机械设计基础第16章

第16章机械创新设计简介创新是技术和经济发展的原动力，是国民经济发展的重要因素。当今世界各国之间在政治、经济、军事和科学技术方面的激烈竞争，其实质就是人才的竞争，而人才竞争的关键是人才创造力的竞争。本章围绕机械设计中常用的创新技法、机构创新设计和结构方案的创新设计，简要地介绍创新设计原理。16.1常用的创新技法创新技法是解决创新设计问题的创意艺术，是人们对创造性思维和创造原理进行具体化运用的技巧。16.1.1群体集智法1.智力激励法智力激励法是美国人奥斯本（Osborn）于1938年提出的最早的创新方法，又称头脑风暴法、智暴法、激智法等。它是通过多人集体讨论或书面交流，相互启迪，激发灵感，从而引起创造性思维的连锁反应，以形成综合创新思路的一种方法。它是通过召开智力激励会来实施的，在会上遵循自由奔放原则、延迟批判原则、以量求质原则、综合改善原则。2.书面集智法书面集智法又称635法，由德国人鲁尔巴赫提出，其做法是召集6人参加会议，宣布任务后，要求每人针对议题在卡片上写出3种设想方案，时间是5分钟，然后将卡片传递给下一个邻座；每人借助前者所提方案的启发再在卡片上写出3种设想方案，时间也是5分种，然后再将卡片传给下一个邻座。如此循环，半小时之内完成5次传递，即6人中每人所提的最初方案均经其他5人作出了修改、合成和发展，共得到108种方案，635法由此而得名。3.函询集智法函询集智法又称德尔菲法，由美国兰德公司提出，其基本原理是借助信息反馈，反复征求专家的书面意见来获得新的创意，其基本做法是选择若干专家作为函询调查的对象，针对要解决的课题编写“意见征询表”寄给他们，限期填好寄回。收到全部复函后，将所得设想或建议加以概括、整理，然后把综合意见表再以征询表的形式寄给专家们，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。视情况需要，经过数轮函询，就可得到许多有价值的新设想。16.1.2系统分析法1.设问探求法这是用系统提问的方式打破传统思维的束缚，以拓展设计思路、提高创新能力的一种方法。设问探求法主要有“5W2H法”和“奥斯本设问法”两种。2.列举分析法列举分析法是通过详细列举待设计、改进产品的各种特性，在全面分析的基础上找出更多设计方案的创新方法，常见的有特性列举法、缺点列举法和希望点列举法。3.形态分析法形态分析法是一种系统搜索和程式化求解的创新技法，是综合运用发散思维和收敛思维，对创造对象进行因素分解和形态综合的过程。创造过程中，将创造课题分解为若干相互独立的基本因素（事物的特征因子），找出实现每个因素要求的所有可能的形态（实现功能的技术手段），然后加以系统综合而得到多种可行方案，经筛选可获得最佳方案。16.1.3联想创新法联想是由一事物想到另一事物的心理活动或思维方式。联想思维由此及彼、由表及里，形象生动，无穷无尽。利用联想思维进行创造的方法称为联想创新法。联想创新法的主要类型如下。（1）相似联想（2）接近联想（3）对比联想（4）强制联想16.2机构创新设计16.2.1根据组合原理创新组合机构的类型很多,每种组合机构具有各自特有的组合、尺寸综合及分析设计方法。组合机构结构、设计计算都比较复杂。随着计算机和现代设计方法的发展，极大地推动了组合机构的研究发展，目前在许多场合上得到了广泛应用。16.2.2根据机构的演化与变异原理创新1.运动副的演化与变异改变机构中运动副的形式，可以构造出不同运动性能的机构。运动副的变换方式有很多种，常用的有高副和低副之间的变换、运动副尺寸的变换和运动副类型的变换。图16.1所示为运动副尺寸变化和类型变换的例子。2.机构的倒置机构的运动构件与机架的转换，称为机构的倒置。按照运动相对性原理，机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同特性的机构。图16.2为机构倒置的例子。16.3结构方案的创新设计机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，决定满足功能要求的机械结构，所确定的结构除应能够实现原理方案所规定的动作要求外，还应能满足设计对结构的强度、刚度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面的要求。16.3.1结构方案的变异设计1.连接的变异连接作用是通过零件的工作表面与其他零件的相应表面接触来实现的，不同形式的连接由于相接触的工作表面的形状不同，表面间所施加的紧固力也不同，从而对零件的自由度形成不同的约束。2.功能面的变异零件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中与其他零部件相接触的表面，与工作介质或被加工物体相接触的表面称为功能表面。3.支承的变异轴系的支承结构是一类典型结构，轴系的工作性能与它的支承设计状况和质量密切相关。旋转轴至少需要两个相距一定距离的支点支承，支承的变异设计包括支点位置的变异和支点轴承的种类及其组合的变异。4.材料的变异机械设计中可以选择的材料种类很多，不同的材料具有不同的性能，不同的材料对应于不同的加工工艺，结构设计中既要根据功能的要求合理地选择材料，又要根据材料的种类确定相应的加工工艺，并根据加工工艺的要求来确定恰当的结构，只有通过适当的结构设计，才能充分地发挥所选择材料的优势。16.3.2提高性能的设计机械产品的性能不但与原理设计有关，结构设计的质量也直接影响产品的性能，甚至影响产品功能的实现。在图16.3（a）中，过盈配合连接结构在轮毂端部应力集中严重，图（b）、（c）、（d）的结构通过降低轴或毂相应部位的局部位置的刚度使应力集中有所降低。