机械设计基础作业

《机械设计基础》

作业：

P9 1-1机械，机器，机构，构件和零件之间的关系是什么？他们有什么区别？

答：从结构和运动的观点来看，机构和机器并无本质区别，因此，常用“机械”一词作为它的总称。

机器的特征：1它们都是一种认为的实物的组合

2组成它们的各部分之间是有确定的相对运动

3能够完成有用的机械功或转换机械能

机构具有机器的前2个特征

我们将组成机构的这些运动机件称为机构

零件是加工的最小单元，任何机器都是由许多个零件组成的

P9 1-2机械设计的基本要求是什么？

答：1使用要求

2可靠性和安全性要求

3其他特殊要求

P9 1-3机器的组成包含了哪几个部分？试分析汽车和车床的组成？

答：一般的机器结构组成包括了，原动机，传动系统和工作机构这3个基本部分。 一般常用汽车基本结构都是有四部分组成的：发动机，地盘，车身和电器设备部分。 普通车床主要组成部件有：

主轴箱，交换齿轮箱，进给箱，溜板箱，刀架，尾架，光杠，丝杠，床身，床脚和2冷却装置。

P9 1-4常规设计方法和现代设计方法有什么区别？

1

P9 1-5试着、列举出采用创新设计方法创造出的新产品，新技术的事列。

数字化企业网（关于创新）

基于TRIZ理论的产品的创新设计

发表时间：2009-6-28 作者: 张简一 郭艳玲 杨树财 王义文 关键字: 创新设计 TRIZ理论 系统 技术矛盾 自行车

源自前苏联的TRIZ理论是解决创新问题的理论。文中对TRIZ理论进行了阐述，对TRIZ理论在产品创新设计过程中的应用进行了探讨。应用该理论可快速有效地找到问题的解决方案，并以自行车的创新设计为例说明了TRIZ理论的应用方法和程序。

1946年前苏联以G·S·Altshuller为首的专家对数以百万计的发明专利进行研究。经过50多年的搜集整理、归纳提炼，发现技术系统的开发创新是有规律可循的，并在此基础上建立了一整套体系化、实用的解决发明创造问题的方法，这就是TRIZ理论。TRIZ是俄文(Theofia Resheneyva Isobretatelskehuh Zadach)的缩写，意为解决创新问题的理论

(Theory of Innovative Problem Solving，TIPS)。这是一套能创造出系统性的创新与改善设计者思考过程的方法论。

就新产品的开发设计而言，TRIZ为其指出了发展方向和解决问题的思路和方法。在产品创新设计中应用TRIZ理论可以更好地解决问题。

1 TRIZ理论中的系统进化法则为新产品的发展提出了方向

在TRIZ理论中，以系统的观点为新产品的发展指出了方向。TRIZ理论认为任何一个产品或者客观事务都可以看作一个系统，而任何一个系统都是按照一定的客观规律进化的，这并不取决于某一个人，新产品的产生是一种看似偶然的必然。因此，这个客观规律就是可以被发现、认知和利用的。

任何一个产品都可以看作是以履行功能为目的的系统。系统的主要部分包括执行装置、传动装置、动力装置和控制装置等子系统，而子系统也应该是完备的。这是产品系统完备性法则(如图1所示)，它为新产品的研发提出了明确的设计任务。而新的产品则是建立在执行功能基础上的一个结构完整的系统。

图1. 产品的完备性法则

对产品系统进一步分析发现，任何系统都不是孤立存在的，每个系统都向上纳入更大的系统中，例如产品所赖以存在的环境。而任何一个系统的内部都不是单纯的，都有一个较为

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复杂的内部环境。这样，一个产品的系统有了它的超系统和子系统。而再对系统更加详尽地进行分析，了解产品自身系统客观发展规律，就可在从“今天”到“明天”的发展中预测其未来质变。这样，产品系统的“九屏图”就产生了(如图2所示)。

图2. 产品系统进化的九屏图

就产品设计而言，“九屏图”为设计师指出了产品的发展方向。为未来的产品开发提供了理论指导。从“九屏图”上可以清晰地看到产品的发展脉络，任何一个产品都不断地由低级向高级进化。例如，以前记录时用速记员，后来用录音设备，现在用录音笔，以后会有更新的产品来完成这一任务。

2 TRIZ理论中的矛盾解决原理为新产品设计提供了思路

在TRIZ理论中，发现和消除矛盾是产品进化和发展的主导力量。进而又把矛盾分为管理矛盾、技术矛盾和物理矛盾3个类型。而找到矛盾、准确地定义矛盾是解决问题的关键。针式打印机有以前打印机不能比拟的优势，但是为了提高打印清晰度，要求增加打印指针的数量，并且要求指针更细一些。但指针过细易折断和会穿破纸。在不减小打印指针直径的情况下，增加打印密度，这是一个矛盾。解决它用了一个折衷的办法，一行打两次。但又出现了新矛盾：在提高打印质量的同时不能提高打印速度。这个新矛盾在TRIZ理论中用了“机械系统替代法”和“压力法”得到了解决，即出现了喷墨式打印机。但新型的打印机又出现了新的问题，墨水的质量要求很高，要求墨水不能堵塞喷嘴——不易凝固，但在纸上又必须得快速风干。所以新的矛盾是：在提高打印质量的同时不能增加墨水的成本。新的矛盾仍然用了“机械系统替代法解决”。出现了激光打印机。由此可以看到TRIZ理解决问题的技术路线，如图3所示。

从工业设计的角度讲，新产品的产生是为了满足人们生活和工作中的需求。而从人的角度提出需求，恰恰是建立在“物”场上需要解决的问题。即找到现有的“物”中存在着的问题，通过对这个问题的准确定义和解决问题的矛盾来发明或发现新的产品，进而解决人们的需求，提高人们的生活质量。也就是利用TRIZ理论，在旧的产品上找到需要解决的问题，并且准确地描述和定义这个问题中的矛盾，从而利用TRIZ的矛盾解决方法消除矛盾，从根本上解决问题，进而产生新产品。

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图3. TRIZ解决问题技术路线

3 TRIZ理论中的技术矛盾解决方法索引表为新产品设计提供了可实现的路径

TRIZ理论不仅能找到解决问题的路径，而且为解决问题找到了通行的方法，为新产品设计提供了可实现的工具和路径。

TRIZ理论把问题描述成矛盾后，通过消除矛盾来解决问题。显而易见，矛盾的双方面是对立存在的。例如：用老的针式打印机打印图片，要提高打印质量，就必须提高打印密度，于是在不改变打印指针大小的情况下，变成每行打印两次，每次窜半格，也就是每半行打印一次。但打印次数的增加势必会降低打印速度。表面上看，这是一个矛盾，在质量和速度上只能选择一种。这符合哲学上对矛盾的定义，即矛盾的互相排斥、互相对立的属性。TRIZ理论解决问题的根本就是消除矛盾，矛盾的消失意味着问题的解决。

TRIZ理论的发明者AltshuLler教授通过研究，总结出39个系统矛盾对立的技术参数，并且提炼出了解决矛盾的40个标准方法，进而由39个矛盾对立的技术参数和40个标准解组成了矛盾矩阵。利用TRIZ矛盾矩阵表，首先，将特定的问题准确地描述后，应用39个技术参数，使其变为一般性质的问题；继而，从表中的40个解中找到解决问题的一般方法；最后，结合实际工程情况，形成特定的解决方法(如图4所示)[1]。在此说明一点是，前面提及了TRIZ理论把问题矛盾概括为：管理矛盾、技术矛盾和物理矛盾3个类型，在使用技术矛盾矩阵表之前需将管理矛盾转化成技术矛盾后再进行应用。

图4. TRIZ技术矛盾的解决过程

如有任何看法或投稿请联系 MSN：[email protected]；QQ：85557991分页 4 TRIZ理论在自行车创新设计中的应用

自19世纪初人们发明了自行车以来，自行车经历了多次改进[2]。最早的自行车没有中轴和脚蹬，为了提高速度先增加了车蹬，又增加了充气轮胎。后来，又从变速装置、材质、结构形式、动力驱动系统等方面进行了改进，形成现在自行车多样性。其中，每一次改进都是利用技术的发展解决了自行车自身系统中产生的矛盾。

现在虽然汽车时代已来临，但并不表明自行车会退出社会的舞台。随着人们生活节奏的加快，各种各样的需求也越来越多。经过调研发现，出门在外的旅行者及居址距离公交车站有一定距离的上班族，都会遇到相似的问题——在一段距离上存在着交通覆盖的空白。那么就需要这样一种自行车：它体积小且轻便，便于携带与收藏，可以方便人们携带乘坐其他交通工具。以至于发展到自行车可以成为人们随身携带的物品，以解决自行车作为一种个体的交通工具与公共交通之间的互补性及延续性[3]。

这是一个典型的管理矛盾。要解决这一管理矛盾，首先要将它转化成技术矛盾，并且要准确地定义这个技术矛盾，即在减小自行车体积的同时不改变它使用时的基本形态，保证它的强度、稳定性和使用可靠性。那么，需要改善的技术参数为自行车的静态体积，

因这一改

4

变而恶化的技术参数为自行车的形状和结构的稳定性、强度、可靠性这4个参数。查阅TRIZ矛盾矩阵表得到表1。

表1. 自行车创新设计解决方案矩阵表

从表1中看到，解决这个问题可以从2，7，14，15，16，17，28，35，40号解决方案中找到方案。查阅TRIZ理论解决矛盾的40个标准方法，得到：

2．抽出：①从物体中抽出产生紊乱的部分或属性；②从物体中抽出必要的部分或属性。

7．套叠法：把一物体嵌入另一物体，然后再嵌入另一物体中。

14．曲线、曲面化法：①将直线、平面变成弯曲的形状，将立方体变成椭圆体；②使用滚筒、球状、螺旋状；③改直线运动为回转运动，使用离心力。

15．动态法：①自动调节物体，使其在各动作阶段的性能最佳；②将物体分割成既可变位又可相互配合的数个构成要素；③使不动的物体可动或相互交换。

16．部分超越法：所期望的效果难以100％实现时，在可以实现的程度上加大动作幅度，使问题简化。

17．多维法：①将做一维直线运动的物体变成二维平面运动；②单层构造的物体变为多层构造；③将物体倾斜或侧向放置。

28．机械系统的替代法：①用光学系统、听觉系统、嗅觉系统取代机械系统；②使用与物体相互作用的电场、磁场、电磁场；③场的取代：④可变场与恒定场相取代，⑥固定场与随时间变化的可动场相取代，@随机场与恒定场相取代；③把场与强磁粒子组合使用。

34．自生自弃法：①当作用完成后，物体本身不再有用时，物体中的一部分自动消失或在操作过程中自动调整；②物体中用过的零件应在工作过程中莺新发挥作用。

35．性能转化法：改变物体的凝聚状态、密度分布、可挠度、湿度等。

40．复合材料法：用复合材料替代单一材料。

以上这些方法是解决静止物体体积的一般性解决方法。但作为自行车在普遍性的基础上，又有其特殊性。根据TRIZ理论中的系统完备性法则对自行车系统进行全面的认识，在这个系统中包含了动力装置、传动装置、执行装置和控制装置：

动力装置——脚蹬，把人的生物能转化为机械能；

传动装置——链条、轴承、齿轮，传递机械能；

执行装置——车轮，滚动使车行驶；

控制装置——车把、脚蹬和车闸，控制方向和速度。

进而，又将自行车的系统分为子系统进行考察和研究，对得到的9个标准解决方法进行评价和筛选。再根据产品创新设计中经济、美观、实用的原则，利用第7，15，17，40号解决方案，参考市场调研的结果，进行具体方案的设计与开发。对车把、脚蹬、车轮等部分进行折叠处理，车梁和车座进行套叠设计，改变使用的材料等，最终形成新的设计方案，如图5所示。

5

图5. 箱式折叠自行车设计效果图

该设计获得了第10届全球自行车设计比赛优秀设计奖。自行车展开时可以正常使用，不用时能折叠成可以拉或提的箱子，随身携带或放置均可。解决了人们生活中的实际需要。 5 结论

TRIZ理论将创新思想进行了科学化的整理与提炼，是产品创新设计的有效开发工具。利用TRIZ理论可以大大缩短新产品设计开发的时间，全面地解决矛盾和问题。但并不意味着有了TRIZ理论就有了一把万能的钥匙。应用TRIZ理论时，应根据具体的问题进行具体研究和分析，在TRIZ理论给出的一般解的基础上，利用特定的知识和经验去发掘需要的解决方案[4]。

参考文献

[1] 张卫国，张国全，何海．等．运用TRIZ理论解决复杂机电产品的创新设计问题[J]．机械设计与研究，2005(6)：15-18．

[2] 梁桂明，洁晶，梁锋．创造学与新产品开发思路及实例[M]．北京：机械工业出版社，2005．

[3] 张简一，张莉．以自行车为例看产品的创新设计[J]．哈尔滨理工大学学报，2007(3)：144-147．

[4] 牛占文，徐燕申，林岳，等．发明创造的科学方法论——TRIZ[J]．中国机械工程，1999(1)：84-89.

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P9 1-6机械标准化在机械设计中有何重要意义？

答：机械零部件的标注化，就是对零件的尺寸，结构要素，材料性能，检验方法，设计方法和制图要求等制定出各种大家共同遵守的标准。实行标准化，能以最先进的技术在专门幻弓场中对应用面极广，数量2巨大的已标准化零件进行大量的，集中的制造，以提高质量，降低成本：采用标准解构和标准件，可以简化设计工作，缩短设计周期，起稿设计质量：此外，实行标准化还同意了材料和零件的性能指标，士气能够进行比较，并提高了零件的可靠性。

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P22 2-1平面高副和平面低副有何区别？在机构中为何广泛用到的是低副？

答：低副2构建通过面接触组成的运动副称为低副。

高副2构建通过点或线接触组成的运动副称为高副。 低副，面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，制造方便，且两构件之间一般为几何封闭，保证工作的可靠性；但一般只能近似实现给定的运动规律，而且设计较为复杂。 点线接触的高副主要用于精密机械或测试仪器中；但压强打易磨损。

P22 2-2何谓机构自由度？计算自由度时应注意哪些问题？

答：机构具有独立运动的数目称为机构的自由度。

（1） 复合铰链，转动副数目应是m-1个。

（2） 局部自由度，自由度除去不计。

（3） 虚约束，去掉不计。

（4）

P22 2-3机构具有确定运动条件是什么？

答：一个机构的原动件数应等于机构放入自由度数（自由度数最少应等于1）这个条件称之为机构具有确定运动条件。

P22 2-4机构上的虚约束是否真的无用？

答：平面机构中虚约束的存在，给制造加工和机构运动分析带来了诸多不便。

虚约束虽然对机构的运动不起约束作用，但设置虚约束对于构件的强度和刚度的提高，以及保证机构运动的顺利进行等是有利的。

P22 2-5何谓运动链？

答：2个以上的构件通过运动副链接而构成的系统称为运动链。

P22 2-9绘制2-23所示机构运动简图，并计算自由度。

答：

A）

n=5 pL=7 PH=0

F=3n-2pL-PH=3x5-2x7-0=1

机构自由度为1

7

C）

n=2 pL=2 PH=1

F=3n-2pL-PH=3x2-2x2-1=1

机构自由度为1

D）

n=5 pL=7 PH=0

F=3n-2pL-PH=3x5-2x7-0=1

机构自由度为1

P51 3-1机械设计中常用的材料有哪些？材料的选用原则是什么？

答：p26目前用于制造机械零件的材料有金属材料，高分子材料，陶瓷材料和符合材料其中以金属材料使用最为广泛。

P28 1）满足机械零件的使用要求。

2）满足工艺性的要求

3）满足经济性要求

P51 3-2简述正火，调质和表面淬火的不同之处，以及采用这些处理方法的目的。

答：p27 正火：将工件至于空气中冷却的，冷却速度较快，获得的结晶组织较细，强度和硬度也较高。

调制：中碳钢的淬火加高温回火（500~600）c。

表面淬火：采用快速加热的方法使零件表面奥氏体化，然后快速冷却获得表面淬火组织的一种热处理工艺。

正火目的：正火工艺的生产率较高，成本低，经正火处理的工件，其力学性能也较高。 调制目的：广泛用于处理各种重要的零件结构零件。如在变载荷工作下工作连杆，螺栓齿轮等零件。

表面淬火目的：常用于表面要求高硬度以提高耐磨性，而信不要求高韧性以提高其抗冲击能力的零件。

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P51 3-3什么是零件的承载能力？机械零件的常用计算准则有哪些？

答：p28 一定工作条件下不发生失效的安全工作限度。

1强度准则

2刚度准则

3耐磨性准则

4震动稳定性准则

P51 3-10润滑油的粘度有几种表示方法？这几种粘度有什么样的关系？各应用于什么样的场合？

答：p39粘度的表示方法有3种，，动力粘度，运动粘度，和相对粘度，

动力粘度μ，运动粘度ν=μ/ρ，相对粘度，常用0E（恩氏粘度）来表示。

0E=t 相对粘度和运动粘度关系：ν=（7.13E-2t106.13E）x10（−6mss）

动力粘度：常用来进行机械设计和科学研究中的计算

运动粘度：常用于工业润滑油的粘度分类及相应的运动粘度

相对粘度：大多数工程实际的使用

P51 3-15在图3-37中，堆一些零件的结构工艺性做了改进前后的对比，试指出改进前各存在什么缺点？

答：1改变零件的手里位置，使零件受力更佳

2改变零件的形状，特别是改变零件的工作表面形状。延长工件使用寿命。

3改变焊接位置，使工件更佳牢靠

4增加加强筋是工件更佳稳固。

5避免双重配合的结构

P71 4-1铰链四杆机构各杆的尺寸满足曲柄存在条件时可能获得哪些形式的机构？如何得到？若不满足曲柄存在的条件时，可得到哪种形式的机构？

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P71 4-2对具有急回运动特性的平面四杆机构，当改变其曲柄的回转方向时，其急回特性有无改变？

ωRψ/t2k== W1

k值大小反应了急回运动的急回程度，k越大，急回越明显。所以急回特性无改变，

P71 4-9试根据图4-45注明的尺寸判断各铰链四杆机构的类型。

A）

B）

C）

D）

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P73 4-16设计加热炉炉门的启闭机构（图4-50）。已知炉门上2活动铰链B，C中心距为50cm。要求炉门打开后成水平位置，其

且热面朝下（如双点划线所示）。如果我规定铰链A,D安装在炉体的y-y竖直线上，其相关尺寸如图所示。用图解法求此铰链四杆机构其余3干的尺寸。

P73 4-17设计一铰链四杆机构（图4-51）。已知机架长度l1=50mm，要求2连杆架的对应位置分别为φ1=600，ψ1=300，φ2=900，ψ2=500，φ3=1200，ψ3=800.试用解析法求出其余各杆的长度。

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