机械设计学教案(全套)

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课程名称 机械设计学 任课教师

第一章 绪论 计划学时 3

教学目的和要求：

1. 明确课程定位，使学生理解机械设计与机械设计学的

内容侧重点和课程特点；

2. 了解机械设计学的发展史；

3. 本课程的内容按章节的分布情况；

4. 要求同学掌握机械设计学的研究重点；

5. 要求同学掌握机械设计的一般步骤。

重点：

1. 设计的基本内涵，机械设计学的学科组成；

2. 机械设计的一般步骤。

难点：

机械设计学的定义、机械设计的一般步骤。

思考题：

1. 如何认识人类文明的一切成果都是设计的产物？

2. 根据“功能”思想，预测下一代家用电器会风靡市场

的是什么产品？

1

本课程以培养学生“能提出创新构思并能尽快将其转化

为有竞争能力的产品”的初步能力为目标，围绕影响产品竞

争力的功能原理设计、实用化设计和商品化设计三个关键设

计环节展开讨论。

科学和技术是两个完全不同的概念，千万不可混为一

谈，科学是指那些基础性的研究，例如数学、物理、化学、

天文、地理、生物……；技术则主要指制造工艺（包括材料

的制备、加工、处理）以及各种制作的技巧、经验等。

第一讲 绪论

教学主要内容：

1. 机械设计的概念

2. “设计学”的核心内容

3. “机械设计学”的学科组成

4. 机械设计的类型及设计过程

5. 传统设计和现代设计

一、 概念

1.机械（Machinery）

机械是依据力学原理组成的各种装置和设备，是机器和

机构的总称。它包括机器、工具、器械、仪器…….

2.机器 (Machine)

机器是人类进行生产以减轻体力劳动和提高劳动生产

力的主要工具。使用机器进行生产的水平是衡量一个国家的

技术水平和现代化程度的重要标志之一。

机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物

料或信息。用来进行物料传递和变换的机器，通常称为器械、

装置或设备，如汽车、拖拉机、谷物联合收割机、农产品加

工机械、空调、洗衣机等。机器是人们改造世界的工具。

用来进行信息传递和变换的机器，通常称为仪器，如测量仪、

照相机、录像机、电视机、手机、打印机、控制和监视仪器

等，仪器(Instruments)是人们认识世界的工具。

3

3.设计

设计是为了满足某一特定需求而进行的创造过程（尽管

设计的难易程度不同）。设计是为了满足需求。需求是推动

社会前进的原动力。人类没有了需求，就会失去向前奋进的

动力，整个社会就会停滞。

4.机械设计

机械设计是设计机器和机构的一种创造性的劳动过程。

在进行机械设计时，要根据使用要求对机械的工作原理、结

构、运动方式、力和能量的传递方式，各个零件的材料和形

状尺寸、润滑方式等进行构思，分析和计算，并将之转化为

具体的描述，以作为制造依据的工作过程。机械设计可以是

应用新的原理或新的概念，开发创造新的机器，也可以是在

现有机器的基础上，重新设计或作局部的改革。因此提高机

器工作能力，合并或简化机器结构、增多或减少机器功能、

提高机器效率、降低机器能源消耗、变更机器零件、改用新

的材料等等，都属于机械设计的范畴。

西的学科。它在总结前人的机械设计经验，努力提炼机械设

计学科思想的基础上，紧紧围绕着影响产品竞争力的三个关

键环节“功能原理设计，实用化设计，商品化设计”来组织

教学内容，安排教学过程。

（启发提问：同学们去商店买东西都想做什么？Why？）

我们可以想一想，我们购买商品首先考虑的是什么？是不

是它的使用价值，它所具有的功能，也就是它具有的可以满

足你需求的功能。至于它用什么原理、用什么材料、采用什

么机构、什么结构并不十分重要。

功能原理设计 它正是使用了功能概念来认识、分析和设

计机器的功能原理。“功能”概念是一个十分重要的概念，

是我们以后讲课中会多次使用的词。因为它在机械设计领域

产生了重大影响，在产品设计中引发了“功能原理”不断翻

新的新气象。

实用化设计 是设计工作中需要实实在在要求做好的环

节。它的核心是要使产品具有优良的“性能”，从实用的角

度使产品好用。

商品化设计 是产品进入市场前对产品进行精心打扮的

环节。这一步工作是要建立在前两个环节的基础上，产品本

身具有商品化的基础，也就是要有先进的功能原理和优越的

实用化性能。如果没有这个基础，只是把落后的产品加以“商

品化”的处理，“金玉其外、败絮其中”，那只能是欺骗行为。

“可以骗人一时，不能骗人永远”。此种行为有时带来的后

果可能是毁灭性的。

我们的目标：

能提出创新构思，并能将构思尽快转化为具有竞争力的

产品。

二、 机械设计的地位与作用

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一） 从大的方面讲

1、 人类一切物质文明的成果均是设计的产物。

也就是说，设计是人类一切物质文明成果的基础。没有

设计，就没有人类物质文明的成果。当然这种设计有的复杂，

有的简单，有的用图纸、文字等形式描述记载了下来，有的

则是由当事人成熟于心、用自己灵巧的双手将成熟于心的构

思用实物的形式表现出来，流传于世。当然这种成果往往易

于流失（失传）。

2、 设计是一个国家文明程度的重要影响因素，是一个国家

参与国际竞争的重要手段。

有了先进的科学技术，而没有先进的设计方法和手段，

同样不能将其转化为强国富民的物质基础。随着科学技术发

展步伐的加快，产品更新换代的步伐也在加快，市场竞争日

益激烈。那种一个产品生产数十年都是一个老面孔的时代已

经一去不复返了（通用汽车的例子）。在此背景下产品设计

工作就会显得越来越重要。

二） 从企业讲

1、 机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的

第一步。它是决定产品性能的最重要因素。机械设计的目

标是，在各种限定的条件（如材料、加工能力、理论知识、

计算手段等）下设计出较好的机械产品（请同学们注意：

这里用的是较好，而不用其它字眼，是因为任何产品都是

7

只有更好，没有最好。好是相对的，是基于现有水平的），

即进行优化设计。设计者的任务就是根据企业的现有条件

和当时的具体情况，权衡利弊，统筹兼顾，使设计的机械

产品具有最优的综合技术经济效果。

2、 机械设计是联接需求到满足需求各个环节中的最基

本环节。设计的目的是满足需求。需求是人们进行创造性

活动的动力和力量源泉。没有需求就没有发展和提高。人

们在实践中，发现了问题，感到不方便，力不从心，就自

然而然地产生了改变现状的心理需求和实际需要。当这种

需求上升到迫切的地步，有一种要解决的冲动时，就想去

设计阶段决定的。如一台谷物联合收割机，它选用多大功

率的发动机、每小时的生产率、机器的损失率、清洁率、

可靠性、适应性、平稳性等性能指标，基本上是在设计阶

段确定下来了的。（这是设计的技术意义）

4、 设计决定产品成本的75-80%

从费用的角度看，设计通常是研制一个产品各阶段花费最

少的阶段。但从后果看，可能是最昂贵的阶段。因为设计

中一个细小的错误，若能在设计阶段就被发现，加以改正，

则是花费最小的。而同样的错误，要是在试制或批量生产

阶段被发现，加以改正，那付出的代价则是巨大的。有研

究资料表明，如果在设计阶段修改一个错误，需要花费1000

元的话，在设计检验阶段这个数字将上升到1万元，在试

制生产阶段则会上升到10万元。（这是设计的经济意义）

实际上，设计不仅决定着产品的制造成本，还在一定

程度上影响着产品的使用成本。如内燃机的燃烧室或燃油系

统设计不当的话，就会使燃油增加，运行费用上升。

三） 从个人的角度讲

1、 机械设计是工程技术人员的成功之基，立业之本

能够把自己成熟的构思变成可以加工生产的图纸，或能

够把集体讨论定下来的设计意图用图纸表现出来，此种表现

可能是线条图(示意图)、也可能是实体图。那将是人生用之

不尽的财富请看P10第六步 表达

9

2、 机械设计是工程技术人员个人能力，知识业务水平的

最直接的体现，也是提高自身价值的重要手段

3、 机械设计是工程技术人员张扬自我、展示个性的重要

载体

三、 机械设计的基本类型

1、开发性设计 它是在工作原理、结构等完全未知的

情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的

新技术，设计出过去没有的新型机械。

如洗衣机工作原理不断更新的设计，就属于开发性设计。

从1911年美国发明搅拌式洗衣机

1928年欧洲发明滚筒式洗衣机

1953年日本发明波轮式洗衣机

2002年中国的海尔发明双滚筒洗衣机，（采用波轮和内

桶双力驱动，双向旋转产生强劲的水流。将波轮的高洗

净比，滚筒的低磨损，搅拌的低缠绕等优点集于一身）

均是开发性的具有自主创新的设计。

这些设计均突破了原有的人工洗衣“先向衣物涂抹肥

皂，然后双手来回搓动衣物”的工作原理，将人手复杂

的空间运动改变成机械易于实现的旋转运动。

2、 适应性设计（改进设计）

它是在原理方案基本不变的前提下，对产品作局部的

变更或另设计一个新部件，使产品在质和量上更能满足使

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用要求。如自行车加电瓶变成电动自行车，使骑行快捷、

轻便；内燃机增加增压器，使其输出功率增大，增加节油

器，可节约燃料；又如现在洗衣机为节能，推出节能型的

洗衣机，采用环保节能球阀，更省水省电；为适应环保，

推出“零洗涤剂”的洗衣机，采用先进的电解水系统，自

来水进入洗衣机后经过电解释放出大量的活性氧离子，并

同自来水中的氯离子结合生成次氯酸离子，含次氯酸离子

的活水不断注入到正在洗涤的洗衣桶内，就能消除污垢与

衣物的结合力，从而使污垢脱离，衣物得以清洗干净。

3、 系列化设计（变型设计）

它是在工作原理和功能结构都不变的前提下，变更现

有产品的结构配置和尺寸，使之适应更多量的要求。如改

变传递转矩和速比而设计的减速器，不同马力的拖拉机等

均属于系列化的设计。它和通常说的类比设计、相似设计

一样，是一般机器设计常用的方法。如现在的洗衣机家族

中，产品系列化程度越来越高，从适合公用的大型、中型

洗衣机到普通家庭使用的一般家用洗衣机，又到适合年轻

人的小型化洗衣机（如“小神童”洗衣机，洗衣重仅为1

公斤，额定功率138W。）。可以说洗衣机的品种越来越多，

越来越能满足各种消费群体的需求。“百货对百客”说的

就是产品的花色品种要多，才能有更多的消费者。

在上述三种类型的设计中，开发性设计难度最大，设

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计周期较长，其余二种类型的设计相对要简单些，设计过

程也较短。在工程实践中，为充分发挥现有机械的潜力，

或扩大机械的功能，后两种类型的设计显得很重要。前一

种设计难度较大，但充满了创造活力，极具挑战性。随着

生产发展及市场竞争的日益加剧，产品应该不断地更新换

代。所以作为一个具有远见卓识的工程技术人员，应该对

开发性的设计予以重视，有所作为。像第一台蒸汽机的发

明引起了世界性的工业革命，计算机的发明更是在更大的

范围，更多的领域内改变着人类的生存、生活方式，大大

促进了整个科学技术的进步。

上述不论哪种设计，都不能没有创新。作为一个设计

人员，必须时刻关心市场的变化，把开发新产品放在重要

的位置，争取在市场上的主动。

四、 设计具有的特征

1、 创新性 创新是设计的灵魂。没有创新，就没有设计。

创新是立于不败之地的公理。创新的目的是使自己拥有自

主知识产权，拥有自己的核心竞争力。

2、 继承性 要设计一种产品，就要了解现有同类产品的

现状、特点、存在的优、缺点，我们要做何种改进。我们

不要担心别人已经把该设计的产品都设计完了，我们没有

什么可以设计的了。“怕没事可做。”我们就是要在前人发

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明创造的基础上，去设计出外观造型更美、功能更强、性

能更优良的产品，使人们的生活更舒适、更方便、更快捷。

这就是我们的责任、价值所在。

3、 时代性 设计水平与所处时代的科学技术水平密切

相关，包括工艺水平、材料等，都会留下时代烙印，都会

受到当时时间、空间的局限。都是随着时代的发展、科学

技术的进步，在不断改进和完善着。所以任何产品都“没

有最好，只有更好”。

4、 政策性 设计人员应了解政府的政策、法令，行业

规定、国家标准等，使设计出来的机器符合相关的规定和

标准。如现在提倡节能、环保、健康、循环经济、可持续

发展，我们在设计机器时就要考虑这些因素，设计汽车，

排放必须达标，否则就不能上市。也就是说：设计人员不

仅要想到为企业服务，创造效益，还要想到应承担的社会

责任，为社会服务。

5、 现实性 设计人员在设计时必须考虑所在企业的现

实条件，考虑实现的可能性。脱离现实的想法和设计都可

能是空中楼阁。

6、 综合性 可以将一切可以利用的科技成果拿来为我

所用，不要仅仅局限于自己所在的学科领域，如电、液、

化、光、控制等均可与机结合起来，设计出体现时代特征，

性能更好的机器。

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7、 时效性 产品是要参与市场竞争的，参与市场竞争

的产品，投放市场要快，尽可能早地占领市场。“应时是

宝，过时是草”。

五、 机械设计人员应具备的素质

1、 创新意识 超前 敢为人先

2、 强烈的使命感和责任感

3、 敏锐的观察力

4、 积极的工作态度

5、 扎实的基础知识

6、 与人合作共事

7、 卓越的组织实施才能，能把构思变成效果图、变成可

实施的工程图

六、弄清几个关系：

1、工艺与设计

工艺围绕产品转，解决的是如何把产品作出来，如何把产

品做得更好、更经济

设计解决的是为市场提供有竞争力的产品，解决的是企业

要干什么，决定企业的发展方向

2、设计与制造

设计在先、制造在后。设计指导制造，而有时制造又反过

来影响设计，完善设计。（见书上第4页）

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3、设计与科研

二者的区别书上给出了个表格，大家可以看一下（三分

钟）。从表上可以看出，二者的区别在于出发点不同、目

标不同、结果不同。

这里我们注意一下：在目标一栏，科研是发现自然规律，

而设计是发明新产品，也就是书上强调的：设计区别科研

的地方更需要人们的创造力，并通过各种工艺手段去创造

世界上还没有的东西，实现人们的构思，最后做出能实现

人们希望实现的功能的产品来。这正是我们的责任。

4、 成果与市场

设计出产品，通过成果鉴定，领导、专家的认可，获

得科研成果，固然重要，但市场才是检验设计好坏的

唯一标准。有一句顺口溜就十分形象地说明了这个道

理：金奖银奖不如用户夸奖；金杯银杯不如用户口碑。

所以我们设计的最终目标是市场上过得硬、叫得响。

只有这样，才能为企业创造丰厚的利润，也能使个人

的价值得到充分体现。

最后强调如下几点：

1、 设计不论对一个民族、一个国家，还是对企业，还

是对我们个人而言都至关重要，应引起我们的高度

重视。

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2、 需求是设计的原动力。我们要做有心人，去发现需

求，去满足需求。所以，设计具有明确的目的性，

它是要创造一个真实的结果，即创造出有物理真实

性的东西。

3、 设计是创造型的劳动。没有创新就没有设计。

4、 设计是一个永远不会完结的过程，因为“没有最好，

只有更好”。所以，你只要具有了设计产品的能力，

就不要担心无事可做。

作业：

1、 设计在人类物质文明发展的过程中起着什么作用？

2、 人类的需求对机械设计学科的发展有什么影响？

3、 根据“功能”思想，预测下一代家用电器会风靡市

场的产品是什么？

通知：

星期四课是现场课。在图书馆后的实验室上。请大家预

习第二章1-3节的内容。

每班分8组。一次一组，每组按1.5小时。具体和庞靖

老师联系。

确定课代表。

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课程名称 机械设计学 任课教师 李玉柱

第 二章 机器的组成及典型机器的功能分析 计划学时 1

教学目的和要求：

6. 使学生理解机器的定义、组成和分类；

7. 使学生会从专业、功能的角度看机器的组成；

8. 使学生会用功能的观点对机器进行分类。

重点：

机器的定义、分类。

难点：

用功能的观点对机器进行分类 。

思考题：

3. 现代化的机器与传统机器的最大区别在哪里？

为什么在机械设计学中要用功能的观点来看机器的组

成？

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第二章 机器的组成及典型机器的功能分析

这一章采用“机器”—词而不用“机械”，是因为“机

械”包括机器、工具、器械、仪器较广的范围，而这里

……

仅讨论其中的与“机器”有关的问题。

第一节 机器的定义

随着生产和科学技术的发展、机器的定义也在不断地发

展和完善。现代机器应定义为：机器是由两个或两个以上相

互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限

定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，以执行人们预

期的工作，在人或其它智能体的操作和控制下．实现为其设

计的某种或某几种功能。

上述基本定义中有两个新的概念：其一是强调机器是实

现某种“功能”的装置；其二是强调了“控制”的概念，而

．．．．

且可以由某种智能体来实现控制。

就拿我们的农机领域里看看现代化的农业机械的发展

吧：

1.拖拉机：在黑龙江友谊农场，“使用GPS系统，七颗

卫星为其定位的大马力拖拉机，驾驶员在驾驶室里躺着睡觉

就可以完成田间作业。”黑龙江农垦总局(下称黑龙江农垦)

九三分局大西江农场场长侯方武兴奋地对《中国经济周刊》

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说。

美国某综合技术学院土地管理系研制成功一种激光

拖拉机，利用激光计算机导航装置不仅能够准确无误地测定

其所在位置及运行方向，使误差不超过25厘米，而且能够

根据送入农场计算机中心的电子图表，查出该处土地的湿

度、化学成分、排水沟位置和其他一些特点，准确计算出最

佳种植方案以及所需的种子、肥料和农药数量等。一个人在

室内荧屏前可操纵多台激光拖拉机进行耕作，节约生产成本

50%，提高作物产量20%。

2.联合收割机：美国农场装备制造商卫西·弗格

森在联合收割机上安装了一种产量计量器，它能在收割作物

的同时，准确收集有关产量的资料，并绘制出各个田块的产

量分布图。利用这种产量分布图，可确定下一季的种植计划

以及种子、化肥和农药在不同田块的使用量。

此外，所谓构件，则是广义的；构件之间的联系不仅指

机械联接，而且包括电、磁、气、

液等各种联系方式。

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第二节 机器的组成

一、原有的观点

以前的教科书介绍的机器的概念为：“任何机器是由原

动机、传动机和工作机三部分组成的”。随着科学技术的发

展，人们又作了补充．即增添了控制器作为第四部分。所谓

控制器既包括机械装置，也包括电子控制系统在内。

二、从不同的角度看机器的组成

为了更深入地观察和了解机器，应该从各种不同的角度

来观察和分析机器。

1)从机构学的角度看，机器是由各种基本机构组合而成

的，其能动度应等于原动机数。

2)从结构学的角度看，机器是由—系列基本构件组装而

成的，包括机架、箱体、齿轮、轴、轴承、联轴器……。

3)从专业的角度看，则常以主要部件来看机器的组成。

例如汽车被看成是由底盘、发动机、车身三大部分所组成(见

图2—1)；在底盘上还有行走部分、传动部分、操纵部分和

制动部分。又如机床中的车床则被看成是由床身、三箱(主轴

箱、进给箱、溜板箱)、两架(刀架、尾座)和床腿组成(见图

2-2)。显然，这种观点更偏重于从主要结构件和部件的角度

来看机器的组成。

上述任何一种观察角度对于深入了解机器都有其独到

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之处，它们事实上都形成了各自相应的学科。一个机器设计

师应该学会从所有各种角度来观察机器。机械设计学则更强

调从功能的观点来看机器的组成，因为这更有利于和设汁过

程中的工作特点相协调。

三、从功能观点看机器的组成

早在二十世纪40年代末就有人提出：“用户购买的不是

机器本身而是它的功能”。这个观点直到30多年后才被人们

认识并接受，并被用作设计学的基本概念。人们逐渐意识到，

只有从功能的观点来观察和认识机器，人们的思维才能从旧

的结构和形式中解放出来，才能有不断探索新原理、新结构

的广阔视野。

一台机器所能完成的功能，常称为机器的总功能。例如

前述的车床．其总功能就是利用移动刀具对旋转工件进行切

削的功能。为了实现其总功能，至少要有两个主要分功能系

统(工件旋转系统．刀具进给系统)的相互配合动作，才能完

成。因此应该这样来描述机器的组成：机器由多个主要分功

能系统构成，它们的协调工作实现了机器的总功能；每个主

要分功能系统可由原动机、传动机、工作机和控制器组成；

其中的工作机则多由执行机构和工作头构成。如在车床中，

工件旋转功能系统就由电动机、主轴传动系统、夹具组成。

当然，有些分功能系统也往往共用一个原动机(如车床)或传

动机。控制器则既有集中形式，也有分散形式。

分功能系统1

…

工作头

工作机

执行机构

传动机

分功能系统i

机器（总功能）

原动机

控制器

…

分功能系统n

任何一台机器，除具有为实现总功能的主要功能外，同

时还存在很多低—层次的，起支持和保证的功能，称为辅助

功能。例如为保证车削质量，适应不同工件要求，车床还应

具有变速功能(主轴变速，进给变速)，润滑和车削时的冷却

功能。对于机器来讲，还应有控制功能．例如车床中的定位

挡块控制，以及人对车床进行人机控制等。车床的功能原理

图见图2-3。

上述机器组成的功能分析，只涉及具有动作的功能，至

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于更低层次的功能．如零件的支承等功能都不在分析之列。

从以上分析看出，它和从产品结构的角度来分析机器组成是

完全不同的。

第三节 机器的分类

我们先说一下机械的分类：

按机械的使用功能则可分为 动力机械、物料搬运机械、

粉碎机械等；

按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械、

运输机械和化工机械等；

按工作原理又可分为热力机械、流体机械、往复机械和

仿生机械等。

机器的种类繁多，按不同的目的，可以有不同的分类方

法。例如，可以按行业分，也可以按轻、重分。对于机械设

计学的研究来说，用功能的观点来进行分类是较为合理的。

从功能的观点看，所有的机器首先可以分为工艺类和非

工艺类两大类。所谓工艺类，是指那些对物料进行工艺性加

工的机器，这类机器的主要特征是具有专用的工作头(例如机

床的刀具)并进行独特的工艺加工动作。非工艺类机器则不对

任何物料进行工艺性加工而只是实现某些特殊的动作性功

能。

对于工艺类机器来说，机器的结构和形式往往取决于所

采取的工艺方法，如果工艺方法有所改变或革新，那么机器

的形式将随着发生变化，这种变化有时是很大的。例如随着

电火花加工工艺的产生而出现的电火花加工机床，和传统的

金属切削加工机床有着完全不同的型式。

加工机床

工艺类机器

食品机械

纺织机械

印刷机械

…

机器

动力机械

起重运输机械

非工艺类机器

医疗机械

…

通用机械

…

对于非工艺类机器来说，其中每一种机器都有各自独有

的工作方式和规律，例如动力机械中的内燃机，其热力学原

理是工作过程的基础，而精密机械中的测量机则以精密的运

动和定位作技术基础。

机器的种类过于庞杂，因为它应用于人类生活、生产的

几乎所有的领域。在上列第二层次的类别中，就很难把所有

的机器都包罗在内，在这一层次的每一类中，所属的各种机

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器仍然是千差万别的，例如医疗机械中的人工脏器和康复器

课程名称 机械设计学 任课教师 李玉柱

第 三 章 机械产品的功能原理设计 计划学时 3

械，其性能和结构就有很大差别。如果要对所有的机器作详

细的分类，则至少要设置第三层次、第四层次甚至第五层次

的细目才行。对于机械设计学的研究来说，更重要的是要在

千差万别的机器中，寻求其功能方面的共同特征、结构方面

的共同规律以及它们工作时的行为特征方面的共性问题。

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教学目的和要求：

1. 使学生了解机械产品的功能原理设计工作特点和工作内容；

2. 弄清楚功能原理的基本类型；

3. 基本掌握各种类型功能原理的求解思路；

4. 了解创造性思维活动的四大特性，初步具备一定的创造能力。

重点：

功能原理的基本类型和各种类型功能原理的求解思路，尤其是工

艺功能的求解思路。

难点：

工艺功能的求解思路。

思考题：

1. 产品更新换代的三个途径是什么？举例说明。

2. 各种类型功能原理的求解思路是什么？

3. 根据不同类型的功能原理的求解思路，分别举出2-3个例子。

4. 创造性思维活动的特性有哪些？请试提出一些有创意的产品。

第三章 机械产品的功能原理设计

【教材自然节在课时中的分配】：

第一、二节和第三、第四节的一部分作为1课时；

第三、四节的一部分和第五节作为1课时；

第六、七、八节作为1课时。

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首先复习几个概念：

1、设计的目的

满足人类不断增长的物质、文化需求。

2、 我们的责任

能提出创新构思，并能尽快地将其转化为有竞争力的产品。

3、影响产品竞争力的三个关键设计环节：

功能原理设计、实用化设计、商品化设计

功能原理设计就是针对产品的主要功能提出一些原理性的构思。功能原理新

颖性

实用化设计的核心是使产品具有优良的“性能”，从实用的角度使产品“好

用”。技术性能先进性

商品化设计是产品进入市场前的精心打扮。就是要使产品入眼、“迷人”。

从本章开始，我们的教学活动就围绕着“怎样才能设计出具有市场竞争力的

产品”这一中心议题展开。

今天，我们讲第一个关键设计环节：机械产品的功能原理设计

第一节 基本概念

1、 功能 指某一机器所具有的转化能量、运动或其它物理量的特征。(见

教材第30页)

它与人们常用的“功用”、“用途” 、“性能”、“能力”等概念既有联系又有

区别。

以电动机为例：（P30）

功能是产品的核心和本质。“顾客购买的不是产品本身，而是产品的所具有

的功能”，人们使用的也正是产品的功能。至于所购买的产品采用何种原理、结

构来实现所要求的功能并不重要，它只不过是形式而已。

2、 功能原理设计

机械产品设计的最初阶段，就是要针对产品所应具有的功能进行原理性的设

计构思，提出设计方案。这种针对功能的原理性设计，简称为“功能原理设计”。

例如：要设计一台点钞机，先要构思将钞票逐张分离的工作原理。

书上第26页给出了“将钞票逐张分离”的功能原理设计的构思示意图。

图1、推刮

图2、摩擦

图3、离心力

图4、重力

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图5、粘力

图6、气吹

图7、气吸

图8、静电

显然，进行原理性的设计构思时首先要考虑应用某种“物理效应”（如图中

的摩擦、离心力、气吹、气吸、静电等），然后利用某种“作用原理”（如图中的

摩擦轮、转动架、气嘴等），最后达到实现“功能目标”的结果。“功能原理设计”

的重点是提出创新构思。（在此阶段思维的特点：发散）

在黑板上写：功能原理设计： 提出创新构思

思维特点： 发散

在这个阶段“思维应尽量发散”，力求提出较多的解决问题的方案，供比较

优选。对构件的具体结构、材料、和制造工艺等则不一定要有成熟的考虑，因此

常只需要用简图或示意图来表示所构思的内容。

功能原理设计是对产品的成败起决定性作用的工作。一个好的功能原理设计

应该既有创新构思，又应同时考虑其市场竞争潜力，因为脱离市场需求的盲目创

新是没有意义的。例如：一次成像照相机---自动照相机-----数码照相机

又如：发网-----发胶

3、 机器更新换代的三个途径

一是改进工作原理 如原来的机械表，利用的是内部的游丝摆动；而后则

利用石英振荡器控制电磁摆，制成机电结合的石英电子表；而现在人们更多使用

的是液晶显示的纯电子表。这每一次改进都是工作原理的改进。而每一次改进都

使得钟表的性能向前迈进了一大步。可以这样说：机械表无论在技术上如何改进，

其走时的精确性始终不可能与石英电子表和使用液晶显示的纯电子表相媲美。这

是工作原理改革最典型的成功例子。

二是通过改进工艺、结构、材料，提高技术性能 如1984年23届洛杉矶

奥运会上自行车比赛的冠军得主使用的自行车，比一般的自行车窄1/3；后轮采

用全封闭，使得自行车的运动阻力大大减小；材料选用航天飞机上使用的材料（碳

纤维和钛合金），比一般赛车轻，使其在比赛中出尽了风头。

三是增加辅助功能使其更适应消费者的心理 如洗衣机的基本功能是去

污，加上辅助功能甩干、再加上控制系统成为自动洗衣机；手表的基本功能是计

时，加上辅助功能，防水、防震、防磁、夜光、定时、报时等赢得更多的消费者。

这三个途径，对于产品的市场竞争力的影响几乎有同等重要的意义。但第一

种途径（即改进工作原理）在实现时的困难要比后两种大得多。但如同开发性设

28

计一样，他极具挑战性，总是充满着创造活力和无限的商机，如晶体管取代电子

管，中小规模集成电路取代晶体管，大、超大规模的集成电路取代中小规模集成

电路，这每一步前进都使得计算机的体积大大缩小，成本大大降低，直至现在计

算机已成为不少家庭和个人的必备工具，他带来的效益是不可估量的。

所以我们应注重工作原理的改革，要有搞出具有自主知识产权，具有核心竞

争力的产品的雄心壮志。一般地讲，我们刚参加工作，到了企业，可能做的更多

的设计工作是后两种，我们不妨多在提高产品的性能，增加功能、降低成本、使

用方便上下功夫，逐步提高我们的设计能力。

第二节 功能原理设计的工作特点和工作内容

一、 工作特点

1、 用一种新的物理效应代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的

变化。

2、 引入某种新技术（新材料、新工艺........）,首先要有新想法、新构思。

3、 使机器品质发生质的变化。

二、 任务和主要工作内容

任务：针对某一确定的 “功能目标”寻求一些 “物理效应”并借助某些 “作

用原理”来求得一些实现该功能目标的“解法原理”。

例如：开发玉米联合收获机

工作内容：构思能实现功能目标的新的解法原理。

方法步骤：

1、明确功能目标

2、进行创新构思

3、提出解法原理

4、进行模拟实验、技术分析、验证原理的可行性

5、修改、完善、提高

6、选择较优方案

以微型小麦联合收割机为例

第三节 功能原理的发展历史及其基本类型

【本节课讲述完功能原理的分类后，直接讲述第四节的内容，这样衔接连贯，条理性突

出，将工艺功能原理部分（下划线部分）放到第五节一起将，以增强内容的完整性】

功能原理设计的两个特点：

1、 无任何定法可循

2、 是多解问题

功能原理的基本类型

29

机械产品的功能原理五花八门，但归根结底分两大类：

动作功能——以实现动作为目的的功能

工艺功能——以完成对对象物的加工为目的的功能

动作功能又分

简单动作功能——完成一次性的简单动作

复杂动作功能——能实现连续传动的复杂动作

若动作功能和工艺功能是靠纯机械或主要靠机械完成的功能，称之为纯机械

的功能原理。

若动作功能和工艺功能是综合运用了机、电、光、磁、热、化……等各种“广

义物理效应”来实现的，则称之为“综合技术功能”。

关键技术功能——某个企业或部门独有的技术，还暂时不被其他人掌握，对

企业来讲是具有自主创新、拥有核心竞争力的技术，在竞争中有其特殊地位，所

以称之为关键技术功能。如现在的秸秆、牧草打捆机械中的“打结器”，就属于

关键技术功能，计算机中的CPU芯片就是关键技术功能。我国现在生产的打捆

机中的“打结器”多数还是采用国外进口的。

简单动作功能

动作类 关键技术功能

复杂动作功能

功能类型 综合技术功能

（广义物理效应）

工艺类 工艺功能

（纯机械）

第四节 两种动作功能及其相对应的求解思路

1）简单动作功能的求解思路——几何形体组合法

简单动作功能是由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，

利用它们形体上的特征，可以实现相互运动或锁合的动作。

钢笔的笔帽和笔杆的锁合

30

现场演示 圆珠笔的双动按钮 带实物演示

锁的打开、锁合

……

开关的通断 用教室的开关演示

这些均是典型的简单动作功能

简单动作功能要求方便快捷、安全可靠，像按钮、开关、拉链、笔帽， 各

种阀门的通断，水龙头、门的插销、门舌式开关、各种膨胀式螺栓等都是我们日

常生活中随处可见的简单动作功能的例子。

2）复杂动作功能的求解思路——基本机构组合法

复杂动作功能是连续传动，可以利用已有的基本机构来实现。已有很成熟的

理论和经验，比起“简单动作功能”的设计来要容易一些。

基本机构在机械原理课程中已介绍得很多了。在现有的各种机器中，绝大多

数的传动结构和执行机构都属于这一类。

已有的基本机构包括：齿轮、凸轮、连杆、螺旋、槽轮、棘轮、链轮等。这

些基本机构能实现各种运动要求，如连续运动和间歇、运动位置和轨迹、平面运

动和空间运动、位移、速度和加速度等，而将这些基本机构组合起来成为组合机

构，就会更加扩大其传动和运动的性能。

以上两种动作功能都属于纯机械的功能，均是“以形体来实现功能”。

第五节 工艺功能及其对应的求

解思路——物—场分析法

【此处注意与上节课的衔接，不要有疏漏；

从第三节的功能原理分类部分引入，详细讲

解工艺功能的概念及原理】

所谓工艺功能就是以完成对对象的加工为目

31

的的功能。

工艺类机器是对被加工对象（某种物料）实施某种加工工艺的装置，其中必

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

定有一个工作头，用这个工作头去完成对工作对象的加工处理。

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

犁地要用犁对土壤进行加工，属于典型的工艺功能。犁头的工作面是一种复

杂的空间曲面（形状），它能把土壤切开、抬起、翻过来扣在犁沟边上（动作），

并且有碎土的作用。

工艺方法不同，机器的结构和形式及其工作头的形状就会发生很

大变化。

举例：钢板的切割

1. 手工钢锯切割 工作头：锯条 场：力场 切削力

2. 裁板机切割 工作头：裁板刃口 场：力场 剪切力

3. 电弧焊切割 工作头：焊条 场：电场 电弧放电

4. 数控火焰切割机，气割切割 工作头：割炬 场：温度场、速度

场

5. 数控等离子切割机 工作头：高温空气等离子束 场：电场、等离子场

6. 数控激光切割机 工作头：高能激光头 场：温度场 高能激光

7. 数控电火花线切割机 工作头：工具电极 场：电场 等离子场(电火花+电

介液)

8. 数控水刀切割机 工作头：宝石喷嘴 场： 力场、速度场

所谓“超高压数控万能水切割机”，又称“水刀”，是世界上最新的冷切割

工艺装置，又称“冷态切割”新技术。它是九十年代初期才发展起来的高新技

术.“超高压数控万能水切割机”是以水为介质，利用高压水射流技术使水在这

瞬间成为无坚不摧的利刃，切割温度在60度以下。“水刀切割”切缝小、切割

精度高、光洁度高、自动切割、节能、环保、不产生热变形和热影响，不改变被

切割物质的物理和化学性能，特别对于新型的复合材料、易燃易爆物质及环境，

更为稳定、安全、可靠。所以“水刀”所能切割的材料种类广泛，如：布、纸、

皮革、各种纤维、塑料、有色金属、黑色金属、复合材料、石材、陶瓷、玻璃、

木材、各种建材、炸药、核原料等应用领域十分广泛。

综上所述，我们可以看出：工作头和作用场是它完成工艺功能的

两个主要因素。

知道了工艺功能的两个要素，人们开始研究工艺功能的求解思路，

最主要的就是物-场分析法。

32

最早提出物场分析法的是前苏联发明家Altshuller 阿奇舒勒，

（1926~1998），他酷爱发明，14岁时获得首个专利证书：水下呼吸器，

15岁时发明了用碳化物作为喷气动力的船，再如水下排雷装置，船载

火箭引擎，潜水艇逃生方法等，多项发明被列为军事机密，在研究了

近20万项专利之后，指出其中有1500对技术矛盾可以用更简单的基

本原理来解决，并在1979年发表了一本《创造是一门精密的科学》这

本书，在这本书中论述了物场分析法的原理，他在书中写道，你可以

等待100年来获得顿悟，也可以利用这个原理在15分钟内解决问题，

这个基本原理就是物场分析法

“物—场分析法”（S-field）。其模型图是：

F

S S

12

在任何一个小的技术系统中，至少要有一个主体（S），一个客体

1

（S）。图中的F为S与S之间的作用场。S和S在系统中缺少一个

21212

就不能发生技术作用。

S——主体，对客体发生作用的物体，如工作头或工具

1

S——客体，被加工的物体

2

F——作用场，广义地指S向S作用时发生的力、运动、电、磁、

12

光、热等作用场。

什么是物，什么是场？

物体是一群物质的聚集。

某个物理量在空间的一个区域内的分布称为场，

场是一种特殊物质，看不见摸不着，但它确实存在，场具有能量、动量和质量，

能传递实物间的相互作用。场可分为三类：

1. 标量场 假如一个空间中的每一点的属性都可以以一个标量来代表的话，那么

这个场就是一个标量场。比如温度场，势场。【0，1维】

2. 矢量场 假如一个空间中的每一点的属性都可以以一个向量来代表的话，那么

这个场就是一个矢量场。风场、电场、磁场、电磁场、力场、流速场。【2，

3维】

3. 张量场 假如一个空间中的每一点的属性都可以以一个张量来代表的话，那

么这个场就是一个张量场。最常见的张量场有广义相对论的应力能张量场。【多

维】

场与物体的两种时空结构，从场的角度看，时空是连续的，从物体、粒子的

角度看，时空是间断的。但是一切场中都包含物体，一切物体中都包含场，二者

对立统一、相互转化。

33

用“物——场分析法”求解工艺功能的基本形式是：

已知客体S，寻求合理的F和S。

21

如，为了完成修剪草坪的任务，该如何构思剪草机的工作原理呢？

在这个问题里，S是草地上的草，剩下的问题就是寻找合适的F

2

和S了。首先寻找可能被利用的F并加以分析比较：

1

拉力——可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐。

割断力——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。

剪断力——一利用剪刀刃合拢，可以剪断。

显然，人们常常选择剪断力作为理想的F，当然S就只能是剪刀了。将剪刀

1

做成像理发推子那样，就是传统的剪草机的解法原理。此外，人们还可以通过“完

善、增加、变换”的方法来改进原来不够满意的工艺功能原理的解法。下边分别

介绍：

1．完善

原设计中有时出现缺少F或S的情况并因此而造成功能不良的后果。应该

1

通过补全F或S1的措施来使S—Field模式完善化。

例如制造平板玻璃的方法，以前一直采用“垂直引上法”(见图3—24)。这

种方法是把半流体的玻璃从熔池中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，以后

边向上引边凝固。这种方法制造出的玻璃表面总是有波纹并且厚度不匀。如果用

S—Field分析法来分析，可以看出，在整个工艺过程中，玻璃S在凝固前大部

2

分时间中缺少F和S (重力无积极效果，不看作为F)。近年来出现了一种新工艺；

1

让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。

这样制成的平板玻璃不但厚薄均匀，而且没有波纹．这就是“浮法”制造平

面玻璃的功能原理解法。显然，浮法工艺是补充了低熔点合金的液面作为S，

1

又利用该合金液体的表面张力作为一种特殊的力场F、既浮起了玻璃又使玻璃表

面保持水平、光滑、均匀。

2．增加

一个最小技术系统至少应具有S、S和F，但有时还应辅以S′和F′．才

121

能更好地完成希望实现的功能。

F

S S

12

F

S’

1

例如．在金属切削过程中，钢工件是S，刀具是S，切削力是F，如果加

21

入另一种物质S′ (切削液)，切削工艺过程就会变得更好，工件的表面粗糙度

1

34

会降低．切削速度也能提高，S′的存在实际上还附加了另一种物理场F′。这

1

就是分子吸附膜，这层分子膜使得刀具和工件表面之间的摩擦得到改善，同时还

起冷却作用。于是．S—F模式变为如图3—25所示。这种模式在很多工艺功能

中几乎都可以采用并会取得好的效果。

3.变换

对已有工艺功能解法中的S和F进行分析后，常常可以发现它们并非是不

l

可替换的，有时通过变换可能会产生意想不到的好效果。 例如前面提到过的剪

草机原理．是否有别的东西可以代替剪切力F和剪刀S呢?

l

杂技演员在舞台上用鞭子可以把报纸抽断，这提示人们，即使不用刀，用

软的物体也可以切断某些物体，只要有足够高速度就行。于是一种新型的割草机

就产生了。它的原理特别简单(见图3-26)。用一根高速旋转的尼龙线(直径约

2mm)，就可以又快又好地来修剪草地了。这时，S是一条尼龙线，F则是高速抽

l

打的“抽击力”。这种变换产生了更为理想的效果。

人们也许立刻就会联想到用高压水喷射可以切割木材、钢板、布料…—总之

通过变换提高功能效果的例子是时有可见的。

由于作为S的工作头和起媒介作用的F的变换是有很大自由度的，因此工

l

艺功能是一种最具灵活性的功能。

同学们,人类生活在这个世界上，就注定要改造这个世界，工艺功能是改造

这个世界的主要手段。因此对工艺功能的研究，对我们有着重要的意义。现在人

类已经开始学会利用各种广义的物理效应。这就为工艺功能提供了更多的可利用

的“场”，就有可能创造出更多更好的工艺功能来。

35

第六节 关键技术功能、综合技术功能及其对应的的求

解思路

一、 关键技术功能的求解思路——技术矛盾分析法

利用常规技术设计制造的产品，它们的技术性能只能达到—般水平。随着市

场竞争的加剧，几乎所有的企业都在设法提高自己产品的技术性能指标，于是出

现了对关键技术的研究．并由此而出现了各种Know How(技术诀窍)。现在几乎

可以这样说，没有关键技术和Know How的产品，在激烈的竞争中难以建立起

竞争优势，也就难以在市场上得到一席之地。同样对于现代设计人员来说，不懂

得关键技术功能也就等于不懂得现代设计。

产品中的关键技术主要与以下几个方面有关：

1)材料：例如高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材料(例如复合

材料)、特殊物理性能要求等。

2)制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求……。例如在汽

车制造中的2mm工程，要保证汽车外壳所有缝隙都小于2mm，美国就把它作为

一个重大的关键技术难题组织攻关，高的制造水平将直接影响产品性能的技术指

标．例如免维护性和使用寿命等技术性能的提高。

3)设计：通过设计实现持珠的功能原理，尤其是实现以前从未有人实现过的

功能或是比别人已经实现的功能更好的功能水平。在设计中出现的关键技术功

能，往往是采用一般的技术措施难以解决的。在这时可以采用“技术矛盾分析

法”。具体的讲就是找出关键技术功能的矛盾所在，然后全力去寻求解决矛盾的

思路。关键技术功能的特点：由于特殊的工作条件(约束)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，或是别人目前尚难以实现的技术高

度，总的来说它的技术要求高，而解决的方法也往往是出奇制胜。

关键技求功能的求解思路是技术矛盾分析法。

例如：随着农业经济结构和种植结构的调整，以及西部大开发退耕还草战略

的实施，牧草种植面积越来越大，饲草收割和打捆机械的需求也越来越多；其次，

稻麦秸杆的回收也同样需要大量的打捆机械。

尽管市场有需求，但目前国内的打捆机市场仍然是国外产品唱

“主角”。打结器和齿轮箱的质量和可靠性问题是打捆机生产企业需

要解决的难点，国产打捆机大都卡在了这两处“瓶颈”上。我国目前

生产的较成熟的打捆机主要是圆捆机，方捆机主要依赖进口。由于国

内生产的圆捆机所打草捆的紧实度较差，用于打捆牧草掉叶较多，因

此多用于稻麦秸杆的回收；2001年进口的方捆机主要来自美国、意大

利、德国、伊朗和韩国等国。

36

二、综合技术功能的求解思路——物理效应引入法

这种方法适合于综合技术功能的求解。这里所指的物理效应是一

种广义的概念。这里的物理效应是广义的，不仅包括机械的，还包括

电、光、磁、液、气、热、声、化…….

现在的机电一体化技术就是在机械产品中引入了微电子技术的产

物，是综合技术功能的成功范例。

例如：九阳全自动家用豆浆机就是采用微电脑控制，预热、打浆、

虑浆、煮浆、延时熬煮全自动完成，可在十几分钟内做出新鲜香浓的

熟豆浆。本机运用“文火熬煮技术”，豆浆通过“大火煮熟、文火熬

香”科学熬煮后，熬得透，喝着香。同时，豆浆的均质和乳化效果更

好，丰富的营养更利于人体吸收。

防溢电极 用于检测豆浆沸腾，防止豆浆溢出。

温度传感器 用于检测水温，当水温达到设定温度时机器开始打

浆。

本机工作程序

1、加热 通电后电热器开始全功率加热，约8分钟后，水温达

到打浆设定温度。

2、打浆 当水温达到设定温度是电机开始工作，电机带动刀片

高速打浆，打浆共4次，每次打斗15秒左右，间隔15秒。

3、煮浆 打浆结束后，电热器继续加热至豆浆第一次沸腾。

4、防溢延煮 豆浆第一次沸腾后，本机防溢加热功能自动启动，

进入延煮过程。电热器间歇加热，使豆浆反复煮沸，充分煮熟。防溢

延煮6分50秒左右工作结束。

5、断电报警 工作结束后，电热器、电机等部件自动断电，机

器发出声光报警，提示豆浆已做好。此时拔下电源插头后，即可准备

饮用豆浆。

上述过程均采用微电脑自动控制，用时十几分钟，用电不足0.2

度，醇香可口的熟豆浆即制作完成。

随着科学技术的不断发展，新技术、新工艺、新材料、新的物理

效应还会不断产生，综合技术功能必然会被大量采用，会给人们带来

许许多多意想不到的新产品。这是值得庆幸的事。但是我们也应该明

了，综合技术功能并不能全部代替纯机械的动作功能和工艺功能，因

为有许多场合纯机械的动作功能和工艺功能还是十分简单可靠的，没

有必要用更复杂的广义的物理效应去代替它。

41

具体的物理效应书上44页给出了一个表，“物理效应查阅表”，

我们可以在产品设计时参考查对。

以上我们讲了五种类型的功能原理的基本求解思路，为大家提供

了可供参考的基本技法。但应注意，解决功能原理问题是综合的，而

综合问题的解决是“有法而无定法”。这就为我们进行创造性思维，

进行创造性设计留下了无限遐想的空间。我们应该首先打下坚实的知

识基础，平时多留心现实生活中的优秀的设计范例，多做基础设计训

练，在正确的设计思路指引下，不断提高设计水平。

第七节 功能原理设计的工作要点

功能原理设计是在创意确定之后，进一步去实现创意阶段所提出的功能目

标。因此它的工作重点是构思和创造，以及随后的原理验证和表达。

功能原理设计是一个创新过程，但这种创新决不能像求解数学难题那样只

是冥思苦想，而应该做一些扎扎实实的实际工作，考虑一些必须注意的问题。主

要可以归结为以下一些工作要点。

1．明确所要设计的任务的功能目标

由顾客或领导部门提出的最初的设计任务往往是笼统的，在很多细节上是

不明确、不具体的。设汁者必须亲自通过调查分析，确定合理、明确的功能目标。

2、调查、分析、已有的解法原理

3、进行创新构思、寻求最合理的解法原理

4、初步预想实用化的可能性

5．认真进行原理性试验

6评价、对比、决策

在选择技术方向的决策中，实际上不存在方法，只有像象棋大师那样，洞察

力、梢密地分析比较、超人的预测能力，最后通过直觉判断，作出天才的决策。

不过任何天才的决策成功率也不可能是l00％。

总之，决定产品方向和技术方向的决策是一个非常重要．又是非常困难的问

题，千万不要轻信那些草率的决策，它将带来灾难性的后果。

必须要根据实验的结果进行评价和对比，从技术和经济两方面的对比结果来

做出决策。

决策是一项最困难的工作，即使现在有各种各样的决策理论．但是仍然不可

能对一个产品的技术方向作出绝对正确的决策。

设计工作过程中，有两项重大决策问题：

—是在创意阶段，这是决定产品方向的决策。要能判断5年或10年以后市

场所需要的产品。

42

二是在构思阶段，这是决定产品的技术方向的决策。一个产品可能有两个以

上的技术方向，在未来的发展中有可能出现完全不同的命运。

第八节 功能原理设计的创新性问题

中国人大常委会副委员长成思危在一次亚洲经济专题论坛上讲的

一席话，得到了专题论坛嘉宾的热烈呼应。他认为，新的世纪将面临

两项挑战，这就是知识差距和财富差距。

他认为，知识经济的特点之一，就是知识成本将在产品及服务的成本中占据

越来越大的部分，如中国生产的DVD机，每台批发价40美元，其中专利费就

占到21．3美元。有人说，在知识经济时代，一些国家将成为头脑国家，他们创

造并出口知识，而另一些国家则会成为躯干国家，只能引进并使用知识。如果我

们不想成为只有躯干而没有头脑的国家，就必须提高创新能力，大力发展教育，

因为经济能保证我们的今天，科技能保证我们的明天，只有教育才能保证我们的

未来。

那些自己没有设计能力，靠抄袭别人款式或偷工减料以次充好的企业，即便

是价格再低，最终会支撑不住收尾。唯有勇于攀登新技术、掌握新技术的企业，

路才能越走越宽。

“创新是一个民族进步的灵魂”，在激烈的世界性经济竞争中，产品在市场

上的竞争力，很大程度取决于企业的创新能力，很多大企业都把创新精神作为企

业文化的核心，鼓励全体员工投入创新运动。

一个设计人员是否有较高的创造性素质，在很大程度上决定了他工作中的创

造性效果。研究证明：有很高智商的人不一定有很高的创造性，而只有一般智商

的人却常常表现出很高的创造才能。

功能原理设计就是提出创新构思的阶段，并不要求在此阶段就要解决具体的

结构，采用何种方式、何种材料来实现所要达到的功能。所以我们的思维必须是

开放的、活跃的，不受约束的。要敢于突破现成产品的框框，进行大胆的构思。

坚信，现有的产品不是最好的，肯定会有更好的产品来取代它，要争取由自己推

出新一代的创新产品。

书上对创造性问题，已从创造性的机理、基本知识、思维规律等方面作了详

细介绍，由同学们自己看，下面给同学举一些创造成功的例子，来说明创造性思

维活动具有的四大特性，以启发同学们的创造性思维。

43

1、电开关 许多年来一直是机械式结构，而现在触摸式、感应式、声控式、

光控式的开关已是随处可见。

混凝土搅拌车，从料场装料、运输路上即进行加水搅拌，到达工地后即可

立即使用拌好的“水泥”。

这两个例子说明，创造性思维具有独创性。要敢于突破、敢于求异，通过突

破、求异去探索新的解决问题的途径。

2、英国物理学家法拉第，从相反的方向分析电流产生磁场的原理，按照磁

场产生电流的设想，提出了电磁感应定律，从而诞生了世界上第一台发电机。

日本有一种烤鱼器，突破原有的鱼在上方，电阻丝在下方的模式，将电阻丝

置于鱼的上方，避免了烤鱼滴下的油产生的大量油烟，污染空气和鱼盘的缺点，

成为畅销品。

这两个例子说明，创造性思维具有连动性。人们可以从相反的角度寻找新的

解决问题的途径。

3、要解决过河的问题，人们可以采用跨越水面或把水引开的两种不同的方

法。而跨越水面，人们又可以采用架桥、造船、挖隧道、架索道、或用飞行器；

而把水引开，可用截流、改道、把水抽干等。就桥容颜，又有拱桥、浮桥等。从

此例可以说明创造性思维具有多向性，思维应该是发散的。有研究表明，创造性

活动中成功的机率与原设想方案的多少成正比。

4、现在大的复杂工程系统，要用到多种物理效应。例如，阿波罗宇宙飞船

是由700多万个元件组合工程总体，虽然元件中并没有很多是新研制的特殊件，

但由于设计的综合性使得系统先进，最终达到送人到月球的目的。

我们平时见到的通过综合而成为新产品的例子也很多，如自行车加上个发动

机就成为摩托车，自行车加上个电瓶就成为电动自行车，谷物联合收割机加上液

压系统和自动控制系统就可以成为自动化程度高，性能更优良的收获机械。这些

例子都说明，创造性思维具有综合性。我们应善于运用已有的材料、信息、现象、

概念、技术，形成新的技术思路，构思设计出新的产品。

愿同学们在新的历史时期，积极参与创造性的活动，勇于自主创新，为提高

整个中华民族的核心竞争力发挥自己的聪明才智！

思考题：

1.产品更新换代的三个途径是什么？举例说明。

2.各种类型功能原理的求解思路是什么？根据不同类型的功能原理的求解

思路，分别举出2-3个例子。

3.创造性思维活动的特性有哪些？请你试着提出一些有创意的产品。

44

4.构思玉米联合收获机上外摘辊浮动的功能原理，最好能画出简图

教案首页

45

课程名称 机械设计学 任课教师 李玉柱

第四章 机械功能原理的实现 计划学时 3

教学目的和要求：

5. 使学生了解机构能实现的动作功能；

6. 使学生掌握传动机构、执行机构、工作头的定义、功

能等；

7. 使学生学会按机械动作功能原理要求作机械运动系

统的方案设计。

重点：

机构能实现的动作功能；传动机构、执行机构、工作

头。

难点：

按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计。

思考题：

增力机构，为何要在近于死点的位置工作？并能利用图

4-10证明之。

46

第四章 机械功能原理的实现

——机械运动系统的方案设计

主要内容：

重点和难点：机构能实现的动作功能；传动机构和执行机构。

由于课时限制，仅讲本章的重点和难点，即本章的第

一节和第二节。目的是使学生了解机构能实现的动作，知道

常用的传动机构和执行机构，会用一些常用的机构解决一些

生产实际中的问题。

第一节 机构能实现的动作功能

一、机构能实现哪些动作功能

机械产品的动作功能要通过一系列的机构和电气电子

装置去具体实现．为了完成某一项机械动作功能可能只需要

一个简单的机构，也可能需要一个复杂的机构或一些基本机

构的组合来完成。随着机械技术的发展，机构的含义也在不

断扩展，例如液体、气体也能直接参与机械运动的变换．挠

性体等也在机械传动中起着重要作用。机构的范畴不再停留

在过去纯刚性体的意义上了。机构—般能实现下列各种动作

功能。

1．利用机构实现运动形式或运动规律变换的动作功能

在绝大多数的机械中原动机的运动形式为转动，而机构

47

的输出运动是多种多样的。利用机构可以进行构件运动形式

的变换，例如；

1)匀速运动(平动、转动)与非匀速运动(平动、转动或

摆动）的变换。

2)连续转动与间歇式的转动或摆动的变换。

3）实现预期的运动轨迹运动。

2. 利用机构实现开关、联锁和检测等的动作功能

开关、联锁和检测是自动机中的重要内容。检测机构可

以检查最后的成品也可以检测中间工序．以自动校正与规定

标准间的差异。控制联锁机构的用途则是在机器工作过程中

发现控制和检测机构所不能排除的缺陷时停止或限制机器

的工作。例如：

1)用来实现运动离合或开停。

2)用来换向、超越和反向止动。

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3)用来实现联锁、过载保护、安全制动。

4)实现锁止、定位、夹压等。

5)实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。

3. 利用机构实现程序控制或手动控制的功能

程序控制或自动控制是自动机械中不可缺少的—部分，

控制的方法很多，用机构来控制的方法就有：

1)利用时间的序列进行控制 例如图4—1是一种凸轮

程序装置．它由一系列的微动开关和凸轮组成。凸轮轴由同

步电动机驱动．凸轮旋转一周，对应着工件的整个加工循环，

在整个加工循环中，某个微动开关需要触动几次．对应这个

微功开关的凸轮上就制出几个凸起处，以实现对该开关的几

次触动。这种程序控制装置精确度高，它可以在任意—个所

需要的位置上触动微动开关。但是一旦凸轮制成，则整套程

序就不能改变了。如果将凸轮改成鼓轮，在鼓轮上加工出许

多个T形槽用于固定触点撞块．撞块的作用相当于凸轮程序

控制器中凸轮上的凸起部分．这样随着要求的程序不同便可

以调整了。在更换产品或更换程序时能迅速适应新的要求。

音乐盒能演奏出音乐来也是利用了这种机构。但也应该指

出，在利用机构程序控制实现精确复杂的运动轨迹方面还是

不如利用计算机数字程控技术来得方便。例如数控切割机、

数控焊接机等，其走刀运动轨迹可以非常复杂，而如果用纯

机械式机构来实现则必定结构非常庞大．可调整性差。

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2)利用动作的序列进行控制 例如图4—2是—种利用

电磁阀控制液压缸进行工作的顺序操作过程。图中以液压缸

2和5的行程位置为依据来实现相应的顺序动作，工作中当

按下启动电钮，电磁阀1YA吸合．液压缸2向右移动。液压

缸5因相应的控制电磁阀断开不进油而维持不动．当液压缸

2挡块压下行程开关4时电磁阀3YA吸合．液压缸2停止运

动液压缸2停止运动，缸5开始前进，当缸5挡块压下行程

开关7时，电磁阀2YA吸合，缸5停止运动，缸2开始返回．当

缸2的挡块压下行程开关3时，电磁阀4YA吸合，缸2的返

回运动停止，缸5开始返回、当缸5的挡块压下行程开关6

时，缸5的返回运动也停止。完成一个工作循环、利用这种

顺序动作进行控制对需要变更液压缸的动作行程和动作顺

序来说比较方便，因此在机床液压系统中得到了广泛应用，

特别适合于顺序动作的位置、动作循环经常要求改变的场

合。

3)利用运动的变化等进行控制 例如图4-3是汽车发

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动机的离心调速器，由曲轴通过齿轮驱动的调速器轴11上、

固装有带径向槽的主动盘l，槽中放置钢球。当钢球随固定

盘旋转时，即受别离心力的作用而企图向外飞开。钢球左侧

为不可移动的钢板。右侧为可左右滑动的滑套10，滑套的锥

形盘在弹簧6的作用下保持与钢球相接触。杠杆8一端与滑

套相接触，另一端联接调节供油量的拉杆4。当发动机因载

荷减小而使曲轴转速上升时，钢球受到的离心力作用增大，

向外移动并推动滑套向右移动而使杠杆8绕定轴7转动，拉

杆4推动供油量调节臂5，降低发动机的供油量，使发动机

的转速下降。反之，当发动机因载荷增大而使曲轴转速下降

时．钢球受到的离心力作用减小，向内移动，在调节弹簧6

的作用下杠杆8绕定轴7顺钟向转动．拉杆4拉动供油量调

节臂5，增加发动机的供油量，从而使发动机的速度增加。

通过离心调速器的调节作用发动机的转速便可以稳定在一

个设定的范围内。

二、选择机构来实现功能原理的原则和范围

上面叙述了机构所能实现的动作功能，实际上，这些功

能也完全可以用电气或电子的原理来实现，但是在什么情况

下选用机构来完成这些功能呢?当然首先是要完成设计时提

出的功能目标。还要考虑到工作可靠，运行安全，操作方便，

制造和运行的经济性等等。其中前两条是必须满足的．后两

条则在有条件下，尽可能的满足。

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根据目前科学技术的条件，下列几方面的动作功能，一

般较宜用机构来实现。

1.实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能

在目前技术条件下．已有各式各样的交直流变速电动

机，以满足机械上的各种转速要求；有直线电动机产生直线

运动，以满足运动形式变换的要求。但是这些电动机的运动

特性不理想．有的会受到载荷的变化而变化，或转换的效率

较低。因此，绝大多数的机械均使用运动特性好．变换效率

高的鼠笼型异步电动机，故用机构来完成运动规律与形式的

变换就变成必需的设备．例如各式各样的减速、变速机构，

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曲柄滑块机构，正弦机构等的运动形式变换机构。只有非功

率性的微小摆动或移动，除了可用机构外，还可以用电磁原

理等来获得。

2．实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能

例如各种自动机上的上、下料．加工，检测等工序上需

要的运动轨迹，均可全部用机构来完成。对于要实现可任意

变动的复杂轨迹，虽然一般采用电子或电气来控制，但其轨

迹动作部分也还必须使用机构，如机器人的手臂、手腕、手

爪、计算机绘图仪的绘图笔的动作等。

3．在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能

这些功能一般用机械或电均能实现．但究竟用哪—种

好，需要设计者仔细分析研究。例如开关功能，我们熟悉的

电灯开关．均是用机械式的，但也有触模式、光电式的开关，

都能安全可靠地完成开关任务，至于操作方便和经济性只能

在特定条件下作具体的分析。

4．实现简单的固定程序或可变程序的控制功能

以上几方面均适宜用机构来实现，但这不是绝对的。随

着科学技术的进步，将会有变化，因此设汁者要密切注意当

前的科技进步的动向。例如目前很少采用直线电动机来实现

直线运动的功能，但由于超导的发现，磁悬浮技术的成熟，

直线电动机将使用在磁悬浮的高速列车上。电视机最初出现

可靠、操作方便、经济性好的机械式频道变换开关，但当电

视机屏幕的不断增大，频道的增多，经济性好的机械式频道

变换开关，愈来愈感到操作的不便而被遥控开关所取代。但

是也应看到电子技术的发展虽然能控制许多复杂的自动化

机器和设备，但其本身的结构也日趋复杂，因而引起可靠性、

安全性的下降。例如飞机上的自动导航仪，可以自动按给定

路线飞行，而不需驾驶员动手，但是为了保证绝对安全可靠，

这种飞机上还是安装了结构简单、工作安全可靠的手动控制

设备、当飞机自动驾驶仪万一出现故障时，驾驶员可以利用

这套设施确保安全。因此使用“机”还是“电”尚处于互相

补充互相依存的关系上，怎样协调利用好二者的关系也是当

今机械设计者的任务。

第二节 传动机构和执行机构

一切机器都包含有四个部分：动力源、传动机构、执行

机构和控制部分。在一般机器中这四部分的区别是比较明显

的。

构、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机构、液气动机构、

电气机构以及利用以上—些常用机构进行组合而产生的组

合机构。传动机构在使用中最主要的目的是为了实现速度或

力的变换，或实现特定运动规律的要求。

1．运动速度或力的大小变换

根据功率、速度、输出力三者之间的关系

P＝Fv

式中 P—输出功率

F—输出力；

V—输出速度。

在传输功率一定的情况下，为得到一个比较大的力输

出，可以降低输出速度。如果要使输出力按某一规律变化，

则可通过调整输出速度按某种规律变化来得以实现。

常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有

以下几种：

1)通过啮合方式进行传动(例如：齿轮、蜗轮蜗杆、链

传动、同步齿形带等)。其中．齿轮传动可以在平行轴或交

错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，

结构紧凑，传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，因

而得到广泛应用。

2)通过摩擦方式进行传动(例如：摩擦轮传动、摩擦式无

级变速器、带传动、滑轮传动等)。这类机构结构简单，维

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修方便，成本低廉．由于带具有柔软性，有吸收振动的特性，

且有缓冲和安全保护的作用特性使带传动适用于两轴中心

距较大的传动。

3)利用楔块原理进行传动(例如：螺旋传动等)。螺旋传

动主要由螺杆、螺母，机架组成，螺旋传动的优点是增力效

果大．可用较小的转矩得到较大的轴向力，结构简单，传动

精度高，平稳无噪声等。

4)利用流体作用原理进行传动(例如：液压、气动传动

等)。液体可以看作是—种不可压缩物体。因而液压传动能

传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确但载荷很大的

情况下，但液压传动速度较慢，例如液压千斤顶、液压挖掘

机的推杆等。相反气动传动机构—般用于传递较小的力，但

作用速度快。

2．运动形式或传力方式的变换

原动机的输出较为常见的运动形式是匀速转动，而工作

机的输出要求是多种多样的。因此进行运动形式的变换是传

动机构的一个很重要的任务。机械传动机构中常见的运动形

式主要有：转动、平动、摆动等。常见的用运动形式的变换

机构主要有：凸轮机构、螺旋机构、连杆机构、齿轮机构、

挠性体机构、摩擦轮机构、流体机构等。它们能将转动变换

成移动，或反之。由于运动形式的变化，机构的传力方式也

就随之改变。

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二、执行机构

带动工作头进行工作并使之获得工作力或力矩的机构

称为执行机构，如挖掘机中推动铲斗运动的多杆机构，使起

重机吊钩运动的起重臂，使飞机轮子起落的起落架，机器人

的手臂等。执行机构的主要作用是给工作头产生工作力同时

带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。

1.

满足特定运动规律

特定的运动规律是指那些输出中有速度的规律变化要

求，如有等速输出，瞬时或长时间停歇．有急回特性，周期

性转位和步进分度动作等。一般机器中常常由多个执行机构

组成的，以完成各种预定的机械工作要求。例如图4—4中

的牛头刨床．其执行机构有曲柄导杆机构ABCD．它带动工作

头(刨刀)作往复运动，工作行程时有近似等速及急回的功

能；螺杆E可调节曲柄AB的距离，以改变工作头(刨刀)的

行程L。执行机构齿轮Z1、Z2，曲柄摇杆机构FGHI．棘轮机

构J，螺杆K带动工作台作进给运动s，进给运动的大小也

可用螺杆调节曲柄FG的距离来获得。此外，从图4—4中还

可见到三个螺杆执行机构MI、M2、M3,它们分别执行刀具的

上下，工作台的上下及刀具行程L的位置调整功能。

57

2、

满足特定的运动轨迹

在生产实际中，往往需要机构完成某种特定的运动轨迹，

如直线、圆弧等。当运动轨迹要求比较复杂时，一般通过连

杆机构或通过组合机构来完成。利用组合机构不仅能满足生

产上的各种要求，而且能综合应用和发挥各种基本机构的特

长。例如图4-5所示为利用联动凸轮机构来实现任意预定的

运动轨迹。图中利用两个凸轮A和B的协调配合控制x及y

方向的运动就可使滑块上点E准确地实现预定的运动轨迹

y=y（x），比如要求E点的运动轨迹为“8”，首先按运动轨

迹拟定出描绘 “8”时的路线，再按拟定的描绘路线确定凸

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轮单位转角的大小和矢径，作出位移一转角线图x = x（φ）

A

及y=y（φ），再按凸轮设计方法设计出凸轮实现预期的运

B

动轨迹。

利用凸轮-连杆机构和凸轮-齿轮机构进行组合也可以完

成一些比较复杂的运动轨迹。例如图4-6所示为一凸轮-连

杆机构，再此机构未引入凸轮之前，当构件1等速回转时，

可同时令连杆上C点沿预期的轨迹S运动，这时构件4的运

动完全确定，于是可求出构件4与构件1之间的运动关系

s=f(φ)，当与构件1固联的凸轮能使构件4与构件1按此

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关系运动时，连杆上的C点必将沿曲线S运动。

3.

满足某种特殊的信息传递

利用机构不仅能完成机械运动和动力传递，还能完成诸

如检测、计数、定时、显示或控制等功能。这一类应用很多，

例如杠杆式千分尺，家用水表、电表等使用的机械式计数器，

家用洗衣机、电风扇等

使用的机械式定时器。另外还可以用机构来实现速度、加速

度等的测量和数据记忆等功能。下面举例说明利用机构实现

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的一些特殊信息的传递装置。

图4-7是一杠杆式千分表的原理图。测量杆1向上移动

时，杠杆2绕轴线A转动，其长端压在指针3的销子C上，

使指针绕轴线B转动,弹簧4使指针3恢复到原始位置。

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图4-8是利用蜗轮蜗杆机构的一个计数器。绕固定轴线

A-A转动的蜗杆与绕固定轴线B转动的蜗轮3啮合。指示盘