第三章 第三章 机械系统方案与创新设计 机械系统方案与创新设计

第三章 第三章 机械系统方案与创新设计 机械系统方案与创新设计

第一节 概述

第二节 功能综合

第三节 原理综合

第四节 构型综合

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第一节 概述

一、机械系统的概念

1.机械系统的组成

动力部分

控制部分

传动部分 执行部分

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2.机械系统的相关性

系统

分系统1 分系统2

子系统1 子系统2 子系统3 超系统

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3. 机械系统的进化性

TRIZ理论的创始人Altshuller

时间

功能潜力

¾ ¾ 进化法则 进化法则

法则 法则 1: 完备性法则 1: 完备性法则

有助于确定创新方法，并节约资源 有助于确定创新方法，并节约资源

法则 法则 2: 2: 能量传递法则 能量传递法则

必须保证能量能流向系统中所有元件；并向使能量流 必须保证能量能流向系统中所有元件；并向使能量流

动路径缩短的方向发展。

动路径缩短的方向发展。

有助于减少系统中的能量损失保证最大效率 有助于减少系统中的能量损失保证最大效率

例：用刀片旋转运动代替刀的垂直运动，减少能 例：用刀片旋转运动代替刀的垂直运动，减少能

量损失，提高效率

量损失，提高效率

—— ——

绞肉机绞肉机

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法则 法则 3 3 : : 动态性进化法则 动态性进化法则

提高柔性提高柔性

刚体刚体——单铰链——单铰链——多铰链——多铰链——柔性体——柔性体——液（气）体——液（气）体——场——场 例：扇子例：扇子——折扇——折扇——电风扇——电风扇——空调——空调

提高可移动性 提高可移动性

例：四腿椅

例：四腿椅——转椅——转椅——滚轮椅——滚轮椅

提高可控性

提高可控性 _{直接控制直接控制}——间接控制（利用中介物）_——间接控制（利用中介物）——引入反馈控制——引入反馈控制——自——自 我控制（智能控制）

我控制（智能控制）

例：数控机床的进化：

例：数控机床的进化：NC——NC——CNC——CNC——DNCDNC————FMS FMS ————CIMSCIMS 例：照相机的进化：手动调焦

例：照相机的进化：手动调焦——按钮调焦——按钮调焦——感应光圈调焦——感应光圈调焦——自动调焦——自动调焦

法则 法则 4: 4: 提高理想度法则 提高理想度法则

系统的质量、尺寸、能量消耗

系统的质量、尺寸、能量消耗 ₀₀ 实现的功能数量

实现的功能数量

例：手机：

例：手机：1973年第一部手机，重1973年第一部手机，重800克，功能：通话800克，功能：通话 现代手机：重仅数十克，功能超过

现代手机：重仅数十克，功能超过100种100种

法则 法则 5: 5: 子系统不均衡进化法则 子系统不均衡进化法则

有助于及时发现并改进不理想的子系统 有助于及时发现并改进不理想的子系统

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法则 法则 6: 6: 向超系统进化法则 向超系统进化法则

单系统单系统

——双系统 ——

双系统

——多系统 ——

多系统

当进化到极限时，某子系统会从系统中剥离，转至超 当进化到极限时，某子系统会从系统中剥离，转至超

系统，简化了原系统 系统，简化了原系统

例：空中加油机：长距离飞行时，燃油箱是飞机的一个子系统，进化 例：空中加油机：长距离飞行时，燃油箱是飞机的一个子系统，进化 至空中加油机

至空中加油机

法则 法则 7: 7: 向微观级进化法则 向微观级进化法则

例：电子管

例：电子管——晶体管——晶体管——集成电路——集成电路

换页

法则 法则 8: 8: 协调性法则 协调性法则

结构协调结构协调

例：积木由摞、搭进化成拼插结构 例：积木由摞、搭进化成拼插结构

性能参数协调 性能参数协调

例：网球拍重量与力量的协调

例：网球拍重量与力量的协调——降低整体重量的同时，增加球拍——降低整体重量的同时，增加球拍 头部的重量

头部的重量

节奏节奏

/频率协调 /

频率协调

例：混凝土浇注中，一面灌土一面振荡 例：混凝土浇注中，一面灌土一面振荡

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二、机械系统设计的内容

1. 产品规划阶段 ：

市场需求调研与预测 ；信息的研 究与分析 ；论证产品开发的必要性，可行性 ；确定产 品的功能目标

2．方案设计阶段：

功能综合；原理综合；构型综合

3．技术设计阶段 ： 4．施工设计阶段：

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任务

功能综合 ^功能分析_功能分解

功能分类

原理综合

创新技法 形态矩阵 冲突矩阵 解法目录 资源利用

确定方案 ^方案评价 构形综合 ^机构构形_结构构形

三

方

案

设

计

的

创

新

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第二节 功能综合

从功能角度，对系统进行分析、分 从功能角度，对系统进行分析、分 解、分类，进行适当裁减，实现设 解、分类，进行适当裁减，实现设 计的突破 计的突破

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一、功能分析：对系统输入输出的描述（黑箱法）

技 术 系 统 机 器 设 备 仪 器

输入接口 输出接口

能量

物料

能量

信号

物料

信号

约束约束

对外影响对外影响

净 衣 系 统

电 能 接 通

净衣物

脏 衣 物 水

污物

切断 水洗水洗

低噪音低噪音

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二、功能分类

1. 按机械系统的组成进行功能分类

（1）驱动功能驱动功能:为系统提供能量或动力，它接受测控部分发出的指令，: 执行驱动部分工作。其功能载体为各种类型原动机。如电动机、内燃机 等

（2）传动功能传动功能:传递驱动和执行部分之间的运动和动力。包括运动形式、: 性质、方向、大小的变换。其功能载体可以是机械式、液压气动式、电 磁式等。

（3）执行功能:实现和完成产品的最终功能。简单系统可用简单的构件执行功能 实现特定的动作；复杂的系统有多个执行功能，各动作需要协调与配合。

（4）控制功能：包括检测、传感与控制。它把系统工作过程中各种参数控制功能 和工作状况检测出来，变换成可测定和可控制的物理量，传送到信息处 理部分，并发出对各部分的工作指令和控制信号。

2．按三要素变换的物理作用进行分类

（1）转变转变

- -

复原：凡是引起能量、物料、或信号特性发生变复原 化的活动都应称为转变或复原。具有类型的特征。

（2）放大放大

- -

缩小：一切使物理量放大或缩小的活动都称为放缩小 大或缩小。具有大小的特征。

（3）混合混合

- -

分离：凡是根据不同的物理特性参量（密度、分离 原子量、波长、频率、几何形状等）使两个或几个混合在 一起的流分离开，或者使已经分开的流混合在一起的活动 都应称为分离-混合。或者使能量和物料、能量和信号、物 料和信号混合和分离的过程也称为混合-分离。具有数量的

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（4）接合接合

- -

分开：用来把体现能量的物理量如功率、力、位分开 移等合成（相加），或者分解成几个分量的过程；以及用来 产生或取消相同或不同物料间结合力的活动都可归纳为接 合-分开。具有位置的特征。

（5）存贮存贮

- -

取出：能量、物料、信号可以存放起来，或从存取出 贮器中取出来的活动称为存贮-取出。具有数量、位置、时间 的特征。

（6）传导传导

- -

中断：指能量、物料、信号通过电流、光纤、中断 管道、机构等进行传输或断开的活动。具有位置与时间的

特征。 换页

3．机构能实现的基本功能

（1）变换运动的形式变换运动的形式 转动，单双向移动，单双向摆动，间歇运动等

（2）变换运动的速度变换运动的速度 减速，增速，变速，调速等

（3）变换运动的方向变换运动的方向 两轴线平行、相交、空间任意方向运动的变换

（4）运动的合成与分解运动的合成与分解 两个自由度的机构，以及各种差速机构

（5）操纵与控制操纵与控制 主要指各种离合装置，操纵装置

（6）实现运动轨迹实现运动轨迹 机构中的浮动构件可实现各种轨迹要求

（7）实现运动位置实现运动位置 例两个连架杆对应位置，连杆导引位置

（8）实现特殊功能实现特殊功能 例增力，增程，微动，急回，夹紧，定位，自锁

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三、功能分解

F1

F12 F11

F121 F122

F1 F2 F3

串联结构 树状结构

F1

F2

F11 F1

F2

F11

并联结构 环状结构

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¾ 自动包装机功能结构图

包装机

包装纸 化妆品 电能 信号

袋装化妆品 数量信号

黑黑 箱箱

包装纸 走纸 热封

化妆品 输送 定量 电

能

拉 袋

剪 袋 并 输送

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¾ ¾ 齿轮减速其结构功能图 齿轮减速其结构功能图

齿 轮 减 速 器

输入 传动 支撑 联接 输出

齿轮润滑 箱体 轴 轴承 端盖密封

联轴器 联轴器

键

销钉

螺钉

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第三节 原理综合

一、技术冲突解决原理（TRIZ理论）

TRIZ 理论认为发明问题的核心是解决冲突。设计人员在设 计过程中不断发现冲突，并利用相应的发明原理解决这些 冲突，使产品向理想化方向进化。

1．设计中的技术冲突

TRIZ理论研究人员通过对世界上250万项专利的详细研究 提出了39个通用工程参数来描述的技术冲突问题。这些工 程参数见表

序号

序号 通用工程参数通用工程参数 序号序号 通用工程参数通用工程参数 序号序号 通用工程参数通用工程参数

11 运动物体的重量运动物体的重量 1414 强度强度 2727 可靠性可靠性 22 静止物体的重量静止物体的重量 1515 运动物体作用时间运动物体作用时间 2828 测试精度测试精度 33 运动物体的长度运动物体的长度 1616 静止物体作用时间静止物体作用时间 2929 制造精度制造精度

44 静止物体的长度静止物体的长度 1717 温度温度 3030 物体外部有害因素物体外部有害因素 作用的敏感性 作用的敏感性 55 运动物体的面积运动物体的面积 1818 光照度光照度 3131 物体产生的有害因物体产生的有害因

素素 6

6 静止物体的面积静止物体的面积 1919 运动物体的能量运动物体的能量 3232 可制造性可制造性 77 运动物体的体积运动物体的体积 2020 静止物体的能量静止物体的能量 3333 可操作性可操作性 8

8 静止物体的体积静止物体的体积 2121 功率功率 3434 可维护性可维护性 99 速度速度 2222 能量损失能量损失 3535 适用性及多用性适用性及多用性 1010 力力 2323 物质损失物质损失 3636 装置的复杂性装置的复杂性

1111 应力与压力应力与压力 2424 信息损失信息损失 3737 监控与测试的困难监控与测试的困难 程度程度

1212 形状形状 2525 时间损失时间损失 3838 自动化程度自动化程度 13 结构的稳定性结构的稳定性 26 物质或事物的数量物质或事物的数量 39 生产率生产率

2．发明原理

在对全世界专利分析研究的基础上，TRIZ

理论的研究人员在抽象层次上提出了40条

发明原理，用于指导冲突的解决和产品的

创新。这些发明原理见表

序序 号号

名称名称 序序 号号

名称名称 序号序号 名称名称 序号序号 名称名称

11 分割分割 1111 预补偿预补偿 2121 紧急行动紧急行动 3131 多孔材料多孔材料 22 提炼提炼 1212 等势性等势性 2222 变有害为变有害为

有益有益

3232 改变颜色改变颜色 33 改变局部改变局部 1313 反向反向 2323 反馈反馈 3333 同质性同质性 44 不对称不对称 1414 曲面化曲面化 2424 中介物中介物 3434 抛弃与修抛弃与修

复复 55 合并合并 1515 动态化动态化 2525 自服务自服务 3535 参数变化参数变化 66 多用性多用性 1616 未达到或超未达到或超

过的作用过的作用

2626 复制复制 3636 状态变化状态变化

77 套装套装 1717 维数的变化维数的变化 2727 廉价替代廉价替代 品品

3737 热膨胀热膨胀 88 质量补偿质量补偿 1818 振动振动 2828 机械系统机械系统

的替代的替代

3838 加速强氧加速强氧 化化 99 预加反作用预加反作用 1919 周期性作用周期性作用 2929 气动与液气动与液

压结构压结构

3939 惰性环境惰性环境

1010 预操作预操作 2020 有效作用的有效作用的 连续性连续性

3030 柔性壳体柔性壳体 或薄膜或薄膜

4040 复合材料复合材料

分割分割

1 1

将一个物体组成相互独立的部分将一个物体组成相互独立的部分

将一个物体组成容易组装或拆卸的部分 将一个物体组成容易组装或拆卸的部分 例挖掘机铲头

例挖掘机铲头 活字印刷活字印刷

提炼提炼

2 2

从物体中抽出一部分单独存在 从物体中抽出一部分单独存在

实例实例 炼油中生成沥青炼油中生成沥青

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改变局部改变局部

3 3

让物体各部分具有各自的功能，或让物体各部分具有各自的功能，或 各部分处于动作最佳状态

各部分处于动作最佳状态 例例

: :

锯齿锯齿

不对称不对称

4 4

将对称物体变为不对称，或将已经将对称物体变为不对称，或将已经 不对称物体增强其不对称程度

不对称物体增强其不对称程度 将将O形密封圈改成椭圆形以增强其密

O

形密封圈改成椭圆形以增强其密 实例 封性

实例 封性

换页

合并合并

5 5

在空间上将相近的两个物体或操作合并；或在在空间上将相近的两个物体或操作合并；或在 时间上将操作连续化或合并

时间上将操作连续化或合并

实例实例 多个电子芯片集中装在一个电路板上多个电子芯片集中装在一个电路板上

多用性多用性

6 6

功能的组合功能的组合

套装套装

7 7

物体的相互嵌套 物体的相互嵌套

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质量补偿质量补偿

8 8

通过物体间或物体与环境间的质量差通过物体间或物体与环境间的质量差 异及相互作用进行质量补偿

异及相互作用进行质量补偿

机械创新设计 机械创新设计

大赛大赛 实例实例 用氢气球悬挂广告条幅用氢气球悬挂广告条幅

预加反作用 预加反作用

9 9

预先施加反作用以消除不利影响 预先施加反作用以消除不利影响 实例实例 浇混凝土之前预压缩钢筋浇混凝土之前预压缩钢筋

换页

预操作预操作

10 10

预制必要的动作、技能 预制必要的动作、技能 实例实例 不干胶，带齿孔的邮票不干胶，带齿孔的邮票

预补偿预补偿

11 11

采用事先准备好的应急措施，补偿相对采用事先准备好的应急措施，补偿相对 较低的可靠性

较低的可靠性

实例实例 汽车的安全气囊，降落伞汽车的安全气囊，降落伞

等势性等势性

12 12

在势场内避免位置的改变而带来的不便在势场内避免位置的改变而带来的不便 方便轮椅通行的斜坡

方便轮椅通行的斜坡

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用相反的动作代替制定的动作 用相反的动作代替制定的动作 将物体或过程倒过来

将物体或过程倒过来

让物体可动部分不动，不动部分可动 反向反向

13 13

让物体可动部分不动，不动部分可动 实例实例 健身器中的跑步机健身器中的跑步机

曲面化曲面化

14 14

形状曲面化形状曲面化 采用回转运动 采用回转运动

实例实例 轴肩圆倒角可避免应力集中轴肩圆倒角可避免应力集中

换页

动态化动态化

15 15

自动调节物体，使其各动作阶段性能最佳自动调节物体，使其各动作阶段性能最佳 将物体分割成可变化又可相互配合的几部 将物体分割成可变化又可相互配合的几部 分分

使不动的物体可动或自适应 使不动的物体可动或自适应

实例实例

换页

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未达到或超 未达到或超 过的作用过的作用

16 16

所期望的效果难以圆满实现时，稍微超所期望的效果难以圆满实现时，稍微超 过或低于期望值，会使问题大大简化 过或低于期望值，会使问题大大简化 实例实例 若在容器内外壁刷漆，可将容器进入漆中，若在容器内外壁刷漆，可将容器进入漆中，

然后取出旋转甩掉多余的漆 然后取出旋转甩掉多余的漆 维数变化维数变化

17 17

实例实例 将一维变成多维

将一维变成多维 单层变成多层 单层变成多层

将物体倾倒或侧放 将物体倾倒或侧放 利用反面利用反面

换页

振动振动

18 18

使物体处于振动状态使物体处于振动状态

已振动的物体提高其振动频率 已振动的物体提高其振动频率

以压电振动、超声波振动代替机械振动 以压电振动、超声波振动代替机械振动

利用共振现象 利用共振现象

实例实例 筛分、输送设备、超声波清洗筛分、输送设备、超声波清洗

周期性作用 周期性作用

19 19

用周期性或脉动动作代替连续动作 用周期性或脉动动作代替连续动作 已是周期性，可改变其频率

已是周期性，可改变其频率

实例实例 警车用周期性鸣叫避免产生刺耳的声音、冲击钻警车用周期性鸣叫避免产生刺耳的声音、冲击钻

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有效作用的 有效作用的 连续性连续性

20 20

使各部分都能同时满载工作使各部分都能同时满载工作 消除空闲或停止间歇动作 消除空闲或停止间歇动作

实例实例 双向打印机双向打印机

紧急行动紧急行动

21 21

将危险或有害作业在高速下进行将危险或有害作业在高速下进行

实例实例 照相机的闪光灯，高速牙钻照相机的闪光灯，高速牙钻

换页

利用有害因素变成有利因素 利用有害因素变成有利因素

增大有害因素的幅度，直至有害消失 变害为利变害为利

22 22

增大有害因素的幅度，直至有害消失

森林灭火时用自点燃的逆火灭火 森林灭火时用自点燃的逆火灭火 实例实例

反馈反馈

23 23

引入反馈，或改变大小及作用引入反馈，或改变大小及作用

中介物中介物

24 24

使用中介物实现需要使用中介物实现需要

实例实例 化学反应中的催化剂化学反应中的催化剂

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自服务自服务

25 25

设备具有自补充自恢复功能 设备具有自补充自恢复功能

实例实例

挖掘机悬臂运动给铲斗 挖掘机悬臂运动给铲斗 提供空气，清洁铲斗粘 提供空气，清洁铲斗粘 土土

复制复制

26 26

用简单廉价代替复杂高价易损、不易用简单廉价代替复杂高价易损、不易 获得的，用图像代替实物

获得的，用图像代替实物

实例实例 虚拟设计、虚拟训练虚拟设计、虚拟训练 _换页

廉价替代廉价替代

27 27

用便宜的代替昂贵的用便宜的代替昂贵的

实例实例 纸杯纸杯

机械系统替 机械系统替 代代

28 28

实例实例

用视觉、听觉、味觉代替 用视觉、听觉、味觉代替 用场代替用场代替

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气液压结气液压结 构构

29 29

用流体代替固体用流体代替固体

实例实例 气垫运动鞋气垫运动鞋

柔性壳体或 柔性壳体或 薄膜薄膜

30 30

使用柔性体代替或隔离使用柔性体代替或隔离

实例实例 在蓄水池表面覆一层双极材料的薄膜减少在蓄水池表面覆一层双极材料的薄膜减少 水的蒸发、水果打蜡保鲜

水的蒸发、水果打蜡保鲜 多孔材料多孔材料

31 31

使物体变为多孔，或利用多孔结构 使物体变为多孔，或利用多孔结构 实例实例 用泡沫金属做机翼用泡沫金属做机翼 ^换页

改变颜色改变颜色

32 32

改变颜色，增加可视度改变颜色，增加可视度

实例实例 紫外线光笔辨伪钞紫外线光笔辨伪钞

同质性同质性

33 33

相近物体采用相近材料相近物体采用相近材料

实例实例 筛分垃圾的筛板材料不要采用金属的筛分垃圾的筛板材料不要采用金属的 实例实例

抛弃于修复 抛弃于修复

34 34

采用溶解、蒸发等抛弃废物采用溶解、蒸发等抛弃废物

迅速补充消耗减少部分 自动铅笔、自动铅笔、

迅速补充消耗减少部分

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参数变化参数变化

35 35

改变物体的浓度、粘度、柔度、温改变物体的浓度、粘度、柔度、温 度、体积度、体积

实例实例 硫化橡胶改变其柔性和耐用性硫化橡胶改变其柔性和耐用性 状态变化状态变化

36 36

利用物体状态变化时所产生的效应利用物体状态变化时所产生的效应

实例实例 利用相变材料吸热特性制作降温服利用相变材料吸热特性制作降温服 热膨胀热膨胀

37 37

组合使用不同热膨胀系数的材料组合使用不同热膨胀系数的材料 实例实例 热敏开关热敏开关

换页

加速氧化加速氧化

38 38

使氧化从一个级别转到另一个级别使氧化从一个级别转到另一个级别

实例实例 用强氧化剂原理提高焊接的安全性用强氧化剂原理提高焊接的安全性 惰性环境惰性环境

39 39

用惰性或真空环境代替普通环境用惰性或真空环境代替普通环境 实例实例 真空包装食品真空包装食品

复合材料复合材料

40 40

用复合材料代替均质材料用复合材料代替均质材料

换页

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3．冲突矩阵

z 39项参数描述了问题的空间，40条发 明原理则填充了问题解的空间

z 必须找出问题与解的对应关系

z TRIZ研究人员通过长时间的分析与研 究提出了冲突矩阵的概念

z 矩阵的行表示冲突恶化的的参数，矩 阵的列表示冲突改善的参数，矩阵中的 元素则为第i个恶化的参数与第j个改善 的参数构成的技术冲突的原理解

z 该解用发明原理的序号表示。其中若 i 与j相同，则该元素为空

分析待改进的产品 分析待改进的产品

发现冲突发现冲突

冲突抽象冲突抽象

发明原理发明原理

抽象解抽象解

领域解领域解

换页

对对 系系 统统 有有 害害 的的 工工 程程 参参 数数

11 22

3030

……

…… 33 44

1111

……

3939

15 .8.29.

15 .8.29.

3434

29 17 29 17 38 34 38 34

10 36 10 36 37 40 37 40

35 3 24 35 3 24 3737

10 1 29 10 1 29 3535

35 30 35 30 13 2 13 2

13 39 13 39 10 18 10 18

1 28 1 28 15 35 15 35 8 15

8 15 29 34 29 34

15 7 4 15 7 4

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

…… …… …… …… …… …… ……

…… …… …… …… …… …… …… ……

…… …… …… …… …… …… ……

1 8 35

1 8 35 14 4 14 4 28 29 28 29 35 28

35 28 40 29 40 29

17 7 10 17 7 10 4040

10 15 10 15 36 28 36 28

30 14 30 14 28 29 28 29

……

10 36 10 36 37 40 37 40

13 29 13 29 10 18 10 18

35 10 36

35 10 36 35 1 11 35 1 11 16

16

10 15 36 10 15 36 28

28

10 15 36 10 15 36 37

37

10 14 10 14 35 37 35 37

22 21 22 21 27 39 27 39

2 22 13 2 22 13 24

24

17 1 39 17 1 39 4

4

1 18

1 18 22 1 33 22 1 33 28

28

27 2 39 27 2 39 35

35

22 2 22 2 37 37

22 35 22 35 13 24 13 24

35 26 35 26 24 37 24 37

……

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问题：波音737飞机引擎改进设计，提高功率，需要增大整流罩面积 圆形整流罩面积增大，下边缘与地面距离减小，可能产生危险

采用不对称原理，将整流罩形状由圆形变为扁圆形

问题：振动筛——筛网面积大，筛分效率高 –有利因素——5 筛网面积大，接触物料多，容易坏 –有害因素——30 原理解：22 1 33 28

其中 1：分割原理； 33：同质性

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二、建立原理解法目录

原理解法目录是指一种信息库，将导致三要素 原理解法目录是指一种信息库，将导致三要素

（能量、物料、信息）实现转变的操作或原理

（能量、物料、信息）实现转变的操作或原理 进行有规律的分类、排列、储存、调用

进行有规律的分类、排列、储存、调用

目录的编写应功能明确、原理清晰、信息面广、

目录的编写应功能明确、原理清晰、信息面广、

方便查取 方便查取

本章仅列出了部分原理解法目录的建立，

本章仅列出了部分原理解法目录的建立，

全部的原理解法目录的建立是一项较大工 全部的原理解法目录的建立是一项较大工

程的项目，并且是不断发展与补充的

程的项目，并且是不断发展与补充的

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1．物料的分离-混合

‹ ‹ 物料的分离： 物料的分离： 指使两种或几种具有不同物 理特征的物料实现分离

按物料的形态划分

按物料的形态划分：固体与固体的分离，固体与液体的 分离，气体与液体的分离等

按分离的特征划分

按分离的特征划分：不同几何尺寸大小的分离，不同密 度、轻重的分离，不同导电性、导磁性等性能的分离等

表中给出部分的固体与固体分离的原理解目录。

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大小 重 力

通过筛子得运动

（惯性、离心力）

提高筛的功率，利 用空气或水附带运

输筛分物料

筛硬币 检测器

流 体 阻 力

在重量相同时，

由于体积不同，大 物体与小物体将有

不同的速度

分选机

离 心 力

离心机

重量 浮 力

重量满足要求，

在闭锁装置下滚 过；重量不满足，

被闭锁装置挡住

固体

- 固体分离原理

杠杆 同上

离心 力

重量满足要求，物体 被甩出；重量不满 足，物体停留在原位

离心机 旋分器 螺旋分 选机

共振 分级机

浮力 沉降分

级 液流分 级机 跳汰机 选矿

导电性 库 仑

给各物体加上同号 电荷，导电性差的 物体仍附着在滚筒 上；导电性好的物 体变成与滚筒同号

电荷而被排斥

电子滚 筒分选

机

磁化率 库 仑

磁分选 机选矿

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‹物料的混合：是指将不同的物料结 合在一起

混合的机理是通过分子微粒的运动加快，来 缩短混合过程所需要的时间，并使各类物料 混合的均匀

各类搅拌器、混合机是完成混合的技术系统

下表列出了物料混合的部分原理解目录

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面张力 固体材料侵透在液体中

吸附 气体混合在固体材料中

摩擦力- 重力

内聚 性-重

力

自由降落混 合机

离心 力-离

心力

通过两个物体转动叠加离 心力

行星式磨机

摩擦- 剪应力

在隙缝中存在剪切应力、

塑压应力、拉应力、压应 力

在楔形间隙 中混合，辊 压设备，压

光机 内聚

性-惯 性

犁铲混合机、

浆式搅拌机 带式混合机

库仑- 重力

a 栅极 b 烃 c 溶剂 d 炉底电极

电搅拌机

主要内容： 主要内容

尺寸参数的放大与缩小，例如长度、面积、

体积等

运动参数的放大与缩小，例如距离、速度、

加速度等

能量参数的放大与缩小，例如力、力矩、功 率、电压等。

其中既包含有能量流，也有信号流，还有物 料流

2．物理量放大-缩小

放大缩小原理

1 2 1

2 l

s l s = ×

1 2 1

2 r

v r v = ×

2 1 1

2

r

F r F = ×

α

1 tan

2 s

s =

α

1 tan

2 v

v =

原理 原理图 备注 应用

杠杆原理 尺寸放缩

速度放缩 力放缩

连杆机构 齿轮机构

楔原理 尺寸放缩

速度放缩

螺旋传动 凸轮机构

g

r r r

ρ

ϕ σ cos 2

1 1

•

∆

−

l l

d = d ∆

∆

0

µ 0

l l s

2

∆ 2

=

∆

1 2 1

2 s

A

s = A ¹

2 1

2 v

A v = A

变形原理 拉压变形

剪切变形

流体原理 尺寸放缩

速度放缩 力放缩

流体力学

N F = µ

1 1 2 U N U_C = N

摩擦 制动器

变压器 变压器

放大器 电路放大

实际应用 实际应用

日本一些企业所建立的设计目录，可按照关键词 日本一些企业所建立的设计目录，可按照关键词 进行检索，寻求原理解

进行检索，寻求原理解

伸缩伸缩 涨缩涨缩

张收张收 曲折曲折

屈伸屈伸 双折双折

拉杆天线拉杆天线 上下上下

滑动滑动

水平水平 滑动滑动

气球气球

轨道轨道 伞伞

三脚架三脚架

双双 连连 梯梯 圆形圆形

折叠折叠

卷卷 尺尺 百百

页页 门门 扇扇 子子 手手

风风 琴琴 分分

规规 折折

尺尺

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三、资源的分析与利用

1. 资源的主要类型

（1）自然资源：指自然界中存在的场、物质、能量等任何资 源。例如太阳能、潮汐、风力、水力、重力场、磁场、空气、

矿产、海洋、森林等。

（2）时间资源：指系统启动之前，工作之后，两个循环之间 的时间。

（3）空间资源：指系统本身，超系统的空间位置、次序等。

（4）信息资源：指系统及超系统中任何存在的或能产生的信 号，反映等。

（5）系统资源：指系统内部的可利用资源。如系统中各子系 统的资源交互利用，制品的性能与形状的充分利用等。

2. 资源的分析与利用

（1）自然资源的利用：自然资源的利用应做到自然资源的利用

合理、有效

。 在产石油的地方建炼油厂，在产铁矿、煤矿的地方建钢铁

厂，在水力资源丰富的地方建发电厂，这样可以避免运输 上的损失与浪费；各类资源的

二次利用

，

多次利用

，

按需 利用

等都是可研究的课题。

自然资源的利用应做到保护自然，让资源永存，让地球变 得更美好

（2）时间资源的利用：在时间资源的利用

工作效率最高

的、最有价值的 阶段最大限度的利用时间；使

过程连续，消除停顿

。例如 改变往复移动为连续转动，采用急回机构缩短空行程时间 等；

变顺序动作为并行动作

，以节省时间；或正反行程时 间都能充分利用，例如双向打印机

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（3）空间资源的利用空间资源的利用：最大限度的利用空间，例如仓库中 的多层货架，地下停车场；

利用紧凑的几何形状

，如螺旋式 楼梯，安装在高楼外墙壁上的半圆形电梯等；

利用相邻子系 统的空间

，或某些

表面的反面

，如双面光盘等；

有效而恰当 的利用空间的点、线、面

（4）信息资源信息资源：

系统本身所产生的信号

是多种多样的，例 如汽车运行时排放废气中的颗粒可表明发动机的性能信息；

机器运转时突发的异常声音可诊断故障。

超系统的某些信号

或反映也是系统的重要信息。例如交通路口的堵塞情况就是 驾车者的重要信息，市场对产品的需求情况就是企业发展方 向的重要信息

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（5）系统资源：系统中的能量、材料、产品、副产品、制系统资源 品，及其它们的形状等都是系统可充分利用的丰富资源。

系统中的资源可以交互利用，各子系统分享资源，动态调节资 源的使用，避免资源的损失与浪费。例如汽车发动机既驱动车 轮，又驱动液压泵，使液压系统工作

利用零件形状的搓丝机

利用零件形状的搓丝机 利用材料磁性的搬运机利用材料磁性的搬运机

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四、形态矩阵

已建立形态学矩阵为基础，通过对创造对象进 已建立形态学矩阵为基础，通过对创造对象进 行因素分解，找出因素可能的全部形态（技术 行因素分解，找出因素可能的全部形态（技术 手段），再通过形态学矩阵进行方案综合，得 手段），再通过形态学矩阵进行方案综合，得 到方案的多种可行解，从中筛选出最佳方案。

到方案的多种可行解，从中筛选出最佳方案。

所谓因素是指构成事物的特性，如产品的用 所谓因素是指构成事物的特性，如产品的用 途、功能等；

途、功能等；

所谓形态是指实现相应功能或用途的技术手 所谓形态是指实现相应功能或用途的技术手 段 段

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¾ ¾ 形态矩阵法的操作过程 形态矩阵法的操作过程

1、 1

、 因素分析：确定创造对象的构成因素。因素分析：确定创造对象的构成因素。

要确保各因素逻辑上彼此独立；具有重要影响；数量要 要确保各因素逻辑上彼此独立；具有重要影响；数量要 充分、全面。

充分、全面。

2、 2

、 形态分析：按照因素的功能属性，尽可能多地列出实现形态分析：按照因素的功能属性，尽可能多地列出实现 某种功能各种技术手段（形态）。

某种功能各种技术手段（形态）。

3、 3

、 方案综合：包括形成方案与方案优选。方案综合：包括形成方案与方案优选。

假如有假如有

n个因素， n

个因素，

m个形态，可构成 m

个形态，可构成

n行 n

行

m m

列的矩阵，所列的矩阵，所 能提供的方案数有

能提供的方案数有

N=n N=n

^mm个，可在这些方案中进行优选。个，可在这些方案中进行优选。

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¾ ¾ 形态矩阵法的实例 形态矩阵法的实例

挖掘机设计方案形态矩阵 挖掘机设计方案形态矩阵 功能（因素）

功能（因素）

AA

BB CC

DD EE

总动力总动力

移动动力传动 移动动力传动

移动移动

挖掘动力传动 挖掘动力传动

挖掘挖掘

技术措施（形态）

技术措施（形态）

1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6

电动机电动机 汽油机汽油机 柴油机柴油机 正气透平正气透平 液压机液压机 气马达气马达 齿轮传动齿轮传动 蜗轮传动蜗轮传动 带传动带传动 链传动链传动 液力耦合器液力耦合器

轨道车轮轨道车轮 轮胎轮胎 履带履带 气垫气垫 拉杆拉杆 绳传动绳传动 气缸传动气缸传动 液缸传动液缸传动

挖斗挖斗 抓斗抓斗 钳式斗钳式斗

按照矩阵组合可得结果是：

按照矩阵组合可得结果是：

6× 6

×

5 5

^××

4 4

^××

4 4

^××

3=1440 3=1440

其中根据比较优选出以下两种：

其中根据比较优选出以下两种：

1） 1

）

A A

₁₁

+B +B

₅₅

+C +C

₃₃

+D +D

₄₄

+E +E

₂₂

:履带式挖掘机 :

履带式挖掘机

2） 2

）

A A

₅₅

+B +B

₅₅

+C +C

₂₂

+D +D

₄₄

+E +E

₂₂

:轮胎式挖掘机 :

轮胎式挖掘机

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第四节 构型综合

为实现原理解而进行的运动机构类型的选择与 为实现原理解而进行的运动机构类型的选择与 构造 构造

各种功能，尤其机械运动的变换功能，多数是 各种功能，尤其机械运动的变换功能，多数是

由机构来实现的 由机构来实现的

机构的构型与创新将在第四、五、六章进行专门的 机构的构型与创新将在第四、五、六章进行专门的 研究与探讨，本节主要罗列各种基本机构的的基本 研究与探讨，本节主要罗列各种基本机构的的基本 功能功能

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二、机构选型

实现运动形式变换的常用机构

运动变换形式 常用机构 应用实例与原理

等速转动 → 等速转动 1．连杆机构 平行四边形机构 双转快机构 2．齿轮机构

圆柱齿轮机构（轴线平行）

圆锥齿轮机构（轴线相交）

蜗轮蜗杆机构（轴线交错）

3．行星齿轮机构

摆线针轮机构（轴线平行）

谐波传动机构（轴线平行）

4．摩擦轮机构 5．挠性件传动机构 链传动

带传动 绳传动

机车联动机构，联轴器 联轴器

减速器，变速器

减速器，运动的合成与分 解

减速器 减速器 无机变速 减速，输送

减速，输送，无机变速

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等速转动 → 变 速转动

1．连杆机构 双曲柄机构 转动导杆机构 2．非圆齿轮机构

惯性振动筛 刨床

自动机，压力机

等速转动 → 往 复摆动

1．连杆机构 曲柄摇杆机构 曲柄摇块机构 摆动导杆机构

2．摆动从动件凸轮机 构

3．气、液动机构

破碎机

液压摆缸，自动装 卸

牛头刨机构 各种执行机构

2．移动从动件凸轮机构 3．不完全齿轮齿条机构

配气机构

等速转动 → 单向移 动

1．齿轮齿条机构 2．螺旋机构

3．链传动机构 4．带传动机构

压力机，千斤顶 输送机，升降机

输送机

等速转动 → 间歇运 动

1．棘轮机构 2．槽轮机构

3．不完全齿轮机构 4．蜗杆式分度机构 5．凸轮式分度机构 6．气、液动机构

机床进给，单向离合器 车床刀架转位

电影放映机 转位工作台 分度，定位

实现特定的运动 轨迹与位置

1．连杆机构 2．凸轮机构

3．行星齿轮机构 4．滑轮机构

利用连杆曲线实现轨 迹

直线导引，升降机 实现方型轨迹，直线 移送

利用行星齿轮的轨迹 导引升降装置

实现加压缩紧 利用转动副的死点位

置

利用反行程自锁性质 超越离合装置

利用阀控制

实现运动的合成 与分解

差 数学运算

汽车用差速器 微调

连杆机构、凸轮机构 螺旋机构、斜面机构 棘轮机构

气、液动机构

差动连杆机构 差动齿轮机构 差动螺旋机构 差动棘轮机构

机构类型 运动及动力特性

连杆机构 可以输出转动、移动、摆动、间歇运动，可以实现一定的轨迹与位 置要求，利用死点可用作夹紧、自锁装置；由于运动副是面接触，

故承载能力大，加工精度高，但动平衡困难，不宜用于高速

凸轮机构 可以输出任意运动规律的移动、摆动，但动程不大；由于运动副是 高副，又需要靠力或形封闭运动副，故不适用于重载

齿轮机构 圆形齿轮实现定传动比，非圆齿轮实现变传动比，功率与转速范围 都很大，传动比准确可靠

挠性件传动机 构

链传动因多边性效应，故瞬时传动比是变化的，产生冲击振动，不 适应高速；

带传动因弹性滑动，故传动比是不可靠的，但有吸振与过载保护性