40种原理，为您解决发明问题

（1）分割

1）将物体分成几个相互独立的部分。例如：冰箱中将冷藏和冷冻分别制成两个独立的部分；用一台载货汽车加拖车，代替一台载重量更大的载货汽车，将载货汽车的驾驶室和半挂车（安放集装箱）制成可分式；用多台个人计算机代替一台大型计算机；用多艘千吨轮组成的船队，代替一艘万吨轮等。

2）将物体分解成为能组装和可拆卸的部分。例如：组合家具；可任意接长的水管等。

3）增加物体的可分割程度（增加各部分之间的独立程度）。例如：使用两个串联的减振器，其中一个较软的吸收小振动的能量，当它被完全压缩后，较硬的一个用来吸收较大振动的能量；机械加工用的刀具的刀头部分易磨损，而将刀头与刀杆设计成可拆结构，则可便于更换刀头，提高刀杆的使用效率；货船分成同型的几个部分，必要时，可将船加长些或变短些；用百叶窗代替整体式窗户等。

（2）分离（抽出）

1）从物体中分离出“干扰”部分或特性。例如：空调的主机（含散热器）噪声很大，将其分离出来，并安装在室外，就可最大限度地减少噪声对室内工作环境的干扰；用录音机产生惊吓飞鸟的声音，驱散它们离开机场；将噪声大的空气压缩机放在室外；为了使小游艇停泊时能继续供电，需要安装一个由内燃机带动的辅助发电机，为了减轻发动机造成噪声和振动，可将发动机和发电机分置于距游艇不远的两个容器里，用电缆连接。

2）将物体中关键部分挑选或分离出来，只留下需要的部分或特性。与上述分割的技法相反，这里是要把物体分成几个不同的部分。例如：将激光打印机的成像功能、复印机的复印功能、扫描机的扫描功能和传真机的通信功能抽出来，就可组成具有激光打印、复印、扫描、传真功能的一体机；将电镀液中所需的金属，通过电解使其附着在工件上。

（3）局部品质

1）从物体或环境的单一（均匀）结构过渡到非单一（不均匀）结构。例如：变化的压力、温度或密度代替固定的压力、温度或密度；按照零件不同部位采用不同的热处理或表面处理方式，使其都具有能适应设计要求的性能；V带结构中，包皮层用耐磨材料、拉伸层用高强度材料、挠性层使用橡胶类弹性材料，从而各得其所；各种食品外层的巧克力等。

2）使物体的不同部分具有不同的功能。例如：餐盒分为几个不同大小的格，分别存放热食、冷食和水；新型微波炉有不同档次的微波或光波，用来适应各种餐具加热、解冻的需要等。

3）物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件，以发挥每部分的最大作用。例如：把铅笔和橡皮制成一体；带起钉器的榔头；瑞士多用军刀；可集电视、上网等功能与一体的多功能机。

【案例2-5】矿山粉尘防治

为了防治矿山坑道里的粉尘，向工具（钻机和料车的工作机构）附近喷洒呈锥体状小水珠；水珠愈小，除尘效果愈好，但小水珠容易形成雾而妨碍正常工作；为解决这一问题，可在小水珠周围再喷出一层粗水雾。

（4）非对称

1）用不对称形体代替对称形体。例如：不对称搅拌容器或在对称搅拌容器中采用不对称的叶片；为增强混合功能，在对称的容器中用非对称的搅拌装置进行搅拌（如水泥搅拌车、蛋糕搅拌机）；将O形圈的截面形状改为其他形状，以改善其密封性能；非圆形截面的烟窗可以减少风对其的拖拽力；当湿沙由一个对称形的漏斗流出时，会在出口上面形成拱形，阻碍湿沙流动，而制成不对称形状的漏斗，则可完全消除这一拱效应。

2）如果物体不是对称的，则加强它的不对称程度。例如：防撞汽车轮胎的一侧（两侧不同）具有一个高强度的侧缘，以增大其承受与路边隔栏冲撞的能力或抵抗马路牙子的磕碰；为提高焊接强度，将焊点由圆形改为椭圆形或不规则形状。

【案例2-6】非对称的电动机底座

一般考虑到美观，电动机的底座都设计成对称的形状。因为电动机要旋转，实际上底座所承受的载荷是不对称的。为了减少机器的质量、节约材料，不反转部件所对应的底座可以设计得小一些，能支持其实际承受的载荷即可。

（5）合并（联合）

1）把空间上相同的物体或完成类似操作的物体连接起来，实现连锁操作。例如：网络中的个人计算机；安装在印制电路板两面的集成电路；具有双镜头的3D摄影机；双层玻璃窗；通风系统中的多个叶轮等。

2）合并相同或类似的操作。例如：电子表和电子计算器合并可以共用电源、晶振、显示器等部件；双联显微镜组由一个人操作，另一个人观察和记录；在旋转式挖掘机的工作头上设有特殊的蒸汽喷嘴，可在除霜冻的同时使冻土变软（图2-21）；能同时分析多个血液参数的分析仪器；具有保护根部功能的草坪割草机等。

图2-21 旋转式挖掘机的工作头带有蒸汽喷嘴

【案例2-7】易于运输的“玻璃块”

在通常的运输过程中，即使将玻璃片用纸隔开再装箱，也难免打碎玻璃。为了减少玻璃的破损，可以将玻璃作为一个固体块来运输，而不让其处于分离状态。在每片玻璃上都涂上一层油，然后将玻璃片粘在一起形成一个玻璃块。比起每片玻璃，玻璃块的强度大很多。测试表明，即使将玻璃块从2m高的地方丢下，其损伤也很小；反而，用常规运输方法在测试时会使大部分玻璃受到不同程度的损伤。

（6）多功能（多用性） 使一个物体执行多种不同功能，因而可以减少原设计中其他物体的数量。例如：适于旅行用的多用工具（图2-22）；提包的提手可同时作为拉力器；多用沙发，白天用做沙发，夜间当做床用；带坐凳的手杖；小型行李车椅，可以调节成座椅、卧床或运物小车。

图2-22 旅行用的多用工具

【案例2-8】怎样测量婴儿的体温而不会引起婴儿的啼哭？

可以使用橡皮奶嘴，在奶嘴内充满甘油，同时还包含一个由天然材料制成的热敏盘。该热敏盘一般情况下是绿色的，当温度超过37.7℃时，热敏盘就会变成黑色。这样，就发明了可以测量婴儿体温的奶嘴。

（7）套装（嵌套）

1）一个物体位于另一物体之内，而后者又位于第三个物体之内，例如：嵌套量规、量具；移门；汽车安全带卷收器；套装液压缸（其内为小液压缸、外部为大液压缸）；俄罗斯套娃等。

2）一个物体通过另一个物体的空腔。例如：伸缩式天线；伸缩式钓鱼竿；变焦透镜；飞机的紧急升降梯和着陆舱等；内部贮存多色笔芯的圆珠笔；多层梯子；叠椅等。

【案例2-9】石油钻机塔架的改进设计

原有石油钻机的塔架很高，在海上运输时，会造成很多麻烦，不仅移动速度很慢，而且遇到大风，就有倾覆的危险。新设计将其顶部和中部放置在底部的空腔内，安装时，可抽出再连接起来。这样，在运输状态其高度只有一般邮轮的高度，便于运输。而在钻机工作时，连接后可恢复其工作高度。

（8）抵消或补偿

1）将物体与具有上升力的另一物体结合，以抵消其重力。例如：精密机床导轨用弹性支承的滚子来减轻负荷（图2-23）；在圆木中注入发泡剂，使其更好地漂浮；用气球携带广告条幅等。

图2-23 导轨卸荷机构

2）用物体与介质（最好是气动力和液动力）相互作用，以承托其质量。例如：水翼船（气垫船）；磁悬浮列车；飞机的机翼形状使其上部的空气压力减小，下部的压力增加，以产生举升力；有背翼的赛车，以增大对路面的压力。

【案例2-10】叶片式离心调速器设计

一般离心调速器靠两个球形重物来调节转速，但不能改变其质量。而调节转子风力机转速的制动式离心调节器安在转子垂直轴上，为了在风力增大时把转子转速控制在小的转速范围内，调节器离心片做成叶片状，以保证气动制动；在给定的风力和给定的离心片质量的条件下，获得了一定的转速。为了减少转速（当风力增大时），必须增大离心片质量。但离心片在旋转，很难靠近它。于是矛盾可以这样来消除，使离心片具有形成气动制动的形状，即把离心片制成具有负迎角的翼状。由此显而易见，如果需要改变转动物体的质量，而其质量又不能按照一定的要求改变，那么应使该物体成为翼状的，改变翼片运动方向的倾斜角度，便可获得需要方向的附加力。

（9）预加反作用

1）如果需要实现某种作用，则应提前施加反作用。例如：利用弹簧或油的阻尼作用制成的避振器，可以吸收能量；机床导轨磨损后会中部下凹，为延长导轨的使用寿命，预先将其中部制成有少量突起的形状；在有核辐射处工作的人员佩戴防护装置，以免受射线伤害；防毒面具等。

2）如果物体处于受力或将受力状态，为提高其抗力，可预先施加一个反方向的应力。例如：预应力混凝土构件；对承受拉应力的部位预先施以压应力；强化轴，为了提高轴的强度，由若干层管子套起来制成轴，将这些轴预先按计算出的角度扭转；杯形车刀车削方法是，在车削过程中车刀绕自己的几何轴转动，为了防止产生振动，应预先向杯形车刀施加负荷力，此力应与切削过程中产生的力大小相近，方向相反。

【案例2-11】新型割草机设计

一般用割草机修剪的草坪不是很平整，因为割草机刀片接触到草时，草会向前“倒伏”，而使修剪后的草坪参差不齐。新型割草机上装有一个专用部件，可以在即将修剪的草上预加一个力，先使其前倾，再反弹回来（由于草具有一定硬度和弹性），使割草机刀片接触到的草是直立的，就可以使修剪后的草坪平整。

（10）预操作

1）在操作开始前，使物体局部或全部产生所需的（避免不利的）变化。例如：瓶装的粘合剂，使用时很难将其涂抹得平整均匀，而胶带纸就省去了涂胶的麻烦，还能收到良好的效果；螺纹联接的防松装置；物品的防腐处理；为提高轴承的刚度而将其预紧；在将蔬菜运到食品加工厂前，进行预处理；在印制电路板用预先制作的胶片连接各碎片；美工刀可掰下用钝的部分使其保持锐利等。

2）预先将物体安放妥当，使其处于易操作状态，以免由于等待操作而浪费时间。例如：柔性生产单元；灌装生产线中使所有瓶口朝一个方向，以提高灌装效率；在主动式悬架系统中，通过检测悬架系统的运动，控制系统可预知将要发生什么，并控制悬架系统的刚度和阻尼特性等。

【案例2-12】利用“预操作”原理实现封闭空间内的压力

在某些实际工程中，需要在一个封闭空间里产生足够的压力。一般可用一个泵来充气加压，但还有更巧妙的办法，预先将一种在分解时能放出气体的物质，例如固体CO₂（干冰）放入封闭的空间，这样在加热过程中，干冰汽化，就会在空间内产生巨大的压力。

（11）予补偿（预先缓解）对可靠性较低的对象，预先准备防范措施加以补偿。例如：飞机上的降落伞；航天飞机上的备用输氧装置；用等离子束加工无机材料如光纤时，为提高机械强度，预先往无机材料上涂敷碱金属的溶液或熔融体；用事先涂敷可使小裂缝愈合的物质的办法，套上一个紧箍环，如树木感到该处有“病”，于是向那里输送营养物质和治疗物质，这样，在树枝被锯之前这些物质便积聚起来，锯后锯口会迅速愈合；为了防止商店货品被偷，在货品上上一个带有磁化的特殊标签板，出门时报警，顾客付款时收款员将其消磁，因而若不付款就带不出去等。

【案例2-13】加入玉米分子促使塑料分解

塑料很难分解，造成了很严重的环境问题。将玉米淀粉和塑料加工成化合物。其中的玉米淀粉可促使塑料分解。在塑料结构组织里混入玉米分子，再加上湿气和微生物的作用，塑料就会很容易地在土壤里被分解，成为可降解材料。

（12）等势 改变工作条件，使物体不必上升或下降.例如：在压力机上安装带有输送轨道的附件，就可使沉重的压模在换模时不必升降；工厂中的自动送料小车；汽车检修时，工人在地沟里操作，可免去将汽车提升等。

图2-24 鹤式起重机四杆机构简图

【案例2-14】鹤式起重机四杆机构

图2-24所示为鹤式起重机四杆机构简图。其中的四杆机构ABCD为双摇杆机构，主杆AB摆动时，从动杆CD随之摆动，位于连杆BC延长线上的重物悬吊点E沿近似水平直线运动，可不改变重物的势能。

（13）反向

1）不按规定的条件操作，而进行相反的操作。例如：为了拆卸处于紧配合的状态的两个零件，可利用热胀冷缩原理，采用冷却内部零件的方法，而不用加热外部零件的方法等。

2）使物体或外部介质的活动部分成为不动的，而使原来不动的成为可动的。例如：机床加工工件时，可以刀具固定，工件旋转，也可以反过来，工件固定，刀具旋转；自动扶梯上，人是静止的，与人上楼梯相反；健身器材中的跑步机；用研磨的方法清洗零件时，用振动零件代替振动研磨剂等。

3）使物体倒置。例如：将一个部件或机器保持翻转状态，以安装紧固件；将自行车倒过来，以便维修；竹筒倒豆子等。

【案例2-15】新型除尘过滤器

在研究除尘的过滤器时，最初过滤器用两块磁铁制成，在磁铁之间是铁磁粉末；后来发明的过滤器则是相反的。对液体或气体进行机械清洗的电磁过滤器，它包括有磁场源和颗粒状磁性材料制的过滤组件，为降低单位耗电量和提高生产率，过滤组件放在磁场源的周围，以形成外部闭合磁路。

（14）曲面化

1）用曲线代替直线，用曲（球）面代替平面，用球体代替立方体。例如：为增加建筑结构强度，采用拱形或圆弧形结构；为减少空气阻力，机翼和车身采用流线型等。

2）采用辊子、球体、螺旋。例如：把管子焊入管栅的装置具有球形电极；计算机的鼠标利用球状结构，把笛卡尔二坐标轴运动转化为矢量运动；家具底部安装球形滚轮，以便移动；为了减少摩擦，平面输送机中的辊道、轴承中滚动体的形状多用球形、辊子；千斤顶中的螺旋机构可以产生很大的举升力；螺旋伞齿轮可承受很大的负荷等等。

3）用旋转运动代替直线运动，以利用离心力的作用。例如：洗衣机利用离心力甩干水分；离心式调速器；离心铸造等。

【案例2-16】与地形保持一致的收割机滚筒

在土豆收割机上，滚筒制成一个旋转的双曲面体，该双曲面由两个直立的盘子组成，用木棍通过圆周上的点连接起来。两个盘子可以相对旋转，通过机械轴将这两个盘子和收割机连接起来。当盘子旋转时，滚筒外廓就会随地形改变而改变，因而起到仿形作用，使收割机与地形保持一致。

（15）动态化

1）使物体（或外部介质）的特性，在每一工作阶段都能调整到最佳状态。例如：飞机中的自动导航仪；汽车上的可调整反光镜；可反馈控制的轧辊；带伺服系统的控制装置；采用带状电焊条进行自动电弧焊时，为了能大范围地调节焊池的形状和尺寸，把电焊条沿着母线弯曲，使其在焊接过程中呈曲线形状，以适应最佳焊接工况的要求等。

2）将物体分成可彼此改变相互位置的几个单元。例如：闪光灯的底座和灯头之间用柔性的S形管连接；带有弹性元件的弹性联轴器；将运输用圆柱形容器改成铰接的两半圆柱形部分，可以开合，以便于物料的装卸；计算机的蝶形键盘等。

3）使不动的物体成为可动的或可替换的。例如：带挠性轴的电钻；医疗中所用的挠性肠镜；用带柔性光学内孔件检测仪检测发动机等。

【案例2-17】直升机上的无线电接收装置

如何在直升机上选择一个便利的位置来安装一个体积大的无线电接收装置，天线可以固定在直升机推进器的机翼上，再将天线连接到驾驶舱内的仪表盘，因为体积可以做得很大，因此这种天线很有效，可使天线具有适当的仰角，其扫描速度很高，可达240r/min。

（16）部分作用或过量作用

如果难以100%地达到所期望的功效，则应接受略有出入（略小或略大）的功效。这就使问题大为简化。例如：在圆柱表面涂漆，可以将其浸泡在盛漆的容器中完成，取出后通过快速旋转甩掉多余的漆；要使金属粉末均匀地由料仓漏出，须在送料斗内部设有一个特殊的漏斗，使其装填的稍过满，以保证压力接近定值。

（17）变化维度

1）将物体的线性运动问题，转化为在二维度（即平面）上运动问题；同样，也可将平面运动问题，转化为三维空间运动问题。例如：五轴机床的刀具可被定位到所需的任意位置上；为了扫描一个物体，红外线计算机的鼠标需要在三维空间里运动，而不是在一个平面中运动等。

2）利用多层结构替代单层结构。例如：印制电路板的双层芯片设置；能装六个CD盘的音响装置，不仅增加了连续播放音乐的时间，而且也增加了可选择性。

3）将物体倾斜或侧置。例如：带有可倾斜料斗的自动卸料车；滑梯等。

4）利用给定表面的反面。例如：双面打印机；叠层集成电路等。

5）把影像投向相邻面或反面。例如：用激光将影像投射到空中水幕上，形成“水幕电影”；多向投影仪等。

原理（17）中的1）可以同原理（7）和（15）中的2）联合，形成一个代表技术系统总发展趋势的链：从点到线，然后到面，到体，最后到许多个物体的共存。例如：温室内部设有凹面的反光设备，在白天反射阳光，以使温室的光照均匀；冬季的圆木在圆形停泊场水中存放，为了增大停泊场的单位容积和减小受冻木材的体积，应将圆木扎成捆，使其横截面的宽和高超过圆木的长度，然后立着放。

（18）振动

1）使物体振动。例如：铸件用振动造型、清砂；在浇注时振动铸型以改进金属流动和铸件品质；振动式电动剪刀；电动雕刻刀具上的振动刀片等。

2）如果物体已在振动，则提高它的振动频率（甚至达到超声频率）。一般对于振动设备来说，提高振动频率，可以提高生产率。例如：通过振动分选粉末；振动给料器；振动筛等。

3）利用共振频率。例如：无锯末断开木材法，为减少工具进入木材的力，使用脉冲频率与被断开木材的固有振动频率相近的工具。

4）用压电振动器替代机械振动。例如：石英晶体振动驱动高精度手表。

5）使超声波同电磁场耦合。例如：在高频炉中混合合金。

【案例2-18】通过振动评定保险丝的等级

熔丝里充满了氧化铝，可以根据氧化铝的密度来评定熔丝的等级。为了测定熔丝所含氧化铝的密度，可以使熔丝在正常频率下振动，采集试验信号。如果氧化铝颗粒太松散，由于熔丝内部的摩擦力，使得信号就会很弱，通过对信号的分析就可以对熔丝进行准确的评定。

（19）周期作用

1）用周期作用（脉冲）代替连续作用。例如：用冲击扳手振松锈住的螺母，比用连续力好；自动装配线通过输送带（链）的作用，保证周期性的装配；采用闪动的报警灯，比连续灯光更引人注目。

2）改变周期运动的频率。例如：用频率调音代替摩尔斯电码。

3）利用脉冲的间歇完成其他附加的作用。

例如：用热循环自动控制薄零件的触点焊接方法是基于测量温差电动势的原理，为提高控制的准确度，用高频率脉冲焊接时，在焊接电流脉冲的间隔测量温差电动势；医用呼吸器中，每压迫胸部五次，呼吸一次。

【案例2-19】用热电偶进行较难接近位置的测量

将一个周期性的电脉冲施加在热电偶上，就可以进行测量。这时，电脉冲加热热电偶，在两个脉冲之间，热电偶连接可以测量热电偶产生的热电流。随着热电偶逐渐变冷，脉冲力的频率也会改变，但是仍然可以测量。

（20）有效作用的连续性

1）连续工作时，物体的所有部分均应一直满负荷工作。例如：静电复印机将多个工作头环绕在硒鼓周围，在硒鼓旋转的过程中，由多个工作头顺序对硒鼓的同一位置施加作用，使复印功能可以循环进行（图2-25）；当车辆停止运动时，飞轮或液压蓄能器储存能量使发动机处于优化工作状态。

图2-25 静电复印机工作过程示意图

2）消除空转和间歇运转。例如：为提高加工效率，使钻头切削刃在工具的正反行程均可有切削作用；加工轴承滚道的摇摆磨床，来回都能磨削；针式打印机的双向打印等。(https://www.xing528.com)

3）用旋转运动代替往复运动。例如：用铣床代替刨床：用旋转拉刀代替直线运动的拉刀等。

【案例2-20】在车轮旋转过程中修复车轮外形

车轮必须有一个适当的外形。随着使用过程中的磨损，车轮的外形会发生变化。因此，需要经常把车轮拆卸下来修整外形。一种新的修整外形的方法是，可以在车辆行驶中，自动修复车轮外廓。具体作法是，在火车上安装一种特殊的切削刀具，在车辆转弯时，车轮被转向切削。

（21）跃过不利过程（减少有害作用的时间） 快速跃过有害的、危险的过程或阶段。例如：用于切割薄壁塑料管的刀具，为了防止切削时管子变形，采用很高的转速（在管子有可能发生变形之前切好）；采用具有高能量密度的激光束作为热源，可减少高温影响区域、缩短加工时间，从而减少焊接的变形；生产胶合板时用烘烤法加工木材，其特征是：为保持木材的本性，在生产胶合板的过程中直接用300～600℃的燃气火焰短时间烘烤木材；修理牙齿的钻头高速旋转，以防止牙组织升温等。

【案例2-21】土豆的防腐处理

表面附着细菌的土豆极易腐烂。加热虽可以杀菌，但过热就会把土豆烧熟。为此，可以将土豆暴露在温度高达500～850℃的火焰中4～8s，这样就可以杀死细菌而不影响土豆的内质。

（22）变害为利

1）利用有害因素或对环境的有害影响获得有益的效果。例如：利用余热发电；利用秸秆作建材原料；生产再生纸等。

2）采用与其他有害因素相结合的方法来消除有害因素。例如：在腐蚀性溶液中加入缓冲性介质；潜水中使用的氮氧混合气，以免单独用氧气造成昏迷或中毒。

3）增加有害因素的作用直到它不再有害为止。例如：超导、超声的应用；使冻结的材料经受超低温作用，可加速恢复材料的颗粒和降低劳动强度，譬如在砂或砂石运输时经过寒冷气候区冻结，用过冷（如液氮）使其脆化，就易于倒出。

【案例2-22】高频淬火

使用高频电流加热金属时，只有外层金属变得很热，而芯部温度变化很小，这种温度不均匀现象，对于需要金属整体加热来说，是不利的。但却可利用这种现象进行高频表面淬火，使金属表面硬化，具有高耐磨性、高抗接触疲劳能力。

图2-26 自行车前轮转向示意图

（23）反馈

1）引入反馈，以改变过程和动作。例如：使某种装置偏离理想工作状态时，可以自动纠正系统工作状态的偏移，保持稳定性，如自行车在行驶过程中由于路面颠簸会使车把偏离正确的行驶方向，当车把向左侧（内侧）偏转时，自行车开始向左转弯的加速运动，车轮与地面的接触点受到地面的反力，这个力对车把（前叉）的力矩可使车把恢复正确的行驶方向（图2-26）；又如：既要控制冰水混合物的配比，又需要一个准确的总质量时，因为精确地配放冰有困难，可先测量冰的质量，并将其输进水的控制系统，以精确地配入所需水量；观测出口压力，压力过低时开动水泵以保持水井压力；音频电路中的自动音量控制；加工中心的自动检测装置；声控喷泉；为提高控制指定温度值的动态精度，随废气中硫含量的变化而改变材料的供给量，可自动调节硫化物沸腾层焙烧温度；自动导航系统等。

2）如果已有反馈，则改变反馈信号的方向或相位，使其实现负反馈。例如：用消除噪声装置提取噪声信号，改变其相位后反馈回来，以消除噪声源的作用；自动调温器的负反馈装置；通过顾客不满意的信息反馈，有针对性地实施纠正措施，以赢得顾客满意等。

【案例2-23】电动机的阻抗

为了使电动机有效地工作，运转时的磁通量必须具有较低的阻抗值。然而，较低的阻抗值会使短路时产生强电流，致使电动机受到损伤。在这种情况下，又需要高阻抗。为了限制短路电流强度，可以利用钢铁的电磁饱和效应，即利用钢铁的磁场能和其传导性的非线性关系。在正常操作过程中，只有磁电路稍微变窄，阻抗值就会有微量增加。如果电流突然增大，由于电流的自饱和及阻抗值的增大，会自动限制额外电流。

（24）中介物

1）利用中介物传递或执行动作。例如：当把电流引入液态金属时，为了减少能量损失，使用冷却的电极和有较低熔点的中间液体金属；机械传动中的链传动、带传动、惰轮；机械加工中钻孔用的导套等。

2）将一个易于移动的物体暂时与另一个易分开的物体连接。例如：机械手抓取重物并移动重物到另一处；用托盘托住热茶壶；用钳子、镊子帮助人取物；测量在稠密介质中动态张力仪器的校准方法，需要在静态条件下装入介质样品及置入样品中的仪器，为提高校准精度，应利用一个柔软的中介组件把样品及其中的仪器装入等。

（25）自服务

1）使设计对象能实现自我服务，完成附加或检修操作。例如：为了在碾压辊子表面均匀涂抹研磨材料和防止给料槽磨损，给料槽表面由相同的研磨材料制造；电焊枪中的焊条一般都是利用专门装置进给，若利用电焊电流控制的螺旋管供给焊条，则大为简化；在焊接铝和铁时，无法直接焊接在一起，可先用铁片做一个界面，一面焊铁，一面焊铜，然后再用普通焊接技术焊接铝等。

2）利用多余的材料、能量和物质。例如：钢厂利用余热发电；用动物的粪便作肥料或沼气等变废为宝的措施。

【案例2-24】在绝对低压下长期工作的水管会产生许多小洞，这些小洞通常会被水里的一些腐蚀材料堵住，而实现自我修复。

（26）复制

1）用简单而便宜的复制品代替难以得到的、复杂的、昂贵的、不方便的或易损坏的物品。例如：对复杂的系统可以用虚拟现实技术进行研究，如汽车、飞机、航天器的模拟训练舱；通过模型试验代替真实物体的实验；观看体育比赛的电视，可代替到现场观看等。

2）用光学拷贝（图像）代替物体或物体系统，此时要改变比例（放大或缩小复制品）。例如：看专家讲座的录像代替到现场听讲；用卫星相片代替实地考察；高物体的高度可由测量它的影像来求得；由图片测量实物尺寸；用B超观察心房大小等。

3）如果已采用可见光的复制件，则可用红外线或紫外线来代替。例如：用红外线成像探测热源。

【案例2-25】大地测量学直观教具

大地测量学直观教具是一个平面艺术全景，其特征是：为进行地形图像全景测量摄影，教具按视距摄影数据制成，并在地形的有代表性的各点上配备缩微视距尺。

（27）用廉价而寿命短的物体代替昂贵而寿命长的物体

综合考虑其他性能（如寿命），用一组廉价物体代替一个昂贵物体。例如：一次性纸杯；一次性餐具；用农作物的秸秆代替木材，生产家具、建材；一次性捕鼠器有一个带诱饵的塑料管，老鼠通过锥形入口进入捕鼠器，孔壁有一定角度，老鼠只能进，不能出。

【案例2-26】可以读出最大值的水深测量管

水深测量管的原理是：将水深测量管安置在电缆的端部，随着电缆的下沉而下沉，在下沉的过程中，测量管内的空气所受压力越来越大，水位逐渐上升，问题在于如何标记上升水位最大高度的位置。漂浮在管内水面的有色油漆，可以标记置于管内的杆，这样就可以记下水面的最大值，而免于用复杂而昂贵的仪器。

（28）机械系统的替代

1）用光学（视觉）、声学（听觉）、气味学（嗅觉）等系统代替机械系统。例如：在天然气中混入难闻的气体，代替机械或传感器，警告人们天然气的泄漏；用声音栅栏代替实物栅栏（如用光电传感器控制小动物进入房间）；用光学传感器、声学传感器代替机械传感器。

2）用电场、磁场和电磁场同物体发生感应。例如：要混合两种粉末，可以使其中一种带正电荷，另一种带负电荷；为增强热塑材料与金属涂层的粘合和涂层的密实性，在电磁场中进行加温、加压。

3）场代替。将移动场变为固定场；由静态场转换为动态场，由随机场变为确定场。例如：早期的通信系统用全方位检测，现在用定点雷达预测，可以获得更加详细的信息。

4）采用铁磁微粒的场。

【案例2-27】采用电磁能搅动金属

为了生产高质量的金属，在金属熔化过程中，就必须持续不断地搅动金属。将一些类似于感应电动机的线圈放置在熔炉下面，以产生流动性的电磁场。该电磁场在熔融金属产生的电力学压力可以搅动金属。这种方法还有一个优点，即可以产生应用于金属的、以热能形式存在的额外能量。

（29）采用气动和液压结构

用气动结构和液压结构代替物体的固体结构（零件），这些零件可用气体和液体作为膨胀介质或实现静压减振。例如：静压轴承和流体动压润滑轴承；为了增大工业烟窗的抽风力而安装了带有多个喷口的螺旋形管，当空气流经喷嘴时，产生一个空气挡壁，使排烟阻力减小；车辆减速时用液压系统储存能量，车辆运行时再释放能量；充气沙发床；气垫运动鞋能够减少运动对足底的冲击等。

【案例2-28】用“气袋”法压紧、隔离物体

运输易碎物品时，采用空气囊和泡沫材料将其压紧、隔离；起重机抓斗利用充气组件工作；在锯木装置中利用气囊夹持易碎制品。再如，为使船的推进器轴同螺杆套连接，可在轴内做一槽，槽内放置一个充进压缩空气的容器，此容器胀大并将螺杆套挤到推进器轴上，这种“气袋”连接比较简易，因为不需要精磨相接平面。同时，这种连接可以消除冲击负荷。由此可见，技术领域虽然不同，但问题和解决方法是绝对相通的。这里有一个简单原则：如果需要短时间使一种物体与另一种物体紧紧靠住，则应用“气袋”法。“气袋”使一个制品紧靠另一个制品，这是典型的物场系统.在该物场系统中，“气袋”起着机械场的作用。按照物场系统发展的一般规律，该场必然会被铁磁场系统所替代，如：在“气袋”中加入铁磁粉末，利用磁场使物体挤靠紧。

（30）柔性壳体和薄膜

1）用柔性壳体和薄膜代替一般的结构。例如：用充气薄膜作为网球场的冬季覆盖物。

2）用柔性壳体和薄膜使物体同外部介质隔离。例如：为提高膨胀程度，在充气混凝土制品的浇注原料上罩以不透气薄，然后在模型中静置成形；种蔬菜用的塑料大棚；用薄膜将水和油分别储藏等。

【案例2-29】利用“柔性壳体或薄膜原理”防止货物移动

货仓内的货物移动是运行中的一种潜在危险。防止货物运动的一种可行的方法，是将其放在一个相当大的带有弹性衬垫的柔性密封箱中，然后抽出里面的空气，产生低压，这样使箱子的板面就可以压紧货物；还有按这种原理制成的衣物储藏袋，经抽气后压缩，使其所占体积很小。

（31）多孔材料

1）把物体作成多孔结构或利用附加多孔元件（插入件、覆盖件、涂层等）。例如：粉末冶金含油轴承；在一个结构上钻孔，以减轻质量；利用泡沫塑料、海绵和多孔棉等。

2）如果物体已是多孔的，可事先用某种物质填充孔隙，以改善其性质。例如：利用一种多孔材料，吸收接头上的焊料；利用多孔钯储藏液态氢；利用海绵储存液态氧等。

【案例2-30】改进电动机冷却效果

为了消除冷却剂被吸入电动机的麻烦，电动机构件由渗入了液体冷却剂的多孔材料制成，在电动机工作时冷却剂蒸发，因而保证了短时、有力和均匀的冷却。

（32）改变颜色

1）改变物体或外部介质的颜色。例如：在洗相片的暗房中要求采用安全的光线，红色的灯对黑白胶卷是安全的。

2）改变物体或外部介质的透明度。例如：在半导体制作过程中，利用照相平板印刷术将透明的物质变为不透明的，使技术人员容易控制制造过程；而在丝绢网印花过程中，则是将不透明的原料变成透明的，透明的包装使顾客能够看到里面的产品；采用透明绷带，则不必取掉便可观察伤口；在轧钢机旁的水幕保护工人不致感到太热，但水幕只能防红外线而不能防止熔化的钢发出的亮光，这时可在水中加入颜色起过滤作用等。

3）为了观察难以看到的物体或过程，加入染色添加剂。例如：为了观察透明管路中的水是层流还是紊流状态，常用某种带颜色的流体从入口流入。

4）如果已采用了这种添加剂，则还可采用荧光粉。例如：电灯和接线板开关按钮上涂荧光粉，以便夜间识别。

【案例2-31】移动冰上的轮船

一艘北极探险队的轮船卡在冰上，虽然距离流动海水只有2km，但却难以打破冰面，最后还是沿船行方向撒炉灰解决了问题，因为黑色的炉灰吸收地热光的能量，沿着冰面就融化出一条水路。

（33）同质性

同指定物体相互作用的物体应当用同一（或性质相近的）材料制成。例如：为了补偿在铸模中成形的制品的收缩，芯模和铸模用与制品相同的材料制造；磨粒送料器表面由与通过料斗采用与物料相同的材料制成，从而使其表面得以不断地修复而不磨坏；为了减少化学反应，盛放某物体的容器应使用与该物体相同的材料制造；用金刚石切割钻石产生的粉末可以回收等。

【案例2-32】高纯度铜的储存

存放在一般容器里的高纯度铜都很容易被污染，以致降低本身的固有属性。为了避免这种情况，可以将高纯度铜储藏在以同质材料制成的容器里。

（34）抛弃和再生

1）已完成自己的使命或已无用的物体部分应当抛弃（报废、分离、溶解、蒸发等）或在工作过程中直接变化。例如：开枪射击后子弹壳跳出；多级火箭助推器在实现其功能后脱离；用可溶解的胶囊作为药面的包装；可降解的餐盒等。

2）立即修复一个物体中所损耗的部分。例如：割草机的自刃磨刀机；检查焊接过程的高温区的方法是向高温区加入光导探头，为改善在电弧焊和电火花焊接过程中检查高温区的可能性，利用可熔化的探头，它以不低于自己熔化速度的速度被不断地送入检查的高温区。

【案例2-33】复杂凹槽的加工

某些零件表面有很多复杂的、难以加工的凹槽。可以通过电线形成这些凹槽。把电线弯成所需形状后紧贴在面板上，在各条电线间的空余空间添加熔融的金属或环氧树脂。当添加物变硬后，利用化学腐蚀的方法把其中的电线除掉，即可得到所需凹槽。

（35）变参数以改变物体的物理、化学状态

1）改变物体的物理状态，即让物体在气态、液态和固态之间变化。例如：使氧气处于液态，便于运输；制作夹心巧克力时，将夹心糖果冷冻，然后将其浸入热巧克力中。这里包括的不仅是简单的变换，例如从固态变换到液态，还有向“假态”（假液态）和中间状态的变换，例如采用弹性固体。

2）改变物体的浓度和粘度。例如：从使用角度看，液态香皂的粘度高于固态香皂，且使用方便。

3）改变物体的柔性。例如：用三级可调减振器代替轿车中不可调的减振器；用可调断音装置减少物体沿容器壁落入容器产生的噪声；用工程塑料代替普通塑料；降落跑道的减速地段建成“浴盆”形状，里面充满粘性液体，上面再铺上厚厚一层弹性物质；在一个用于脆性易碎物的系统中，为了控制工艺过程，进给螺旋机构由两个可微调螺距的螺旋弹簧组成。

4）改变物体的温度。例如将钢加热到相变温度以上，可以获得不同性能的组织或晶粒；使金属的温度升高到居里点以上，金属就会有铁磁体变为顺磁体；为了保护动物标本，需要将其降温等。

【案例2-34】将颗粒材料按颗粒大小分层

通过将颗粒材料与液体相混合的方法，可以实现材料按颗粒大小逐渐分层。具有不同颗粒材料与液体混合后，颗粒材料逐渐沉淀，大颗粒会迅速沉到最底端，依次是较小的颗粒下沉。尽管如此，也很难将其分层。因为轻微的动作都会引起不同颗粒材料的再次混合。但如果将已分开的材料冻结，就会很容易地分开颗粒层。

（36）状态变化（相变）

利用物质状态变化（相变）时发生的现象，例如体积改变、放热或吸热，实现某种效应。例如：热泵利用吸热、散热原理；水由液态变为固态时体积膨胀，可利用这一特性实现较小的定向无声爆破；为了控制橡胶管子的膨胀程度，将其充满水并冷却到结冰的温度。

【案例2-35】提高管塞头的密封性

为了规格统一和简化结构，将密封横截面形状各异的管道和管口的塞头制成杯状，里面装有低熔点合金，合金凝固时膨胀，从而保证了结合处的密封性。

（37）热膨胀

1）利用材料的热膨胀或收缩。例如：在大过盈配合联接安装时，将外部零件加热，内部零件冷却，套装后置于常温中。

2）利用线胀系数不同的各种材料。例如：双金属片传感器；热敏开关（两条粘在一起的金属片，由于两片金属的线胀系数不同，对温度的敏感程度也不同，因而可实现温度控制）。

图2-27 天窗自动控制装置

【案例2-36】自动开启的温室天窗

为了控制温室天窗开关，在天窗上连接了双金属板。当温度变化时，双金属板就会相应地弯曲，或采用记忆合金弹簧的随温度伸缩（图2-27），使天窗开启或关闭。

（38）强氧化作用

1）用富氧空气代替普通空气。例如为了在水下持久呼吸，水中呼吸器储存浓缩空气，为了使氧乙炔炬中产生更多热量，充进氧气以代替空气。

2）用氧气替换富氧空气。例如：医用高压氧舱，可加速创伤的恢复。

3）用离字化辐射处理空气或氧气。例如：在化学试验中使用离子化氧气加速化学反应，使电子和离子的浓度达到一定的数值时，物质的状态也就起了根本的变化，其性质也发生相应的改变，离子切割时配合不同的工作气体，可以切割各种氧气难以切割的金属，尤其是对于有色金属。

4）用臭氧化了的氧气。例如：利用在氧化剂媒介中化学输气反应法制取铁箔时，为了增强氧化和增大鉄箔的均一性，该过程在臭氧媒质中进行。

5）用臭氧代替离子化的氧气。例如：臭氧医学的发展，利用臭氧的强氧化性和活性，来灭菌、消毒、增强氧代谢，治疗烫伤、进行外科清创等。

【案例2-37】防止乙炔切割钢板时火花飞溅

用乙炔切割钢板时，在气体的压力下融化的金属会带着火星飞溅出来。这时如果在乙炔气流周围环绕一层纯氧，当切割中心火焰温度达到1500℃时，飞溅出来的金属熔物就会在纯氧层里烧掉，而不会再带着火星飞溅出来。

（39）惰性环境

1）用惰性介质代替普通介质。例如：为了防止炽热灯丝的失效，将其置于氩气中；为了避免棉花在仓库中失火，可在运输和贮存的过程中，用惰性气体对棉花进行处理。

2）工艺过程在真空中进行。

【案例2-38】第二次世界大战期间，飞机经常因着火而迫降，因为当飞机的油箱被子弹击中时会发生燃烧事故。发生这种情况的原因往往是由于油箱没有注满，也就是说，油箱的部分空间充满了燃料气体。为了解决这一问题，可以在油箱中放入废气，因为废气里面没有氧气不会燃烧，就这样就可以有效地阻止燃料的燃烧。

（40）复合材料 用复合材料代替单质材料。例如：飞机的机翼用塑料和碳纤维复合材料制造，以减轻质量并具有高强度；用复合环氧树脂/碳化纤维制成的高尔夫球杆更加轻便、结实；飞机上的一些金属部件用工程塑料取代，使飞机更轻；一些门把手用环氧基树脂制造，以增强把手的使用强度；用玻璃纤维制成的冲浪板，更加容易控制运动方向，也更加易于制成各种形状；在热处理时，为保证规定的冷却速度，采用介质作金属冷却剂等。

【案例2-39】一般使用质量轻的非限制性材料制作防火服。然而，轻薄的材料的隔热性能一般都比较低。聚乙烯纤维层是由弹性体或弹性材料组成的，这些材料可以在外界温度升高的同时逐渐膨胀，这样就可以有效地起到隔热作用。