寻找原理解的有效方法

关于功能原理解的求解方法大致可分为两大类：一类是三种基本求解方法；另一类是根据功能类型的不同而区别采取不同的求解方法。

1.三种基本方法

（1）直觉法 直觉法是指凭借设计师的直觉灵感思维能力（包括经验、智慧和创造力等），能够直接、快速地抓住问题的实质，来寻求功能的原理解。它要求设计者不仅具有比较宽广的基础理论知识和专业知识，能够运用第2章所介绍的各种创造性的设计思维方法（如联想类推法、系统搜寻法、组合创新法、智暴法等），而且善于观察思考、联想与判断，敢于提出创新的见解。

直觉法并非神秘或无中生有，而是凭借设计师经过长期积累和持久地思考而突然产生的一种解决问题在认知方面的质的飞跃（勤奋加灵感）。例如某公司有一名叫小野的工程师，于一次雨后步行中，在路旁无意中发现一团团废纸，被雨水淋湿后都自动伸展开来。后来，他抓住这一物理现象经过苦苦琢磨，终于发现并利用废纸干湿卷伸原理研制成功一项专利产品——纸型自动控制器。

（2）调查分析法 调查分析主要从下述两方面进行：一方面进行检索，即大量查阅文献资料，包括专利文献索引、研究生论文、学术报告、专业书刊等。通过互联网进行检索，能更全面更多地掌握国内外当前科技发展概况和多门专业的最新研究成果。另一方面调查分析已有同类产品样机，进行其功能与结构的分析。区分哪些是先进可靠的？哪些已经是陈旧需要加以改进的？这对寻求功能原理解、构思新的方案极其有利。下面举例说明。

【案例5-12】一种小型履带拖拉机“原地转向新功能装置”的求解思路

解：1）产品概述与问题由来。图5-26是一台小型履带拖拉机的外形照片。它以水、旱地田间作业为主，并可进行推土、装载、挖掘等多种小型农田水利工程作业。但其最大特点是具有原地转向功能（即其两侧的履带在转向时可以正反转）。而此种原地转向新功能装置的设计是如何产生的呢？

图5-26 一台小型履带拖拉机的外形照片

原来在该项产品设计开发的使用调研过程中，该厂技术人员发现，传统的履带拖拉机在转向时，造成土壤极不平整，耕作质量很差，而且对于农田土壤的破坏极大。农民讽刺道：“高的像‘山’，深的似‘海’”，“害得我们要将田头地角再重新平整一次”，“就好像两套锣鼓唱一曲戏，又养老牛又养拖拉机”。

2）履带拖拉机传统转向功能原理的分析。问题出在哪里呢？经过对于传统履带转向机构功能原理的反复分析认定：传统的履带拖拉机都是采用两侧式的转向离合器转向机构，在田间地头转向时，一边履带被制动抱死，而在另一边履带行走的驱动下，被制动抱死的履带像一把铲刀一样硬性挤压与铲刮土壤。因此，问题就出在履带拖拉机的老式转向功能原理上。

3）寻求新的转向功能原理。这便启发他们进而思考：既然问题出在履带的老式转向功能原理，能否寻找一种新的转向功能原理呢？消除其在转向时铲刮土壤的弊病。能否让履带转向时，一边履带正转的同时，让另一边不处于制动抱死状态，而是能够反转，因此没有铲刮地皮的现象发生。于是研制开发一种能够实现原地转向新功能原理的新的履带转向装置的设想便由此而产生。

4）寻求新的功能载体

根据此项新的转向功能原理设想，终于找到了一种新的功能载体，即设计研制出一种利用行星齿轮差速器与制动装置相结合的中央转向装置，取代了两侧式转向离合器的传统功能载体，成功实现了原地转向新功能。不仅彻底解决了转向时的耕作质量问题，而且能够极大地缩小转弯半径，提高履带拖拉机的机动灵活性，深受农户欢迎。

（3）设计目录法 设计目录与设计标准手册不同，它提供的不是零件的结构、参数和设计计算方法，而是功能元或分功能的原理解。其优点是将大量的功能原理解以表格的形式进行了科学的分类、排列与贮存，便于查找和调用。因此，它是汇集了前人设计经验很值得借鉴的知识宝库和一种帮助设计师构思设计方案的非常有效的工具，如图5-27～图5-34所示。

图5-27 机械一次增力功能元解法目录

图5-28 四杆机构运动副转换解法目录

（续）

图5-29 部分常用物理基本功能元的解法目录

（续）

图5-30 物料分离的解法目录

图5-31 能量流和物料流的结合的解法目录

图5-32 电能转变为动能的解法目录

图5-33 物料结合的解法目录

图5-34 逻辑功能元的解法目录

【案例5-13】用设计目录法进行手动订书打孔机的方案设计

设计要求：操作手柄做旋转运动，“打孔针”作直线往复运动，杆件数目为4，要求省力。

解：1）确定总功能：打孔。

2）总功能分解：将输入的旋转运动变成直线往复运动输出；将力增大。

3）借鉴图5-35寻求原理解，并选取图中的“2、4、7、9”四个方案。

4）增力机构从图5-27中选取曲杆机构。

5）订书打孔机的原理方案解详见图5-35。

图5-35 订书打孔机的原理方案解

【案例5-14】用设计目录法进行物料运送机构的方案设计

解：1）确定总功能：取运物料。

2）总功能分解：取物、运物。

3）从设计目录中，挑选可能用于物料运送的各种主要解决方案，列于图5-36。

图5-36 能实现物料运送功能的作用原理图

4）最后根据设计具体要求，从中选取比较合适的原理解。

2.根据功能类型的不同而区别采取不同的求解方法

产品的功能类型大致可分为五大类：简单动作功能、复杂动作功能、综合技术功能、关键技术功能和工艺功能。现将各种功能类型的求解思路与方法概述如下。

（1）简单动作功能 用几何形体组合法求解。对于简单动作功能一般采用几何形体组合法求解，即利用极少的元件，实现巧妙的动作，如图5-37所示。

（2）复杂动作功能 用基本机构的组合法求解。对于任何复杂动作的机器，虽然其运动规律多种多样，但无非是一些齿轮、连杆、凸轮、螺旋等基本机构的组合，并以形体实现其功能。而形体设计的主要方法是要依靠形象思维、视觉思维和动作思维来进行形体的构思。即使在现代机电一体化的机器中，仍然大量采用基本机构来实现运动与动力的传递并以形体实现其功能。在机械原理课程中，对于这些基本机构与形体功能已经进行了十分透彻的研究。所以，对于复杂动作功能，一般是采用基本机构的组合法和形体设计来求解实现运动、动力和轨迹等方面的功能。如图5-38所示的硬币机卷边的执行机构。

图5-37 用几何形体组合法实现简单动作功能

a）圆珠笔双动按钮 b）传统形式的拉锁 c）新形式的拉锁

图5-38 硬币机卷边的执行机构

（3）综合技术功能 用物理效应引入法求解。上述两种动作功能都是以纯机械方法和用形体产生动作，属于现有机器的绝大多数情况。而综合技术功能是指在特定条件下，可以用非机械方式实现动作，即采用广义物理效应，实现比机械方法更好的动作和工艺功能。广义物理效应包括力学效应、流体效应、电磁效应以及光、声效应等，详见图5-39。例如电子表和石英钟是实现综合技术功能的典型实例。它引入电磁效应，以石英晶体振动器控制电磁摆来取代机械表的游丝，大大提高了时间的指示精度。在选择物理效应方案时，应注意以下几点：

1）应注意设计要求明细表的具体要求：例如明细表要求采用机械传动的，就可不必再考虑用液压、电磁等技术物理效应。

2）在选择物理效应方案时，不仅考虑某项分功能，还要兼顾到设计的全局。如有可能，应尽量将几种分功能采用同一技术效应来实现，从而使原理方案和结构简化。

3）对于同一种分功能可以提出几种技术物理效应，以便在方案构思和评价筛选时有较大选择的余地。(www.xing528.com)

所以，综合技术功能的求解方法是物理效应引入法，可以通过查阅图5-39来求解。下面举例说明。

【案例5-15】用物理效应引入法求解半挂车的模糊控制复合传动系统

解：1）产品概述与问题由来。半挂车是长途货运的高效运输工具，其燃油消耗比同类型的单车约低40%。因此，大力发展半挂车运输是提高运输经济性的重要途径。但我国幅员辽阔，道路条件复杂多变。国产半挂车基本仅依靠牵引车的后桥驱动，因此存在驱动能力低下的问题。尤其当处于大坡度、大负荷及低附着系数路面的条件下，半挂车处于相当危险的行驶状况，从而限制了半挂车的普及和发展，需要寻找新的出路。

2）半挂车的功能分析。产生上述问题，说明半挂车的功能不足。因此，需要增加如下两项新的功能：

①新增后桥驱动功能。提高半挂车驱动能力的根本办法是，为了充分利用半挂车的附着质量和地面附着力，将半挂车的从动后桥改为驱动后桥，以使发动机的功率得到充分利用。

②新增一项前后驱动的时间同步控制功能。要实现半挂车后桥驱动的关键问题是，如何实现牵引车驱动与半挂车驱动的同步。即需要通过准确地控制半挂车驱动的结合与分离时间，以确保与牵引车速度的同步，从而消除寄生功率循环。为此，还需新增一项前后驱动的时间控制功能。

3）用物理效应引入法探求新的功能原理。为了实现上述两项新功能，必须重新寻求相应的新的功能原理。

①由于半挂车轴距过长，不宜采用机械式驱动。因此必须通过物理效应引入法来探求实现半挂车驱动的新的功能原理。经过分析，对其半挂车后桥采用液压驱动是较为合理的方式。因此，决定以液压驱动原理为其新的功能原理。

②同时还需利用物理效应引入法来探求实现控制半挂车驱动后桥的结合与分离时间。若采用常规液压控制方法，要实现半挂车在不同行驶速度、道路坡度、载重量以及道路附着系数条件下的同步驱动，不仅控制系统相当复杂，而且其可靠性很差。经过具体分析决定采用电磁控制原理。

图5-39 广义物理效应目录图

图5-39 广义物理效应目录图（续）

图5-39 广义物理效应目录图（续）

通过上述分析可知，单从功能原理的角度来看，是将原有纯机械式驱动的半挂车改装为机、电、液复合驱动的半挂车。

4）用物理效应引入法寻求新的功能载体。

①通过物理效应引入法找到实现后桥液压驱动原理的功能载体，即半挂车的复合传动系统，如图5-40所示。

图5-40 半挂车的复合传动系统

由图5-40可知：在牵引车部分，需要增加取力器、齿轮泵、电磁控制阀和液压软管；在半挂车部分，加装液压马达、取力器、传动轴和半挂车驱动桥。

②通过物理效应引入法找到电磁控制原理的功能载体，即模糊控制系统，如图5-41所示。

图5-41 半挂车的模糊控制系统示意图

5）模糊控制复合驱动半挂车的计算机仿真效果。为了评价模糊控制复合驱动半挂车的实际效果，建立了模糊控制复合驱动半挂车的计算机模型，并进行了计算机仿真。其实际效果如图5-42和图5-43所示。

图5-42 半挂车在不同坡度下驶过距离的对比

图5-43 半挂车在不同坡度下车速变化的对比

图5-42和图5-43分别表示加装模糊控制复合驱动系统前后的半挂车，在满载、初速度为30km/h，路面附着系数为0.1，坡度分别为0°、10°、20°的情况下，半挂车的车速变化以及行驶的距离。

从图中可以看出，由于路面的附着系数很小，牵引车的驱动轮开始打滑，此时半挂车的液压驱动系统自动参与工作，使得半挂车驱动能力得到明显提高。仿真结果还表明，在20°的坡度下，可以越过20m以上的长坡；而无液压驱动情况下只能行驶不到10m的距离。

由此可见，经改造后的半挂车具有更好的动力性能、爬坡性能、越野性能以及安全性能。这将为半挂车在丘陵、半山区、山区和高原的广泛使用创造了良好的条件。因此，该项创新成果获得了我国国家专利。

（4）关键技术功能 用技术矛盾分析法求解。关键技术功能是指由于特殊的工作条件或特殊的使用要求，用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或别人目前难以实现的技术高度。它不仅技术要求高，而且其解决的方法也带有某些技术诀窍。这种现象一方面反映出激烈的市场竞争；另一方面又是技术进步的象征。

但无论何种关键技术，一般都是受到某种特殊条件的约束而难以实现的技术难点。因此，其中必然存在着期望值高与约束条件特殊的一对技术矛盾。所以，可以采用技术矛盾分析法，应用特殊的方法（包括特殊材料、特殊工艺、特殊结构或特殊的功能原理），来解决这种关键技术问题。

例如数控机床工作台的精密定位和精密进给精度要求达到每步0.01mm，必须使工作台导轨和传动丝杠的摩擦阻力尽量的小。因此，高刚度、高精度、高效率的，且能实现微动进给与高速进给的静压导轨与滚珠丝杠便成为一项关键技术。

【案例5-16】运用技术矛盾分析法解决医学特殊关键难题的示例：PPT肛痔诊疗器（吻合器）

痔疮是人类的一种最常见的疾病，当其发展到严重时，内痔会经常出血，外痔肿痛，严重影响人们正常工作和生活。传统的治疗方法是依靠人工切割。但切割的伤口愈合非常慢，因为每天大便都会刺激伤口，所以病人每天换药时是一个非常非常痛苦的过程，其疼痛十分难忍，如同“上刑”一样。而且此种痛苦过程延续的时间少则二十几天，多则四五十天。

近年来，我国常州市已经成功引进PPT肛痔诊疗吻合技术，它采取“在痔疮切割前事先将表皮缝合起来，然后再进行痔疮切割”的先进工艺技术，故手术后没有伤口，不仅大大解除了病人的痛苦，而且只需要一周左右时间病人即可出院。它的发明可称得上是运用“技术矛盾分析法”解决“医学特殊关键难题的一种技术诀窍”的成功范例。

那么，此种能够为千千万万痔疮病人带来福音的小小诊疗器其技术诀窍又在何处呢？下面就其工作原理做个简单分析。

图5-44所示为PPT肛痔诊疗器（吻合器）的外形，图5-45为PPT肛痔吻合器术前与术后的对比。通过对比可知，原来痔疮是由静脉曲张引起的。图5-45中左图所示为当静脉曲张严重时的状况，其中两边带黑色的就是外痔，中间两条下垂的组织就是内痔。如果能够设法将下垂的组织向上复位，并缝合好，然后再将多余的组织切除，就可以完全恢复到如图5-45中右图的正常状况。

图5-44 PPT肛痔诊疗器（吻合器）的外形

图5-45 PPT肛痔吻合器术前与术后的对比

图5-46 PPT肛痔吻合器工作过程示意图

a）将组织复位 b）将已经复位的组织缝合固定 c）将待切除组织的上部固定 d）从下部挤压切除组织

图5-46所示为PPT肛痔吻合器工作过程示意图：图a所示为利用PPT肛痔吻合器的导向套将内、外痔组织向上顶起，使其复位；图b为利用缝合装置将已经复位的组织沿内壁一周缝合固定；图c为换上切除装置，切除装置上盖的下平面从上部将待切除的多余组织固定，并做好切除的准备；图d为切除装置从下部开始挤压待切除的多余组织，最后将其切除，然后退出切除装置（内含被切除的组织）和导向套。由于采取事先沿直肠内壁一周缝合好，然后再于缝合线的外部沿直肠内壁一周切除多余的组织（即内痔），因此手术后便无伤口存在，这就是肛痔诊疗器的技术诀窍所在。

（5）工艺功能 用物质—场分析法求解 所谓工艺功能是指工艺类机器的工作头通过某种作用场对其工作对象实施相互作用的功能。例如用钻床的旋转工作头对工件钻孔，或用镗床对工件镗孔。两者的工艺方法以及工作头的形状和动作均不同。所以，工作头的形状、运动方式和作用场是工艺功能的三个主要因素。

而且工作头与工作对象是通过“场”产生相互作用的。所谓“场”，不单指某种物理场，还包括工作头与工件相互作用时所发出的力、运动、电磁、热、光等一切广义的作用场。例如：电火花切割、水力切割、激光切割等所采用的力、运动、电磁、热、光等一切广义的作用场。对于工艺功能问题一般采用物质—场分析法求解。其基本模式是：主体（工作头）→作用场→客体（工作对象），即根据工作对象和加工工艺的特点，寻找合理的工作头和作用场（包括力、运动、电磁、热、光等一切广义的物理作用场），下面举例说明。

【案例5-17】设计一个能完成剪草工艺功能的新型便携式剪草机

解：1）剪草机工艺功能分析。剪草机通过某种力场对客体（草地上的草）相互作用。因此，关键在于寻求各种可能利用的作用场和工作头。

2）剪草机可能利用的作用场特点分析

①拉力——可将草拉断，但加工后的草地不整齐。

②割断力——需先将草上部抓住才能加工，就像农民割麦子一样。

③剪断力——利用剪刀刃合拢时的剪切作用，将草剪断。

④高速抽击力——利用高速抽击力就像小孩用一根软鞭子抽打陀螺，只要其速度足够高，哪怕是一根软绳子也能产生剪草效果。

3）新型剪草机的构思。根据上述第四种作用场的分析，利用一根直径为2mm的高速旋转的尼龙线作为工作头，通过其高速抽打的抽击力作用场就可以构成一台新型的割草机了，如图5-47所示。

图5-47 新型抽击力式割草机