机械创新设计-功能原理创新设计-发明解决理论

第四章功能原理创新设计2023/9/6机械创新设计4.1功能原理设计的意义4.2工艺功能设计方法4.3综合技术功能设计方法4.4功能组合方法4.5设计目录方法第四章功能原理创新设计4.6发明问题解决理论(TRIZ）4.7公理化设计方法2023/9/6机械创新设计如何产生的？基本原理是什么？基本方法如何？怎样分类？技术冲突的40条发明原理4.6发明问题解决理论(TRIZ）2023/9/6机械创新设计如何产生的？前苏联学者阿利特舒列尔（G.S.Altshuler）及其领导的一批研究人员，从1946年开始，花费1500人•年，在分析研究世界各国250万件专利的基础上，提出了“发明问题解决理论”。该理论一直对其他国家保密，直到前苏联解体后，随着一批原苏联科学家移居国外，将该理论介绍给其他国家，对全世界的创新设计领域产生重要影响。4.6发明问题解决理论(TRIZ）CIA中央情报局

PK克格勃2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论基本原理是什么？“发明问题解决理论”认为技术系统是不断进化的，进化的动力是解决冲突。“发明问题解决理论”提出消除冲突的发明原理，建立消除冲突的基于知识的逻辑方法。——劝架—折中2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论基本方法如何？应用“发明问题解决理论”解决设计问题时，需要首先将待设计的问题表达（翻译）为“发明问题解决理论”的标准问题，利用该理论所提供的工具，可求得标准解，将标准解表达（翻译）为问题领域的解答，得到领域解，可以得到关于消除技术冲突的有益提示。2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论怎样分类？

“发明问题解决理论”将工程中的冲突分为两类，一类称为技术冲突，另一类称为物理冲突。

技术冲突指在一个子系统中引入有用功能的同时会在另一个子系统中引入有害功能。

物理冲突指对同一个子系统提出相反的要求。

2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论为表示技术冲突,该理论总结了常用的39个工程参数：通用工程参数名称

——七类序号名称序号名称序号名称1运动物体的重量14强度27可靠性2静止物体的重量15运动物体作用时间28测试精度3运动物体的长度16静止物体作用时间29制造精度4静止物体的长度17温度30物体外部有害因素作用的敏感性5运动物体的面积18光照度31物体产生的有害因素6静止物体的面积19运动物体的能量32可制造性7运动物体的体积20静止物体的能量33可操作性8静止物体的体积21功率34可维修性9速度22能量损失35适应性或多用性10力23物质损失36装置的复杂性11应力或压力24信息损失37监控与测试的困难程度12形状25时间损失38自动化程度13结构的稳定性26物质或事物的数量39生产率2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论

并总结了常用来解决技术冲突的40条发明原理：发明原理序号名称序号名称序号名称序号名称1分割11预补偿21紧急行动31多孔材料2分离12等势性22变有害为有益、32改变颜色3局部质量13反向23反馈33同质性4不对称14曲面化24中介物34抛弃与修复5合并15动态化25自服务35参数变化6多用性16未达到或超过26复制36状态变化7套装17维数变化27低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体37热膨胀8质量补偿18振动28机械系统的替代38加速强氧化9预加反作用19周期性作用29启动与液压结构39惰性环境10预操作20有效作用的连续性30柔性壳体或薄膜40复合材料2023/9/6机械创新设计原理1：分割——断开——独立

把一个整体或有联系的事物强行分开

将一个物体分割成几个独立的部分电冰箱——冷冻箱+冷藏箱货运汽车——动力（机车）+装载（拖车）将一个物体分割成几个容易组装和拆卸的部分

结构设计——构件——多个独立的零件—分别制造提高物体的可分性

刀具可拆卸结构——刀头+刀杆2023/9/6机械创新设计原理2：分离——隔开

①从混合物中隔离出来

②与其他部分或整体、主体分开将一个物体中的有害部分与整体分离家用空调——主机+散热器（噪音大——移往室外）将一个物体中起某种专门作用的部分与整体分离

激光复印机——成像功能分离——独立功能成像功能+扫描仪=复印机成像功能+计算机=打印机成像功能+通信功能=传真机打印+复印+扫描+传真——一体机2023/9/6机械创新设计原理3：局部质量——区别对待零件由均匀结构改为非均匀结构

——局部发挥最佳效能零件不同部位——热处理方式不同

——齿轮齿面的表面处理。面硬心软

2023/9/6机械创新设计原理4：不对称——增加范围机械零件多为对称——设计更简单但是可以采用不对称结构——选择范围扩大轮毂设计的非对称结构——定位

2023/9/6机械创新设计原理5：合并——组合将空间上相同或者相近的物体合并在一起

收音机+录音机=收录机

多功能手机=电话功能+短信+收音机+——将时间上相关的物体合并

铅笔+橡皮——便于携带

制冷+加热——夏天制冷——冬天加热2023/9/6机械创新设计原理6：多用性——提高性价比多种功能集于一身

多用工具——

多功能手机——电话功能+短信+收音机+mp4+照相+GPS导航+蓝牙+上网——————一机多用2023/9/6机械创新设计原理7：套装——减小占用空间将某个物体放入另一个物体的空降内

地铁车门——嵌入式

建筑、装修布线——墙内地暖——地板下

将第一个物体嵌入第二个物体内，将第二个物体嵌入第三个物体内——

多层伸缩式天线——伸缩式钓鱼竿——多层油缸——

2023/9/6机械创新设计原理8：质量补偿—减小质量负载使一个向上的力与向下的重力相平衡

氢气球悬挂广告牌——嵌入式

电梯、立体车库——滑轮—起重负载配重

精密滑动导轨——机械卸载导轨

——滚子分担导轨负载—导轨导向

2023/9/6机械创新设计原理8：质量补偿—减小质量负载通过物体与环境的作用为物体提供向上的作用力，以平衡重力作用———

船——水的浮力——

飞机机翼——空气——升力

2023/9/6机械创新设计原理9：预加反作用—抵消有害作用梁——预加反载荷———

机床导轨——做成中部凸起——延缓寿命

火车铁轨——中凸——加长寿命

2023/9/6机械创新设计原理10：预操作—预防措施—杜绝意外事件螺栓——预紧+放松措施轴承——预紧零件装配前的防腐处理———

2023/9/6机械创新设计原理11：预补偿—事先防范—提高可靠性过载保护系统——熔断器安全离合器

2023/9/6机械创新设计原理12：等势性—减少能量消耗车辆在平路上行走——零件在流水线中移位时尽量在一个平面上鹤式起重机——吊装物体时做水平直线移动

2023/9/6机械创新设计原理13：反向—逆向思维采用与通常动作方向相反的动作，达到相同的目的——

——配对齿轮的材料不同——一软一硬

模具硬材料—凸模——软材料—凹模

结果——软材料塑性对磨损补偿，延长模具寿命使原来静止的物体运动，原来运动的静止，保持两个物体间原有的相对运动关系

车床——刀具固定——工件运动

改变——工件固定——刀具运动——镗床或铣床

2023/9/6机械创新设计原理14：曲面化—圆弧与旋转用曲线代替直线，用曲面代替平面，用球代替立方体——

——倒角、圆角——减少应力集中——拱形梁——提高强度——等强度梁——特殊母线形状使圆轴各截面弯矩相等用回转运动取代直线运动

机械设计——旋转运动

更简单

旋转运动产生的离心力——特殊作用——

洗衣机甩干

离心铸造——减少铸件外表面缺陷2023/9/6机械创新设计原理15：动态化—灵活性使物体各个部分之间、动作之间自动调节，实现最佳工作状态——

——形状记忆弹簧——随温度变化——伸缩开闭温室天窗——柴油机调速器——

——像超越离合器将物体分解为既互相连接，又可以相对运动的多个部分

凸缘联轴器——刚性连接，要求精度高

万向节联轴器——适应两轴角度误差

十字滑块联轴器——适应两轴径向误差用垫片调节轴向间隙2023/9/6机械创新设计原理16：未达到或超过—放宽—问题简化齿轮设计齿宽——一宽一窄——解决齿宽装配、加工及累计误差造成的错位公差——不是理想的—＜100%

2023/9/6机械创新设计原理17：维数变化—多维—增加将一维线性运动改为二维平面运动或三维空间运动——计算机储存方式——纸带（一维）——磁盘/光盘（二维）——将来三维存储技术—飞跃将单层排列的物体变为多层排列光盘库——多层叠放光盘——方便抓取

立体车库——增加存储量利用给定表面的反面磁盘由单面——双面2023/9/6机械创新设计原理18：振动—使物体处于振动状态——增加振动频率——共振电磁振动或压电振动替代机械振动

——刀具振动——切削工艺——电动剃须刀、电动雕刻刀、振动式电动剪刀振动上料机——均匀定向上料（移动物体）筛子筛物料——

电子表——石英振荡器——更准确2023/9/6机械创新设计原理19：周期性作用—周而复始用周期性动作代替连续动作；已有的改变动作频率

过盈装配——压入法——周期性敲击法内燃机——活塞等周期性工作

自动装配线上——传送带（链）——周期性装配操作2023/9/6机械创新设计原理20：有效作用连续性—提高效率系统连续性工作——所有部件满负荷——

—消除动作过程中的间隙——连续旋转代替往复直线运动计算机打印机——打印头连续往复打印内燃机——爆发行程——做功——飞轮储能—输出——保证内燃机持续运动

卡尔逊复印机——平板上—布静电+曝光+显影+定影

现代复印机——多个工作头围绕硒鼓——复印可以循环进行

搓丝——滚丝2023/9/6机械创新设计原理21：紧急行动—减少有害作用时间以最快速度完成有害操作——

激光焊接法——加温时间短，影响范围小——减少焊接变形

热处理——高频或中频电流——加热零件表面2023/9/6机械创新设计原理22：变有害为有益机器报废——零件方便拆卸——垃圾分离设备——回收有用物质高压容器灌口密封结构——外侧消弱——内侧加强2023/9/6机械创新设计原理23：反馈——纠正补偿反馈系统——有效纠正偏差——保证系统工作正常自行车前轮转向——把延长线在轮子与地面接触点前面

——向心力形成回位力矩2023/9/6机械创新设计原理24：中介物——传递减缓带（链条）——机械传动的中介物——长距离传动复印机布墨粉——玻璃球静电吸墨粉——硒鼓强静电再吸布墨粉到硒鼓上——形成墨粉图像机器安装底座上的减震垫——减少振动对环境的影响大型风机——减震问题2023/9/6机械创新设计原理25：自服务——自我保护意识自润滑轴承——自身材料孔隙含润滑剂——随温度应力变化渗出润滑——省略了特别的润滑措施.SF-1通用型钢基无给油自润滑轴承1无油润滑或少油润滑，可在使用时不保养或少保养；2耐磨性能好，摩擦系数小，使用寿命长；3有适量的弹塑性，能将应力分布在较宽的接触面上,提高轴承的承载能力；4静动摩擦系数相近，从而保证机械的工作精度；5能使机械减少振动，降低噪音，防止污染，改善劳动条件；6在运转过程中能形成转移膜,起到保护对磨轴的作用；7对于磨轴的硬度要求低，从而降低了相关零件的加工难度；8薄壁结构，质量轻，可减小机械体积；9钢背面可电镀多种金属,，可在腐蚀介质中使用；目前已广泛应用于各种机械的滑动部位。铸铁——润滑性2023/9/6机械创新设计原理26：复制——替代物用简单、廉价的复制品代替复杂昂贵的物体虚拟设计——动态虚拟仿真——虚拟装配——干涉检查——虚拟应力分析模拟训练——虚拟现实

仿生法（仿生学）——人工心脏——机器人——机器动物2023/9/6机械创新设计原理27：低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体——低替代物用再生材料——木材、农作物茎秆代替木材——做家具、建材——用铁芯包铜代替铜导线

——用塑料模具代替金属模具

——钢塑材料代替铝合金等稀有金属材料

——用模型试验代替实物试验2023/9/6机械创新设计原理28：机械系统的替代——低替代物用具有视觉、听觉、味觉或嗅觉系统——代替机械系统——用光、声传感器代替机械（位置）传感器

——用电动机调速代替机械变速

——用声、光信号传递机器运行2023/9/6机械创新设计原理29：气动与液压结构——将物体的固态部分用气体或液体替代，利用气压、液压缓冲作用——表面的润滑——高压气体或液体——隔开表面——流体静压润滑2023/9/6机械创新设计原理30：柔性壳体或薄膜——用柔软壳体或薄膜替代传统结构——建筑物或广场顶部——柔软壳体（织物）或薄膜材料——施工方便——结构轻巧安全——机器内部——柔软材料——隔开成多箱——各自润滑方案2023/9/6机械创新设计原理31：使用多孔材料——失重铸造或烧结——大量孔隙材料——含油轴承、流体过滤器、轻质结构零件——材料上打孔——减重

——带孔结构2023/9/6机械创新设计原理32：改变颜色——传达信息重要信息——醒目色危险信息——红色

——方便观察——透明结构2023/9/6机械创新设计原理33：同质性——相同材料——接触不发生化学或电化学反应

——零件热膨胀系数相同——温度变化不易错位——生产备料方便——报废时方便处理2023/9/6机械创新设计原理34：抛弃与修复——减载抛弃失去功能的部件，补充或修复损耗部分

——火箭发射中，抛弃废料箱减轻负载2023/9/6机械创新设计原理35：参数变化——参数

控制季节（温度）——决定润滑油类型电饭煲温控器——锅底温度——传感器——改变铁磁粉性质——开关电路机床设计中，根据被加工件—确定机床功率、速度压电材料的逆电效应——改变材料尺寸、形状、位置和方向——系统的微位移控制2023/9/6机械创新设计原理36：状态变化——状态

控制电冰箱温控器—敏感材料状态—温控器内部压力——制冷温度根据金属材料受温度影响—热处理—表面硬度和强度形状记忆合金—温度——金相组织变化——形状热导管——工作介质汽化——热传导——传到效率提高2023/9/6机械创新设计原理37：热膨胀——空间变化过盈装配——热膨胀温度控制开关——两片热膨胀系数不同材料贴合防止热膨胀——铁轨接头处——无缝线路轨道无缝线路轨道安装时有一个安装温度要求，以达到伸缩量平均。无缝线路轨道通过扣件扣紧在混凝土轨枕上，抑制钢轨的伸缩。无缝线路并不是全线都连在一起，根据等级，每隔数千米有断开的一个伸缩段，每到季节变化，铁路养路工人会挑选一个适合温度的时间，松开钢轨扣件，让无缝钢轨自由伸缩，再扣紧，恢复铁路运行。2023/9/6机械创新设计原理38：加速强氧化——环境变化氧化级别改变——空气——纯氧——离子化氧气、臭氧环境需要氧气的环境——有害气体场所、抢救病人——加速化学反应2023/9/6机械创新设计原理39：惰性环境——特定环境灯泡制造——防氧化——惰性气体环境食品防腐——包装中惰性气体——真空电冰箱保鲜——低温+真空干燥的惰性气体——防止汽雾产生2023/9/6机械创新设计原理40：复合材料——多选性零件——不同部位—功能不同—特性不同带——承受拉力—强度——在带轮中弯曲—弹性—弯曲应力小——带与轮摩擦——耐磨性——V型带——多种复合材料——芯部——纤维或细钢丝——抗拉强度高——主体——橡胶——弹性好——表层——帆布——耐磨性好2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论

将发明原理与技术冲突的对应关系编制成冲突问题解决矩阵——专用软件——查找2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论为解决物理冲突，该理论总结了24个常见物理冲突问题：常见的物理冲突几何类材料及能量类功能类长与短多与少喷射与卡住对称与不对称密度遇大小推与拉平行与交叉导热率高与低冷与热后与薄温度高与低快与慢圆与非圆时间长与短运动与静止锋利与钝

黏度高与低强与弱窄与宽功率大与小软与硬平行与垂直摩擦系数大与小成本高与低2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论该理论总结了用以解决物理冲突的11种方法：1.冲突特征的空间分离。2.冲突特征的时间分离。3.将不同系统或元件与超系统相连。4.将系统改为反系统，或将系统与反系统相结合。5.系统作为一个整体具有特征B，其子系统具有特征-B。6.微观操作为核心的系统。7.系统中一部分物质的状态交替变化。8.由于工作条件变化使系统从一种状态向另一种状态过渡。9.利用状态变化所伴随的现象。10.用两相物质代替单相物质。11.通过物理作用及化学反应使物质从一种状态过渡到另一种状态。2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论发明问题解决理论的研究在总结各种解决物理冲突的方法的基础上，提出了解决物理冲突的分离原理，它包括:1.冲突双方的空间分离2.冲突双方的时间分离3.基于条件的分离4.整体与部分的分离通过将相互的冲突双方分离，可以有效地降低解决冲突的难度。2023/9/6机械创新设计发明问题解决理论解决物理冲突的分离原理和解决技术冲突的发明原理之间存在联系，对于每一条分离原理，有多条发明原理与之对应。发明原理与分离原理的对应关系分离原理发明原理空间分离1，2，3，4，7，13，17，24，26，30时间分离9，10，11，15，16，18，19，20，21，29，34，37基于条件的分离1，5，6，7，8，13，14，22，23，25，27，33，35整体与部分分离12，28，31，32，35，36，38，39，402023/9/6机械创新设计发明问题解决理论物理冲突牵涉的对象较少，通常解决方法较简单。——各个击破同样的工程问题通常既可以表达为技术冲突，也可以表达为物理冲突。2023/9/6机械创新设计课堂作业从发明问题解决理论的角度分析一下日本福岛核事故事件，除了已采用的方法还有什么有效方法可以解决？2023/9/6机械创新设计第一节活塞式空压机的工作原理第二节活塞式空压机的结构和自动控制第三节活塞式空压机的管理复习思考题单击此处输入你的副标题，文字是您思想的提炼，为了最终演示发布的良好效果，请尽量言简意赅的阐述观点。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor压缩空气在船舶上的应用：

1.主机的启动、换向；

2.辅机的启动；

3.为气动装置提供气源；

4.为气动工具提供气源；

5.吹洗零部件和滤器。

排气量:单位时间内所排送的相当第一级吸气状态的空气体积。单位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor空压机分类：按排气压力分：低压0.2～1.0MPa；中压1～10MPa；高压10～100MPa。按排气量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor第一节活塞式空压机的工作原理容积式压缩机按结构分为两大类：往复式与旋转式两级活塞式压缩机单级活塞压缩机活塞式压缩机膜片式压缩机旋转叶片式压缩机最长的使用寿命-

----低转速（1460RPM），动件少（轴承与滑片），润滑油在机件间形成保护膜，防止磨损及泄漏，使空压机能够安静有效运作；平时有按规定做例行保养的JAGUAR滑片式空压机，至今使用十万小时以上，依然完好如初，按十万小时相当于每日以十小时运作计算，可长达33年之久。因此，将滑片式空压机比喻为一部终身机器实不为过。滑(叶)片式空压机可以365天连续运转并保证60000小时以上安全运转的空气压缩机1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.凸凹转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。螺杆式气体压缩机是世界上最先进、紧凑型、坚实、运行平稳，噪音低，是值得信赖的气体压缩机。螺杆式压缩机气路系统：

A

进气过滤器

B

空气进气阀

C

压缩机主机

D

单向阀

E

空气/油分离器

F

最小压力阀

G

后冷却器

H

带自动疏水器的水分离器油路系统：

J

油箱

K

恒温旁通阀

L

油冷却器

M

油过滤器

N

回油阀

O

断油阀冷冻系统：

P

冷冻压缩机

Q

冷凝器

R

热交换器

S

旁通系统

T

空气出口过滤器螺杆式压缩机涡旋式压缩机

涡旋式压缩机是20世纪90年代末期开发并问世的高科技压缩机，由于结构简单、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪声、长寿命等诸方面大大优于其它型式的压缩机，已经得到压缩机行业的关注和公认。被誉为“环保型压缩机”。由于涡旋式压缩机的独特设计，使其成为当今世界最节能压缩机。涡旋式压缩机主要运动件涡卷付，只有磨合没有磨损，因而寿命更长，被誉为免维修压缩机。

由于涡旋式压缩机运行平稳、振动小、工作环境安静，又被誉为“超静压缩机”。

涡旋式压缩机零部件少，只有四个运动部件,压缩机工作腔由相运动涡卷付形成多个相互封闭的镰形工作腔，当动涡卷作平动运动时，使镰形工作腔由大变小而达到压缩和排出压缩空气的目的。活塞式空气压缩机的外形第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）工作循环：4—1—2—34—1吸气过程

1—2压缩过程

2—3排气过程第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）

压缩分类：绝热压缩：1—2耗功最大等温压缩：1—2''耗功最小多变压缩：1—2'耗功居中功＝P×V（PV图上的面积）加强对气缸的冷却，省功、对气缸润滑有益。二、实际工作循环（单级压缩）1.不存在假设条件2.与理论循环不同的原因：1）余隙容积Vc的影响Vc不利的影响—残存的气体在活塞回行时，发生膨胀，使实际吸气行程（容积）减小。Vc有利的好处—

（1）形成气垫，利于活塞回行；（2）避免“液击”（空气结露）；（3）避免活塞、连杆热膨胀，松动发生相撞。第一节活塞式空压机的工作原理表征Vc的参数—相对容积C、容积系数λv合适的C：低压0.07-0.12

中压0.09-0.14

高压0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容积Vc的影响C越大或压力比越高，则λv越小。保证Vc正常的措施：余隙高度见表6-1压铅法—保证要求的气缸垫厚度2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理2）进排气阀及流道阻力的影响吸气过程压力损失使排气量减少程度，用压力系数λp表示：保证措施：合适的气阀升程及弹簧弹力、管路圆滑畅通、滤器干净。λp

（0.90-0.98）2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3）吸气预热的影响由于压缩过程中机件吸热，所以在吸气过程中，机件放热使吸入的气体温度升高，使吸气的比容减小，造成吸气量下降。预热损失用温度系数λt来衡量（0.90-0.95）。保证措施：加强对气缸、气缸盖的冷却，防止水垢和油污的形成。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞