机械创新的设计方法优化

在进行机械创新设计时，首先要分析社会大众的需求，否则再好的创新设计都没有生命力；其次要考虑所研究的课题是否科学、实用；然后才是通过不断实践，掌握创新设计的方法，最终实现创新设计的目的。

（1）搜索题材的方法

搜集题材是创新设计的关键，有了合理新颖的题材，创新设计就成功了一半。人们在创新设计实践中一般采用两种方法来搜寻题材。

1）向生活索取

世界上不存在尽善尽美的事物，向生活索取创新设计的题材就是一个在不完美中追求完美的过程。生活中用的门窗合页是“死结”，安装后再拆下来相当费事，给维修和清洁带来了很大的不便。针对这个问题，西北电讯工程学院附中学生陈延辉设计了一种一端可以插入和抽出的活动合页（见图5.29），该活动合页虽然结构简单，但说明了该生对生活观察细致，善于动脑，并把这种品质应用于实践中，创造出经济实用、方便生活的创新作品。因此，创新源于生活。

图5.29　活动合页

2）到各自的工作领域去挖掘

一个人在长期从事某一工作的过程中，会对专业的现状相当熟悉；更能了解其中的不足以及在这个领域中真正需要的事物，这也为课题的选择提供了素材，而且成功的可能性也更大。

伞是人类生活中的必需品，但是普通伞的体积大，旅行时不容易携带，人们可能会想到能否将伞折叠起来以方便携带呢?1928年德国工程师Hans Haupt巧妙地在伞上安装一根弹簧，就可以将伞折叠，轻巧地收藏起来，且弹簧拉力使得雨伞不外翻，由此发明了世界上第一把折叠式雨伞（见图5.30），成立了Knirps雨伞公司，迄今它仍是全球最好的雨伞品牌之一。

图5.30　折叠伞

（2）机械创新设计的常用方法

1）缺点列举法

克服缺点就意味着进步，意味着更新。

如果有意识地将你所熟悉的事物的缺点一一列举出来，并进行分析，随时做笔记，找出你感受最深、最急需解决而又可能解决的问题，对症下药，作为创新发明的选题，这样便有可能创新，这种创新技法就称为缺点列举法。

要使用这种方法进行创新设计，首先要做到在生活中注意身边事物的缺点与不足；提出缺点（方法有征集用户意见，同类产品进行对比，召开缺点列举会等），然后分析整理缺点，确定创新目标。最后对主要缺点进行改进，运用各种创新思维与技法进行创新设计。

2）希望点列举法

希望是人们内心期待达到的某种目的或期待出现的某种情况，是人类需求心理的反映。

人们总是不满足于现状，对未来充满希望和向往。希望代表着人们的某种新企盼，希望点的背后隐藏着事物的新问题和新矛盾。将这些希望予以具体化，并列举、归类和概括出来，往往就成为一个可选的发明课题。

图5.31　进退自如的脚踏玩具

例如，人们都知道自行车的曲轴可以随时向前踩或者向后踩，只是由于自行车上的棘轮机构，使得自行车只能单向前进。一位日本青年根据这个产生了一个很好的构想，那就是将二轮车的直轴直接改成曲轴，如图5.31所示，脚站在曲轴上，这样用脚去踩时，由于踩法不同，车子就可以随意地前进或后退了。

3）移植法

它是将其他领域中的原理、技术和方法移植到本领域里来形成创新构思的一种方法。如根据家具磁性门的原理而设计的磁性文具盒，还有将军事上的爆破技术移植到医学上，治疗人体各种结石疾病的医疗器械都是采用了移植法。在运用移植法时，不可机械行事，不能原封不动地照搬，要有所创新。比如一种“新型三通水管接头”，它是将都江堰分流坝的分流原理巧妙地移植过来，并根据水管的特点而设计的产品。

4）延伸法

延伸法是把现有产品稍加改进或不加改进，而可扩大它用途的方法。如用来挡雨的雨伞，可延伸到遮阳伞，称为夏日里人们外出的必备之物。利用现有和传统的产品，扬长避短，扩展长处，克服缺陷，增加产品功能和用途，便可有新的发明和创造，如“多功能活动扳手”“带起子的钢笔”“多功能婴儿车”等，只要平时留心，一些看起来功能单一、用途少的产品，通过延伸法可让它发挥更大的作用。

5）思维扩展法

人们在思考和办事时，总是习惯依照一定的常规去思考。如果打破常规，变换思维的角度或者习惯，往往可以收到意想不到的效果。

如图5.32所示的蛙式打夯机。它是带传动与连杆机构的组合。发明者巧妙地利用了一般认为有害的惯性力，在大带轮上设计一个重锤，借重锤离心力向外并向上甩，使夯靴提升离地；当重锤转到左侧，离心力帮助夯靴向前移动，重锤转至左下侧时，离心力迫使夯靴富有冲击力地打击地面，实现打夯功能。这种变害为利的设计，没有思维扩展是难以完成的。

图5.32　蛙式打夯机工作原理

6）仿生法

仿生法是指对自然界的某些生物特性进行分析和类比，直接或者间接模仿，而进行创新设计的方法。它包括形状模仿、结构模仿、动作模仿和功能模仿等。

仿生法是发展现代新技术的重要途径之一。例如，飞机构件中的螺窝结构、响尾蛇导弹的引导系统、模仿鸟类的飞机、模仿鱼类的潜水艇、根据萤火虫发光原理制作的反光交通提示牌，还有根据金钱豹与草丛相似的皮毛，为迷惑敌人、保护自己而发明的迷彩服等，都是运用仿生法进行创新设计的例子。在运用仿生法时，要求首先弄清某些生物现象的特征和科学道理，并大胆巧妙地运用到创造实践中去。另外，有些生物现象不能直接用于发明创新，而需要作相应的变动。总之，要用科学原理加以分析，在实践中仔细观察，才能得到仿生法的创造发明成果。

7）仿真与变异法

仿真是指模仿人或动物的动作，而变异是指突破模仿的动作另创新的动作，两者都可以实现创造性的设计。

如图5.33所示的挖掘机，它由工作装量Ⅰ、上部转台Ⅱ、行走装置Ⅲ、铲斗1、斗杆2、动臂液压包3、回转液压马达4、油箱5、发动机6、液压泵7、控制阀8、行走液压马达9组成，模仿人手挖土，是很成功的设计。如图5.34所示的搓元宵机也是构思巧妙地模仿人的动作而制成的，整个机构的动力由旋转圆盘输入，它装配在机架的一个斜圆孔内，通过装在圆盘外圈的球形铰链带动连杆与转动轴销及与连杆固接的工作箱作空间振摆运动，从而使工作箱内的元宵馅在稍微湿润的元宵粉中多方向滚动而制成元宵。

图5.33　挖掘机

图5.34　搓元宵机

1—旋转圆盘；2，3—连杆；4，5—转动构件

但并不是所有模仿人动作的机器都能成功，例如缝纫机的发明在开始的50多年中，因为一味模仿人们千百年来穿针走线的动作，故始终无法设计出实用的缝纫机。最后，终于突破模仿人的动作，而采用面线和底线缝纫法，才发明了缝纫机。

8）系统设问法

针对事物系统地罗列问题，然后逐一加以研究、讨论，多方面扩展思路，就像原子的链式反应那样，从单一物品中萌生出许多新的设想，称为系统设问法。系统设问法可以从以下方面入手：转化、引申、改变、放大或缩小、复杂、精简、代替、重组、颠倒和组合。

①转化

转化就是根据存在的物品，设想它本身或经过稍微改变后是否能有其他的用途。

例如，农村水井打水用的手动唧筒（见图5.35（a））就是由滑块四杆机构（见图5.35（b））转化而来的应用实例。

②引申法

根据已知事物设问是否有与其相似的物品，从而引申设想出另一事物，实现创新。

图5.35　手动唧筒

1—手柄；2—杆件；3—抽水筒；4—活塞杆

港口用的起重机就是双摇杆机构引申来的，如图5.36所示，当AB杆摆动时，CD杆也摆动，连杆CB上的E点作近似的水平运动，使其在起吊重物时减少能量的损失。

图5.36　港口起重机

③改变法

设问改变已知事物的颜色、形状、气味、式样等特征时，能否产生创新。

如图5.37所示的为一车门启闭机构，利用反平行四边形引申而来。其运动特点为构件1，3作转向相反的转动，保证左、右车门同时启闭。其中的反平行四边形机构则是从平行四边形引申而来的。

图5.37　车门启闭机构

④放大或缩小法(www.xing528.com)

设想将现存的事物，经过按比例放大或缩小，或是单向放大或缩小，能否得到新的事物。

汽车出现后，人们为下雨天开车时雨水会遮住驾驶员的视线而烦恼。为此有人利用“放大或缩小”这一方法设计出如图5.38所示的汽车前窗刮雨器。它是利用曲柄摇杆机构将摇杆的一端延长，利用摇杆延长部分的往复摆动实现刮雨动作。

⑤复杂化

设想在一个物品上加上别的东西，从而获得更加良好的性能和功能等，实现创新，如图5.39所示。

图5.38　汽车前窗刮雨器

图5.39　星形发动机

⑥精简法

精简就是设想从一物品上精简掉一部分，减轻其质量或复杂程度，从而设法得到创新的一种方法。

在创新设计实践中，可以在机构中将运动副精简，由柔性关节代替铰链，由结构本身的预期弹性变形来实现运动和力的传递。如图5.40所示的柔性四杆机构和如图5.41所示的手动夹钳即为新的柔性机构，它没有刚性运动副，不需装配，不需润滑，具有体积小、质量轻、制造和维修费用低、使用寿命长等优点。

图5.40　柔性四杆机构

图5.41　手动夹钳

⑦代替法

设想用一种物品来代替正在使用的物品，或是用其他材料、成分、过程或方法来代替此物品的材料、成分、过程或方法，从而实现创新。

例如，在曲柄滑块机构中，若需要曲柄较短，或需要滑块行程较小，这时可以使用盘状结构代替曲柄，这样就得到了如图5.42所示的偏心轮机构。回转中心A到偏心轮几何中心B的距离（称为偏心距）相当于曲柄滑块机构中的曲柄长度。偏心轮机构在剪床、冲床及鄂式破碎机等机械设备中得到广泛应用。

图5.42　偏心轮机构

1—曲柄；2—连杆；3—滑块

⑧重组法

设想将一个物体的组成部分进行调换、重组，或是以一定的条件改变序列、因果关系和速率等，以产生一种新事物。

⑨颠倒法

设想将一种结构或功能正反互换来实现更多、更好的功能或是产生一种新结构。

如图5.43所示的可逆式折叠椅就是利用这种方法设计的，其椅面和靠背正反面分别做成硬的和软的两面，可以翻转，夏天坐硬面，冬天坐软面。

图5.43　可逆式折叠椅

⑩组合法

设想将已知的物体与另一物体按照适当的方式组合起来，以加大其功能或是得到另一新事物。

如图5.44所示的织布机开口机构，它由曲柄滑块机构3、4和转动导杆机构2串联组合而成。曲柄1以等角速度转动时，机构5就能实现每转180°后停歇的运动要求。

在机械创新设计实践中，运用系统设问法时应该以上述10个方面为参照，大胆提出设想，如果能像上述例子一样找到解决问题的答案，都可以作为创新设计的选题。

9）专利文献选读法

从事机械创新设计，可以选择专利文献为主要媒体来获取信息，专利文献是最有代表性、数量最大的情报信息来源。通过阅读大量的专利文献，即可掌握现有发明的内容和思路，了解最新的发明成果，避免重复他人的工作和侵权行为，又可对不完善的部分加以改进，作为自己的课题，进行再发明。

图5.44　织布机开口机构

据资料统计，1985—1995年中国发明协会向社会推荐和宣传的发明创造成果有1万多项，其中有15%转化为生产力；而这10年中我国的专利实施率仅为25%～30%。可见，采用专利文献法进行创新设计前景广阔，人们只要针对其中不实用的部分进行改进和完善，往往就会获得良好效果。

图5.45　气动窗口示意图

20世纪80年代初，国际科技情报联机系统还没有在我国投入使用，但是当时的年轻学者岳超瑜凭借着顽强的毅力，查阅了大量的专利文献，终于从浩如烟海的文献中找到了一些有关气动窗口的最新发明专利和报道，包括如图5.45（a）所示的英国科学家发明的压气式气动窗口和如图5.45（b）所示的美国人发明的抽气式气动窗口。其中，英国人的设计由于工作时会导致内腔污染，无法投入使用，而美国的发明存在造价高、激光质量差、结构和运行原理不足等缺点。岳超瑜对这两项发明进行分析和研究后，设计出如图5.45（c）所示的双腔抽气式大功率气体激光器气动窗口，他的创新设计克服了上述两种设计的缺点，使腔内气流平衡，也密封了工作腔。

10）机械系统搜索法

利用机械系统的各种组成方法，如机构串联和并联组合，从中摸索出适合设计要求的新机构，进行创新设计。

11）功能原理法

分析所设计产品的总功能，将这些功能分解成一些分功能，然后根据这些分功能，设计合适的机构，将这些有分功能的机构组合成一个能实现所需总功能的新机械系统，完成机械系统的创新。

12）信息联想法

创新的发展重在突破，却也离不开继承，所以了解、继承他人或前人的成果非常重要。要提高创新能力，必须搜集信息，利用信息。

对自己每天耳闻目睹的大量信息加以筛选，从中挑出新的、奇的、与技术有关的科学发现和技术发明，通过思维加以联想，往往可以产生或提出一个新的发明问题。这种方法称为信息联想法。

联想的方式有：由一事物联想到空间或时间上与其相连通的另一事物；联想到与其对立的事物；联想到与其有类似特点（如功能、性质、结构）的另一事物；联想到与其有因果关系的另一事物；联想到与其有从属关系的另一事物；等等。

信息联想法是一种扩散性思维的方法，有以下3条原则：

①整体分解原则。先把整体加以分解，按序列得出要素，构成x、y轴。

②信息交合原则。各轴的每个要素逐一地与另一轴的各个要素相交合。

③结晶筛选原则。通过对方案的筛选，找出最优的方案。要注意方案的实用性、经济性、易生产性和市场可接受性等。

例如，一普通曲别针可用信息交合法创造性地得出千万种用途。如突破曲别针的勾、挂、别、连的特性，把曲别针总体信息分成材质、质量、体积、长度、截面、颜色、弹性、硬度、直边、弧边等10个要素，并将其用直线连成信息标（x轴），然后再把与曲别针有关的人类实践进行要素分解，连成信息标（y轴），x轴与y轴的信息交合就可构成千万种用途。

13）集思广益法

集思广益法是美国创造工程学家奥斯本于1945年首次提出的，原文是“brain storming”，直译就是“头脑风暴”。这种方式是以开小型的交流讨论会来进行，与会人数一般为5～10人，要求与会者严格遵守下列规则：

①畅所欲言，想到就说，意见越多越好。

②静听别人的发言，从中受到启发，以使自己的意见更加完善。

③欢迎荒诞和使人发笑的言论，设想越奇越好，能否采用另当别论。

④禁止批评别人的发言，这一点很重要。

会后对会上的各种设想进行整理评价，选择最优的设想付诸实施。

运用上面介绍的13种方法，一般可以确定待发明的课题。这只是成功的开始，真正创新设计也是一个艰苦努力的过程。在进行创新设计时，需要联系实际需要，根据事物的品质、构造、功能、特征对各中构想或方案进行分析、比较、判断，先分析出最佳的方案，然后再运用创新的逆向思维和正向思维，对问题进行类比、综合、联想，集思广益，同时反复地进行绘图、试验、制作样品和模型，并不断改进，如此一个发明才有可能真正完成。