《机电产品创新设计与创业》课件-第二章 机械创新设计

2.1机械系统的总体方案设计

总体方案设计执行机构设计

◆功能原理设计

◆运动规律设计

◆选型构型设计

◆运动协调设计传动系统设计原动机选择机构创新设计一、机械系统运动方案设计步骤

产品设计的好坏，包括产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计阶段的工作，取决于方案的构思和方案拟定时的设计思想。二、机械系统的总体方案设计总体方案设计的内容：

从原动机─传动机构─执行机构的整个系统的设计包括：控制系统的方案设计、其它辅助系统的设计（主要有润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等）。设计结果：给出满足运动性能要求的运动简图。

设计人员在进行了大量相关资料查阅之后，应设计出几种不同的功能原理方案，以便从中选出较理想的一个为下一步总体设计奠定基础。针对产品主要功能而进行的功能原理设计这一步，在整个设计中是非常重要的一环。一个好的功能原理设计应既有创新构思，同时又能满足用户的需求。因此，在培养设计人员时，不仅要注重机构和结构设计的培养和训练，而且更应注重功能原理设计的培养和训练。

“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。二、机械系统的总体方案设计

“功能”是产品的核心和本质。设计的最主要工作并不只是选用某种机械或设计某种结构，更重要的是要进行功能原理的构思。功能是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。每个系统都有自己的功能，如运输工具的功能是运货或运客；电动机的功能是能量转换等。用户对产品功能的需求则是有条件的，即功能的使用地点及环境条件、功能的定量与定性参数、实现功能的具体结构与手段、功能的经济性等。二、机械系统的总体方案设计

在以上各功能中，基本功能必须保证，且在设计中不能改变；附加功能可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变；而非必要功能可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应对一个系统需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明确的决定。所谓“功能原理设计”就是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。功能的分类：功能必要功能非必要功能基本功能附加功能二、机械系统的总体方案设计三、机械系统的功能原理设计

功能原理设计的任务，就是根据机械预期的工艺要求或使用要求，构思出所有可能实现给定要求的功能原理，加以分析比较，从中选择出既能很好地满足预期要求、工艺动作又简单的功能原理。例1:要求设计一自动送料板的装置。三、机械系统的功能原理设计例2:设计一糖果包装机。可见：功能原理不同，工艺动作（运动规律）也不同，执行机构型式自然不一样。三、机械系统的功能原理设计例3:设计一台加工内孔的机床。车床镗床

钻床拉床三、机械系统的功能原理设计

例4:设计草地剪草机。分析：对杂草进行剪修通常的办法有：拉——可以拉断杂草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。割断——像割麦一样，需要握住杂草的上部才能割断。剪断——利用剪刀刃的合拢可以剪断杂草。显然，选择剪断是较合理的方案，并且将剪刀做成像理发推子那样，这就是传统的剪草机的解法原理。三、机械系统的功能原理设计

后来设计人员受到杂技演员用鞭子把纸抽断这一现象的启发，可以用具有足够高速度的软物体代替刀、剪去切断某些物体。于是一种新型的割草机诞生了：用一根直径约2mm的高速旋转的尼龙绳，去抽打被修剪的草，其结果是又快又好地将草坪修剪出来，如下图所示。三、机械系统的功能原理设计传统制造平板玻璃都是采用“垂直引上法”，见图a。此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，然后边向上引边凝固。这样加工出来的玻璃表面总是有波纹，且厚度不匀。近年来，出现了用“浮法”制造平面玻璃的新工艺，用此方法生产出来的玻璃克服了厚薄不均且有波纹的缺点。图b是“浮法”加工的示意图：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。三、机械系统的功能原理设计

例5:平板玻璃制造。

通过上述例子可知，功能原理设计具有如下特点：

①功能原理方案设计就是针对某一确定的功能要求，构思并求得能实现功能目标的新的解法原理。

②功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺……，但首先要求设计人员要有一种新想法、新构思。

③功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。

因此，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作用，设计人员必须给予高度重视。三、机械系统的功能原理设计四、功能原理方案设计步骤功能原理设计的设计方法——“黑箱法”

一个设计任务往往有许多差异很大的方案。许多设计人员一般习惯于先画出几个总结构图或方案图，然后从中选择一个，再进行更详细的设计。这种设计方法的弊端是带有很大的盲目性，同时，由于设计人员的知识和经验有一定的局限性，很容易使其在原理方案构思之前就形成了某种框框，因而妨碍了思维，束缚了创造力。人们在对系统功能原理设计时，常采用一种“抽象化”的方法——“黑箱法”。此方法是暂时摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能用较为抽象的形式(如输入量和输出量)加以表达。这样，通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。四、功能原理方案设计步骤例如自行车的功能原理设计。自行车（黑箱）输入输出蹬力或推力车的行走自行车功能原理系统图四、功能原理方案设计步骤又如机床设计。四、功能原理方案设计步骤“黑箱法”示意图四、功能原理方案设计步骤“黑箱法”的特点是通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱”透亮，直至方案拟定。它摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案。黑箱四、功能原理方案设计步骤

由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个系统的总功能也以分解为一些分功能。如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低层次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。功能元是能直接从技术效应(如物理效应、化学效应等)及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学功能元和逻辑功能元。功能分解与功能元四、功能原理方案设计步骤常用的五种物理功能元包括各种类型能量之间的转变、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的转变及信号种类的转换等指各种物理量(如位移、速度、力)的放大或缩小等包括能量流、物料流、信息流的结合或分离（如运动的合成或分解）体现三大流在一定时间范围内保存的功能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的储存反映能量流、物料流、信息流的位置变化。如离合器、开关、阀门等四、功能原理方案设计步骤功能元（分功能）的求解

一个功能元（分功能）都要找出相应的技术、物理效应来实现，有时一个功能元（分功能）可以相应地提出几个技术、物理效应。功能元的求解方法主要有：

①参考有关资料、专刊或产品求解法；

②利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；

③利用设计目录求解法。设计目录是把能实现某种功能元的各种原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。四、功能原理方案设计步骤部分功能元解法目录连杆四、功能原理方案设计步骤机械一次增力功能元解法目录四、功能原理方案设计步骤四杆机构运动转换解法目录2.2机构创新设计

一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键。机构设计中最富有创造性、最关键的环节，是机构形式的设计。

常用机构形式的设计方法有两大类，即机构的选型和机构的构型。 1、机构尽可能简单一、

机构形式设计的原则 2、尽量缩小机构尺寸 3、应使机构具有较好的动力学特性

在进行机构形式设计时，除满足基本的运动形式、运动规律或运动轨迹要求外，还应遵循以下几项原则

优先选用构件数和运动副数最少的机构，这样可以简化机器的构造，从而减轻重量、降低成本。（一）

机构尽可能简单

可减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差。

运动链简短也有利于提高机构的刚度，减少产生振动的环节。1．机构运动链尽量简短一、

机构形式设计的原则

在机构选型时，有时宁可采用有较小设计误差的简单近似机构，而不采用理论上无误差但结构复杂的机构。（一）

机构尽可能简单1．机构运动链尽量简短为E点有近似直线轨迹的四杆机构E点有精确直线轨迹的八杆机构。一、

机构形式设计的原则

在基本机构中，高副机构只有3个构件和3个运动副，低副机构则至少有4个构件和4个运动副。因此，从减少构件数和运动副数，以及设计简便等方面考虑，应优先采用高副机构。（一）

机构尽可能简单

低副机构的运动副元素加工方便、容易保证配合精度以及有较高的承载能力等方面考虑，应优先采用低副机构。2．适当选择运动副一、

机构形式设计的原则

在一般情况下，应先考虑低副机构，而且尽量少采用移动副。（一）

机构尽可能简单

采用连杆机构很难完成精确设计时，应考虑采用高副机构。2．适当选择运动副一、

机构形式设计的原则

执行机构的形式与原动机的形式密切相关，不要仅局限于选择传统的电动机驱动形式。（一）

机构尽可能简单3．适当选择原动机气压或液压缸作为原动机，可省去一些减速传动机构和运动变换机构，缩短运动链，简化结构，且具有传动平稳。一、

机构形式设计的原则（一）

机构尽可能简单3．适当选择原动机一、

机构形式设计的原则

不要仅限于刚性机构，还可选用柔性机构，以及利用光、电、磁和利用摩擦、重力、惯性等原理工作的广义机构，许多场合可使机构更加简单、实用。4．选用广义机构一、

机构形式设计的原则（一）

机构尽可能简单（二）

尽量缩小机构尺寸

机械的尺寸和重量随所选用的机构类型不同而有很大差别。

小齿轮3的节圆与活动齿条在E点相切作纯滚动，而与固定齿条相切在D点，且为绝对瞬心。因此，活动齿条上E点的位移是C点位移的2倍，是曲柄长的4倍。显然在输出位移相同的前提下，其曲柄比一般对心曲柄滑块机构的曲柄长可缩小一半。一、

机构形式设计的原则（二）

尽量缩小机构尺寸

圆柱凸轮机构尺寸比较紧凑，尤其是在从动件行程较大的情况下。盘状凸轮机构的尺寸也可借助杠杆原理相应缩小。

凸轮-连杆机构中，利用一个输出端半径r2大于输入端半径r1的摇杆BAC，使C点的位移大于B点的位移，从而可在凸轮尺寸较小的情况下，使滑块获得较大行程。一、

机构形式设计的原则1．采用传动角较大的机构（三）应使机构具有较好的动力学特性

机构在机械系统中不仅传递运动，而且还要起到传递和承受力(或力矩)的作用，因此要选择有较好的动力学特性的机构。

要尽可能选择传动角较大的机构，以提高机器的传力效益，减少功耗。

如在可获得执行构件为往复摆动的连杆机构中，摆动导杆机构最为理想。

从减小运动副摩擦，则尽可能采用全由转动副组成的连杆机构。一、

机构形式设计的原则2．采用增力机构（三）应使机构具有较好的动力学特性

对于执行构件行程不大，而短时克服工作阻力很大的机构，应采用“增力”的方法。 F12仅为F的7％左右。一、

机构形式设计的原则3．采用对称布置的机构（三）应使机构具有较好的动力学特性

对于高速运转的机构，其作往复运动和平面一般运动的构件，以及偏心的回转构件的惯性力和惯性力矩较大，在选择机构时，应尽可能考虑机构的对称性。

对称布置的连杆机构一、

机构形式设计的原则二、机构的选型

是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出的各种机构按照运动特性或实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所需要的运动特性或实现功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构形式。

机械系统中，电动机输出轴的运动为转动，经过速度变换后，执行机构的原动件的运动形式亦为转动时，而完成各分功能的执行构件的运动形式却是各种各样的。（一）按运动形式要求选择机构

机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还应考虑机构的功能特点和原动机的形式。二、机构的选型（一）按运动形式要求选择机构二、机构的选型

满足同一运动形式或功能要求的机构方案有很多，对这些方案应从运动性能、工作性能、动力性能等方面进行综合评价。（二）机构方案的评价1．评价指标和评价体系二、机构的选型

所谓评价体系，是通过一定范围内的专家咨询，确定评价指标及其评定方法。对于不同的设计任务，应根据具体情况，拟定不同的评价体系。（二）机构方案的评价1．评价指标和评价体系

只有建立科学的评价体系，才可以避免个人决定的主观片面性，减少盲目性，从而提高设计的质量和效率。二、机构的选型连杆机构、凸轮机构、齿轮机构三种机构是最常用的机构（二）机构方案的评价2．典型机构的评价二、机构的选型三、机构的构型

机构创新构型的基本思路是：以通过选型初步确定的机构方案为雏型，通过组合、变异、再生等方法进行突破，获得新的机构。连杆机构难以实现一些特殊的运动规律；凸轮机构虽然可以实现任意运动规律，但行程不可调；齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性，但运动形式简单；棘轮机构、槽轮机构等间歇运动机构的运动和动力特性均不理想，具有不可避免的速度、加速度波动，以及冲击和振动（一）利用组合原理构型新机构

随着生产的发展，以及机械化、自动化程度的提高，对其运动规律和动力特性都提出了更高的要求。简单的齿轮、连杆和凸轮等机构往往不能满足上述要求。三、机构的构型

随着计算机和现代设计方法的发展，极大地推动了组合机构的研究发展，目前许多场合都采用了它，尤其在各种自动机器和自动生产线上得到广泛应用。（一）利用组合原理构型新机构

组合机构的类型很多，每种组合机构具有各自特有的型组合、尺寸综合及分析设计方法。组合机构结构比较复杂，设计计算繁复，研究起来比较困难。三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构1．齿轮—连杆机构

1)实现间歇传送运动该机构常用于自动机的物料间歇送进三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构1．齿轮—连杆机构

2)实现大摆角、大行程的往复运动

设计曲柄摇杆机构时，因许用传动角的关系，摇杆的摆角常受到限制。图所示的曲柄摇杆机构和齿轮机构构成的组合机构，则可增大从动件的输出摆角。三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构1．齿轮—连杆机构

2)实现大摆角、大行程的往复运动图所示飞机上使用的高度表。三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构1．齿轮—连杆机构

3)较精确地实现给定的运动轨迹振摆式轧钢机轧辊驱动装置中使用的齿轮—连杆组合机构

调节两曲柄AB和BE的相位角，可方便地改变M点的轨迹，以满足轧制生产中的不同工艺要求。

三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构2．凸轮—连杆机构

凸轮—连杆机构较齿轮—连杆机构更能精确实现给定的复杂运动规律和轨迹。凸轮机构虽也可实现任意的给定运动规律的往复运动，但在从动件作往复摆动时。受压力角的限制，其摆角不能太大。将简单的连杆机构与凸轮机构组合起来，可以克服上述缺点，达到很好的效果。三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构2．凸轮—连杆机构

当递纸吸嘴开始向前递纸时，摆杆3上的滚子与凸轮小面接触,齐纸块5绕01点逆时针方向摆动让纸。

当递纸吸嘴放下纸张，摆杆3顺时针方向摆动，齐纸块5顺时针方向摆动靠向纸堆，把纸张理齐。

三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构2．凸轮—连杆机构

机构尺寸满足条件：ED=FC和KE=KF。凸轮1转动时，通过构件2、5和6，使剪刀打开和关闭。

糖果包装机剪切机构三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构3．齿轮—凸轮机构

齿轮—凸轮机构常以自由度为2的差动轮系为基础机构，并用凸轮机构为附加机构。后者使差动轮系中的两构件有一定的运动联系，约束掉一个自由度，组成自由度为1的封闭式组合机构。三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构3．齿轮—凸轮机构1)实现给定运动规律的变速回转运动

齿轮、双曲柄和转动导杆机构虽能传递匀速和变速转动，但无法实现任意给定的运动规律的转动。

齿轮和凸轮组合而成的组合机构，则能实现这一要求。图中系杆3为原动件，齿轮1为输出件。摆杆2’与行星轮2固接，由于固定凸轮的作用，行星轮2相对系杆3产生往复摆动，使齿轮1得到预期。三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构3．齿轮—凸轮机构1)实现给定运动规律的变速回转运动

齿轮—凸轮机构，常用于机床的分度补偿机构中。

圆柱凸轮蜗杆固联，圆柱凸轮将蜗杆的转动和移动联系起来，组成自由度为l的齿轮—凸轮机构。凸轮为主动件，输出蜗轮的角位移由两部分组成，一部分是由蜗杆转动产生的另一部分由蜗杆轴向移动产生则三、机构的构型（一）利用组合原理构型新机构3．齿轮—凸轮机构2)实现给定运动轨迹

图示的齿轮—凸轮机构可用来实现给定的运动轨迹。原动件是传动比为1的一对齿轮中的1或2，摆杆3和构件1以转动副A相铰接，齿轮2上B点的滚子在摆杆3的曲线槽中运动，从而使摆杆3上的P点实现给定的轨迹。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构

为了实现一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些特殊的性能，改变现有机构的结构，演变发展出新机构的设计，称为机构变异构型。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构1．机构的倒置

机构的运动构件与机架的转换，称为机构的倒置。按照运动相对性原理，机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同特性的机构。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构1．机构的倒置

图示为卡当机构。若令杆OO1为机架，则原机构的机架成为转子3，曲柄1每转一周，转子3亦同步转动一周，同时两滑块2及4在转子3的十字槽内往复运动，将流体从入口A送往出口B，从而得到一种泵机构。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构2．机构的扩展

以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个新机构，称为机构的扩展。

机构扩展后，原有各构件间的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构有很大差别。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构2．机构的扩展

是在卡当机构的基础上，增加滑块5扩展得到的。此机构的主要特点是，当机构的十字槽每转1/4周，点O1在半径为r的圆周上绕过1/2周；十字槽每转动1周，点O1绕过2周，滑块输出两次往复行程。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构2．机构的扩展

是由行星轮系1-2-3和两边对称布置的杆4、5组成的。1,2为齿轮，3为系杆。系杆扩展为抓斗的左侧爪，齿轮2扩展为抓斗的右侧爪。再加上对称的两边连杆4-5可使左右两侧爪对称动作。绳索7可控制两侧爪的开或闭。创新点：应用了简单的周转轮系，将齿轮2和系杆3的形状和功能加以扩展，利用两构件的运动关系而成。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构2．机构的扩展

将两摇杆滑块机构组成完全对称的形式，当拉动滑块4上下运动时，使构成左右抓斗的连杆3闭合和开启，以装卸散状物料。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构3．机构局部结构的改变

改变机构的局部结构，可以获得有特殊运动特性的机构。

以倒置后的凸轮机构取代曲柄的情形。因为凸轮5的沟槽有一段凹圆弧ab，其半径等于连杆3的长度，故原动件1在转过a角的过程中，滑块处于停歇状态。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构4．机构结构的移植和模仿

将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，称为结构的移植。

要有效地利用结构的移植和模仿构型出新的机构，必须注意了解、掌握一些机构之间实质上的共同点，以便在不同条件下灵活运用。

利用某一结构特点设计新机构，称为结构的模仿。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构4．机构结构的移植和模仿

不完全齿轮齿条机构，可视为由不完全齿轮机构移植变异而成。此机构的主动齿条作往复直线运动，使不完全齿轮2在摆动的中间位置有停歇。

圆柱齿轮的半径无限增大时，齿轮演变为齿条，运动形式由转动演变为直线移动。运动形式虽然改变了，但齿廓啮合的工作原理没有改变。这种变异方式，可视为移植中的变异。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构4．机构结构的移植和模仿

机构中的构件2可视为将槽轮展直而成。此机构的主动件1连续转动，从动件2间歇直移，锁止方式也与槽轮机构相同。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构5．运动副的变异

改变机构中运动副的形式，可构型出不同运动性能的机构。运动副的变换方式有很多种：高副与低副之间的变换运功副尺寸的变换运动副类型的变换。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构5．运动副的变异三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构5．运动副的变异三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构5．运动副的变异三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构5．运动副的变异

如图所示的偏心圆凸轮高副机构，当以低副代换后，虽然对其运动特性没有影响，但由于低副是面接触易于加工，耐磨性能好，因而提高了其使用性能。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构5．运动副的变异

平面六杆机构用于手套自动加工机的传动装置。机构由原动件1、II级杆组2-3、4-5及机架6组成，故为II级机构。当原动件曲柄1连续回转时可使输出件5实现大行程的往复移动。在该机构中滑块4与导杆3组成的移动副位于其上方，不仅润滑困难，且易污染产品。三、机构的构型（二）利用机构的变异构型新机构5．运动副的变异

将有关运动副变异，所得机构如图所示。该机构由原动件1、III级杆组2-3-4-5及机架6组成，为III级机构。三、机构的构型2.3结构方案的创新设计

机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，决定满足功能要求的机械结构，需要决定的内容包括：

结构的类型和组成，

结构中所有零部件的形状、尺寸、位置、数量、材料、热处理方式和表面状况，

所确定的结构除应能够实现原理方案所规定的动作要求外，还应能满足设计对结构的强度、刚度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面的要求。

机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。

机械结构设计的任务是在众多的可行结构方案中寻求较好的或最好的方案。

找出所有的局部最优解，并从中找出全局最优解，得到最好的设计方案。这就需要发挥创造性思维方法的作用。

结构方案的变异设计方法使设计者从一个已知的可行结构方案出发，通过变换得到大量的可行方案。一、

结构方案的变异设计

通过对这些方案中参数的优化，可以使设计者得到多个局部最优解，再通过对这些局部最优解的分析和比较，就可以得到较优解或全局最优解。

变异设计的目的是寻求满足设计要求的独立的设计方案，以便对其进行参数优化设计

变异设计的基本方法是首先通过对结构设计方案的分析，得出一般结构设计方案中所包含的技术要素的构成。一、

结构方案的变异设计

然后再分析每一个技术要素的取值范围，通过对这些技术要素在各自的取值范围内的充分组合，就可以得到足够多的独立的结构设计方案。

一般机械结构的技术要素包括零件的几何形状，零件之间的联接和零件的材料及热处理方式。以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。一、

结构方案的变异设计

机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。（一）功能面的变异

零件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面，在这些表面中与其他零部件相接触的表面，与工作介质或被加工物体相接触的表面称为功能表面。

零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件设计的核心问题。通过对功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。一、

结构方案的变异设计

描述功能表面的主要几何参数有表面的形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对这几个方面的变异，可以得到多组构型方案。（一）功能面的变异一、

结构方案的变异设计（一）功能面的变异一、

结构方案的变异设计（一）功能面的变异压簧的压缩距离不应过大，否则容易引起弹簧的失稳，如确需使用较大的压缩距离则应设置导向结构。拉簧无失稳问题，设计中受空间约束较少，既可单独使用，也可与摇杆及绳索等配合使用。板簧通常刚度较大，可在较小的变形条件下产生较大的压紧力。一、

结构方案的变异设计（一）功能面的变异一、

结构方案的变异设计

挺杆2与摇杆1通过一球面相接触，球面在挺杆上。（一）功能面的变异

将球面改在摇杆上，则接触面上的法线方向始终平行于挺杆轴线方向，不产生横向推力。一、

结构方案的变异设计

上方零件为凹形，下方零件为凸形。（一）功能面的变异一、

结构方案的变异设计（一）功能面的变异曲柄摇杆机构偏心轮机构机构中销孔尺寸变化一、

结构方案的变异设计

一个不与其他零部件相接触的零件具有6个自由度，机械设计中通过规定零件之间适当的联接方式限制零件的某些自由度，保留机器的功能所必需的自由度，使机器在工作中能够实现确定形式的运动关系。（二）联接的变异

联接的作用是通过零件的工作表面与其他零件的相应表面的接触实现的，不同形式的联接由于相接触的工作表面形状不同，表面间所施加的紧固力不同，从而对零件的自由度形成不同的约束。一、

结构方案的变异设计

以轴毂联接为例。按照设计要求，轴与轮毂的联接对相对运动自由度的限制可能有：（二）联接的变异1．固定联接，限制6个相对运动自由度。2．滑动联接，限制5个相对运动自由度。3．转动联接，限制5个相对运动自由度。4．移动、转动联接，限制5个相对运动自由度。一、

结构方案的变异设计3．转动联接，限制5个相对运动自由度。4．移动、转动联接，限制5个相对运动自由度。联接中轴的截面形状必须是圆形由于轮毂要相对于轴移动，所以联接中轴的表面形状必须是柱面(不能是锥面)考虑加工方便和避免产生附加轴向力通常也采用柱面

两种联接中的轴表面形状为圆柱面一、

结构方案的变异设计（二）联接的变异1．固定联接，限制6个相对运动自由度。2．滑动联接，限制5个相对运动自由度。由于轮毂要相对于轴移动，所以轴表面必须是除完整圆柱面以外的其他柱面，如滑键联接、导键联接。固定式联接，限制条件少，所有满足可加工性和可装配性条件的表面形状都可以作为这种轴毅联接的表面形状。一、

结构方案的变异设计（二）联接的变异

按照联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂联接分为形锁合联接和力锁合联接。

形锁合联接要求被联接表面为非圆形，可以是三角形、正方形、六边形或其他特殊形状表面。一、

结构方案的变异设计（二）联接的变异

非圆截面加工困难，特别是非圆截面孔加工更困难，所以这些形状的截面实际应用较少。

非圆截面通常通过在圆形截面上铣平面、铣槽或钻孔等方法产生，通过变换这些平面、槽或孔的尺寸、数量、在轴段的位置和方向就形成不同形式的轴毅联接。一、

结构方案的变异设计（二）联接的变异

按照联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂联接分为形锁合联接和力锁合联接。

力锁合联接依靠被联接件表面间的压力所派生的摩擦力传递转矩和轴向力，表面间压力的产生可以依靠多种不同的结构措施。

过盈配合是一种常用的结构措施，它以最简单的结构形状获得足够的压力，缺点是装配和拆卸都很不方便，并引起较大的应力集中。一、

结构方案的变异设计（二）联接的变异

常用的形锁合联接有销联接、平键联接、半圆键联接、花键联接、成形联接和切向键联接。一、

结构方案的变异设计（二）联接的变异为构造装拆方便的力锁合联接结构必须使联接装配时表面间无过盈，装配后通过其他调整措施使表面间产生过盈，拆卸过程则相反。常用的力锁合联接有楔键联接、弹性环联接、圆柱面过盈联接、圆锥面过盈联接、顶丝联接、容差环联接、星盘联接、压套联接和液压涨套联接等一、

结构方案的变异设计（二）联接的变异（三）支承的变异

轴系的工作性能与它的支承设计的状况和质量密切相关。

旋转轴至少需要两个相距一定距离的支点支承，支承的变异设计包括支点位置变异和支点轴承的种类及其组合的变异。一、

结构方案的变异设计

以锥齿轮传动为例分析支点位置变异问题，锥齿轮传动的两轴各有两个支点，每个支点相对于传动零件的位置可以在左侧，也可以在右侧，两个支点的位置可能有3种组合方式:一、

结构方案的变异设计（三）支承的变异将两轴的支点位置进行组合得到9种结构方案:一、

结构方案的变异设计（三）支承的变异

轴上的每个支点除承受径向载荷以外还可能同时承受单向或双向轴向载荷，每个支点承受轴向载荷的方式有4种可能:承受纯径向载荷的支点，可以选用圆柱滚子轴承、滚针轴承、深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承。可以选用向心推力轴承如圆锥滚子轴承或角接触球轴承，当轴向力较小时也可以选用深沟球轴承、调心球轴承或调心滚子轴承等向心轴承，也可以采用向心轴承与承受轴向载荷的推力轴承的组合。用一对向心推力轴承面对面或背对背组合使用，可以使用专门型号的双列向心推力轴承一、

结构方案的变异设计（三）支承的变异将轴系中两个支点的这4种情况进行组合，得到两支点轴系承受轴向载荷情况的16种方案dmbebeicicdm轴系在两个方向上实现完全定位，在结构设计中应用最普遍使轴系在两个方向上都不定位，称为两端游动轴系结构，这种轴系结构适用于轴系可以通过传动件实现双向轴向定位的场合只用在轴系只可能产生单方向轴向载荷的场合一、

结构方案的变异设计（三）支承的变异（四）材料的变异

机械设计中可以选择的材料种类众多，不同的材料具有不同的性能，不同的材料对应不同的加工工艺。

结构设计中既要根据功能的要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的结构，只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分地发挥优势。一、

结构方案的变异设计

设计者要做到正确地选择结构材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。

弹性联轴器的设计中需要选择弹性元件的材料，由于所选弹性元件材料的不同，使得联轴器的结构变化很大。

可选作弹性元件的材料有金属、橡胶、尼龙、胶木等。一、

结构方案的变异设计（四）材料的变异

由于弹性元件的寿命短，使用中需多次更换，在结构设计中应为更换弹性元件提供可能和方便，为更换弹性元件留有必要的操作空间，使更换弹性元件所必须拆卸、移动的零件尽量少。一、

结构方案的变异设计（四）材料的变异使用不同弹性元件材料的常用弹性联轴器的结构一、

结构方案的变异设计（四）材料的变异

结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。

钢材受拉和受压时的力学特性基本相同，因此钢梁结构多为对称结构。

铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称形状，以使承载时最大压应力大于最大拉应力一、

结构方案的变异设计（四）材料的变异

塑料结构的强度较差，螺纹联接件产生的装配力很容易使塑料零件损坏。

在两个被联接件上分别做出形状简单的搭钩和凹槽，装配时利用塑料零件弹性变形量大的特点使搭钩与凹槽互相咬合实现联接，装配过程简单准确，便于操作。一、

结构方案的变异设计（四）材料的变异

设计的结果要通过制造和装配实现，结构设计中如果能根据所选材料的工艺特点合理地确定结构形式则会为制造过程带来方便。

钢结构设计中通常通过加大截面尺寸的方法增大结构的强度和刚度。

铸造结构中如果壁厚过大则很难保证铸造质量，所以铸造结构通常通过加肋板和隔板的方法加强结构的刚度和强度。一、

结构方案的变异设计（四）材料的变异

塑料材料由于刚度差，铸造后的冷却不均匀造成的内应力极易引起结构翘曲，所以塑料结构的肋板应与壁厚相近并均匀对称。

陶瓷结构的模具成本和烧结工艺成本远大于材料成本，所以陶瓷结构设计中为使结构简单，通常不考虑节省材料的原则。一、

结构方案的变异设计（四）材料的变异

机械产品的性能不但与原理设计有关，结构设计的质量也直接影响产品的性能，甚至影响产品功能的实现。二、提高性能的设计

下面分别分析为提高结构的强度、刚度、精度、工艺性等方面性能常采用的设计方法和设计原则。

强度和刚度是结构设计的基本问题，通过正确的结构设计可以减小单位载荷所引起的材料应力和变形量，提高结构的承载能力。（一）提高强度和刚度的设计

强度和刚度都与结构受力有关，在外载荷不变的情况下降低结构受力是提高强度和刚度的有效措施。二、提高性能的设计1．载荷分担

载荷引起结构受力，如果多种载荷作用在同一结构上就可能引起局部应力过大。结构设计中应将载荷由多个结构分别承担，这样有利于降低危险结构处的应力，从而提高结构的承载能力，这种方法称为载荷分担。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计1．载荷分担弯矩和扭矩同时作用会在轴上引起较大应力。结构中增加了一个支承套，带轮通过端盖将扭矩传给轴，通过轴承将压轴力传给支承套。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计1．载荷分担

蜗杆轴系结构

蜗杆传动产生的轴向力较大，使得轴承在承受径向载荷同时承受较大的轴向载荷。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计1．载荷分担

增加了专门承受双向轴向载荷的双向推力球轴承，使得各轴承分别发挥各自承载能力的优势。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计

2．载荷平衡

在机械传动中有些做功的力必须使其沿传动链传递，有些不做功的力应尽可能使其传递路线变短，如果使其在同一零件内与其他同类载荷构成平衡力系则其他零件不受这些载荷的影响，利于提高结构的承载能力。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计

2．载荷平衡行星齿轮结构中齿轮啮合使中心轮和系杆受力。在对称位置布置三个行星轮，使行星轮产生的力在中心轮和系杆上合成为力偶，减小了有害力的传播范围。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计

3．减小应力集中

应力集中是影响承受交变应力的结构承载能力的重要因素，结构设计应设法缓解应力集中。

在零件的截面形状发生变化处力流会发生变化，局部力流密度的增加引起应力集中。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计

3．减小应力集中（一）提高强度和刚度的设计

零件截面形状的变化越突然，应力集中就越严重，结构设计中应尽力避免使结构受力较大处的零件形状突然变化，以减小应力集中对强度的影响。

零件受力变形时不同位置的变形阻力(刚度)不相同也会引起应力集中，设计中通过降低应力集中处附近的局部刚度可以有效地降低应力集中。二、提高性能的设计

3．减小应力集中过盈配合联接结构在轮毅端部应力集中严重通过降低轴或轮毅相应部位的局部刚度使应力集中得到有效缓解二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计

3．减小应力集中

由于结构定位等功能的需要在绝大部分结构中不可避免地会出现结构尺寸及形状的变化，这些变化都会引起应力集中，如果多种变化出现在同一结构截面处将引起严重的应力集中，所以结构设计中应尽力避免这种情况。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计

3．减小应力集中

轴结构中台阶和键槽端部都会引起轴在弯矩作用下的应力集中。

键槽不加工到轴段根部，避免了应力集中源的集中

两个应力集中源设计到同一截面处，加剧了局部的应力集中二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计

4．减小接触应力

高副接触零件的接触强度和接触刚度都与接触点的综合曲率半径有关，设法增大接触点的综合曲率半径是提高这类零件工作能力的重要措施。

渐开线齿轮在齿面上不同位置处的曲率半径不同，采用正变位可使齿面的工作位置向曲率半径较大的方向移动，对提高齿轮的接触强度和弯曲强度都非常有利。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计

4．减小接触应力凸球面接触传力，综合曲率半径较小，接触应力大；综合曲率半径依次增大，有利于改善球面支承的强度和刚度。二、提高性能的设计（一）提高强度和刚度的设计（二）提高精度的设计

通过结构设计可以减小由于制造、安装等原因产生的原始误差，减小由于温度、磨损、构件变形等原因产生的工作误差，减小执行机构对各项误差的敏感程度，从而提高产品的精度。二、提高性能的设计

1．误差均化

制造和安装过程中产生的误差是不可避免的，通过适当的结构设计可以在原始误差不变的情况下使执行机构的误差较小。试验证明螺旋传动的误差可以小于螺杆本身的螺距误差。千分尺的累积测量误差

千分尺螺杆的螺距累积误差二、提高性能的设计（二）提高精度的设计

1．误差均化

机械精度的均化原理：在机构中如果有多个联接点同时对一种运动起限制作用，则运动件的运动误差决定于各联接点的综合影响，其运动精度高于一个联接点的限制作用。

在一定条件下增加螺旋传动中起作用的螺纹圈数，使多圈螺纹同时起作用，不但可以提高螺旋传动的承载能力和耐磨性，而且可以提高传动精度。二、提高性能的设计（二）提高精度的设计 2．误差合理配置

在机床主轴结构设计中，提高主轴前端(工作端)的旋转精度是很重要的设计目标，主轴前支点轴承和主轴后支点轴承的精度都会影响主轴前端的旋转精度，但是影响的程度不相同。二、提高性能的设计（二）提高精度的设计

3．误差传递

在机械传动系统中，各级传动件都会产生运动误差，传动件在传递必要的运动的同时也不可避免地将误差传递给下一级传动件。二、提高性能的设计（二）提高精度的设计

3．误差传递（二）提高精度的设计

如果传动系统为减速传动(i>1)，则最后一级传动所产生的运动误差对总误差影响最大，所以在以传递运动为主要目的的减速传动系统设计中通常将最后一级传动件的精度设计得较高；

在加速传动系统(i<1)中第一级传动所产生的传动误差对总误差影响最大，这样的传动系统中通常将第一级传动件的精度设计得较高。二、提高性能的设计

4．误差补偿

在机械结构工作过程中会由于温度变化、受力、磨损等因素使零部件的形状及相对位置关系发生变化，这些变化也常常是影响机械结构工作精度的原因。好的结构设计可以减少由于这些因素对工作精度造成的影响。二、提高性能的设计（二）提高精度的设计5．采用误差较小的近似机构

有些应用中为简化机构而采用某些近似机构，这会引入原理误差，在条件允许时优先采用近似性较好的近似机构可以减小原理误差。

正切机构正弦机构

两种凸轮近似机构都可以得到手轮的旋转运动与摆杆摆动角之间的近似线性关系。二、提高性能的设计（二）提高精度的设计1．方便装卡（三）提高工艺性的设计

结构设计要根据机械切削加工机床的设备特点，为装卡过程提供必要的夹持面，夹持面的形状和位置应使零件在切削力的作用下具有足够的刚度，零件上的被加工面应能够通过尽量少的装卡次数得以完成。如果能够通过一次装卡对零件上的多个相关表面进行加工，这将有效地提高加工效率。二、提高性能的设计1．方便装卡只有两个圆锥表面，用卡盘无法装卡；增加了两个圆柱形表面，这个表面在零件工作中不起作用，只是为了实现工艺过程而设置的，这种表面称为工艺表面二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计1．方便装卡轴上的两个键槽沿周向成90度布置，这两个键槽必须两次装卡才能完成加工将两个键槽布置在同一周向位置，使得可以一次装卡完成加工，方便了装卡，提高了加工效率。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计1．方便装卡没有可供加工导轨工作表面使用的装卡定位表面；虽设置装卡定位表面，由于表面过小，用它定位装卡在加工中不能使零件获得足够的刚度；增大了定位面的面积，并在上部增加了工艺脐；二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计2．方便加工

切削加工所要形成的几何表面的数量、种类越多，加工所需的工作量就越大，结构设计中尽量减少加工表面的数量和种类是一条重要的设计原则。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计2．方便加工

如齿轮箱中同一轴系两端的轴承受力通常不相等，但是如果将两轴承选为不同型号，两轴承孔成为两个不同尺寸的几何表面，加工工作量将加大。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计2．方便加工箱形结构顶面加工二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计2．方便加工轮毅与轮缘不等宽二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计

3．简化装配、调整和拆卸

加工好的零部件要经过装配才能成为完整的机器，装配的质量直接影响机器设备的运行质量，设计中是否考虑装配过程的需要也直接影响装配工作的难度。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计

3．简化装配、调整和拆卸

滑动轴承右侧有一个与箱体连通的注油孔，如果装配中将滑动轴承的方向装错将会使滑动轴承和与之配合的轴得不到润滑。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计

3．简化装配、调整和拆卸

随着装配过程自动化程度的提高，越来越多的装配工作应用了装配自动线或装配机器人，这些自动化设备具有很高的工作速度，但是对零件上的微小差别的分辨能力比人差很多，这就要求设计人员应减少那些具有微小差别的零件种类，或增加容易识别的明显标志，或将相似的零件在可能的情况下消除差别，合并为同一种零件。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计

3．简化装配、调整和拆卸两个圆柱销的外形尺寸完全相同，只是材料及热处理方式不同。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计

3．简化装配、调整和拆卸

在机械设计中很多设计参数是依靠调整过程实现的，当对机器进行维修时要破坏某些经过调整的装配关系，维修后需要重新调整这些参数，这就增加了维修工作的难度。结构设计中应减少维修工作中对已有装配关系的破坏，使维修更容易进行。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计

3．简化装配、调整和拆卸轴承座结构的装配关系不独立，更换轴承时不但需要破坏轴承盖与轴承座的装配关系二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计

3．简化装配、调整和拆卸

机械设备中的某些零部件由于材料或结构的关系使用寿命较低，这些零部件在设备的使用周期内需要多次更换，结构设计中要考虑这些易损零件更换的可能性和方便程度。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计

3．简化装配、调整和拆卸

弹性套柱销联轴器的弹性元件由于使用橡胶材料所以寿命较低，联轴器两端通常联接较大设备，更换弹性元件时很难移动这些设备，结构设计时应为弹性元件的拆卸和装配留有必要的空间。二、提高性能的设计（三）提高工艺性的设计

通过大量事实使人们认识到不能要求操作者无限制地适应机器的要求，而应使机器的操作方法适应人的生理和心理特点，只有这样才能使操作者在最佳的生理及心理状态下工作，使人和机器所组成的人—机系统发挥最佳效能。三、结构的宜人化设计

人在对机械的操作中通过肌肉发力对机械做功，通过正确的结构设计使操作者在操作中不容易疲劳，是使其连续正确操作的重要前提条件。（一）适合人的生理特点的结构设计

1．减少疲劳的设计

当操作人员长时间保持某一种姿势时，身体的某些肌肉长期处于收缩状态，肌肉压迫血管使血液流通受阻，血液不能为肌肉输送足够的氧，肌肉的这种工作状态称为静态肌肉施力状态。设计与操作有关的结构时应考虑操作者的肌肉受力状态，尽力避免使肌肉处于静态肌肉施力状态。三、结构的宜人化设计（一）适合人的生理特点的结构设计

1．减少疲劳的设计三、结构的宜人化设计（一）适合人的生理特点的结构设计

1．减少疲劳的设计

试验证明人在静态施力状态下能够持续工作的时间与施力大小有关。当以最大能力施力时肌肉的供血几乎中断，施力只能持续几秒钟。随着施力的减小能够持续工作的时间加长。三、结构的宜人化设计（一）适合人的生理特点的结构设计2．容易发力的设计

操作者在操作机器时需要用力，人在处于不同姿势、向不同方向用力时发力能力差别很大。试验表明人手臂发力能力的一般规律是右手发力大于左手，向下发力大于向上发力，向内大于向外，拉力大于推力，沿手臂方向大于垂直手臂方向。

人以站立姿势操作时手臂所能施加的操纵力明显大于坐姿，但是长时间站立容易疲劳，站立操作的动作精度比坐姿操作的精度低。三、结构的宜人化设计（一）适合人的生理特点的结构设计2．容易发力的设计

在设计需要人操作的机器时，首先要选择操作者的操作姿势，一般优先选择坐姿，特别是动作频率高、精度高、动作幅度小的操作，或需要手脚并用的操作。

当需要施加较大的操纵力，或需要的操作动作范围较大，或因操作空间狭小，无容膝空间时可以选择立姿。三、结构的宜人化设计（一）适合人的生理特点的结构设计2．容易发力的设计

操纵力的施加方向应选择人容易发力的方向。

施力的方式应避免使操作者长时间保持一种姿势，当操作者必须以不平衡姿势进行操作时应为操作者设置辅助支撑物。三、结构的宜人化设计（二）适合人的心理特点的结构设计1．减少观察错误的设计

在由人和机器组成的系统中人起着对系统的工作状况进行调节的“调节器”的作用，人的正确调节来源于人对机器工作情况的正确了解和判断，所以在人—机系统设计中使操作者能够及时、正确、全面地了解机器的工作状况是非常重要的。

操作者了解机器的工作情况主要通过机器上设置的各种显示装置(显示器)，其中使用最多的是作用于人的视觉的视觉显示器，其中又以显示仪表应用最为广泛。三、结构的宜人化设计（二）适合人的心理特点的结构设计1．减少观察错误的设计

在显示仪表的设计中应使操作者观察方便，观察后容易正确地理解仪表显示的内容，这要通过正确地选择仪表的显示形式、仪表的刻度分布、仪表的摆放位置以及多个仪表的组合实现三、结构的宜人化设计（二）适合人的心理特点的结构设计1．减少观察错误的设计

选择显示器形式主要应依据显示器的功能特点和人的视觉特性，试验表明人在认读不同形式的显示器时正确认读的概率差别较大。三、结构的宜人化设计（二）适合人的心理特点的结构设计1．减少观察错误的设计

通常在同一应用场合应选用同一形式的仪表，同样的刻度排列方向，以减少操作者的认读障碍。三、结构的宜人化设计（二）适合人的心理特点的结构设计1．减少观察错误的设计

仪表摆放位置的选择应以方便认读为标准。

重要的仪表应摆放在视区中心，相关的仪表应分组集中摆放，有固定使用顺序的仪表应按使用顺序摆放。三、结构的宜人化设计（二）适合人的心理特点的结构设计2．减少操作错误的设计

人通过控制器对机器进行调整，通过反馈信息了解调整的效果。控制器的设计应使操作者在较少视觉帮助或无视觉帮助下能够迅速准确地分辨出所需的控制器，在正确了解机器工作状况的基础上对机器做出适当的调整。三、结构的宜人化设计（二）适合人的心理特点的结构设计2．减少操作错误的设计

首先应使操作者分辨出所需的控制器。在机器拥有多个控制器时要使操作者迅速准确地分辨出不同的控制器就要使不同的控制器的某些属性具有明显的差别。

常被用来区别不同控制器的属性有形状、尺寸、位置、质地等，控制器手柄的不同形状常被用来区别不同的控制器。三、结构的宜人化设计（二）适合人的心理特点的结构设计2．减少操作错误的设计

控制器的操作应有一定的阻力，操作阻力可以为操作过程提供反馈信息，提高操作过程的稳定性和准确性，并可防止因无意碰撞引起的错误操作。

为减少操作错误，控制器的设计还要考虑与显示器的关系。根据控制器与显示器位置一致的原则，控制器与相应的显示器应尽量靠近，并将控制器放置在显示器的下方或右方。三、结构的宜人化设计2.4反求设计

反求工程(ReverseEngineering)是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。一、

概述

反求设计(ReverseDesign)是以先进的产品或技术作为对象，进行深入的分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类型创新产品的设计。反求设计强调剖析原产品时在“求”上狠下功夫，吃透原设计；而再设计时在“改”和“创”上作文章，力图在较高起点上设计出竞争力更强的创新产品。反求设计分为两个阶段：

反求阶段：通过对原有产品的剖析，知其所以然。吸取其技术精华、关键技术，达到为我所用。分析原有产品的技术矛盾，为改进或创新设计提出方向。

再设计阶段：进行二次设计(再设计)，开发出同类型的创新产品。一、

概述反求设计的过程：一、

概述（一）

宏观分析二、产品反求分析的思路和内容

机电产品系统的功能体现为能量、物料、信息的变化，且系统与周围环境有密切联系。剖析产品时首先要抓住能量、物料、信息、环境这四个基本方面分析其工作原理和产品特点。

根据能量、物料、信息输入和输出的变化，分析产品系统的总功能和主要的辅助功能。（一）宏观分析

根据能量流、物流、信息流的途径，分析系统中动力源、传动系统(驱动器)、执行系统、检测系统和控制系统的具体组成和特点。二、产品反求分析的思路和内容

1．探索产品设计的指导思想（二）详细分析

一些家用产品往往从扩展功能、降低成本、精美造型等方面提高市场竞争能力。

为降低成本、便于使用，许多产品以“小型化”作为设计目标。

为贯彻可持续发展战略，强调节能、保护环境，绿色设计从产品的设计、加工、装配、使用、报废整个寿命周期充分考虑产品的环境属性，防止影响环境的噪声或废弃物产生，使零件或材料在产品达到寿命周期时以最高附加值回收并重复利用。二、产品反求分析的思路和内容

1．探索产品设计的指导思想（二）详细分析

随着人民生活水平的提高，人的价值观从重视物质发展到重视精神，商品不仅满足需要而且要使人舒服，考虑宜人因素的舒适性设计也提到日程上来。

发展系列产品是满足多品种、低成本、短开发周期以提高市场竞争能力的有效手段。二、产品反求分析的思路和内容

2．原理方案分析（二）详细分析

各种产品是针对其功能要求进行设计的。在功能分析的基础上了解现有原理方案的工作原理和机构组成，探索其构思过程和特点，并进一步研究实现同样功能新的原理解法。

分析原理方案首先掌握执行系统的特点，可从动力源、传动系统、测量系统、控制系统等方面逐项分析，并了解各路间的联系和接口。二、产品反求分析的思路和内容

3．结构分析

零部件是功能载体，其结构首先要满足功能的需要。

分析结构同时要考虑提高性能(提高强度、刚度、精度、寿命，减少磨损，降低噪声等)、降低成本、提高安全可靠度等方面的特点。二、产品反求分析的思路和内容（二）详细分析

4．材料分析

根据零件的功能、结构、加工工艺特点分析、鉴定材料及其热处理方式。

有时需通过材料分析进行材料代用，遵循立足国内的方针，考虑资源及成本，选择合用的国产材料。代用的原则是首先满足力学、物理性能，其次满足化学成分的要求，并参照其他同类产品，确定代用材料的牌号及技术条件。二、产品反求分析的思路和内容（二）详细分析

5．形体尺寸分析

对于实物或图纸，测量分析零部件形体尺寸，并用图纸表达或利用计算机储存信号。对于图像，通过透视法求得尺寸之间的比例，再按参照物确定各尺寸。二、产品反求分析的思路和内容（二）详细分析

6．外观造型分析（二）详细分析

造型设计和分析的基本原则是实用、经济、美观，首先要满足功能要求。而通常的美学原理如合理的尺度、比例，造型上的对称与均衡，稳定与轻巧，统一与变化，节奏与韵律等也应作为分析时的参考难则。

色彩能美化产品并引起感情效果。对有关产品色调的选择与配色、色彩的对比与调和等方面作相应分析，有利于了解它的设计风格。二、产品反求分析的思路和内容

7．工艺和精度分析（二）详细分析

许多先进设备的关键技术是先进的工艺，分析产品的加工过程和关键工艺十分必要。在此基础上选择合理工艺参数，确定新设计产品的制造工艺方法。

各种构件都由表面形状、尺寸、元素的相对位置所确定，在反求过程中对尺寸精度、形状误差和相对位置误差要进行必要的分析。二、产品反求分析的思路和内容

8．工作性能分析

对产品的主要工作性能如强度、刚度、精度、寿命等要进行试验测定，掌握其设计和设计规范。二、产品反求分析的思路和内容（二）详细分析

9．其他包括使用、维护、包装技术等。先进的产品应具有良好的使用性能和维护性能。二、产品反求分析的思路和内容（二）详细分析（三）关键技术的分析和反求

某些机电产品往往来用一些非同一般的技术手段，以达到同类产品难以达到的技术水平，体现特色，提高其竞争能力。这些技术常称为关键技术(KnowHow)。

对研究对象进行反求分析，最重要的是探求其关键技术——关键功能、关键原理、关键结构、关键材料等。掌握关键技术是进一步提高产品水平的前提。二、产品反求分析的思路和内容

1．关键功能的分析

分析产品的各项功能要重点抓主要功能，而其中一些关键功能的解决对产品的水平和特色起决定性的作用。

自支承齿轮泵结构简单，成本低。其关键功能是“支承”。泵中没有轴承，如何解决齿轮与泵体之间的支承就是它的关键技术。二、产品反求分析的思路和内容（三）关键技术的分析和反求

1．关键功能的分析

八音盒机芯动力为卷簧，通过传动齿轮带动音鼓回转，拨动音键奏出美妙的音乐。其中控制音鼓均匀回转的“调速”功能是关键功能。不同的八音盒机芯往往采用不同的调速机构，突出自己的设计特点。二、产品反求分析的思路和内容（三）关键技术的分析和反求

2．关键原理的分析

产品的同一功能可以选用不同的原理方案。某些产品在工作原理上实现关键技术形成特色。二、产品反求分析的思路和内容（三）关键技术的分析和反求（三）关键技术的分析和反求

2．关键原理的分析

对连续运动中固态物料流量的测量，一般机械测量装置都不令人满意。近年来我国开发的核子秤，利用物质吸收Y射线的原理，出色地完成非接触连续计量的任务，成为具有国际水平的高技术产品。二、产品反求分析的思路和内容（三）关键技术的分析和反求

2．关键原理的分析

在无发动机的惯性玩具汽车中，除用飞轮(惯性轮)存贮动力外，还利用惯性原理使汽车遇到障碍物反向行驶。其中飞轮及小齿轮所在轴A沿轴向可滑移。

图a为向前行驶状态。车遇障碍物后，由于惯性，滑移轴前冲，达到图b位置，小齿轮与冕状齿轮另一侧相啮合，使车轮反转倒行。二、产品反求分析的思路和内容（三）关键技术的分析和反求

3．关键结构的分析

某些产品以巧妙的结构形成关键技术。

代替钢梁的一种三角柱状构件。柱的三种组件均在其强度最大的方向承受载荷，等强度下其重量仅为同材料钢梁的1／4.5。二、产品反求分析的思路和内容（三）关键技术的分析和反求

4．关键材料的分析

一些产品中采用特殊材料形成关键技术。形状记忆合金等具有记忆形状的特点。二、产品反求分析的思路和内容（四）不同反求对象的分析特点

根据反求的对象不同可分为实物反求、软件反求和影像反求三种:1．实物反求

实物可为设备、部件、零件。实物反求对象最具体，具有较好的分析条件。2．软件反求

软件指产品图纸，技术资料文件，产品样本、说明书等。3．影像反求

根据照片、图片、影视画面等影像资料进行产品反求设计称为影像反求。二、产品反求分析的思路和内容1．实物反求

实物反求时先对有关产品进行外观分析和性能试验。在功能分析、原理方案分析的基础上按部件、组件、零件逐步解体，测求各零件的材料、结构、形状、尺寸和零件之间的组装关系。

根据需要分析零件的加工工艺和精度。通过全面反求，掌握产品的关键技术和存在的矛盾及不足。二、产品反求分析的思路和内容（四）不同反求对象的分析特点（四）不同反求对象的分析特点2．软件反求

通过软件反求一般可知产品的功能、原理方案和结构组成，若有零件图则可详细了解零件的材料、尺寸、精度。

为分析产品或零件性能需要进行适当的计算和模拟试验。

对于外国产品应进行标准换算和材料国产牌号代换。二、产品反求分析的思路和内容（四）不同反求对象的分析特点

3．影像反求

通过影像资料得到的设计信息最少，反求难度最大，要求设计者具有较丰富的设计实践经验。

根据影像资料可得到一些设计概念，引导人们去进行创新设计。

首先根据产品的工作要求分析其功能和原理方案。如从执行系统的动作和原动机情况分析传动系统的功能和组成机构。

分析产品的结构和材料，往往要根据其外部已知信息，参照功能和工作原理进行推理。二、产品