机械系统创新设计
机械工程与自动化学院机械设计系
教 材
黄纯颖等，机械创新设计. 高等教育出版社，
2000.
教 学 参 考 书
符炜《机械创新设计构思方法》湖南科学技术出版
社，2006。
吕仲文《机械创新设计》机械工业出版社，2004年
陈继平《现代设计方法》华中理工大学出版社.1997
唐林《产品概念设计基本原理及方法》国防工业出
版社. 2006.
张春林《机械创新设计》机械工业出版社，1999年
颜鸿森《机械装置的创造性设计》机械工业出版社，
2002年
Jensen P W, Classical and Modern Mechanisms
for Engineers and Inventors. Marcel Dekker
Inc.
第一章 引 言
第一节 创新与社会发展
创造 (Creation) 强调新颖性和独特性
创新 (Innovation) 是创造的某种实现
创新
人类文明进步的原动力；
人类科学的发展动力；
现代科学体系的知识基础；
技术和经济发展的原动力；
综合国力的体现。
世界各国之间在政治、经济、军事和科学技
术方面的剧烈竞争，实质上是人才的竞争，而人
才竞争的关键是人才创造力的竞争。
江泽民
“创新是一个民族进步的灵魂，是国家
兴旺发达的不竭动力。一个没有创新能力的
民族，难以屹立于世界民族之林。”
“任何一项工作的活力和生机都来自于
发展和创新。”
加强技术创新，发展高科技，实现产业化
是一项系统工程，对提高国民经济质量和效
益，提高我国国际竞争力有决定性的意义。
技术创新的特点是以市场为导向，以提高竞争
力为目标。
技术创新的内容包括从新产品或新工艺设想的
产生，经过技术的研究、开发、工程化、商业化生
产到市场应用的整个过程。
古代中国
四大发明：指南针、火药、印刷术、造纸术
机械发明、使用和发展，远远领先于世界水
平。
而农业、航运、石油工业、气象观测中的许
多技术以及十进制计算、纸币、多级火箭、水下鱼
雷乃至蒸汽机的原始设计等都源于中国。
中国传入其他国家的重要机械技术
铸铁
活塞风箱
手摇曲柄
平衡环（被中香炉）
皮带传送
水力应用
方板链泵
蒸气机基本原理
链条传动
独轮车
滑动测径仪
机械钟表装置
永明灯
纺车
轮式碾磨机
船尾舵
磁罗盘用于航海
从木牛的结构上看，它采用了助力机构，里面
可能加有飞轮机构。从运行来讲，里面采用的有齿
轮机构，曲柄连杆机构。人推动木牛时，里面的曲
柄连杆机构通过齿轮带动飞轮，飞轮运行起来后，
又因为飞轮的惯性，给木牛以助力，这样，就达到
了省力的目的。
流马是一辆板车，
只不过改变了它
的重心和轴承部
分，使它比以前
的板车用起来省
力一些。
利用车轮带动大小不同的一组齿轮，使车
轮走满一里时，其中一个齿轮刚好转动一圈，该轮
轴拨动车上木人打鼓或击钟，报告行程
记里鼓车
%E5%8F%A4%E4%BB%A3%E6%9C%BA%E6%A2%
新中国
“两弹一星”
原子弹、氢弹、人造卫星
高速粒子同步加速器
用人工方法产生高速带电粒子的装置
大庆油田勘探开发
“陆相生油”
杂交水稻解决了中国人吃饭问题
袁隆平
第二节 创新人才的培养
一、21 世纪教育的特点
培养创新人才，高等学校的教育是极为重要，
联合国教科文组织曾作调研并预测，21世纪高等
教育具有五大特点：
1．教育的指导性
教师从传授知识的权威变为指导学生学习的
顾问。
2．教育的综合性
强调综合运用知识解决问题的综合能力培养。
3．教育的社会性
教育由封闭的校园转向开放的社会。
4．教育的终身性
一次性的学校教育转化为全社会的终生教
育 (learning for life)。
5．教育的创造性
致力于培养学生创新精神和提高创造力。
二、创新能力的培养
创新能力的开发可以从培养创新意识、
提高创造力、加强创新实践等方面着手。
在20世纪前半期，“创造才能”还被一种神秘
感所笼罩，有一种“天才疯狂学说”把普通人比作
只按正常轨道运行的行星；把天才比作流星，不知
何时在何处出现，神秘莫测。
60年代前后，认识到“创造力是每个正常人都
具有的能力，不是个别天才人物所独有的神秘之物
”。
人的创造性本能
创造性形成的机理模型
1、培养创新意识
创新活动首先来自于强烈的创新意识。
创新人才应善于发现矛盾，勇于探索，敢于
创新 ，“小人物”也能搞发明。
诺贝尔物理学奖获得者詹奥吉
“发明就是和别人看同样的东西却能想出
不同的事情。”
陶行知先生在“创造宣言”中提出
“处处是创造之地，天天是创造之时，人
人是创造之人。”
齿轮是重要的机械零件，渐开线齿轮精度测
量项目多，要采用多种测量仪器，长期来一直是
加工、使用中的难点。成都某研究所针对此矛盾
设计开发了齿轮全误差测量仪，通过被测齿轮与
标准齿轮啮合时角速度等参数的变化，直接分析
测量齿轮的各项误差，大大简化了测量过程。
世界充满矛盾，现实不一定合理。
善于观察事物、发现矛盾和需要，这往往是创
造的动力和起点。
创造需要付出非凡的劳动，不能幻想囊中取物、
一蹴而就；需要有坚定的毅力，克服重重的困难才
能取得胜利。
爱迪生研究白炽灯时，为寻找灯丝材料曾用过
6000多种植物纤维，试验1600多种耐热材料。
666农药因试验666次才得到成功，故取此名。
具有敏锐的洞察力，善于发现已有的事物或原
理，用以解决矛盾，这也是创新意识的体现。
山东有位叫王月山发明蜂窝煤。
我国科学家张开逊在调试某仪器时，发现每
当有人进入房间，仪器零点即发生飘移。
他抓住这个现象，经过多次试验和深入研究，
探讨出是气流温度场的作用。在此基础上他根据
人的呼吸影响气流温度场和气流密度变化的现象，
开发出高分辨度测温仪，精度达1/1000度，用于
新生儿和重病人的呼吸监护，效果很好。
2、提高创造力
创造力是人的心理特征和各种能力在创造活
动中体现的综合能力。
提高创造力应从培养良好的创造心理，了解
创造思维的特点，掌握创造原理和创造技法等方面
着手。
创造力受智力因素和非智力因素的影响。
智力因素如观察力、记忆力、想像力、思考
力、表达力、自控力等是创造力的基础性因素。
非智力因素如理想、信念、情感、兴趣、意
志、性格等则是创造力的动力和催化因素。通过对
非智力因素的培养，可以调动人的主观能动性，对
促进智力发展起重要的作用。
创造技法是以创造学理论、创造思维规律为基
础，通过广泛创造活动概括总结出来的创造发明的
技巧和方法。
掌握创造技法能更自觉、更巧妙地进行创造活
动。
美国通用电气公司对有关科技人员进行创造工
程课程和实践训练，两年后取得很好的效果，按专
利数量测算，人的创造力提高了三倍。
湖南轻工业高等专科学校设有创造发明学校，
办学8年多，培养了千余名学员。这些学生毕业前
后取得多项创造发明成果和专利，甚至获得国际大
奖。
3、加强创造实践
创造能力培养的关键是加强创造实践。
不下水学不会游泳
不开车上路不可能真正学会驾驶汽车
创造力训练必须有大量的创造实践。
工科院校学生，除必要的理论教学外，一定
要设置一系列设计实践环节，让学生在设计实践
中培养综合分析和创新设计的能力。
第三节 创新设计
设计是人类社会最基本的一种生产实践活动，
它是创造精神财富和物质文明的重要环节。
创新设计是技术创新的重要内容。
工程设计是建立技术系统的第一道工序，它对
产品的技术水平和经济效益起决定性的作用，据
统计，产品成本的75％-80％由设计阶段确定的。
设计的本质是革新和创造。
强调创新设计是要求在设计中更充分发挥设计
者的创造力，利用最新科技成果，在现代设计理
论和方法的指导下，设计出更具有竞争力的新颖
产品。
一、设计过程
设计一般分为产品规划、方案设计、技术设计、
施工设计等四个阶段。
产品规划阶段进行详细的需求调查、市场预测，
确定设计参数和制约条件，最后给出详细的设计任
务书(或设计要求表)作为设计、评价、决策的依据。
方案设计(也称概念设计，Concept Design)
阶段确定产品的工作原理，并对产品的执行系统、
原动系统、传动系统、测控系统等作方案性设计，
将有关机械机构、液压线路或电控线路用简图形
式表达。
技术设计阶段在原理方案基础上进行具体结构
化设计，选材料，定零件的构形和尺寸，进行各
种必要的性能计算，最后画出部件的装配草图。
为了提高产品的竞争力还需应用先进的设计理
论和方法提高产品的价值(改善性能、降低成本)
，进行产品的系列设计，考虑人机工程原理提高
产品的宜人性，利用工业美学原则对产品进行更
好的外观设计等，使产品既实用，又适应市场商
品化的需要。
这阶段往往要通过模型试验检验产品的功能
原理和性能。
施工设计阶段进行零件设计和部件装配图的
细节设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书、
工艺卡、使用说明书等技术文件。
正式投产前产品的试制将检验加工工艺和装
配工艺，并进行较详细的成本核算，从而提出修
改意见，进一步完善整个产品的设计。
通过计算机辅助设计进行方案设计、技术设
计、绘制图形、产品的数控切削加工或成型加工、
虚拟仿真。
不论采用什么设计手段，合理掌握设计过程，
抓住每个设计阶段的特点和重点，有利于调动设计
人员的创新精神，提高产品的设计质量。
二、创新设计的类型
创新设计可分为开发设计、变异设计和反求
设计三种类型。
1、开发设计
针对新任务，提出新方案，完成从产品规划、
原理方案、技术设计到施工设计的全过程。
2、变异设计
在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工
作要求，从工作原理、机构、结构、参数、尺寸等
方面进行一定变异，设计新产品以适应市场需要，
提高竞争力。
在基本产品的基础上，开发不同参数、尺寸
或不同功能的变型系列产品就是变异设计的结果。
3、反求设计
针对已有的先进产品或设计，进行深入分
析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基
础上，开发出同类型的创新产品。
开发设计以开创、探索创新，
变异设计通过变异创新，
反求设计在吸取中创新。
创新是各种类型设计的共同点，也是设计
的生命力所在。
设计人员必须发挥创造思维，掌握基本设
计规律和方法，在实践中不断提高创新设计的能力。
三、创新设计的特点
创新设计必须具有独创性和实用性，取
得创新方案的基本方法是多方案选优。
1、独创性
创新设计必须具有其独创性和新颖性。
新功能
新原理
新机构
新材料
在求异和突破中体现创新。
洗衣机通过水流的冲刷带走衣服中的污物，有
搅拌式、滚筒式、波轮式；
开发出内桶可旋转加强搓洗的离心式，洗净效
果更好。
突破机械搅水方式的真空洗衣机、臭氧洗衣机、
电磁洗衣机、超声波洗衣机等又为洗衣机创出新路，
洗衣机正是在原理、结构不断创新的过程中发展和
取得市场效益的。
清华大学第十七届挑战杯由学生设计制造的
爬竿机器人。
这种机器人模仿尺蠖(huo)的动作向上爬行，
其爬行机构为曲柄滑块机构。
电机与曲柄固接，驱动装置运动。
上下两个自锁套是实现上爬的关键结构，当
自锁套有向下运动的趋势时，锥套、钢球与圆杆之
间会形成可靠的自锁，使装置不下滑，而上行时自
锁解除。
图a为初始状态，上下自锁
套位于最远极限位置，同
时锁紧；
（a）
爬竿机器人的爬行过程如图所示。
图b 状态曲柄
逆时针方向转动；
上自锁套锁紧，
下自锁套松开，
被曲柄连杆带动
上爬；
（b）
图c状态曲柄已越过最高
点，下自锁套锁紧，上
自锁套松开，被曲柄带
动上爬。
如此周而复始，实现
自动爬竿。
用这些简单的机构、
结构使机器人爬竿，体
现了独创性。
（c）
（a） （b） （c）
哈尔滨工业大学参加全国机械设计创新竞赛
的螺旋传动管道机器人
使可沿管道周向转动的橡胶轮的轴线与基座
的轴线空间相交成一定侧偏角，等效为螺旋角，电
机直接驱动机器人的基座，基座的转动带动橡胶轮
转动。当橡胶轮与基座之间有一定的侧偏角时，机
器人将在管内以螺旋轨迹前进或后退，其机理等效
于螺旋传动。
11%E8%9E%BA%E6%97%8B%E4%BC%A0%E5%8A%A8%E7%AE%A1%E9%81%93%E6%9C%BA%E5%99%A8%E4%BA%
爬竿管道两用机器人
12%E9%92%BB%E7%AE%A1%E9%81%
利用对称结构使机器人自平衡；在一个
可翻转的正六边形支架上对称固定三组顶端
有滚轮支脚。运动时轮子与所爬物体表面接
触；靠弹簧提供产生摩擦所需的正压力，并
自动夹紧，弹簧的拉力大小四级可调，以适
应不同直径竿和管道；机器人前进的动力由
三个30n/min的减速电机提供，在由一级皮
带传动至顶端的轮子；六边形支架可打开一
个节点，向外翻转重新组成一个六边形，这
样支脚向外就可以在管道中爬行了。
2、实用性
创新设计必须具实用性。
纸上谈兵无法体现真正的创新。
发明创造成果只是一种潜在的财富，只有将
它们转化为现实生产力或市场商品，才能真正为经
济发展和社会进步服务。
1985 — 1995年中国发明协会向社会推荐和
宣传的发明创造成果有11000多项，其中只有15％
转化为生产力；而这10年中我国的专利实施率仅在
25％—30％左右，看来专利、科研成果和设计的实
用化都是需要解决的问题。
设计的实用化主要表现为市场的适应性和可生
产性两方面。
市场适应性指创新设计必须针对社会的需要，
满足用户对产品的需求。
美国宝丽来公司，一次成象照相机，在研投入
了大量人力物力，取得技术上成功，投入市场之后，
很快就被日本的自动照相机压倒了。
20世纪70年代，科学家已开始发现氟利昂会
破坏高空臭氧层对紫外线的吸收，并影响到人类的
生活。上海第一冷冻机厂较早地抓住制冷设备中的
这个关键问题，积极设计研制新原理的溴化锂制冷
机，代替原来大中型空调机上的氟利昂制冷设备，
这种创新设计取得成功，并带来巨大经济效益。
可生产性要求创新设计有较好的加工工艺性和
装配工艺性，能以市场可接受的价格加工成产品，
并投入使用。
3、多方案选优
创新设计从多方面、多角度、多层次寻求多
种解决问题的途径，在多方案比较中求新、求异、
选优。
以发散性思维探求多种方案，再通过收敛评
价取得最佳方案，这是创新设计方案的特点。
打印设备多年来一直沿用字符打印，虽有各种
形式，但很难提高打印精度。
随着计算机的发展，推出通过信号控制进行点
阵式打印的新模式，引起IT设备领域的一场革命。
点阵打印一开始采用针式打印机，完全是机械
动作，结构复杂，要经常维修，打印清晰度也不够
理想。
近年来不断引出不同原理的喷墨式、激光式、
热敏式打印机，正是在多方案的比较中得到了各种
符合市场需要的新型打印设备。
§1 创新与社会发展
§2 创新人才的培养
21 世纪教育的特点
1．指导性
2．综合性
3．社会性
4．终身性
5．创造性
创新能力的培养
1、培养创新意识
2、提高创造力
3、加强创造实践
§3 创新设计
设计过程
创新设计类型
创新设计特点
产品规划
方案设计
技术设计
施工设计
开发设计
变异设计
反求设计
独创
实用
多方案选优
