机 械 创 新 设 计

推动社会发展的源泉和生命在于创新。创新是发现或发明新思维、新理论、新方法、新技术或新产品。机械创新设计是一个极其重要而又困难的实践性较强的研究课题。目前我国创新设计方法研究虽然已取得一些成果, 但创新学还处于发展初期, 各种不同理论及工具不断涌现, 远没有形成普遍可以接受的统一理论体系。

进行机械创新设计要有 2个必要条件: 一是充分获取适用的知识: 二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。由于人类的创新设计思维模式是在长期的成功设计经验中总结形成的, 设计过程充满了矛盾, 所获取的知识应有助于矛盾的迅速解决, 这就要求设计辅助系统必须符合创新设计思维规律。然而在现有国内高等学校的机械专业中, 却很少有关机械设计创新的课程, 致使很多从该专业毕业的学生尽管具备有关的基础知识却难以从事创新的设计。现根据多年机械设计的实践经验, 谈谈机械设计的创新, 以供同行参考。

1 机械创新设计研究的目的和意义

开展机械创新设计研究的目的不仅是提高自身学术水平, 更主要是获取较大的经济效益和社会效益。其意义在于:

( 1) 机械创新设计的深入研究将为人们发明创造新机器、新机械提供有效的理论和方法。

( 2) 机械创新设计研究能加速机械专家智能化, 实现真正的 ? 专家? 系统, 有利于加速机械设计水平向自动化、智能化、最优化、集成化实现。

( 3) 创新设计的机械产品提高了产品在同类产品中的竞争力, 特别是当专利产品技术形成产业化的时候, 可以创造出较高的经济效益及社会效益。

( 4) 在机械创新设计的实践中培养了设计人员的创造性思维, 增强了其创新能力, 提高了人们进行创新设计的自觉性及技术上的可操作性, 使机械创新设计成为一种工具或手段, 这样, 就促进了新产品的繁荣与更新, 为社会创造了财富。

2 机械创新设计的研究对象

所谓机械创新设计 ( MCD) 是指充分发挥设计者的创造力, 利用人类已有的相关科学技术成果( 含理论、方法、技术原理等) , 进行创新构思, 设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品 ( 装置) 的一种实践活动。它包含 2 个部分: 一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等; 二是创造设计出新机器、新产品, 以满足新的生产或生活的需要。机械创新设计是建立在现有机械设计学理论基础上, 吸收科技哲学、认识科学、思维科学、设计方法学、发明学、创造学等相关学科的有益知识, 经过综合交叉而成的一种设计技术和方法。由于机械创新设计过程凝结了人们的创造性智慧, 因而其产品无疑应是科学技术与艺术结晶的产物。除了应该具有产品的技术性能、可靠性、经济性和适用性外, 还应该反映出和谐的技术美, 如造型的美学性, 具有圆满的审美价值机

械设计一般可分为方案结构设计、运动设计及动力设计 3 个阶段, 其中, 方案结构设计最需要创造性, 设计难度也最大。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及动力设计。而相对传统设计而言, 机械创新设计特别强调了人在计过程中, 特别是在方案结构设计阶段中的主导及创造性作用。机械的创造发明人多属于机械结构方案的创新设计。

3 机械创新设计技术

机械创新设计技术是一门有待开创发展的新的设计技术和方法, 它和机械系统设计、计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、摩擦学设计、有限元设计等一起构成现代机械设计方法学库, 并吸收邻近学科有益的设计思想与方法。随着认识科学、思维科学、人工智能专家系统及人脑研究的发展, MCD正在日益受到专家学者的重视。一方面,认识科学、思维科学、人工智能、设计方法学、科学技术哲学等已为MCD 提供了一定的理论基础及方法; 另一方面, MCD 的深入研究及发展有助于揭示人类的思维过程、创造机理等前沿课题, 反过来促进上述科学的发展, 实现真正的机械专家系统(MES) 及智能工程 ( IE) 。因此, MCD 是MES、IE等学科深入研究发展进程中必须解决的一个分支,它要求能真正为发明创造新机械和改进现有机械性能提供正确有效的理论和方法。

MCD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的过程, 并将之程式化、定量化,乃至符号化、算法化。

4 机械创新设计思维的 2 个原则

机械设计过程是从功能要求到作用原理, 再到物理结构的映射过程。我们在创新设计思维过程中, 应该把握好 2 个基本原则:

( 1) 最短路径原则

在明确产品的功能要求后, 就应检索出最佳设计实例, 这样可以最迅速接近目标, 然后运用价值工程方法, 找出价值较低的极少数组件作为研究对象, 再分析所得对象存在的矛盾, 尝试做最小变动以解决矛盾, 如矛盾没有解决, 就要做更大变动或扩大研究对象范围, 最后得出最优结果。通过这种途径所消耗的能量最少, 体现了最短路径原则。

( 2) 相似性联想原则

联想就是找出事物彼此相似性的创造力 ( 相似性是指事物间的内在联系) 。判断联想是否合理的依据是相似性, 相似性由已有产品实例确定, 当多种产品实例可满足同一功能要求, 那么它们用于实现该功能的作用原理及物理结构具有相似性。在设计中, 功能要求、作用原理与物理结构可作为实例索引, 因此, 可统称它们为索引项目。同一索引的不同类索引项目之间的联想可称为纵向联想, 而不同索引的同类索引的联想可称为横向联想。

功能创新是根据产品市场需求, 将各种相互关联的功能信息进行搭配、组合, 产生新的满足要求的功能。原理创新是从功能要求 ( 系统产生的或已知的) 出发, 通过技术分析, 寻求不同功能在原理上的重组, 从而实现原理创新。结构创新是指在设计后期, 对功能、原理创新的结果匹配以对应结构化设计方案 ( 包括各个结构对象自身及其相互间的连接关系、控制关系等) 。

图1 计算机创新设计系统的组成。实现创新的关键阶段是产品设计早期的概念设计阶段, 它既是产品设计的首要步骤, 也是最富有创新的步骤。概念创新设计的关键技术及其实现方法如下:

( 1) 信息建模技术

一般情况下, 总体功能往往包含着许多子功能。而每一种功能可以由不同的结构来实现。故存在组合、协调和评价筛选的问题。在功能设计阶段, 传统的 CAD 建模技术己不能适用现代设计的需要, 在支持概念设计的建模技术中, 功能信息应代替几何信息占主导地位。因此, 功能建模应是研究的重点。

( 2) 智能支持技术

当前, 在人工智能系统中应用的人工智能技术, 主要有专家系统、人工神经网络、遗传算法、模糊系统。它们各有长短。为了构造性能较好的应用智能系统, 建议综合应用 ( 集成) 专家系统、模糊系统两种技术, 以独立、并行地实现对设计过程中人机交互、设计操作、辅助创新、设计评价等环节的支持。

( 3) 集成设计技术

集成主要由信息环境集成和设计环境的集成两个构成。笔者认为采用数据库集成方式可以方便地实现系统集成问题。随着 CAD 技术朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展, 未来的设计系统必然是以人为核心的人机一体化智能集成体系。

6 几点建议

( 1) 要有敢于创新和寻根究底的精神。机械设计的创新实际上就是根据已知需求探寻最佳的设计方案。任何创新可行方案都是需要实践来验证的。但要提出一种试探方案, 需要具备有关的专业知识。专业知识渊博, 可提出的试探方案就愈多, 在短时间内找到较好方案的可能性就愈大。每找出一种试探方案, 都应从理论上分析它的可行性。有条件的话, 最好通过计算机仿真技术来进行仿真检测和验算, 逐步检验它的原理是否可行, 结构是否复杂, 造价是否低廉, 操作是否方便, 工作寿命是否长久等等, 最后决定取舍。若存在问题较多且难以改进则应考虑另找新的试探方案。只有把各种试探方案进行反复论证、比较、筛选和完善才有可能得到较佳方案。使结构方案逼近最佳状态的条件是设计者要有查漏补缺的知识和能力, 更要有穷追不舍和坚忍不拔的精神。许多事情就如隔着一张窗户纸, 只要被捅破也就没什么, 但要第一次发现它却往往要经过冥思苦想的过程, 当设计思路出现山穷水尽时, 就要换位思考, 常常会出现柳暗花明的局面。

( 2) 要善于古为今用、洋为中用。在谋求最佳方案的过程中, 已经成熟的技术可以直接拿来应用, 而不必每个环节都进行创新。

( 3) 要具有较好的自学能力。机械设计所涉及的知识是比较广泛的, 设计者要能针对创新过程中遇到的困难参阅有关资料进行自学或独创的理论分析。只要有必胜的信心, 遵循设计创新规律锲而不舍地进行探索, 最佳的设计方案就一定能够找到。

第二篇：机 械 设 计

机械设计总复习

一、过大的残余变形 P10

如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生残余变形。机床上夹持定位零件的过大的残余变形，要降低加工精度；高速转子轴的残余挠曲变形，将增大不平衡度，并进一步引起零件的变形。

二、经验设计 P16

根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的办法所进行的设计叫做经验设计。这对那些使用要求变动不大而结构形状已典型化的零件，是很有效的设计方法。例如箱体、机架、传动零件的各结构要素等。

运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移，即形成磨损。 P50

（补充：磨损包括：粘附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、微动损伤）

三、粘附磨损 P51

当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处发生“冷焊”后，在相对滑动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成了粘附磨损。这种被迁移的材料，有时也会再附着到原先的表面上去，出现逆迁移，或脱离所粘附的表面而成为游离颗粒。严重的粘附磨损会造成运动副咬死。这种磨损是金属摩擦副之间最普遍的一种磨损形式。

四、油润滑 P56~57

向摩擦表面施加润滑油的方法可分间歇式和连续式两种。手工用油壶或油枪向注油杯内注油，只能做到间歇润滑。这些只可用于小型、低速或间歇运动的轴承。对于重要的轴承，必须采用连续供油的方法。

（1） 滴油润滑

针阀油杯和油芯油杯都可做到连续滴油润滑。针阀油杯可调节滴油速度来改变供油量，并且停车时可扳动油杯上端的手柄以关闭针阀而停止供油。油芯油杯在停车时则仍继续滴油，引起无用的消耗。

（2） 油环润滑

油环套在轴颈上，下部浸在油中。当轴颈转动时带动油环转动，将油带到轴颈表面进行润滑。轴颈速度过高或者过低，油环带的油量都会不足，通常用于转速不低于50~60r/min的场合。油环润滑的轴承，其轴线应水平布置。

（3） 飞溅润滑

利用转动件（例如齿轮）或曲轴的曲柄等将润滑油溅成油星以润滑轴承。

（4） 压力循环润滑

用油泵进行压力供油润滑，可保证供油充分，能带走摩擦热以冷却轴承。这种润滑方法多用于高速、重载轴承或齿轮传动上。

五、在设计连接时，除应考虑强度、刚度及经济性等基本问题外，在某些场合（如用于锅炉、容器等），还必须满足紧密性的要求。 P61

（补充：胶接件胶接表面的制备、胶粘剂配制、涂胶、清理、固化、质量检验）

六、胶接件胶接表面的制备 P127

胶接表面一般需经过除油处理、机械处理及化学处理，以便清楚表面油污及氧化层，改造表面粗糙度，使其打到最佳胶接表面状态。表面粗糙度Ra一般应为3.2~1.6，过高或过低都会降低胶接的强度。

七、V带传动运转一段时间以后，会因为带的塑性变形和磨损而松弛。为了保证带传动正常工作，应定期检查带的松弛程度，采取相应的补救措施。常见的有：

1、 定期张紧装置 2、自动张紧装置 3、采用张紧轮的张紧装置 P161~162

八、链传动的失效形式 P175~176

1、 链的疲劳破坏 2、链条铰链的磨损 3、链条铰链的胶合 4、链条的静力破坏

九、失效形式 P186~P188

1、 轮齿折断 2、齿面磨损 3、齿面点蚀 4、齿面胶合 5、塑性变形

十、常用齿轮材料及其力学特性 P191

注：40Cr钢可用40MnB或40MnVB钢代替；20Cr、20CrMnTi钢可用20Mn2B或20MnVB钢代替。

十一、齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求及经济性等因素有关。进行齿轮的结构设计时，必须综合考虑上述各方面的因素。通常是先按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，然后再根据荐用的经验数据，进行结构设计。 P229

十二、根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动等。 P238

十三、锥蜗杆传动

锥蜗杆传动也是一种空间交错轴之间的传动，两轴交错角通常为90度。 P241

十四、普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动。 P242

十五、q=d1/m 称为蜗杆的直径系数。 P244

十六、轴瓦是滑动轴承中的重要零件，它的结构设计是否合理对轴承性能影响很大。 P281

十七、轴承的配置 P326~328

轴承配置方法有三种：

1、 双支点各单向固定 2、一支点双向固定，另一端支点游动 3、两端游动支承

十八、刚性联轴器 P344

这类联轴器有套筒式、夹壳式和凸缘式等。较为常用的是凸缘联轴器。

十九、摩擦离合器和牙嵌离合器相比，有下列优点：不论在何种速度时，两轴都可以接合或分离；接合过程平稳，冲击、振动较小；从动轴的加速时间和所传递的最大转矩可以调节；过载时可发生打滑，以保护重要零件不致损坏。其缺点为外廓尺寸较大；在接合、分离过程中要产生滑动摩擦，故发热量较大，磨损也较大。为了散热和减轻磨损，可以把摩擦离合器浸入油中工作。根据是否浸入润滑油中工作，把摩擦离合器分为干式与油式两种。 P355

二十、提高轴的强度的常用措施 P367~368

1、 合理布置轴上零件以减小轴的载荷 2、改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 3、改进轴的结构以减小应力集中的影响 4、改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度

《机械设计》试卷 A卷

一、单项选择题（共30分，每小题2分）

1、选择V带的型号是根据 。

A．传递功率 B．转速

C. 计算功率和转速 D．小带轮直径

2、链条的节数宜采用 。

A．奇数 B．偶数

C．5的倍数 D．3的倍数

3、在键联接的设计中，键的长度主要根据 来选定。

A．传递转矩的大小 B．安装和使用条件

C. 轴的直径尺寸 D．轮毂的长度

4、对于普通螺栓联接，在拧紧螺母时，螺栓所受的载荷是 。

A．压力 B．扭矩

C．拉力 D．拉力和扭矩

5、齿面硬度HB≤350HBS的闭式钢制齿轮传动中，主要失效形式为 。

A．齿面磨损 B．齿面点蚀

C．齿面胶合 D. 轮齿折断

6、在下列四种型号的滚动轴承中， 必须成对使用。

A．深沟球轴承 B．圆柱滚子轴承

C．推力球轴承 D．圆锥滚子轴承

7、普通平键的主要失效是 。

A．工作面被压溃或键被剪断 B．工作面产生胶合破坏

C. 工作面产生过度磨损 D．键被弯曲折断

8、带传动工作时，设小带轮为主动轮，则带最大应力发生在带 。

A. 进入大带轮处 B. 离开大带轮处

C. 进入小带轮处 D. 离开小带轮处

9、根据轴的承载情况， 的轴称为转轴。

A．既承受弯矩又承受转矩 B．只承受弯矩不承受转矩

C．只承受转矩不承受弯矩 D．承受较大轴向载荷

10、受轴向载荷的紧螺栓联接，为保证联接的紧密性，防止连接受载后接合面产生缝隙，应使 。

A．残余预紧力F1应小于零 B．残余预紧力F1应大于零

C．残余预紧力F1应等于零 D．预紧力F0应大于零

11、在普通圆柱蜗杆传动中，若其他条件不变而增加蜗杆头数，将使 。

A．传动效率提高 B．蜗杆强度提高

C. 传动中心距增大 D．蜗杆圆周速度提高

12、标准齿轮的齿形系数YFa的大小取决于 。

A．齿轮的模数 B．齿轮的齿数

C. 齿轮的宽度 D．齿轮的精度

13、在蜗杆传动设计中，除规定模数标准化外，还规定蜗杆直径d1取标准，其目的是 。

A．限制加工蜗杆的刀具数量

B．限制加工蜗轮的刀具数量并便于刀具的标准化

C．为了装配方便

D．为了提高加工精度

14. 滚动轴承的基本额定寿命是指同一批轴承中 的轴承能达到的寿命。

A. 99％ B. 90％ C. 95％ D. 50％

15、链传动中作用在轴上的压力要比带传动小，这主要是由于 。

A．这种传动只用来传递小功率 B . 链的质量大，离心力也大

C．啮合传动不需很大的初拉力 D. 在传递相同功率时，圆周力小

C B D D B D A C A B A B B B C

二、是非判断题（共10分，每小题2分）（你认为正确的，在括号内画“√”你认为错误的，在括号内画“×”号）

1、弹性滑动和打滑都是带和带轮之间有相对滑动，因此弹性滑动和打滑都是带传动的失效形式。 （ ）

2、在平键联接中，平键的两侧面是工作面。 （ ）

3、润滑油的粘度与温度有关，且粘度随温度的升高而增大。 （ ）

4、在蜗杆传动中，由于蜗轮工作次数较少，因此采用强度较低的有色金属材料。 （ ）

5、液体摩擦滑动轴承的油沟应开在承载区内，以便润滑油进入轴承时，立即起到润滑作用。 （ ）

× √ × × ×

三、问答题（每小题5分，共20分）

1. 有一由V带传动、链传动和齿轮传动组成的减速传动装置，试合理确定其传动布置顺序，并说明其原因。

答：（1）传动顺序为：带传动（高速级）—齿轮传动（中间级）—链传动（低速级）2分

（2）说明原因：在多级传动中应将带传动设置在高速级，这是因为当带传动功率一定时，提高带速，可以降低带传动的有效拉力，相应的减少带的根数或者V带的横截面积，总体上减少带传动的尺寸； 将链传动设置在低速级，这是因为链速影响传动平稳性和寿命。链速越高，多边形效应越明显，相应动载荷就越大，链传动就越不平稳，产生的冲击、振动和噪音越大。 3分

2. 当设计链传动时，选择齿数和节距时应考虑哪些问题？

答：（1）链传动中，节距P越大，链的尺寸、重量和承载能力就越大，但是链节距p越大，链的多边形效应就会越明显，产生的冲击、振动和噪音越大。 2.5分

（2）小链轮齿数影响链传动的平稳性和使用寿命。小链轮齿数越少，运动速度的不均匀性和载荷就越大；小链轮齿数过大，轮廓尺寸和重量增加，易产生跳齿和脱链。 2.5分

另外，链速影响传动平稳性和寿命。链速越高，多边形效应越明显，相应动载荷就越大。

3. 在非液体摩擦滑动轴承的设计计算中，为什么要限制轴承的压强和值？

答：（1）限制轴承压强p，以保证润滑油不被过大的压力所挤出，从而间接保证润滑油膜存在，轴瓦不致产生过度磨损； 2.5分

（2）限制pv值，就是限制轴承的温升，以保证轴承在正常温度下工作。因为轴承摩擦发热功率损耗与压强p、轴颈圆周速度v的乘积成正比，其值越高，温度也就越高，会破坏金属表面的润滑油膜。 2.5分

4. 闭式蜗杆传动为什么要进行热平衡计算？

答：蜗杆传动中，由于蜗杆与蜗轮啮合时的相对滑动速度较大，传动效率低，所以工作时摩擦发热较严重。在闭式传动中，由于散热条件不好，产生的热量不能及时散发出去，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。因此，必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定地处于规定的范围内。