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机械创新设计及其在双桶洗衣机上的应用研究 摘要 近年来机械创新设计发展非常迅速，出现了许多研究成果，也解决了许多 工程问题。本文主要从机械创新设计三个理论模块：方案创新设计、机构创新 设计和反求创新设计进行分析研究，并将其应用在双桶洗衣机改进设计的研究 中。 在方案创新设计理论模块中，首先对方案创新设计理论的涵义进行探讨， 然后对方案创新设计过程的三个阶段：总功能分析、方案综合、决策评价进行 分析和研究，再将方案创新设计理论模块应用到双桶洗衣机的传动部分，进行 功能分析、方案列举和方案评价，设计出理想的出口6 0 h z 两级减速系统的传 动机构。 在机构劬新设计理论模块中，首先对机构创新设计理论的涵义进行阐述， 然后对机构创新设计具体的三个组成部分：机构组合创新、机构演化变异创新、 机构再生创新进行分析和研究，再将机构创新设计理论模块应用到双桶洗衣机 的执行部分，对联接机构进行重新设计，设计出“价廉质优”的方形型面联接 结构，代替原先的花键联接结构。 在反求创新设计理论模块中，首先对反求创新设计理论的涵义和目前国内 外的发展现状进行简单说明，然后对反求创新设计的设计程序和反求创新设计 的三种方法进行分析和研究，再将反求创新设计理论模块应用到双桶洗衣机的 控制部分，通过实物反求创新设计，对刹车连接结构进行材料替代，设计出性 能可靠、成本低的结构。 本文在研究机械创新设计理论的基础上，对双桶洗衣机进行了改进设计， 改善了产品品质，降低了制造成本，增强了产品的市场竞争力，创造了良好的 经济效益。 关键词：机械创新设计；方案创新设计；机构创新设计；反求创新设计；双桶 洗衣机 m e c h a n i c a lc r e a t i v ed e s i g na n di t sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i nt h ed o u b l e - t u bw a s h i n gm a c h i n e a b s t r a c t n o w a d a y s ，m e c h a n i c a lc r e a t i v ed e s i g n ( m c d ) d e v e l o p sv e r yq u i c k l y m a n y r e s e a r c hp r o d u c t i o n sh a v ea p p e a r e d a tt h es a m et i m e ，t h er e s e a r c hp r o d u c t i o n s h a v eb e e na p p l i e di nt h ep r a c t i c e i nt h i sp a p e r ，t oa n a l y z ea n dr e s e a r c hm c d w h i c hi n c l u d e st h r e et h e o r ys y s t e m s ：p r o j e c tm c d ，o r g a nm c d ，r e v e r s em c d ，t h e n t om a k ei ta p p l yi nt h ed o u b l e t u bw a s h i n gm a c h i n eb e t t e rd e s i g n i n g i np r o j c o tm c d t h e o r ys y s t e m ，f i r s tt or e s e a r c ht h ec o n c e p to fp r o j e e tm c d ， t h e nt oa n a l y z ea n dr e s e a r c ht h et h r e ec o n c r e t ed e s i g np r o c e s s e so fp r o j e c tm c d ， w h i c ha r et h eg e n e r a lf u n c t i o na n a l y z e 、p r o j e c ts y n t h e s i z i n g 、d e c i s i o ne s t i m a t i n g a tl a s tl e ti ta p p l yt ot h ed r i v i n gp a r to ft h ed o u b l e t u bw a s h i n gm a c h i n e ，t h r o u g h f u n c t i o n sa n a l y z i n g 、p r o j e c t sp a r t i c u l a r i z i n ga n dp r o j e c t se s t i m a t i n g ，t od e s i g nt h e b e s td r i v i n gp a r to f6 0 h zt w o s t e p sd e c e l e r a t e ds y s t e m i no r g a nm c dt h e o r ys y s t e m ，f i r s tt or e s e a r c ht h ec o n c e p to fo r g a nm c d ， t h e nt oa n a l y z ea n dr e s e a r c ht h et h r e ec o n c r e t ep a r t s ，s u c ha sc o m b i n e do r g a n m c d 、e v o l v e da n dv a r i e do r g a nm c d 、r e g e n e r a t e do r g a nm c d a tl a s tl e ti t a p p l yt ot h ee x e c u t i n gp a r to ft h ed o u b l e - t u bw a s h i n gm a c h i n e ，r e d e s i g n i n gt h e l i n k i n go r g a ，t h ep r i c ec h e a pw h i l eq u a l i t ye x c e l l e n ts q u a r e n e s ss u r f a c el i n k i n g o r g a ns u b s t i t u t e sf o rt h ef o r m e rs p l i n el i n k i n go r g a n i nr e v e r s em c dt h e o r ys y s t e m ，f i r s tt or e s e a r c ht h ec o n c e p t 、d o m e s t i ca n d f o r e i g n r e s e a r c hs i t u a t i o no fr e v e r s em c d ，t h e nt oa n a l y z ea n dr e s e a r c ht h e r e v e r s em c dp r o c e s sw h i c hi n c l u d e sr e v e r s ea n a l y z ea n dr e v e r s ed e s i g n ，a n dt h e r e v e r s em c dt h r e em e t h o d sw h i c hi n c l u d es o f t w a r er e v e r s em c d 、i m a g em c d 、 m a t t e rr e v e r s em c d a tl a s tl e ti t a p p l yt ot h ec o n t r o l l i n gp a r to ft h ed o u b l e - t u b w a s h i n gm a c h i n e ，t h r o u g hm a t t e rr e v e r s em c d ，i nb r a k el i n k i n gs t r u c t u r ec a r r y i n g t h r o u g hm a t e r i a ls u b s t i t u t i o n ，t od e s i g nai d e a lb r a k el i n k i n gs t r u c t u r e t h i sp a p e ro nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gt h em c dt h e o r yh a df i n i s h e dt h e d o u b l e t u bw a s h i n gm a c h i n eb e t t e rd e s i g n i n g ，w h i c hi m p r o v e dp r o d u c t s q u a l i t y , r e d u c e dm a n u f a c t u r ec o s t ，e n f o r c e dp r o d u c t s m a r k e tc o m p e t i n g ，a n dc r e a t e dn i c e r e c o n o m i c a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：m e c h a n i c a lc r e a t i v ed e s i g n ，p r o j e c tm c d ，o r g a nm c d ， r e v e r s em c d ，d o u b l e - t u bw a s h i n gm a c h i n e 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 插图清单 m c d 的一般过程2 研究技术路线图7 论文的组织框图8 机械系统组成部分关系图9 双桶洗衣机的动力部分装配图1 0 双桶洗衣机传动部分( 洗涤侧) 装配图1 1 双桶洗衣机传动部分( 脱水侧) 装配图1 1 双桶洗衣机控制板部分装配图1 2 双桶洗衣机控制部分( 洗涤侧) 原理图1 3 双桶洗衣机控制部分( 脱水侧) 原理图1 3 双桶洗衣机机械系统关系图1 4 方案实际过程的映射图1 5 方案设计过程的阶段划分1 5 脱水桶与法兰的连接方式一1 9 脱水桶与法兰的连接方式二1 9 机架主体方式一2 0 机架主体方式二2 0 波轮造型一2 0 波轮造型二2 1 面部造型一2 1 面部造型二2 1 周转轮系的结构示意图2 3 减速器组件的装配简图2 4 减速系统的“黑箱法”示意图2 5 减速系统的“串连结构”示意图2 5 串联式机构组合的示意图2 9 串联式机构组合实例的机构图2 9 串联式机构组合实例的框图2 9 构件演化的间歇导杆机构的机构简图3 0 机构的等效变换实例的机构简图3 1 机构再生设计原理和创新的流程图3 1 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 六杆七副运动链的缩图3 2 六杆七副运动链的结构图3 3 减速箱组件的输出轴花键段的局部图j 3 4 波轮组件的轴衬嵌件简图3 5 方形型面示意图3 5 减速箱组件的输出轴方轴段的局部图3 6 波轮组件的方嵌件图。3 6 正设计的设计过程示意图3 9 反求设计的设计过程示意图3 9 反求对象材料的一般分析过程4 1 反求对象材料的具体分析过程4 2 反求设计的过程图4 3 实物反求设计的过程图4 5 双桶波轮式洗衣机刹车过程原理图4 7 双桶波轮式洗衣机刹车过程装配图。4 7 双桶波轮式洗衣机刹车拉带零件图4 9 双桶波轮式洗衣机脱水盖板改进前的局部图4 9 双桶波轮式洗衣机脱水盖板改进后的局部图5 0 表格清单 表3 1方案评价常用的评价指标。1 6 表3 2a 、b 、c 三种方案评分结果1 8 表3 3双桶洗衣机在6 0 h z 下传动部分的方案的原理目录2 5 表3 46 0 h z 传动部分a 、b 、c 三种方案评分结果2 7 表5 1双桶波轮式洗衣机刹车拉钩材料性能4 8 表5 2双桶波轮式洗衣机刹车拉带材料性能4 8 表5 3制动簧的相关设计技术要求4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签氯锈5 左签字醐。叩年朔垆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金理王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 躲乃乏豸 签字醐。 哆a 学位论文作者毕业后去向：教学与研究 工作单位：安徽工程科技学院 通讯地址：安徽工程科技学院机械工程系 电话：0 5 5 3 2 8 7 1 2 5 2 邮编：2 4 1 0 0 0 日 致谢 在硕士论文成稿之际，我首先要感谢我的导师陈科教授，本文从研究方向 的确定、论文结构的推敲以及论文内容的不断修改，都是在陈老师的悉心指导 下完成。陈老师严谨的工作作风、执着的学术追求，特别是对学科发展超前的 敏锐洞察能力，令我由衷钦佩。陈老师渊博的学识，严谨的治学态度，做事认 真稳重，使我受益终身。陈老师不仅在我理论学习和科研中传道授业解惑，而 且在日常生活中，给了我极大支持和热情关怀，使得我一边完成我的学业，一 边照顾我的家庭。在此，谨向恩师您表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 以及向郑 红梅副教授表示最诚挚的感谢。 同时，感谢机汽学院c a d c a m 研究中心的所有老师，他们的工作态度和 个人修养潜移默化中影响着我，一直是我学习的榜样。 感谢师兄沈中华、何平、仇成群、李艳，感谢朱迎春，张克，解科峰，陈 传魁、盛莉、钟金超、胡松涛等研究生，他们都给了我许多帮助和支持，在此 向他们表示衷心的感谢! 还要感谢我的父母、岳父母和爱人刘莉，感谢他们对我学业的关怀、支持 和无私的帮助，我将用以后的加倍努力来回报他们! 作者：贾文友 2 0 0 7 年5 月 1 1 机械创新设计 第一章导论 机械创新设计( m e c h a n i c a lc r e a t i v ed e s i g n ，m c d ) 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。它包含两个部分： ( 1 ) 、改进和完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、适用 性等： ( 2 ) 、创造设计出新机器、新产品，已满足新的生产或生活的需要。 由于m c d 过程凝结了人们的创造智慧，因而m c d 的产品无疑应是科学技 术和艺术结晶的产物，具有美学性，反映出和谐统一的技术美。 m c d 相对常规设计而言，它特别强调人在设计过程中( 特别是在总体方案 机构设计阶段) 的主导性和创造性。 m c d 的一般过程如图1 1 所示。 m c d 的一般过程大体可分为四个阶段： ( 1 ) 、确定机械的基本原理； ( 2 ) 、机构结构类型综合及优选； ( 3 ) 、机构运动尺寸综合及其运动参数优选； ( 4 ) 、机构动力学参数综合及其动力参数优选。 完成上述机械原理、结构学、运动学、动力学分析与综合的四个阶段，便 形成了机械创新设计的优选方案。 m c d 不是简单的模仿或技术改造，而是一个复杂的过程，为了了解这复杂 的过程，需要理顺思维，充分利用m c d 中一些常用的方法。关于m c d 中一些 常用的方法，大致可总结为以下几种： ( 1 ) 、群智集中法，这是一种发挥集体智慧的方法，又称头脑风暴法，是 1 9 3 8 年由美国人提出来的一种方法，我国的很多大型发明创造都使用了这种方 法。 ( 2 ) 、仿生创新法，即是通过对自然界生物机能的分析和类比，创新设计 新机器。如仿人机械手，就是仿生设计的产物。 ( 3 ) 、功能设计创新法，即根据设计要求，确定功能目标后，再拟定实施 技术方案，从中择优设计。第三章“方案创新设计及其在双桶洗衣机传动方案 设计中的应用”就是利用此方法进行创新设计研究。 ( 4 ) 、类比求优创新设计法，就是把同类产品相对比较，研究同类产品的 l 优缺点，设计同类产品中性能最好、成本最低的优良产品。第四章“机构创新 设计及其在双桶洗衣机联接结构设计中的应用”就是利用此方法进行创新设 计研究。 ( 5 ) 、反求设计创新法，是指在引入先进产品的基础上，加以分析、改进、 提高，最终创新设计出新产品的过程。第五章。反求创新设计及其在双桶洗衣 机刹车控制结构设计中的应用”就是利用此方法进行创新设计研究。 结构学 运动学 动力学 图1 1m c d 的一般过程 ( 6 ) 、移置技术创新方法，是把一个领域内的先进技术移置到另一个领域， 或把一种产品内的先进技术应用到另一种产品中，从而获得新产品。这类创新 2 方法的应用很成功，例如人工神经网络的研究就是将生物学的研究创新地应用 到其它领域。 m c d 所涉及的主要内容有： 机械系统方案的创新设计，在第三章中将作详细理论分析和应用研究。 机构的创新设计，其包含机构组合创新、机构演化变异创新、机构再生运 动链创新等，在第四章中将作详细理论分析和应用研究。 反求创新设计，在第五章中将作详细理论分析和应用研究。 综上所述，机械创新设计是建立在现有机械设计理论基础上，吸收科技哲 学、认识科学、思维科学、设计方法学、发明学、创造学等相关科学的有益成 分，经过交叉而成的一种设计技术和方法。 1 2 课题的国内外发展状况和研究的意义 1 2 1 国外研究现状 创新理论是由美籍经济学家熊彼特( j a s c n u m p t e r ) 在经济发展论一书中首 次提出的，为科技与经济结合提供了比较系统的理论观点、思路、途径和方法。之后 各国的研究者针对倒新设计也开展了大量的研究工作，如s h e n a o j u i n nc h i o l l ， s r i d h a rk o t u 在1 9 9 9 年m e c h a n i s ma n dm a c h i n et h e o r y 上发表了a u t o m a t e d c o n c e p t u a ld e s i g no f m e c h a n i s m ，进一步剖析创新设计理论，重点研究机械系统方案的 创新设计：h s i a n g - t a n gc h i n g ，j a h a ul e w i sc h e n 在2 0 0 4 年a d v a n c e si ne n g i n e e r i n g s o f t w a r e ) ) 上发表了t h ec o n f l i c t - p r o b l e ms o l v i n gc a ds o f t w a r ei n t e g r a t i n gt r i zi n t o e c o i n n o v a t i o n ，详细研究和指导如何应用t r i z 方法进行解决问题和创新设计等。 在世界进入知识经济的时代，世界各国都在调整经济政策、科技政策和 发展战略，对高科技领域的创新给予了高度的重视。未来世界的国家分成三种 类型：制造大国、发现大国、设计大国。制造大国，在许多情况下使用廉价劳 动力和资源就能做到，但这要付给发现大国和设计大国大量的专利权费( 即知 识产权费) 。发现大国是靠尖端科技人才发现自然和社会规律，从而改变人类命 运，这需要超级入才和实验成本。设计大国使用最聪明、最不受传统约束的头 脑做事情，并使发现的价值最大限度地突现出来，最终决定制造大国出产产品 能不能成为市场的卖点。因此制造大国实际上很可能被发现大国和设计大国控 制。欧美各国，特别是美国凭借其强大的经济后盾，支持、激励和推进现代产 品设计的创新发展，从审美、使用、技术、材料、工艺、装备、管理等方面进 行设计创新，通过创新设计巩固其经济地位，把其占据优势的高新科技转变为 产品占领全球市场。1 9 9 7 年，英国首相布莱尔上任不久就制定了激励设计产业 的政策，认为英国的设计产业对经济发展非常重要，曾在1 9 世纪被誉为世界工 厂的英国正期望成为2 1 世纪的世界设计工作室。日本在战后把设计作为国策之 3 一，从政治、经济、文化、国家建设等一系列重大问题上引入“设计先导”的 理念，强化设计教育，提倡创造学，提出了“科技创新立国”的新方针。韩国 借1 9 8 8 年的汉城奥运会提出“设计立国”口号，经过2 0 多年的发展，目前在 许多领域中的水平已接近日本。 1 2 2 国内研究现状 古代有四大发明的中国，是一个长于发明和发现的国家，有能力有志气做 自主创新的发现大国和设计大国。我国是世界制造大国，还不是制造强国；制 造技术基础薄弱，创新能力不强；产品以低端为主；制造过程资源、能源消耗 大，污染严重。我国企业的产品“创新能力”远低于“生产能力”。产品创新已 成为我国从“制造大国”走向“制造强国”的关键。解决产品的产量之大和创 新能力之低的矛盾，已成为我国经济发展的当务之急。开展产品创新设计的研 究，大力开发新产品，努力把高技术、高质量、最具发展前途的新产品推向市 场是我国企业迫切需要解决的关键问题之一，也是我国产业结构优化升级和区 域经济发展所提出的亟待解决的问题。目前国内有很多学者展开了产品创新设 计的研究工作，并取得了一定的成绩，如中国科技大学孔凡让教授，其研究方 向就有“创新与发明方法学的研究”，提出“创新语法学”和适合在计算机上实 现的概念设计理论，把总的技术目标分解为多个小目标，把技术问题分解成一 系列的基本问题，把解决问题的各种方法分解为基本方案库，各种方案被进一 步按功能封装，利用过滤器、模糊数学的隶属度函数和专家经验规则帮助搜索、 筛选，并且尹成龙和孔凡让2 0 0 5 年在运筹与管理上发表了创新产品目标设 计阶段的需求分析与研究；安徽工业大学冷护基教授，也致力于研究创新设计， 2 0 0 6 年在安徽工业大学学报上发表了“创新能力试点班”开展创新教育的 研究与实践。但进一步深入地研究产品的创新设计理论，并将研究成果应用到 生产实践中，使之转化为生产力，仍是当前迫切需要研究的重要课题。 就洗衣机而言，1 8 7 4 年，美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机， 1 8 8 0 年，美国又出现了蒸气洗衣机，到1 9 1 1 年，美国试制成功世界上第一台 电动洗衣机。电动洗衣机几经完善，在1 9 2 2 年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌 式”，1 0 年之后，美国本德克斯航空公司成功研制了第一台前装式滚筒洗衣机， 洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。1 9 5 5 年，日本研制出波轮式洗衣机。 6 0 年代的日本出现了带甩干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。 在中国，由于历史原因，洗衣机工业起步较晚，直到1 9 7 8 年才正式生产家用洗 衣机。但是，随着人们认识的发展，尤其是改革开放的不断深化，进入8 0 年代 后的洗衣机工业并没有像一些人预料的那样停步不前，而是保持着旺盛的发展 势头。1 9 8 3 年洗衣机产量由1 9 7 8 年的4 0 0 台飙升到3 6 5 万台，此后全国各地 掀起了大规模的技术引进热潮，大约有4 0 多个厂家先后从洗衣机技术先进国日 4 本、英国、法国、意大利、澳大利亚等引进技术6 0 多项。技术的引进、吸收和 创新，极大地提升了国产洗衣机的产业素质与生产能力，缩短了同发达国家之 间的差距。如今，我国洗衣机年产量约占世界年产量的四分之一，居于世界首 位。除了在数量和品种上满足国内市场外，还出口到北美、欧洲、东南亚等地， 跻身于国际洗衣机市场的竞争行列。 1 2 3 课题的意义 创新是人类社会文明进步的原动力，创新是一个国家一个民族的灵魂，国力的发 展是创造出的，不是安排出来的。新产品是设计出来的，不是模仿出来的。当前， 随着市场经济竞争机制渗透到各个领域，世界先进的制造业企业已经走过了以 产量和质量占领市场的两个阶段，进入到了以创新占领市场的崭新阶段，如何 创新，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策，如： ( 1 ) 大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、 新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性 是永恒主题； ( 2 ) 研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的技术和方法，以 便既快又好地设计出新型产品； ( 3 ) 把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程( 预测、决策、管 理、设计制造、试验、销售服务等) 中，以达到这些过程的一体化、智能化和 自动化； ( 4 ) 研究反求工程理论及其应用，在高的起点上实现技术创新和产品创新。 另外，许多企业纷纷打出“成本制胜”的口号，在满足产品基本功能、品质、 产品外观等诸多方面要求的前提下，尽可能地降低产品的设计制造成本。企业，无 论所有制形式如何，产权归属于谁，追求利润最大化是所有企业的宗旨。利润= 售 价一成本一费用，由此可知利润的取得取决于产品的售价、设计制造成本、过程费用。 换言之，利润来源于销售经营、设计水平和制造成本。成本的高低，是企业经营质 量的集中反映。把成本控制在较低水平是实现企业利益最大化的基础，是赢得市场 份额的重要举措。这也是每个常青企业永恒的管理主题。增收节支，开源节流是撬 动市场，开拓市场的支点，是参与市场竞争，确保企业生存发展的法宝。“成由俭， 败由奢”，“克勤于邦，克俭于家”古来有之。一个企业的降成本最终都会汇聚 到对细节的关注，关注细节降低成本不是企业一时兴起或是仅为了应付一时的竞争 压力的行为，相反，降低成本时关注细节是一项长期的工程。 双桶洗衣机经过几十年的发展，整体技术比较成熟，成本控制尤显重要，我省 是轻工业大省，双桶洗衣机生产能力高，销售量大，因此单台成本影响较大。利用 机械创新设计理论，如对双桶洗衣机大容量系列的传动部分进行方案优化创新( 注： 在5 0 h z 交频基础上优化6 0 h z 交频的传动部分) ，同时提高产品系列化、标准化程 5 度，有效地降低双桶洗衣机的生产制造成本，从而增强产品的市场竞争力，带来显 著的经济效益。 1 3 课题的主要内容框架 1 3 。1 课题的来源 本课题来源于安徽省数字化设计与制造重点实验室项目。该项目的研 究使得机械创新设计的理论分析更加系统化。尤其应用机械创新设计的相 关理论，与企业合作，解决工程实际问题，应用到双桶洗衣机的创新设计 改进中。 1 3 2 课题的研究内容 本论文以作者硕士阶段对双桶洗衣机的技术改进等为研究基础，对方案创 新设计、机构创新设计和反求创新设计进行详细的理论分析，同时应用理论指 导，解决实际工程问题，取得了可喜成果。 第一章：导论。对机械创新设计的概念和机械创新设计国内外发展状况 和研究意义进行了概括和阐述。 第二章：为了有效地将机械创新设计重要理论应用到双桶洗衣机的技术设 计和改进中，分别对双桶洗衣机的机械系统按动力部分、传动部分、执行部分 和控制部分进行展开分析研究。 第三章：对机械创新设计的模块之一“方案创新设计”进行分析研究。分 析了方案创新设计的任务、设计过程，并针对设计过程进行详细说明；进行方 案最优评价，在理论研究、分析的基础上，对双桶洗衣机传动方案进行创新设 计和改进。 第四章：对机械创新设计的模块之二“机构创新设计”进行分析研究。阐 述了机构创新设计的基础理论知识，针对其包含的机构组合创新、机构演化变 异创新、机构再生创新三部分内容进行理论分析研究，在其基础上，对双桶洗 衣机传动部分与执行部分的联接结构进行创新设计和改进。 第五章：对机械创新设计的模块之三“反求创新设计”进行分析研究， 对反求设计的含义进行概述，讨论反求设计与正设计关系，分析反求创新设计 的战略发展意义，研究反求工程的设计程序和基本方法：软件反求设计、影像 反求设计和实物反求设计，在其基础上，对双桶洗衣机控制部分的刹车结构进 行创新设计和改进。 第六章：结束语。总结本文，归纳本文的主要工作和创新点，并对今后的 需继续开展的工作进行设想和展望。 6 1 3 3 论文技术路线 本研究拟采取的技术路线，如图1 2 所示。 创新设计理论分析l1 洗衣机产品分析 1 3 4 论文组织结构 洗衣机产品改进设计 i c a d 设计i ! fc a e 分析j不 二 合 形成创新设计方案格 。1 。1 。一 王一 l 样机制作f 。1 。一 ，：i!一 i 样机寿命测试卜一 合格0 l 小批量试流 抽样寿命测试 合格i 阮翻 图1 2 研究技术路线图 依据上述论述，本文机械创新设计及其在双桶洗衣机上的应用研究，其框 图如图1 3 所示。 7 机械创新设计的概述 机械创新设计 的国内外发展状况 课题的研究意义 双桶洗衣机 的机械系统概述 方案创新设计 的理论分析 机构创新设计 的理论分析 反求创新设计 的理论分析 双桶洗衣机双桶洗衣机双桶洗衣机 传动部分执行部分控制部分 方案设计的应用l1 联接结构设计的应用11 刹车结构设计的应用 创新点和展望 图l3 论文的组织框图 8 双桶洗衣机 的动力部分 双桶洗衣机 的传动部分 双桶洗衣机 的执行部分 双桶洗衣机 的控制部分 第二章双桶洗衣机的机械系统 现代机械种类繁多，结构也越来越复杂，但从实现系统功能的角度出发， 一般机械系统由动力部分、传动部分、执行部分和控制部分四部分组成，相互 关系如图2 1 所示。 图2 1 机械系统组成部分关系图 双桶洗衣机是一种家用电器，也是由这四部分组成。 2 1 双桶洗衣机的动力部分 双桶洗衣机的动力部分即原动机，其作用是提供动力源，完成由其他能向 机械能的转化。 双桶洗衣机的基本功能是对衣物等进行洗涤和脱水，其原动机是实现洗涤 功能的洗涤电机和脱水功能的脱水电机。洗涤电机、脱水电机的设计由设计者 提供使用电源的交频电压值( 如交频2 2 0 v 、1 2 7 v 等) 、频率( 如5 0 h z 、6 0 h z ) 、 洗涤衣物的输出功率、脱水衣物的输出功率、温升和噪音等指标、安装位置( 分 别安装在双桶洗衣机连体桶的洗涤侧和脱水侧所对应底座上，如图2 2 所示， 为洗涤电机、脱水电机、启动电容的安装图示) 、相关传动联接件的尺寸等技术 参数。 一般的三相交流感应电动机在接通三相交流电后，电机定子绕组通过交变 电流后产生旋转磁场并感应转子，从而使转子产生电动势，并相互作用而形成 转矩，使转子转动。但单相交流感应电动机，只能产生极性和强度交替变化的 磁场，不能产生旋转磁场，因此单相交流电动机必须另外设计使它产生旋转磁 场，转子才能转动，所以常见单相交流电机有分相启动式、罩极式、电容启动 式等种类。这里所说洗涤电机、脱水电机是电容启动式单相的交流电机，这种 9 图2 2 双桶洗衣机的动力部分装配图 电机结构简单，启动快速，转速稳定，电容分相式电动机在定予绕组上设有主 绕组和副绕组( 启动绕组) ，并在启动绕组中串联大容量启动电容器，使通电后 主、副绕组的电相角成9 0 。，从而能产生较大的启动转矩，使转子启动运转。 电容式启动电动机，由于其运行绕组分正、反相绕制设定，所以只要切换运行 绕组和启动绕组的串接方向，即可方便实现电机逆、顺方向运转，为此应设计 相匹配的启动电容。 2 2 双桶洗衣机的传动部分 双桶洗衣机的传动部分是动力部分和执行部分的过渡，将两个部分运动连 接起来。 双桶洗衣机的传动部分分为洗涤传动部分和脱水传动部分。 洗涤传动部分的主要零部件有小带轮、三角带、大带轮、减速箱组件，具 体安装方式如图2 3 所示，小带轮固定在洗涤电机的输出轴上，大带轮固定在 减速箱的输入轴上，三角带连接在大带轮和小带轮之间的v 形槽内，减速箱组 件固定在双桶洗衣机的连体桶上，其输出端与执行部件的波轮组件通过方形型 面联接。此传动部分为两级降速，第一级为带传动降速，工作原理为通过大带 轮、小带轮的基准直径比进行降速，同时充分利用带传动的失效形式一打滑， 确保洗涤电机受到过载保护；第二级为齿轮传动降速，工作原理通过减速箱内 的行星齿进行减速。关于传动比在两级降速中的分配比例，在论文的第三章进 一步分析研究见。 1 0 图2 3 双桶洗衣机传动部分( 洗涤侧) 装配图 脱水传动部分的主要零部件是制动轮组件，具体安装方式如图2 4 所示， 其一端通过制动轮紧固件与脱水电机的输出轴连接，另一端( 即输出端) 通过 圆柱销、脱水桶的法兰( 参见图3 3 所示) ，与执行部件脱水桶组件联接，。 图2 4 双桶洗衣机传动部分( 脱水侧) 装配图 2 3 双桶洗衣机的执行部分 双桶洗衣机的执行部分是机械系统的末端，是与作业对象接触的部分，用 来改变作业对象的性质、状态、形状、位置等。 双桶洗衣机的作业对象是需要洗涤和脱水的衣物。 在洗涤侧，与衣物接触的除连体桶内壁外，是洗涤波轮组件，则洗涤侧执 行部分的零部件是洗涤波轮组件，其通过方形型面与传动部分减速箱组件的输 出轴联接，关于洗涤波轮组件与减速箱组件之间的联接结构的进一步分析研究 见第四章。波轮组件在传动部分的驱动下、在控制部分的协调控制下，按照一 定的转速有规律的进行正、反向转动，不停地搅拌衣物，衣物之间相互磨擦， 在洗涤剂的作用下，分解污垢，从而达到洗净衣物的目的。 在脱水侧，与衣物接触是脱水桶组件，则脱水侧执行部分的零件是脱水桶 组件。脱水桶组件在脱水电机带动下，高速运转，使附着在衣物上的水，在高 速旋转下，由于离心力作用，脱离衣物，从而实现甩干衣物。 2 4 双桶洗衣机的控制部分 双桶洗衣机的控制部分用来操纵与控制动力、传动、执行等部分的协调运 行，准确可靠地完成系统的预定功能。 双桶洗衣机既有控制洗涤和脱水预定功能的主要控制部分，还有控制洗涤 和漂洗的进水、洗涤的排水等辅助控制部分。 以一款双桶洗衣机的为例，控制板部分的操作面上控制元件如图2 5 所示。 图2 5双桶洗衣机控制板部分装配图 1 2 此外，洗涤控制部分主要的控制元件还有：洗涤定时器和按钮开关。洗涤 定时器以1 2 秒为循环周期，在标准洗涤的情况下，洗涤定时器控制程序：洗涤 电机正转4 秒，2 秒停转；然后洗涤电机反转4 秒，2 秒停转，如此反复；在强 洗的情况下，洗涤定时器控制程序：洗涤电机正转4 8 秒，1 2 秒停转；洗涤电 机反转4 8 秒，1 2 秒停转，如此反复。洗涤定时器时间调节范围为o 一1 5 分钟。 洗涤侧没有电源开关，洗涤电机的启、停靠洗涤定时器的“0 ”点来控制，当洗 涤定时器处于归“0 ”时，洗涤电机断电停止工作，否则洗涤电机处于通电工作 状态。按钮开关的功能是选择洗涤为标准洗或强洗。 洗涤定时器、按钮开关、洗涤电机的控制电路原理图，如图2 6 所示。 r 图2 6 双桶洗衣机控制部分( 洗涤侧) 原理图 脱水控制部分主要的控制元件还有：脱水定时器、安全开关、刹车联接机 构、刹车软木等。脱水定时器的时间调节范围为o 一5 分钟，脱水侧也没有电源 开关，脱水电机的启停既能由脱水定时器的“0 ”点来控制，又能通过安全开关 控制，要求满足国标g b 4 7 0 6 2 6 2 0 0 0 要求：当脱水盖板掀起大于5 0 m m 后，安 全开关使得脱水电机断电停机，脱水电机惯性转速在刹车控制部分作用下转速 在7 s 内降至6 0 r r a i n 以下，关于刹车控制部分在第五章进行分析和研究。 脱水定时器、安全开关、脱水电机的控制电路原理图，如图2 7 所示。 糠 图2 7 双桶洗衣机控制部分( 脱水侧) 原理图 1 3 浅蓝 辅助控制部分主要的控制元件为换向水嘴、排水转换开关、排水拉带、排 水阀组件等，具体的实现过程为：换向水嘴在推钮控制下，选择洗涤侧的洗涤 进水或脱水侧漂洗进水；洗涤的排水时，通过排水转换开关拉紧排水拉带，排 水阀组件打开双桶洗衣机排水口，进行排水，排水结束时，再通过排水转换开 关松弛排水拉带，排水组件在阀簧的作用下，封闭双桶洗衣机排水口，排水结 束。 综上所述，双桶洗衣机的机械系统中的动力部分、传动部分、执行部分和 控制部分具体相互关系如图2 8 所示。 图2 8 双桶洗衣机机械系统关系图 1 4 第三章方案创新设计 及其在双桶洗衣机传动方案设计中的应用 3 1 方案创新设计的理论分析 3 1 1 方案创新设计的涵义 设计是一种创造性劳动，其本质就是创新，是指从接到设计任务、确定设 计要求到完成整个设计工作的全过程。机械产品设计进程为四段式，即产品规 划阶段、方案设计阶段、技术设计阶段和施工阶段，可见方案设计是机械产品 设计进程中一个十分重要的阶段。在方案设计阶段主要有两个任务： ( 1 ) 、建立设计系统的功能结构。 ( 2 ) 、通过选择相应于功能结构中的每个功能载体，并组合这些被选择的 功能载体形成整个设计系统的方案。 根据其两个任务+ ，方案设计过程可表述为两个映射过程，如图王1 所示。 田驭爹 图3 1方案实际过程的映射图 需求域到功能域的映射过程最能体现设计者的创造能力，它完成自然语言 到专业技术语言的转化；功能域到结构域的映射是每一个分功能与能实现该分 功能的结构进行匹配。为了有效实现两次映射，具体的机械方案包含：分析、 综合和评价决策三个阶段，如图3 2 所示。 罡笪刻 圃 设计目录 形态矩阵 子结构分 析综合 评价方法 设计任务 - - - 叶 圜_ 南 t 不j 子功能所匹 i 满l 配子结构 壁王 囊匿弱 - - 叫 满足f 蕞汹 图3 2方案设计过程的阶段划分 图3 2 中所示的机械方案设计过程的阶段划分，其数学形式进行描述： 1 5 设总体功能为u ，它可分解为一些子功能，分解过程可形式化为： u = ( u1 ，u2 ，u m ) 即总体功能是有m 个子功能u i ( f = 1 ，2 ，m ) 组成的，定义为行。 任何一个子功能u i ( f = 1 ，2 ，m ) 对应着能够完成该分功能的子结构 的集合t f ，定义为列。 t i = ( k l ，t 1 2 ，t i 。) ( i = 1 ，2 ，m ) 式中， 为完成该子功能的子结构总数 设t o ( f = 1 ，2 ，m ：，= l ，2 ，n ) 对应于能完成子功能u f 的所有子结构，以t o 为元素构成矩阵，得到功能域与结构域之间映射相互联系 的“功能域一结构域映射m n 的矩阵”： 3 1 2 方案设计的评价 缈- t ) e f 1 - f i ：乞 t 2 lt 2 2 k k2 t “ 乇lk 2 f 。 评价就是在设计指标的约束下，寻找最优的设计目标，其内容包含两方面 的： ( 1 ) 、设计目标，指从哪些方面、以什么原则、达到什么标准为优； ( 2 ) 、设计指标，指具体的约束限制。 评价的价值目标是以最低的成本获取最佳的功能，评价指标是评价设计方 案优劣的依据，常用的评价指标见表3 1 所示。 表3 1方案评价常用的评价指标 评价指标具体内容 系