齿轮传动自行车CAD改进设计及造型设计_图文

1、河南科技大学硕士学位论文齿轮传动自行车CAD改进设计及造型设计姓名：杨耀山申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：梁桂明;杨宏斌2003.5.5齿轮传动自行车改进设计及造型设计摘要产品创新是企业生存、发展的重要源泉。传统的产品创新一直延续着试错法（”），经验外延法和试凑法（）。在产品单一、涉及较少的学科和技术的条件下，它不失为一种较好的创新方法。但面对今天科学领域的不断拓宽和相互交错融合，寻找科学的创新规律和产品创新方法成为众多新产品设计者的研究课题。创造学的产生和发展给企业注入了新的创新活力，已有的研究结果显示了产品创新是有规律的。在对大量优秀专利研究基础上，发现仅有的发明为完全的创

2、新，它们有效地利用了新发现的物理或化学原理；而其余的发明专利能用以往的发明创造经验来解决。就技术演化倾向、问题求解技术、近期专利汇集和功能与价值分析展开了系统的研究，并取得了丰硕的理论和应用成果。本文采用研究理论和方法，分析了当前自行车的市场需求和产品发展状况，由冲突解决原理提出了多种链传动自行车的创新建议。同时由产品的进化理论知道，链传动自行车已处在产品开发的成熟期，自行车要取得较完全的创新，就必须采取从原理上进行创新的对策。因此作者提出了自行车传动型式上采用齿轮传动、液压传动、带传动的创新思路。创新思路一般在概念设计阶段提出，经过分析、评估后，选定可行的设计方案，最终必须经过详细设计和产品

3、试制才能转化为产晶。传统的自行车开发过程以串行过程来实现，它是以顺序的过程为前提，在前一阶段完成后，下一阶段才开始，因此设计周期长，满足不了快摘要速的市场变化。把并行工程的思想引入了自行车产品的开发过程，它有效地缩短了开发周期，降低了成本，提高了利润和快速对市场做出反应。由于齿轮自行车空间结构较为复杂和对自行车车架刚性要求高等特点，以现代设计理论为指导，用进行了自行车的三维设计，不仅在设计的初始阶段就能获得自行车的视觉景象，而且在设计过程中可方便地进行零部件的装配干涉性检查，获取物理特性数据，有效地避免了设计失误和提高了设计效率，利用参数化造型技术更能发挥出设计者的创造力。随后，把在中建立的自

4、行车车架三维模型利用接口程序输入，仿真分析了车架结构的力肋应力和变形分布，在不能达到使用要求的情况下，可方便的更改模型并重新仿真计算，最终达到车架刚性满足使用要求。用传统的力学方法这是很难求解的，实验方法费用高且周期长。总的来说，产品创新有两个方面的内容，一个是设计思路的创新，另一个是如何把思路转化为产品的方法和手段的创新。齿轮传动自行车的开发成功，对创新设计理论（设计思路法的创新）和现代设计方法（设计方法的创新）具有理论和实践意义。关键词：创新设计，非零传动，锥齿轮，自行车口，一，甩彳，“，摘要：，第一章绪论§创造学和创新设计的发展和应用现状心¨¨§创

5、造学理论发展状况创造学是研究人们在科学技术、文学艺术及其它领域的创造性活动，是探索其过程、特点、规律和方法的一门新兴学科。创造学的重要任务之一是创造力的开发，创造力是人在创造活动中表现出来和发展起来的各种能力总和，是能产生新设想的创造思维能力和能产生新成果的创造性技能。随着工业和技术的迅猛发展，在这种激烈竞争的背景条件下，各国家、地区和民族要想得到最快的发展速度和最高的创造效率，人们不得不重新认识人类自身的创造问题。于是，人们开始对创造的过程和机理产生了兴趣并对创造的思维、创造的规律以及创造的方法产生了兴趣，对普通人的创造活动产生了兴趣，对创造性人材培养和使用产生了兴趣。年美国奥斯本提出了一个

6、很有影响的创造技法一智力激励法（），一般认为，这一创造技法的提出，标志着一门专门开发人们创造力的学科一创造学的正式诞生。它采取的方式是召开十人以下会议，以相互启发、激励，产生创造设想的连锁反应，引出大量的创造性设想。在此后年中，提出的创造性技法有上百种，例如检核表法，它主要是对现有某项创造发明从诸多方面检核，以帮助人们在原有基础上取得大量突破。§创新设计发展状况河南科技大学坝士学位论文工业发达的美国、德国等国家非常重视机械创新设计，他们己取得显著的成果并形成独特的设计体系和风格。东德教授和从设计方法学角度提出了著名的设计过程四阶段模型，分为明确任务、概念设计、具体设计和详细设计”。等

7、研究的天窗调节机构的结构类型与选优，油田抽油机的结构类型选优；等研究的变冲程内燃机驱动机构结构类型选优、汽车刮雨器机构结构类型选优等。美国教授较早从设计方法学的观点总结机械创新设计的过程和方法，他认为要顺利解决机械创新设计，就必须在结构型式综合上投入创造性力量以及在材料和尺寸的优选上花很大的技术力量，强调二者有机结合起来，并推荐了几种激发机械创新设计的辅助方法，即连杆机构分类法、逻辑模块法、蕴含综合法、线图法以及智暴法、自行质疑法、形态构思矩阵法、比拟法等创造性思维方法。运用这些创造性方法，教授进行了大量的工业创新设计实例并获得成功，将创新技术引入机械设计过程，是他的一大杰出贡献”。前苏联发明

8、家等人通过对世界近万件高水平发明专利的分析研究，总结出人类进行发明创造解决技术问题过程所遵循的个原理和法则。建立一个由解决技术问题，实现创新开发的多种方法、算法组成的综合理论体系，简称。其基本原理以二个主要发现为基础：（）技术的演化不是个随机过程，它与顾客需求的演化相关，并且每个工程领域的演化都对其它工程领域产生影响。（）创造性问题来源于矛盾，解决矛盾问题有两个方法：一是在冲突参数间寻找折衷的方案，二是消除矛盾。的目标是通过消除矛盾来解决问题。古典由问题建模和问题求解技术组成。现代包括四部分：技术演化倾向、问题求解技术、近期专利汇集和功能与价值分析。的方法不是针对某个具体的机构、机械第一章绪论

9、或过程，而是要建立解决问题的模型及指明问题解决对策的探索方向，以提供人们思考问题和解决问题过程的科学化依据。台湾颜洪森教授对机械设备创新设计进行了深入的研究，他认为机械设备结构创新分为两类，一类是完全的创新，另一类是在原有设计结构上拓扑改变的创新，而后者在设计中占大多数。他介绍了属性列表法（），形态表分析法（），脑力风暴法（）的创新设计技巧，利用这些方法可以在概念设计阶段提出创新设计恩路。同时它以汽车前悬挂系统为例，具体的说明了如何产生机械系统拓扑结构改变的创新设计方法学。河南科技大学梁桂明教授提出了知识的条件性的创新论据和矛盾转化法的创新方法，并在实践上发明了非零变位弧齿锥齿轮为主的多项专利

10、。§技术的发展现状和趋势川§技术的发展现状技术思想可追溯到世纪年代末，麻省理工大学（）在开发了用于数控机床的编程系统后，提出了利用计算机来表达连续的、人机交互的计算机辅助设计活动的思想。最初的软件系统主要是二维绘图，三维系统只能表达简单的线框，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，且系统规模庞大，价格昂贵。进入年代，法国达索飞机制造公司在二维绘图系统的基础上，开发了三维曲面造型系统，它标志着计算机辅助设计技术以单纯模仿工程图样的三视图模式中解放出来，首次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得技术的开发有了现实的基础。年代初，系统的价格依然使普通企业望而却步，这使得技

11、术无法拥有广阔的市场。为使自己的产品更有特色，在有限的市场中获河南科技大学硕上学位论文得更大的市场份额，各软件公司开始了自己的发展方向。公司在当时星球大战的历史背景下，由美国宇航局支持及合作，开发了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用。同时在技术领域内进行了许多扩展。则着重在曲面技术上发展技术，用以满足麦道飞机零部件的加工要求。三维表面模型可基本解决问题，但由于表面模型只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心，转动惯量等，对十分不利。基于对一体化的探索，公司在年发布了第一个完全基于实体造型技术的大型软件。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，为整个系统提供

12、零件的信息数据，实体造型技术的诸多优点决定了它成为未来技术发展的方向。年代中期，公司提出了参数化造型技术，它有着无约束自由造型方法无可比拟的优点，该技术的特点是基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。随后，公司的技术人员成立了（参数技术公司），开始研制参数化造型软件，该软件后来在市场上取得极大成功。目前在国际市场上最有影响的软件：高端产品有，卜，低端产品有，】，等。产品开发过程中，在设计阶段能对产品的性能进行仿真可减少设计失误，加快设计生产周期，技术始于年，随着有限元理论的逐步成熟及计算机硬件的迅速发展，技术经历了三个阶段。年代，有限元理论尚处于发展阶段，技术主要用于解决航空航天技

13、术中的结构强度、刚度及模态实验和分析问题，同时针对当时计算机内存小、硬盘空间小、运算速度慢的特点进行了计算方法的改进。在这种技术及商业需求的推动下，成立了世界三大主要的公司：（开发软件）、公司（开发软件）、公第一蕈绪论司（丌发软件）。在发展方向上，和比较专注于非线性分析，更偏向于线性分析。一年代，软件的开发重点在计算的精度、速度以及内存的利用和软、硬件的匹配等，是技术蓬勃发展的阶段。有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功，力学模型拓展到温度场、电磁场、声波等各类的物理场，并考虑了材料非线性、几何非线性、接触行为引起的边界条件的非线性等，逐步实现了多个物理场的耦合分析，并出现了许多

14、著名的软件：、系歹、一、等。进入年代，技术与、等技术共同发展，具有良好的接口和前后置处理功能，它为技术的推广应用打下了坚实的基础。、软件开发者为避免重复劳动，提高效率，努力实现了、之间几何模型的共享，使技术涉及的领域越来越宽，学科包括力学，电磁学、化学等。§技术的发展趋势）集成化一计算机集成制造系统（）是在新的生产组织原理指导下的新的生产模式。它集成了等，实现设计、生产、加工一体化。）智能化一机械设计是一个创造性活动，在设计过程中（概念设计、方案设计、施工设计）需要大量的决策。把人工智能专家系统引入系统，可大大提高设计效率和设计质量。）并行工程一以开发小组团队为单位，设计、加工、装配

15、、维护和场运行同步进行，它要求产品开发人员在设计阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，可有效她缩短设计周期。）网络化一目前产品开发项目涉及不同的设计、加工和市场地域，因此要求多个个人和企业协同完成，以等协议河南科技大学坎士学位论文方式进行通信，形成全球化的设计、加工和市场体系。虚拟设计技术一虚拟设计是以为基础，利用虚拟现实技术发展起来的新型设计系统。在系统建立模型后，由三维交互性设备（数据手套和头盔等）在虚拟环境下模拟完成现实操作。如虚拟车辆的驾驶和零部件的装配。§自行车产业的发展现状今天自行车设计和生产能力都呈现出较高的水平，全球自行车生产能力已达到万辆，其中钛合金、工程塑料、碳纤

16、维复合材料等新型材料逐渐应用于自行车车架设计，使设计者更能够发挥其想象力，设计出形式多样、功能不同、适用于不同环境使用的车架形式，且具有强度高、变形小和重量轻等优点。车型有轻便型、载重型、运动型、赛车型、山地车型、特种车型等系列和上万种规格形式。由于环境逐渐被各国政府所重视和人们生活节奏的加快，电动自行车在市场上销售也获得极大成功。其中日本、欧洲、台湾地区成为世界上三大电动自行车生产基地。然而，全球自行车市场处在供大于求的形势，从而导致了台湾和国内自行车厂商之间产生激烈的市场竞争，具体表现为性能和质量的竞争、产品单价的竞争。国内厂商为保证出口量，尽可能地降低产品单价，使出口利润降低，如年为美元

17、辆，年美元辆。而台湾白行车出口单价保持在美元辆左右。国内自行车行业也存在着生产能力过剩的现象，年生产能力达到万辆，而当年产量仅为万辆，产量仅为生产能力的。通过技术引进和自主设计能力提高，国内厂家已具有了生产高品质自行车零部件的能力，其中高档次车圈、车架、变速器、飞轮已开始出口。国内厂商在国际市场竞争中不但有价格的优势，而且有质量和产品性能的优势。然而，国内自行车行业仍存在以下不足：第一章绪论国内厂商车型种类繁多，但由于受到消费群体的限制，批量生产的产品种类仍较单一，产品集中在轻便车上。由于市场呈现供大于求的状况，使厂家间展开激烈的价格竞争，产品利润极低。受价格竞争影响和缺少必要的行业规范，国内

18、自行车整车和零部件质量与国外自行车相比仍有一定差距。其中在车闸制动性能、螺纹精度、反射器光学精度、驱动系统净负荷、电镀件防腐性能，传动灵活性等方面存在较多问题。）产品设计缺乏创新性，设计出的产品存在着模仿和抄袭台湾自行车产品的现象。其次国内自行车厂商缺乏统一的行业指导和规范，行业生产分散，不利于生产资源合理利用。另外从设计到生产时效性差，不适合当今快速的市场变化速度。从长远看，自行车产业依然有着广阔的发展前景，但由于国内外厂商问激烈的市场竞争和产品供大于求的状况，要求国内厂商尽快引入创新的设计方法并不断开发出创新的产品，以最短的开发时间抢占市场，以新颖的产品创造市场。§弧齿锥齿轮设计

19、和加工研究现状§弧齿锥齿轮设计方面河南科技大学梁桂明等人以创造性思维和矛盾转化法为方法，突破了传统锥齿轮零传动的限制，他发明的非零变位锥齿轮传动有着强度高、寿命长和噪声低的优点。为方便非零变位锥齿轮的设计，何文波和梁桂明使用计算机封闭图简化法来选择变位系数，给出了新型非零变位锥齿轮的封闭图边界曲线简化的方法。结合质量指标曲线即可确定变位系数。河南科技大学邓效忠和杨宏斌等人采用高齿制，用优化设计方法，降低了弧齿锥齿轮的噪声，增加了重合度，在不根切、齿顶不变尖和刀具符合规格的前提下，使弧齿锥齿轮的重合度望里坠苎奎兰堡圭耋堡丝兰一达。当中点螺旋角大于。时，在中等载荷下，可保持实际的双齿对传

20、动。台架和装车试验表明，这种弧齿锥齿轮不仅噪声低，而且强度高，可在国内现有机床上使用标准系列刀具加工。任东锋和邓效忠进行了锥齿轮系统开发的研究，并且在平台上，用开发工具开发了非零传动螺旋锥齿轮系统。它利用优化设计方法，在螺旋锥齿轮工程数据库支持下，使设计人员快速完成螺旋锥齿轮的设计、校核、出图和加工前的准备工作。大大缩短了设计加工周期，提高了生产率“。田行斌和方宗德提出了柔度张量的概念，并推导了弧齿锥齿轮有摩擦承载接触问题的数学规划解法。他们采用有限元方法计算工作齿面网格结点的柔度张量，并通过插值和叠加获得了一对啮合齿在各接触位置上接触椭圆长轴离散点的综合柔度，然后结合齿面几何因素（包括齿面间

21、隙、滑动系数、法矢和切矢对于转轴的矢径等），建立了弧齿锥齿轮接触问题的线性规划模型，采用载荷增量法求解了有摩擦的接触变形过程。§弧齿锥齿轮的加工方面西北工业大学的田行斌和方宗德采用局部综合法进行了弧齿锥齿轮的磨齿加工参数设计。该方法能够准确控制齿面参考点的一阶、二阶接触参数，即能够准确控制齿面上参考点的位置、参考点处接触轨迹方向、接触椭圆大小和传动比变化率，比传统使用的调整卡方法具有较大的优越性。该方法能够完全保证齿轮副在参考点啮合，具有预先指定的接触轨迹方向、接触椭圆的尺寸和传动比变化率，从而保证了齿轮副在参考点及其邻域内的啮合质量。此外，还通过调整剩余的小轮参数进行齿轮副啮合质量

22、的全局优化“。沈小星和周云飞提出了一种能直接生成点接触、满足啮合第一章绪论配对要求的齿面方法，该方法利用齿面接触分析设计齿面，为齿轮加工运动计算提供新的途径。工作中使用的螺旋锥齿轮是局部共轭齿轮副（点接触），这是因为完全共轭齿轮副（线接触）对齿轮副的加工、装配误差及受载后的变形十分敏感，其传动性能不如点接触齿面理想。因此，螺旋锥齿轮加工的技术关键就是如何加工出满足要求的点接触齿面。当前机床趋于化，其运动自由度增多且任意可控，为螺旋锥齿轮的加工提供了更灵活的途径。由于螺旋锥齿轮加工为配对加工，因此，大轮采用计算简便且高效的成形法，再依据大轮齿面，结合传动和接触要求，分析配对小轮齿面参数及小轮刀具

23、的运动轨迹。由加工运动的可控制性，五坐标运动可以获得任意方式的加工啮合，加工自由度的增加，使得切齿计算更为方便和灵活，它可以简化机床结构和切齿计算，可解决原有机械式的限制，实现高质量的加工。基于空间曲面共轭原理，确定齿轮切齿矢量关系，建立了螺旋锥齿轮的齿面矢量方程。利用空间坐标系的变换，确定出刀具相对工件的位置和姿态，实现刀具与工件的相对运动，从而将传统的螺旋锥齿轮机床加工调整参数转换为适合机床加工的运动参数。在计算机上对螺旋锥齿轮数控加工进行了仿真，给出了相应的计算和实验结果。在通用五坐标数控机床上实现螺旋锥齿轮加工，确定出螺旋锥齿轮加工方法”。§本课题的研究意义创造学是研究创造规

24、律和培养人们创造力的一门学科，产品创新设计理论的研究应用使创造和创新有规律可循。创新设计方法的研究使产品设计朝着高效率，低成本的方向发展。在产品设计思路形成后，如何有效地完成和实现这种思路，如何使它转变成技术文件和现实中的产品成为人们的研究方向。河南科技大学硕上学位论文本课题是在研究创造学和创新设计理论基础上，利用（冲突解决理论）创新设计理论在概念设计阶段提出齿轮传动自行车的创新设计思路，并且利用现代设计理论和方法（三维造型技术，有限元分析）实现了该设计。齿轮自行车的研制成功对创新设计理论和现代设计方法具有理论和实践意义。篓三至型堑塞婪堡篁型堡星第二章创新设计理论和应用§产品设计理论

25、§产品设计理论内容设计理论是研究产品设计的科学，它涉及产品的设计过程、设计目标、设计者、可用资源、领域知识个方面和它们之间相互的关系。设计过程是产品设计的核心内容，设计过程是指设计者为完成设计所采取的一系列活动。§产品设计过程模型图一描述型设计过程模型在产品设计理论研究过程中，已提出了多个产品设计过程模型。堡童型苎奎兰堡圭兰堡丝兰一一描述型设计过程模型强调在设计的初期产生一个原理解，在评价后，如认为无效，可重新产生另一个解，否则逐步完善，完成最后设计。问题分析是定义设计对象、确定各种约束、标准和可用资源等。概念设计是要产生多个原理解，并评价后选定一个或多个可行的原理解。技术

26、设计是要完成产品的总体结构设计。详细设计是最终完成产品设计图样和技术文件。§产品创新设计创新设计存在于整个产品设计过程中，但其核心是发生在概念设计阶段。实践证明，产品创新主要来自概念设计阶段所涉及的功能、原理、形态、布局和结构等方面的创新，从产品创新的角度看，概念设计过程本质上就是一个创新的过程。目前对产品创新设计的理论研究分两类，一类是研究普适性概念设计原理，如研究产品创新中的概念设计过程优化模型、创新的基本原理、基本方法和基本工具。另一类是研究领域知识，如机械工程领域的机械机构创新设计原理，它们之间起着相互促进的作用。§创新设计理论概述（）是发明问题解决理论，它的核心是

27、技术系统进化原理，此原理说明，技术系统一直处于进化之中，解决冲突是其进化的推动力。进化速度随技术系统一般冲突的解决而降低，使其产生突变的方法是解决阻碍其进化的深层次冲突。§基本原理以二个主要发现为基础（）技术的演化不是一个随机过程，它与顾客需求的演化相关，并且每个工程领域的演化都对其它工程领域产生影响。（）创造性问题来源于矛盾，解决矛盾问题有两个方法：一是童三塞型堑堡婆堡篁塑窒星：在冲突参数间寻找折衷的方案，二是消除矛盾。的目标是通过消除矛盾来解决问题。古典由问题建模和问题求解技术组成。现代包括四部分：技术演化倾向、问题求解技术、近期专利汇集和功能与价值分析。的方法不是针对某个具体的

28、机构、机械或过程，而是要建立解决问题的模型及指明问题解决对策的探索方向，以提供人们思考问题和解决问题过程的科学化依据。§的基本原理及方法是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系。的基本原理是技术系统的进化遵循客观的法则群，其基本原理的形成基于以下观点：（）任何领域、范围的产品都遵循普遍的法则而进步，由此可以预测已有产品和制造过程的未来的发展方向。（）产品所面临的中心课题是不断解决已经过时的产品和市场要求之间的矛盾。发明并创造性地解决问题，意味着彻底消除产品内包含的矛盾，而不是用妥协的方式解决问题。（）用创造性方法解决产品内在矛盾所使用原理的数量是有限的，但这些

29、原理具有普遍性。（）在探索技术问题解决对策时，经常用到只有特定领域的技术人员才掌握的科学原理和法则。这些科学原理和法则的有效运用需要建立其与具体技术所能实现机能之问的对应关系。在解决技术问题时，如果不明确应该使用哪些科学原理法则，则很难找到问题的解决对策。就是提供解决问题的科学原理，并指明解决问题对策的探索方向的有效工具。§的解算过程在使用解决问题过程中，首先把待设计的产品表达成堡皇坠堡奎兰竺圭兰堡堡兰：问题，然后使用中的工具，如发明原理等，求出该问题的通解，在对通解进行评估后，确定问题的特解图解题过程§创新设计理论内容§产品进化理论中的产品进化理论将产品过程分为

30、四个阶段：婴儿期、成长期、成熟期和退出期。处于前两个阶段的产品，企业应加大投入，尽快使其进入成熟期，以便企业获得最大的效益。处于成熟期的产品，企业应寻找替代技术应用于产品，来应对未来的市场竞争。处于退出期的产品使企业利润急剧下降，应尽快淘汰。在对大量的专利的分析后，发现产品的进化规律满足性能一时间曲线。对应的性能是单位时间内的专利数、单位时间内的专利或发明级别、单位时间内的技术性能和单位时间内的利润（图）。以“时间一专利数”曲线为例，开始时，专利数较少，在性能曲线的第三个拐点处出现最大值。在此之前，很多企业都进行了大量的丝三耋型塑堡生矍兰墼堡旦一；：；：；：一投入，但由于产品已处于退出期，企业

31、再增加投入已得不到什么回报了。专利数利润 片。时、性能专利的级别文。；一时肛叭：图产品技术进化曲线当企业掌握了产品的进化规律后，企业的研发不再盲目，根据产品处在不同的时期，企业采取不同的技术对策和进行合理投入。§产品设计中的冲突和解决原理认为，发明问题的核心是解决冲突，没有克服冲突的设计不是创新设计。（）研究的冲突有物理冲突和技术冲突。）物理冲突是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有的一种特性，但同时出现了该特性的相反特性。）技术冲突是指一个作用同时导致有用和有害两种结果，也可指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统的恶化。在对专利研究的基础上，归纳了中工程参

32、数描述冲突。：堡童型垫奎兰堡：！兰堡丝苎表描述冲突的工程参数一序号名称序号名称运动物体的重量功率静止物体的重量能量损失运动物体的长度物质损失静止物体的长度信息损失运动物体的面积时间损失静止物体的面积物质或事物的数量运动物体的体积可靠性静止物体的体积测量精度速度制造精度力物体外部有害因素的作用的敏感性应力或压力物体产生的有害因素形状可制造性结构的稳定性可操作性强度可维修性运动物体作用时间适应性和多用性静止物体作用时间装置的复杂性温度监控和测试的困难程度光照度自动化程度运动物体的能量生产率静止物体的能量（）物质一场分析（技术冲突的确定方法）物质一场分析是用符号表达技术系统变换的建模技术，“物质”一

33、词在中所表达的意思非常广泛，可以表达从简单的物体到具第一二章创新设计理论和应用有各种复杂程度的技术系统。“场”则用于表示两个物体之间相互作用、控制所必需的能量。在中场主要指机械场、热场、电磁场以及化学场等。技术系统构成要素物体，作用体，场三者缺一就会造成系统的不完整。而当系统中某物质所特定的机能没有实现时，系统就会产生问题。为了控制这物质产生的问题，就必需引入另外的物质。由此产生这些物质之间的相互作用并伴随能量场的生成、变换、吸收等，物质场模型也从一种形式变换为另一种形式。因此各种技术系统及其变换都可用物质和场的相互作用形式记述。利用物质一场分析方法分析系统存在的问题，建立系统的物质一场模型并

34、提出问题解决对策的步骤如下：）指定物体：）指定场：）建立物质一场初期模型；）指定作用体；）生成所希望的物质一场模型；）提出解决问题的对策。（）技术冲突的解决原理技术冲突的解决原理是在分析全世界大量专利基础上提出的，通过专利的分析，新的发明在不同领域的发明中所用到的规则并不多，不同时代的发明，不同领域的发明，它们的发明规则被反复使用。其次，物理学、化学等其它学科也融入了发明规则中。等提出了条发明原理，实践证明它们对指导设计人员的发明创造有重要作用。（）冲突矩阵（附录）发明原理如何有效运用是具有现实意义的问题，的冲突矩阵，把技术冲突的个工程参数和条发明原理建立起了对应关系，这样在设计时可方便选用发

35、明原理。河南科技大学硕士学位论文除标题行和标题列外，冲突矩阵是一个×的矩阵，其中行代表了个工程参数恶化的一方，列代表了个工程参数改善的一方。由一对工程参数的冲突对应每一个矩阵单元，在单元内可查到对应的发明原理。表种发明原理序号名称序号名称序号名称序号名称分割预补偿紧急行动】多孔材料分离等势性变有害为有改变颜色盆局部质量反向反馈同质性不对称曲面化中介物抛弃与修复合并动态化自服务参数变化未达到或超多用性复制状态变化过的作用低成本、不耐套装维数变化热膨胀用的物体代替昂贵、耐用物体质量补偿振动 机械系统的加速强氧化替代预加反作用周期性作用气体与液压结构惰性环境有效作用的柔性壳体或预操作复合材

36、料连续性薄膜（）物理冲突的解决原理当一子系统具有相反的要求时就存在了物理冲突。与技术冲突相比它显得更尖锐，在设计中必须解决。解决物理冲突的方法有：）空间分离，将冲突双方在不同的空间分离，以降低解决问题的难度。）时间分离，将冲突双方在不同的时间段分离，关键是冲突双方在某一时间段只出现一方时，时间分离是可能的。）基于条件的分离，将冲突双方在不同条件下分离，关键是某第一二章创新设计理论和厦用一条件下只出现一方时，条件分离是可能的。）整体与部分的分离，将冲突双方在不同的层次分离，关键是在该层次下只出现一方，而该方在子系统、系统或超系统层次不出现时，整体与部分的分离是可能的。§发明问题解决算法

37、是的另一个主要分析问题、解决问题的方法。其实质是为了解决问题的矛盾对立，对初期问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程。的构成见图。首先是将系统中存在的问题最小化，原则是尽可能不改变或少改变系统而实现必要机能，其次定义系统的矛盾对立，并将矛盾对立简化为“问题模型”。然后将对立领域明确化，并分析系统中可以使用的资源，进一步定义系统的理想解。通常为了实现系统的理想解，系统对立领域的最重要构成要素应是相互对立的物理特性。例如，冷的同时发热，导电的同时绝缘，透明的同时不透明等。接下来是定义系统内的物理矛盾以及消除物理矛盾。物理矛盾的消除需要最大限度地利用系统内的资源及物理、化学、几何学效果工学应

38、用知识库。如果问题得不到解决，则要返回最初的地方，对问题进行再定义。图的解题过程！童墼苎奎兰堡圭兰堡丝兰：；：；一§在自行车创新设计上的应用§用户需求根据市场调查反映，普通自行车用户对自行车的要求是：）性能骑行舒适；人体在踏动脚踏时，可有效转化为曲柄的转动（人体功率有效输出）。传动效率高，省力；最好有变速功能。）价格价格不宜过高。）日常维护使用可靠，维护简便。§问题分析骑行舒适主要由车架结构尺寸决定，只要符合人机工程学的要求，此指标可以达到。人体功率的有效输出与车架结构尺寸和车架刚性有关。传动效率和传动原理有关，对链传动来说，要提高链传动的效率，需要对链轮、链条的

39、制造和安装精度和润滑条件提出较高的要求。价格由自行车的复杂程度、材料和零件制造和装配要求决定。可靠性由自行车系统的零件数目，各单个部件的寿命和可靠性决定。维护同自行车结构和使用原理有直接关系。§冲突分析和解决对当前链传动自行车尚未解决的冲突进行分析。由冲突图形可以看出，为提高传动效率和降低噪声，需要提高制造精度和改善润滑，但同时又带来了制造成本的增加和维护不便的冲突。同时由于链传动原理的限制，进一步提高效率也不现实。以下为利用冲突矩阵（参见附录）找出相应的发明原理并提出设计建议（原理解或通解）丝三耋型堑坠兰些篁窒窒星一提高制造精度，良好润动效率和降低噪声原理限制，成本高维护繁琐图链传

40、动自行车设计中的冲突，分离原理，把一个物体中的“干扰”部分分离出去，将物体中的关键部分挑选或分离出来。把润滑和自行车的日常使用分离出来，借鉴机械上的闭式传动，开发出链盒来保护链条和链轮。周期性作用，用周期性运动或脉动代替连续运动；对周期性运动改变其运动频率；在两个无脉动的运动之间增加脉动。定期调整链条松紧等状态，通过改进设计，延长维护周期。，口不对称，将物体的形状由对称改为不对称，如果物体已经不对称，则增加不对称的程度。增加偏心轮调整机构，可随时改变链条的松紧。把链轮改为非圆形，有效利用人体的踏力。维数变化，将一维空问中运动或静止的物体变成二维空间中运动或静止的物体，在二维空间中物体变为三维空

41、间，物体用多层排列代替单层排列，使物体倾斜或改变其方向，使用给定表面的反面。在传动件表面增加一层硬质材料，始终保持良好的滑动系数。，抛弃与修复，当一个物体完成了其功能或变的无用时，抛弃或修改该物体的一个元件，立即修复一个物体中所损耗的部分。设计自动清洁和润滑装置，定期使用。复制，用简单的、低廉的复制品代替复杂的、昂贵的、易碎的或不易操作的物体，用光学拷贝或图像代替物体本身，可以放大型童坠垒奎耋堡；！：兰堡篁兰和缩小图像，如果已使用可见光拷贝，用红外线或紫外线来代替。改变传动件的材料，使传动件具有吸油性和自润滑性。§结论以上是在观察和分析市场需求后，利用工具找出了自行车链传动系统的技术

42、冲突，并使用发明原理提出了诸多技术开发方向和建议，它们中有些已成为现实中的产品，同时我们也注意到，由于链传动自行车已经发展了多年，与之相关的著名专利有万余件，就产品的进化理论来说，它早已进入了产品的成熟期，因此再过多地在链传动自行车上加大技术开发投入将得不偿失，告诉我们，应把新的原理引入传动设计中来（齿轮传动，液压传动，带传动等），才能更好地解决冲突，设计出市场上更受欢迎的产品。第三章自行车的设计理论第三章自行车的设计理论§自行车的基本构成自行车是把人的输入动力源转化为前进直线运动的机械装置。它的基本组成部分是：）支撑部分：车架，前叉，鞍座，车把）传动部分：链轮，飞轮，链条）工作部分：车轮）驱动部分：脚蹬，曲柄）附件部分：车灯，支架等§自行车的性能描述和影响因素自行车设计是一个系统工程，它集中体现了人，自行车和周围环境三者之间的关系。因此无论是自行车的传统设计，还是自行车的创新设计，都不能孤立三者之间的关系去进行设计。以下是决定自行车设计的基本设计因素和设计准则。§自行车的输出陛能自行车的输出