而得到珍贵药材牛黄。

(2)抽象类比法用抽象反映问题实质的类比方法来扩展思路，寻求新解法。如要发明一种开罐头的新方法，可先抽象出“开”的概念，列出各种“开”的方法，如打开、撕开、拧开、拉开等，然后从中寻找对开罐头有启发的方法。

(3)借用法从各个领域借用一切有用的信息诱发新的设想，即把无关的要素结合起来，找出相似地方的一种借用方法。例如，电模拟，以电轴代替丝杠传动等就是一种借用方法。

(4)仿生法通过对生物的某些特性进行分析和类比，启发出新的想法或创造性方案的一种方法。它是现代发展新技术的重要途径之一。例如，飞机构件中的蜂窝结构等，就是仿生法在技术设计中的应用。

4．组合创新法

组合创新法就是利用事物间的内在联系，用已有的知识和成果进行新的组合而产生新的方案。主要有以下两种方法：

(1)组合法把现有的技术或产品通过功能、原理、模块等方法的组合变化，形成新的技术思想或新的产品。例如，把刀、剪、锉、锥等功能集中起来的“万用旅行刀”等就是组合法的应用。

(2)综摄法通过已知的东西作为媒介，把毫无关联的、不相同的知识要素结合起来，摄取各种产品的长处将其综合在一起，制造出新产品的一种新的创新技法。它具有综合摄取的组合特点。例如，日本南极探险队在输油管不够的情况下，因地制宜，用铁管做模子，绑上绷带，

四、机构的创新设计方法

大量实践表明：常用基本机构通常完全可以胜任一般性的设计要求。在机构综合过程中，设计者一般都会对机构的形式、结构、尺寸作出这样那样的改进，或采用几种机构共同协作来实现设计任务的种种要求，这实际上是对已有机构进行某种创造性的改造，本质上就是一种创新。

创新的方法很多，机构创新也不是可以简单用几段文字就叙述清楚的。机构创新更重要的方法是：多看、多想，勤动脑、勤动手，通过学习掌握必要的创新理论，通过实践丰富自己的积累。只有这样，才能真正掌握好机构创新的秘诀。

（一）机构创新的组合原理

按技术来区分，创新可分为两大类：一类是采用全新的技术，称为突破性创新；另一类是将一个基本机构与另一个或几个基本机构或基本杆组按一定方式有目的地进行组合，构建成一个新机构的设计过程称为机构的组合创新，所获得的新机构称为组合机构。

组合创新相对于突破性创新更容易实现，是一种成功率较高的创新方法，组合法也是创新设计中最常使用的一种创新技法。

基本机构与基本机构最常用的组合方式有四种：串联式、并联式、复合式和叠加式。

1.串联式组合机构的创新设计机构串联式组合是将若干单自由度基本机构或基本杆组按

动作执行的顺序依次相连的组合。按这种组合，前置基本机构的运动输出构

（a）I型串联（b）II型串联

图2-3

件可以是连架杆，这称为I型串联，这时前置基本机构的运动输出构件就是后置基本机构的运动输入构件；前置基本机构的运动输出也可以是连杆上的一个点，这称为Ⅱ型串联，这时前置机构一般通过连杆上的铰链点与后置基本杆组串联。两种组合形式可用图2-3所示的框图表示。

I型串联式组合常用于改善输出构件的运动和动力特性，或用来实现运动或力的放大。Ⅱ型串联式组合常利用前置基本机构联接点的特殊运动轨迹来实现后置基本

杆组运动输出构件的特殊运动要求。

图2-4所示为一锉刀剁齿机构。分析后不难看出：这是一个摇杆滑块机构和凸轮机构串联组成的组合机构。该组合机构的设计有两大特点：一是充分地利

2.并联式组合机构的创新设计两个或多个基本机构并列布置称为机构的

并联式组合。设A、B为基本机构，并联式组合机构的类型及运动传递方式如

图2-5所示。

图2-4

图2-5（a）所示的并联式组合主要功能是实现两机构输出运动的合成。

图2-5（b）所示的并联式组合主要特点是先将一个运动分解传递给两个独立的机构，然后将两个机构的输出运动通过共用的运动输出构件合成为一个运动。

图2-5（c）所示并联式组合机构的主要特点是将一个运动同时输入到两个基本机构中，得

到两个相互独立且相互协调的运动输出。

(b)Ⅱ型并联(c)Ⅲ型并联

图2-5

图2-6所示为某型飞机上采用的襟翼操纵机构，它由两个尺寸相同的齿轮

齿条机构并联组合而成，两个可移动的齿条分别用两台直移电动机驱动。这种设计的创意特点是：两台电动机共同控制襟翼，襟翼的运动反应速度快；其次，当其中一台电动机发生故障时，

仍可以用另一台电动机单独驱动襟翼，增大了操纵系统的可靠性与安全系数。(a)I型并联

3.复合式组合机构的创新设计图2-6复合式组合是一种比较复杂的机构组合形式。在复合式组

2的基本机构，如差动齿轮机构、平面五杆机构等，它们是该组

合机构的主体，被称为基础机构。除了基础机构外，还有一些用来封闭或约束基础机构、自由度为1的基本机构，称为附加机构。设A为基础机构，B为附加机构，基础机构与附加机构最基本的联接方式有如图2-7所示的两种情况。从图中可以看出：基础机构的两个输入运动，一个直接来自原动件，另一个来自附加机构的输出运动，两个运动经基础机构合成为一个运动输出。由于基础机构的一个输入运动来自附加机构，使基础机构的输出运动受附加机构的影响变

得更加复杂。因此，复合式组合机构常用来实现一些复杂和对运动有特殊要求的设计场合。

图2-7

图2-8所示的组合机构为按图2-7(a)所示复合方式组合而成。在图2-8(a)中，

1—2—H是一个自由度为2的差动齿轮机构，3—4为附加的以凸轮为机架的摆动从动杆凸轮机构。当以系杆H为主动件运动时，行星轮2的运动规律由沿凸轮廓线运动的摆动从动杆惟一地确定，于是太阳轮将系杆和行星轮的运动合成为一个确定的输出运

动。改变凸轮廓线可获得极其多样的运动输出规律。在图2-8(b)所示的差动链传动机构中，运动输入给链轮5和凸轮K，链轮9为运动输出构件，链轮8和杆7构成链条长度自动补偿装置。当差动杠杆6上的滚子G在凸轮上滚动时，链轮10的位置会随凸轮廓线的变化而发生改变，使链轮9得到附加转动，从而使链轮9

完成复杂的运动。

(a)凸轮一行星齿轮机构(b)凸轮—链传动机构

图2-8

2-9所示机构为按图2-7(b)所示方式复合的组合机构。该组合机构是由一个可沿轴向窜动的蜗杆机构和附加的凸轮机构复合组成。当蜗杆驱动蜗轮转动时，同时带动凸轮一齐转动，凸轮机构的从动杆随着凸轮廓线的变化作往复直线运动，反过来又驱动蜗杆沿其轴向左右窜动，蜗杆转动和移动合成使蜗轮转速变得时快时慢。该组合机构在齿轮加工机床上作为传动误差补

偿机构而得到成功的应用。

1一蜗杆2一蜗轮3一传动误差补偿凸轮

图2-9

4.叠加式组合机构的创新设计将一个机构安装在另一个机构的某一个运动构件上形成的组合机构称为叠加式组合机构。其组合结构形式如图2-10

所示。

图2-10

叠加式组合中的基本机构的运动关系有两种情况：一种情况是各个机构的运动关系是相互独立的。例如图2-11所示的机械手中构成肘、腕、手等机构的运动相互是完全独立的，控制手运动的机构安装在控制腕运动的机构上，而控制腕运动的机构又安装在控制肘运动的机构上，一层一层地叠加在一起，当三个机构同时运动时机械手可以到达圆环柱面工作空间的所有区域。

叠加式机构组合的另一种情况是：被叠加机构之间的运动不是完全独立的，机构与机构之间的运动有一定的相互联系。例如图2-12所示电风扇摇头机构。在这个例子中，带蜗杆的电动机是安装在双摇杆机构的摇杆上的，而与蜗杆啮合的蜗轮是固定在双摇杆机构的连杆上的。蜗杆驱动蜗轮带动连杆转动而使摇杆摆动，摆动的摇杆带动风扇摆动，实现了电风扇在一定摆角范围内摇头送风的功能。

图

2-11

图2-12

(5)机构组合创新的功能一技术矩阵法前面介绍的组合机构都是采用刚性基本机构进行组合的例子。当然，也可以采用挠性构件机构，气、液压等其他类型的机构相互进行组合。虽然基本机构类型很多，但组合的方式却并不多。按相同组合方式组合而成的机构可以用相同或类似的方法去进行分析的综合。

需要强调的是：如果基本机构可以满足设计要求，就应当首选基本机构，没有必要采用组合机构。盲目过分追求机构组合方式的复杂性，除了会增加设计的难度外，复杂的运动链会降低机构的传动效率和运动精度。在必须采用组合机构时，也应力求使组合机构尽可能地简单。怎么才能做到这一点呢?怎么能克服组合的盲目性呢?采用功能一技术矩阵分析方法能较好地解决上述问题。

图2-13

大家知道：任何复杂的运动都可以看成是由一些简单的基本运动的合成，这

些简单的基本运动包括运动放大或缩小、运动形式的变换、运动变向等，这些基

本运动用图2-13(a)所示的符号表示。

能够实现这些基本运动的基本机构可以通过设计目录查出。图2-13(b)为实

现其中三种基本运动功能的机构解法目录(其他目录内容略)。如果某一设计任

务只需要上述三种运动功能就可以实现，那么只需将图2-13(b)中列出的各种基

本机构进行组合，再从组合机构中选优，就可以获得一个理想的组合机构方案。

设计该机构。

设计要求：精锻机要求用电动机提供动力，冲头作上、下锻压动作，要求锻

压机具有较高的锻压精度。

从设计要求可知，该锻压机构应具有三个运动分功能：

1)能将转动转换为往复直线运动。

2)因为需要增力，应使输入运动速度缩小。

3)若电动机水平放置，应变换运动轴线方向。

图2-13(b)所示的基本机构中，曲柄滑块机构完全可以实现上述全部功能要求，这也是为什么很多锻压、冲压机械都采用曲柄滑块机构的原因。而图中列出的其他一些基本机构，如凸轮机构(高副机构)、螺旋机构(效率低)，都因存在这样那样的缺点而不适于单独用于锻压机。曲柄滑块机构虽然能完全实现上述运动功能要求，但机构在冲压工件时，受压的连杆既是主要的承力构件，又是作平面运动的运动构件，机构的综合刚度较差，用于精锻机上不够理想。我们考虑在组合机构中寻找更理想的方案。将上述三个运动分功能进行组合，可得图2-14所示六种运动功能组合。再从图2-13(b)所示三个分功能的解法中各任选一个机构进行组合，可得73=343个组合机构方案，这些方案中有些是重复的，有些组合是不适合的。通过筛选最后我们获得图2-15所示四个有价值的机构组合方案：

方案D采用摩擦轮实现运动方向变换，用螺旋机构实现运动大小变换。因此，冲头压力大，

安全可靠。但由于摩擦传动运动精度差，该方案只适用于一的锻压设备而不适于精锻机。

图2-14

C是一个六杆组成的肘杆机构。冲头具有较大压力，且冲头具有瞬时

停歇。与曲柄滑块机构相似，该冲压机构的综合刚度较差，也不适合用于精锻机，但由于冲头可在冲压位置保持短时间停歇，故此机构适用于压印机，可使压印纹更加清晰。

方案B采用液压增压，冲头可获得较大压力。但生产效率较低，更适合用于一般大型锻压机械设备中。

方案A采用曲柄滑块机构作运动形式的变换机构，采用刚度很高的斜面机构作为运动方向和大小变换机构。由于斜面机构刚度好，具有较好的增力功能，这种机构组合形式能完全满足精锻机各方面的技术要求，成为20世纪80年代发展起来的热模精锻压力机的主要锻压机构形

式。

图2-15

(二)机构的演化与变异

机构的演化或变异是指以某机构为原始机构，对其组成的各个元素进行各种

性质的改变或变换，从而形成一种功能不同的机构。其中组成机构的各个元素，

主要是指运动副和构件。进行各种性质的改变与变换，主要包括：对机构各个元

素形状和尺寸的改变，运动形式的变换，运动等效的变换，组成原理的仿效。因

此，机构演化与变异的主要方法也就有：运动副和构件在形状与尺寸上的改变，

机构的机架变换，机构的等效变换与机构结构的仿效等。通过演化与变异而获得

的新功能机构，称为变异机构。

1.机构的运动副演化与变异

改变机构中运动副的形式，可构型出不同运动性能的机构，以增强运动副元

素的接触强度，减小运动副元素的摩擦、磨损，改善机构的受力状态，改善机构

的运动和动力效果，开拓机构的各种新功能。

（1）运动副的尺寸变换

要指组成转动副的销轴和销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对运动

关系并没有发生改变。随着转动副的扩大，构件形状也发生了变异，分别由杆状

变换成圆盘状和圆环状，这种变异机构常用于泵和压缩机。当转动副连续扩大后

可展直为移动副，由此可演化出新机构。如图2-16（a）所示的铰链四杆机构，通过运动副D尺寸的变化(图2-16（b）)并截割成图2-16（c）所示的滑块形状，然后再使构件3的尺寸变长，即DC变长，则圆弧槽的半径也随之增大，到DC趋近于无

穷大时，圆弧槽演变为直槽(图2-16（d）)。若图2-16（c）的构件3改成滚子，它与圆弧槽形成滚滑副(图2-16（e）)，则构件2的运动与图2-16（a）(c)所示机构的运动相同。若将圆弧槽变为曲线槽(图2-16（f）)，形成以凸轮为机架的凸轮机构，则构件

2

将得到更为复杂的运动。

（a）（b）（c

）

（e）（f）

图2-16

移动副的扩大，主要是指组成移动副的滑块与导路尺寸的变大，且尺寸增大到把机构中其它运动副包含其中，同样，构件间的相对运动关系并未改变。图2-17（a）是一个冲压机构，其中移动副扩大，将转动副A、B及C均包括在其中。曲柄1通过连杆2带动冲头3作上下往复移动，实现冲压动作。将连杆头处设计成曲面形，使其与滑块内空间的m-n段圆弧形状相吻合，用于提高机构的刚度与稳定性。图2-17（b）是该冲压机的机构运动简图，是一个曲柄滑块机构。（d）

（a）

图2-17（b）

(2)运动副元素的接触性质变换

低副元素的接触性质为滑动接触，高副元素包含有滚动和滑动两种接触性质。滑动接触使运动副元素的接触表面产生磨损，降低了机械传动效率和传动精度。为减小磨

损，可用滚动接触代替滑动接触。

(a)移动副把组成移动副元素之一的结构形状改变成滚子形，这样使原

始机构中导路与滑块的结构形式，演变为导路与滚子结构形式。

(b)转动副把组成转动副的销轴和销轴孔之间增设若干个滚动体，构成滚

动轴承。

(c)高副把凸轮高副中从动件设计成滚子形，槽轮高副中的拨销也设计成

滚子形，则可减小摩擦磨损。

(3)运动副元素的形状变换

运动副元素的形状变换是内容最丰富的一种演化变异，因为运动副的作用、

性质主要取决于运动副元素的形状，而且运动副元素形状的逐步改变还可以获取

不同性质的运动副，因此也就能演化出不同功能的机构。

(a)平面低副转动副元素的形状变换可参见图2-16，由于转动副元素的形

状逐步改变而形成了移动副。

移动副经滑动接触转变为滚动接触后，进一步改变移动副元素的形状，如导

轨的形状，把直线型的移动导路变成曲线型的，并让带有小滚子的转动构件为主

动构件，则就构造了一个凸轮为从动件，摆杆为主动构件的反凸轮机构。移动副

元素形状的改变用途很多，可以实现特殊的运动规律，且能解决原始机构难以解

决的问题。

图2-18是一个能克服死点的机构。曲柄滑块机构中滑块1为主动件，曲柄

2为从动件，若连杆与曲柄位于一直线，则机构处于死点位置。为了改变这种状

况，常采用多个曲柄滑块机构错位排列或使用大飞轮克服死点。而图2-18所示机构是一个较简单的克服死点机构，其结构特点是在滑块上制成导向槽，利用滚滑副的导向作用，使机构克服死点位置，完成机构由移动变换为转动，且无死点位置。

图2-18

(2)平面高副平面高副元素的形状变换，是为了演化变异出具有不同功能的平面高副，此外还可改善高副机构的各种性能，如受力状态、接触强度、运动及动力特性

等。平面高副元素的各种形状可看作是由凸轮高副变异而来，而凸轮机构(图2-19(b))又可以看成是由楔块机构(图2-19(a))

变异而来的。

（a）（b）

图2-19

(3)螺旋副螺旋副一般是由互相旋合的螺杆和螺母组成，从其剖面看螺纹形状有矩形、梯形、锯齿形、圆形和三角形等，可用于传动、微调、增力、联接等，既简单又可靠。若从螺旋副旋转推进工作原理考虑，把组咸螺旋副的两个运动副元素之一，螺杆的剖面形状设计成一个有利于推进流体或粉状物料的叶片形状，将其放在密闭圆筒状容器内，这样就构造了一种旋转推进的螺旋输送器(物料相当于螺母)，用于各种螺杆泵、挤出机等机械设备中。图2-20所示

就是一种螺旋推进器的示意简图。

图2-20

2.机构的构件演化与变异

通过机构构件的演化与变异，可改善机构的运动性能、受力状态，提高构件

强度或刚度，构型出新机构，实现一些新功能。

(1)利用构件的运动性质演化变异

运动间歇地重复再现，从而演化出新的机构。图2-21(a)所示的一个摆动导杆机构，曲柄AB为主动件，输入转动，摆杆OB为从动件，输出往复摆动。如果用滚滑

移动副代替移动副B，则就变成了图2-21(b)

所示机构。

图2-21

观察该机构的运动可以发现，当曲柄AB和摆杆OB的夹角为锐角，即处于Bˊ位置时，摆杆的摆动方向与曲柄同向；而曲柄AB与摆杆OB的夹角为钝角，即位于Bˊ时，摆杆的摆动方向则与曲柄的转动方向相反，为逆时针方向。方向改变的起始位置是在AB和OB相垂直的位置，即图示B的位置上。如果以B点位置为分界线，把滚滑副的槽分割成两部分，一部分如图2-21(c)所示，当滚子位于槽内时，曲柄AB转动，导杆OB反向摆动。若滚子脱离摆槽，则运动中断。为避免这种现象发生，可改变摆杆的形状，设计一个沿OB为半径的轨迹圆上开了四个均布相同槽的圆盘，使滚子在脱离一个槽后，相隔一段时间又进入另一个槽，就把连续转动转换成间歇转动，摆动导杆机构也就变成外槽轮机构了。

(2)改变构件的结构形状和尺寸

改变构件的结构形状可以解决机构运动不确定和机构因结构原因无法正常运

动等问题。

图2-22(a)是双转块机构的示意图，块1转动，通过连杆2将转动传递给块3，4

为机架，A、B为两个固定转动副。按机构原形的结构形状，两个转块是无法实现

整周回转的。若分别将构件1、2、3的形状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘形状，则

构造了一个十字滑块联轴器。如图2-22(b)所示，其中连杆2变成了图2-22(c)所示

的两面各有矩形条状凸榫的圆盘，且两凸榫的中心线互相垂直，并通过圆盘中心。转盘1和3上各开一个凹槽，2上的凸榫分别嵌入1和3相应的凹槽内。机架支承两个固定转轴A和9，

1转动时，圆盘3

以同样的速度转动。

图2-22

(3)增加辅助结构

在机构运动时，往往会产生一些机构的各个组成元素本身无法解决的问题，

如运动不确定问题、运动规律可调性问题等，一般采用辅助结构解决之。

图2-23(a)是一个转动导杆机构，可以传递非匀速转动。若将导杆的中心线置于曲柄的活动铰链B的轨迹圆上(见图2-23(b))，则导杆将以曲柄速度的一半等速转动。但当活动铰链B的中心与导杆转动中心重合时，则图2-23(b)所示机构的位置将会不确定。为了消除图2-23(b)导杆机构的运动不确定性，采取加入第二个滑块的办法，并将导杆做成带十字槽的圆盘(见图2-23(c))，双臂曲柄两端滑块就在十字槽中运动。圆盘和转臂各围绕各自的固定转轴转动，圆盘槽数为任何数目时，均以曲柄转数的一半速度旋转。这样的机构可用来传递大载荷。串联两种这样的机构，就可以获得1：4

的无声传动

图2-23

(4)改变构件的运动性质

这主要针对凸轮机构增大行程的问题，改变凸轮作定轴转动的运动性质，使

凸轮相对于机架既转动又移动，则从动件实现凸轮的运动和自身相对于凸轮的运

动这两项运动的合成，从而实现行程的增大。

图2-24(a)是一种压力角没有增加，凸轮尺寸也没有加大，而推杆行程增

大的凸轮机构。具体的结构是：在凸轮轴1上套着一个可借助于导向键A沿轴向移动又可转动的端面凸轮，端面凸轮的上端与从动杆4上的滚轮接触，下端则与固定滚轮3接触。凸轮转动时，从动杆的升程是两项升程之和，一项是凸轮2相对于固定滚子3

的升程，另一项是从动杆4相对于凸轮2的升程，从而可获得较大的升程。

图2-24

图2-24(b)也是一种增程凸轮机构，其增程原理与上例相似。凸轮的圆盘1

固定在轴A上，滑块2装在圆盘1的导轨槽中，并且滑块上还开有可沿轴A移

动的长圆形孔O。滑块的两端凸出部分C和D被设计在两个平面上，它们之中

只有一个能与固定滚子3接触，而另一个只能与从动推杆4的滚子接触。弹簧保

证滑块2与圆盘1位于图示位置。当圆盘1转动时，滑块2的凸出轮廓D与固定

滚子3接触，并克服弹簧力的作用沿圆盘上的导槽移动，同时，从动推杆4又因

与滑块的凸出轮廓C接触而产生移动，两项移动量之和为从动杆的最终行程。该机构不仅可起到增程效果，而且还可通过更换滑块来改变从动推杆的运动规律。

3.机构的机架变换与创新

机构的机架变换是指机构的运动构件与机架的互相转换，或称作机构的倒

置。按照相对运动原理，机架变换后，机构内各构件的相对运动关系不变，而绝

对运动则发生了改变。因此，用这种方法可以进一步开发机构的应用范围，得到

不同特性的机构。

(1)平面四杆机构的机架变换

在机械原理课程中，已将平面四杆机构经机架变换后形成各种机构作为典型

实例介绍过，如铰链四杆机构在满足曲柄存在的条件下，取不同构件为机架，可

以分别得到曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。图2-25(a)为卡当机构,若

令杆001为机架，则原机构的机架成为转子3(如图2-25(b)所示)，曲柄1每转

一周，转子3亦同步转动一周，同时两滑块2及4在转子3的十字槽内往复运动，

将流体从入口A送往出口B，从而得到一种泵机构。

图2-25

(2)凸轮机构的机架变换

图2-26(a)是原摆动从动件盘形凸轮机构，图2-26(b)是机架变换后的凸轮机构，图2-26(c)是机架变换后的凸轮机构应用实例。该机构为凸轮—行星机构，系杆1是主动构件，输入转动，齿轮3是从动构件，凸轮4固定，原机架1作定轴转动，原从动件2作平面复合运动。图2-26(d)是移动从动件凸轮机构机架变换的实例。构件1绕A轴摆动，与该构件组成移动副的从动件2端部的滚子位于固定凸轮3的沟槽内，使从动件2在随构件1转动的同时作相对移动，可实现复杂的平面运动。图2-26(e)是移动从动件

圆柱凸轮机构机架变换的实例。圆柱凸轮1固定，在其沟槽内安置从动件2上的圆锥滚子C，该从动件与主动件3组成移动副。当构件3绕固定轴线A转动时，从动件2在随构件3转动的同时，还按特定的运动规律沿移动副B

移动。

图2-26

(3)齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换

图2-27(a)为机架变换前的齿轮机构与挠性件传动机构，图2-27(b)为机架变换后的机构。原机架变换成系杆，两轮中一个固定，另一个变换成行星轮，这样变换就构造出

行星传动机构。但需注意，对于挠性件传动机构，必须是具有啮合性质的链传动或同步带传动，

图2-27

定轴齿轮传动机构经机架变换后可得到行星传动机构。在该机构的基础上，又可经过机构的串联、并联等组合形式变换出各种各样的周转轮系，用于各种减速、增速、变速及速度合成与分解的机械传动装置中。

(4)间歇运动机构的机架变换

一般常见的间歇运动机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮机

构以及各种组合机构。其传动过程一般是主动件作定轴转动，从动件作间歇转

动。个别的如棘轮机构还要通过拨动构件，如棘爪使棘轮间歇转动。而经机架变

换后的机构，原来作间歇回转的构件是固定的。

图2-28(a)是外槽轮机构的机架变换，变换后又串联组合一个行星齿轮机构。槽轮5固定，原机构的机架4成为系杆，作为机构的从动件，输出间歇转动。整个机构主动构件是太阳轮1，他与行星轮2啮合，轮2上固接着驱动拨盘，当拨盘上的滚销3进入槽轮的槽时，系杆输出转位运动。当驱动拨盘的锁止弧与槽轮5的锁止弧啮合时，系杆4停歇。其特点是，因为串联了行星齿轮机构，则可以改善原普通槽轮机构的运动特性。但该机构的运动特性与锁止性能都不大好，使用时应进一步改进。

图2-28(b)是一个不完全齿轮机构的机架变换，变换后也是与一行星齿轮机构进行串联组合。传动原理与前面的例子相同，系杆4只有在具有一个齿的行星轮3与固定的

不完全齿轮5

相啮合期间才转动，当进入锁止弧啮合期间，系杆停止回转。

图2-28

机构的等效变换与创新

机构的等效变换可称作为机构的同性异形变换，通常指输入、输出的运动特

性相同或等效，但结构不同的一组机构。

(1)利用运动副的等效代换创新同性异形机构

运动副的等效代换是指组成机构的各种运动副相互转换或替代，而又不改变

机构运动的输入和输出特性，这些特性主要指机构的自由度、机构中各相应构件

的运动特征等。常见的等效代换的形式如下：

(a)空间运动副与平面运动副的等效代换图2-29(a)所示的

球面副S可由汇交于球心的三个转动副R一R一R等效代换，图2-29(b)所示的圆

柱副C可由转动轴线与移动导路重合的转动副R及与移动副P等效代换。这种代

换经结构改进后在生产实际中具有一定的使用价值。图2-30所示的汽车上用万

向联轴节就是其中一例。该机构在结构上作了改进，减少了一个球面副，而代之

以十字轴连接，大大提高了联轴节的强度和刚度。

a)球面副与转动副的等效代换b)圆柱副与转动副加移动副的等效代换

图

2-29

图2-30

(B)平面高副与平面低副的等效代换图2-31(a)中组成平面高副的两元素均

为圆，高副接触点为两圆切点C，圆心分别为A、B，半径分别为AC、CB，这

是一个滚子摆动从动件盘形凸轮机构，盘形凸轮为一个偏心圆。机构运动时，

A、B两点之间的距离始终保持不变，即为两圆半径之和。因此，用一长度与之

相当的附加构件3，并使其在两圆心A、B处铰接，组成一个曲柄摇杆机构OABD，则该机构与原凸轮机构就成为一组同性异形机构。

图2-31(b)中组成平面高副的两元素，一个是圆心为A半径为AC的圆，而另一个为点C，平面高副接触点就是C，这是一个尖顶移动从动件偏心盘凸轮机构。机构运转时，AC两点之间的距离始终保持不变，因此，用一个长为AC的附加构件，

并使其在A、C两点分别与原机构的构件1和2组成转动副A和C，组成一个曲柄滑块机构

，则该机构与原凸轮机构就成为一组同性异构机构。

图2-31(c)中组成平面高副的两元素，一个是圆心为止半径为AC的圆，而另

一个为一直线，平面高副接触点是直线与圆的切点C，这是一个平底摆动从动件

偏心盘凸轮机构。机构运转时，圆心A至切点之间的距离始终不变。因此，用

一个附加构件3，使其与圆在A点铰接，与直线组成移动副C，组成一个摆动导

杆机构OACB

，则该机构与原凸轮机构是一组同性异形机构。

图2-31

通过以上三个实例可知，当过高副接触点的二曲线曲率半径之和为常数时，

可用低副机构代替高副机构。若过高副接触点的二曲线曲率半径之和不为常数，

只能瞬时代换。

(2)利用瞬心线创新同性异形机构

图2-32(a)为一铰链四杆机构ABCD，连杆2和机架4的绝对速度瞬心为P24。

由三心定理可知，P24位于AB与DC的延长线交点上；把各个位置的P24点连成

曲线，即为连杆2的定瞬心线。图2-32(b)为同一连杆机构ABCD的倒置机构，其

中杆2固定，杆4运动，当倒置机构运转时，瞬心P24点描绘出一条与图2-32(a)不

同的曲线，称该曲线为倒置机构连杆2的定瞬心线，但相对于原机构来说，该曲

线则是连杆2的动瞬心线。图2-32(c)为附着在连杆2上的动瞬心线，与附着在机

架4上的定瞬心线在四杆机构的图示位置时正好相切，这里可以想像把杆2、4

各自加工成瞬心线的实际形状，使动瞬心线在定瞬心线上实现无滑动的纯滚动，

并拆去杆1、3，那么构件2的运动与原连杆机构中杆2的运动完全等效。

(b)(c)

图2-32

(3)利用周转轮系的不同结构创新同性异形机构

图2-33(a)所示的卡当运动机构中，由于行星轮2较大，内齿轮4更大，致使

机构的尺寸加大，给使用带来诸多不便。为解决这一问题，应设法构造同性异形

机构。若有两个周转轮系，它们的转化机构传动比的大小和方向均相同，则这两

个周转轮系是一组同性异形机构。图2-33(a)机构中的周转轮系部分的转化机构的(a)

传动比是：i24n2n1z不变，42。现在保持i24将原来的内啮合齿轮变成外啮合齿轮。n4n1z2

为保证方向也不变，在两个外啮合齿轮之间加一个介轮，如图2-33(b)所示，其转化机构的传动比也为-2。若在行星轮2上固接一杆，并使AB=OA，如图2-33(c)所示，则当系杆1转动时，B点输出移动，则该机构为卡当运动机构的一个同性异形机构。

将机构进一步简化，用同步带或链传动代换外啮合的齿轮传动，可以去掉介轮，构成了挠性件周转轮系，同时在小行星轮2上固接一杆，同样使AB=OA，如图2-33(d)所示，则该机构也为卡当运动机构的一个同性异形机构，它经常用于扩大行程的运动中，B点的行程是曲柄OA的4倍。

5.机构运动原理的仿效与创新

机构运动原理的仿效，是指一些相同的运动原理可以用到不同的机构中去，

例如运动的差动原理、谐波传动原理等。

(1)差动运动原理的仿效

差动原理经常用于齿轮系中，被称为差动轮系，用于运动的合成或分解。这种差速机构的自由度一般是2，用于运动的合成则是输入两个运动，合成为一个输出。如果用于运动的分解，则是输入一个运动，借助于其它条件的限制输出两个运动。图2-34是用于汽车后轮的差速机构，该机构的作用是把发动机输出的运动分解给两个车轮，使两个车轮的转动能够与直行或拐弯运动相适应，实现运动分解。

图

2-33

图2-34

(2)谐波传动原理的仿效

谐波传动是一种靠中间挠性构件(柔轮)的弹性变形来实现运动和动力的传递。这种传动原理经常用于齿轮传动中，但也可用于螺旋传动以及摩擦传动中。

图2-35是一种谐波齿轮传动，基本构件是柔轮1、刚轮2和波发生器H，其中波发生器为主动构件，柔轮为从动构件，刚轮固定。柔轮本身的形状为圆形，齿数z1，刚

轮的齿数z2，比z1略大。由于波发生器的引入，迫使柔轮产生弹性变形，并使其长轴两端的齿与刚轮完全啮合，短轴两端的齿完全脱离，而位于长短轴之间的齿则处于啮人或啮出的过渡状态。当波发生器转动时，随着柔轮变形部位的变更，而使得柔轮与刚轮齿之间在啮人、啮合、啮出、脱离四种状况中不断变化，从而使柔轮相对于刚轮按与波发生器相反的转动方向旋转。

iH1

z1

，传动比范围为50—500。

z1z

21一柔轮2刚轮H—波发生器

图2-35

这种谐波传动原理若用于螺旋传动，则可将转动转换成缓慢的移动，或相反，也可以用于减速。图2-36则是其中的一种，它可将高速转动转变为低速的移动。其中波发生器

．1～0．0025mm。

1一螺杆2—螺母H—波发生器

图2-36

（3）啮合传动原理的仿效

齿轮机构的啮合传动具有传动可靠、平稳、效率高的特点，但不方便于远距离传动；带传动可实现远距离传动，但摩擦传动不可靠、效率低。如果仿效啮合传动原理，把刚性带轮与挠性带设计成互相啮合的齿状，就产生了齿形带，即同步带传动。

（4）滚动传动原理的仿效

效这种滚动传动原理用于螺旋传动就产生了滚珠螺旋，用于齿轮传动就产生了钢球活齿传动。

五、机械结构创新设计1.结构创新的变性原理

变性原理，即“改变属性”的原理，在机械设计中也称变异。一个对象的属性是多种多样的，如果将该对象的属性作若干改变，则会导致许多的设计。

在机械结构设计方法中，“变元法”是运用变性原理和组合原理产生的一种结构创新设计方法。变元一般是指机械结构可改变的基本元素，包括零部件的数量、几何形状，零部件的位置，零件之间的联接，零件的材料，零件的制造工艺等。变元法是对机械结构变元进行变化组合的一种机械结构设计方法。

图2-37所示是几种小型旋转机构中的圆柱支承。为减小摩擦和磨损，常采用宝石轴瓦。为消除或减小轴向间隙，可采用轴向调整结构或轴向弹性浮动结

构。

图2-37

图2-38所示是三种顶尖支承结构形式。图（a）所示为一般顶尖支承，定心精度不高，承载能力较差；图（b）所示顶尖支承接触面较大，承载能力较强，适当调整后可使支承

副的间隙为零，并可获得较好的定心精度；图（c）所示为滚动摩擦顶尖支承，转动灵活。也可调整其间隙为零，并可获得较好的定心精度。

图2-38

图2-39所示结构采用轴向调整或轴向浮动的顶尖支承结构，从而可以进一步提高定心精度。

图2-40所示为扭簧张力调整结构。图（a）所示是只有刀口支承的扭簧张力调整结构；图（b）所示是刀口结构与圆柱支承共同作用的扭簧张力调整结构，调整效

果更好。

图2-39

1一扭簧2一微调螺杆3一刀口支承块4一支承片簧5一调整螺钉6一压板7一支承圆柱

图2-40

图2-41所示为仪器基座的几种支承结构。螺旋副支承除了可以支承重力，还能用以调整

仪器的水平位置，并常与球面支承配合使用。

图2-41

2.结构创新的组合原理

组合的过程就是一种创造的过程。

如图2-42（a）所示，轴在承受了弯矩作用的条件下，如果齿轮再经过轴将转矩传递给卷筒，则轴为转轴，受力较大。如果将齿轮和卷筒组合在一起，用螺栓直接联接，则轴不受转矩作用，轴为转动心轴，结构较合理(见图2-42（b）。

图2-42

如图2-43所示，靠摩擦传递横向载荷的普通螺栓联接通常和销、套筒、键等抗剪元件组合在一起使用，由于这些抗剪元件可以承担部分横向载荷，因此可

以提高螺纹联接的可靠性。

图2-43

如图2-44(a)所示的复杂模具，制造困难、成本高、难以保证质量，但如果采用如图2-44(b)

所示的组合结构，则可以简化模具，提高加工质量。

图2-44

六、机械系统创新设计实例分析（一）电脑多头绣花机的改型设计

电脑控制的刺绣机代替传统的手工、机械刺绣，是绣花工艺的一个质的飞跃。电脑刺绣技术早在20世纪70年代就在国外发展起来，20世纪80年代成为绣花机的主导设备。其主要典型产品有：德国ZSK系列和日本田岛TMEF系列。1988年上海协昌有限公司引进日本的刺绣机技术，成功研制了GY4-1型电脑多

上用品、窗帘以及刺绣工艺品等产品的刺绣花样图案。

1.改型设计方案的提出

从工作原理上讲，GY4-1型电脑多头绣花机与一般的家用缝纫机是类似的。必须实现以下主要功能：①使机针刺穿绣料形成线环的功能；②使底线与面线交织的功能；③输送和抽紧面线的功能；④使绣料送进的功能；⑤绣线换色的功能。除此以外，它还有编辑图案(如合并、分割、插针和缩放等)、断线报警、自动剪线以及监控等一些辅助功能。从机械运动系统的组成结构的角度看，该机由四大机构组成：刺布机构、排线机构、送布机构和钩线机构。其中刺布机构和钩线机构在机头部件中，通常统一考虑。

GY4-1型电脑多头绣花机参考日本东海缝纫机有限公司田岛刺绣机研制而成。但田岛刺绣机的挑线刺布机构在美国、德国、意大利等国已经申请了专利，因而GY4-1型电脑多头绣花机很难进入国际市场。针对这种情况，协昌公司提出了避开田岛刺绣机的专利保护，进行挑线刺布机构方案的适应性设计，以生产新型的电脑多头绣花机

系列产品。田岛刺绣机的挑线刺布机构简图如图2-45所示。它的专利申请建立在挑线机构使用

凸轮机构的基础上，因而设计时应尽量避免使用凸轮。

图2-45田岛刺绣机挑线刺布机构简图

2、挑线刺布机构系统的本体知识表示

本体知识的概念：指在某一应用领域中设计某一机械系统时所遵循的知识的本质和内涵。例如在家用缝纫机设计中，刺布、挑线、钩线和送布四个功能对应的行为是机针的上下运动、挑线杆供线和收线、梭子钩线和推动缝料四组不同的运动行为。这些知识是缝纫机设计的本体知识。

由于绣花机的工作原理与一般家用或工业用缝纫机基本相同，因此我们包括

田岛刺绣机机构在内，把家用和工业缝纫机的挑线刺布机构作为形成本体知识的示教例子，利用机器学习方法分别得出两类机构和本体知识。

图2-46示出3种刺布机构的示教例子。3种刺布机构的运动行为列入表2-1中。

（a）曲柄滑块刺布机构(CB型)（b）曲柄滑槽刺布机构(36型)（c）六连杆滑块刺布机构(田岛型)

图2-46刺布机构的示教例子

图2-47示出四种挑线机构的示教例子。表2-2列出4

种挑线机构运动特性的差异。

（a）空间凸轮(Gta-1)（b）平面凸轮(田岛)（c）四连杆(GCl5-1)（d）齿轮连杆(LZ2-An)

图2-47挑线机构的示教例子

3.挑线刺布机构系统的方案生成1）刺布机构的方案生成

（

2-1刺布机构的行为数据

行为类型GB型36型田岛型

行为类型运动转换同上同上

输入运动类型转动转动转动

输出运动类型移动移动移动

输出运动方向往复往复往复

输出运动范围中等中等中等

输出速度变化非匀速非匀速非匀速

输

出

连续性续性续性续性

…

………

输出速度要求不可满足可满足可部分满足

表2-2挑线机构运动特性的差异

机构名称GA3-1田岛GC15-1IZ2-AD

输出运动范围可调性

不可调不可调不可调可调

输出速度要求可满足可满足不可满足部分满足

运动行为评分

好好较差较好

根据机械运动系统智能化概念设计的理论及其计算机实现方法的研究所开发出的一种概念设计平台原型系统1MCDP表明，可以根据刺布机构的本体运动行为，得到刺布机构的备选方案，如图2-48所示。四种新生成的机构方案的运动行为评价，按优劣排序列于表2-3中。

(a)凸轮机构(b)摇杆滑块机构(c)曲柄摇杆齿轮齿条机构(d)正弦机构

图2-48新刺布机构备选方案简图

表2-3四种新刺布机构及其运动行为评价

刺布机构序号

（a）

刺布机构名称

滚子移动从动件盘形凸轮机构

运动行为评价

好

（b）（c）(d)

急回往复运动的摇杆滑块机构曲柄摇杆驱动齿轮齿条机构

正弦机构

较好一般一般

2）挑线机构的方案生成

根据挑线机构的本体运动行为，得到挑线机构备选方案，如图2-49所示，4种新挑线机构及其运动行为评价列于表2-4

中。

a)汽车刮水器机构b)四杆齿数组合机构

c)六杆齿轮组合机构d)带调节装置的电影抓片机构

图2-49新挑线机构备选方案简图

表2-4四种新挑线机构及其运动行为评价

挑线机构序号

挑线机构名称运动行为评价

（a）汽车刮水器机构较差（b）四杆齿轮组合机构较好（c）六杆齿轮组合机构较好(d)

带调节装置的电影抓片机构

一般

4.挑线刺布机构的模糊优序评价（1）刺布机构的评价方案a>方案b方案a>方案c

a>方案d

方案a>田岛方案

方案b>方案c

方案d>方案c

田岛方案>方案c

根据以上优序关系，可以认为方案a最好，方案b、d和田岛居中，方案c较差。

（2）挑线机构的评价

田岛方案>方案c

方案b>方案d>方案a

四杆齿轮组合机构和六杆齿轮组合机构的评价基本相同(六杆机构略好于四杆机构)，但它们稍逊于田岛的挑线机构。在以上结果的基础上，新型挑线刺布机构的构型选定还要依赖设计的具体要求。本设计是改进设计，要求在避免已有专利的前提下，尽量减少改动量，甚至不改变原机构各安装孔的位置。在此要求下，根据刺布机构的评价：凸轮机构最好，但考虑到其在高速和耐磨性方面的缺陷，最终刺布机构方案只从六杆滑块机构和田岛刺布机构中选择。由于田岛专利不在刺布机构中，为了不改变原机构安装孔的位置，仍选用田岛的刺布机构。在挑线机构的形式选择中，田岛挑线机构最优，但六杆齿轮机构和四杆齿轮机构稍逊于它，也可以选用。六杆机构一方面略优于四杆机构，另一方面在设计时更容易满足安装孔的位置，挑线机构最终选用六杆机构。由此得出新型挑线刺布机构，如图2-50

。

图2-50新型挑线刺布机构简图

(二)过载保护装置的机械结构设计

如图2-51所示是一偏心轮连杆机构。主动轮1通过偏心轮2驱动连杆头

3。连杆4将运动传递给摇臂5，从而驱动从动轴6。要求设计一个功能可靠、制

造方便的过载保护装置，它可使得当从动轴过载时，连杆机构的运动和力的传递

中断，但主动轴仍可继续运转。此外，要求过载中断以后，该装置容易恢复到先

前状态。过载精度为±3％，主动轴转速50r／min，转矩400N·m，生产批量2

台。

1一主动轮2一偏心轮3一连杆头4一连杆5一摇臂6一从动轴

图2-51偏心轮连杆机构

在此偏心轮连杆机构中设置过载保护装置的设计方案有许多。从功能结构层次上来看，可将过载保护装置安置在不同的构件上，比如可以安置在主动轴、连杆铰链、从动轴上。这里只讨论过载保护装置安置于主动轴的情况。从物理原理层次上看，有机械式、电动式、液压式、气压式和电磁式等多种方式，这里只讨论最简单的机械式。尽管如此限制设计方案空间，但通过功能分析，仍可得到8种基本结构方案(见图2-52)。

以可靠的功能，方便装配、调节，较少的磨损和较低的噪声等为评判标准，从上述8个可能性方案中优选出图2-52(d)(f)(h)所示3种较好的结构方案。以此3种方案作为基本结构，运用变元法，对每个基本结构再作变化，又可得到8种结构设计新方案(见图2-53)。

上述过载保护装置的16种结构方案从物理原理的角度看，不外乎是变形和摩擦两种，绝大部分的差异仅仅是结构细节上的差异。

图2-53(c)在16个可能的方案中是最佳结构设计，但通过变元法，仍可继续改进，如图2-54所示。

如图2-54(a)所示的结构当力矩传递中断以后，制动锥有自动再工作的可能。而这是应避免的情况，为此，改为如图2-54(b)所示的结构。但厚管结构制造加工困难，应改为如图2-54(c)所示的两管焊接结构，同时在侧向制动栓导轨上用简化板式弹簧代替螺栓弹簧。图2-54(c)中的弹簧预紧螺栓3要单独加工。按照优先采用标准准则，此螺栓应以标准的内六角螺栓代替，如图2-54(d)所示。最后，为方便操作，将板片弹簧下端卷边，如图2-54(e)所示。

图2-528种基本过载保护装置结构方案

图2-53变元所得的8种过载保护装置结构方案

图2-54变元所得的8种过载保护装置结构方案