机构创新设计中的思维方法

摘 要 提高大学生机构设计创新能力，掌握好创新思维方法非常重要。文章介绍了思维方式的概念，讨论了典型机构演化创新过程中所涉及的思维方法，有利于提高机械专业大学生的创新思维和创新能力，可供机构创新设计教学参考。

关键词 机构创新设计 思维方式 创新能力

机构创新设计训练既是培养机械专业学生打好机器创新设计基础的重要环节，又是提高学生创新意识和创新能力的重要途径。但在机构创新设计教学中，过去只注重介绍具体方法，很少分析其后的思维方式，不利于增强大学生创新能力。本文拟通过讨论机构创新方法与思维方式的内在关系，让机械学科学生不仅掌握好机构演变创新技能，而且能运用好创新思维，提高其创新能力。

1 思维方式的概念

思维方式是人们的理性认识方式，是人的各种思维要素及其综合，按一定的方法和程序表现出来的、相对稳定的定型化的思维样式，即认识的发动、运行和转换的内在机制与过程。从信息科学意义上说，思维方式是（思维）主体从外界获得信息，加工信息，从而形成新信息的途径和方法。①

常用思维方式有：发散性思维、收敛性思维、形象思维、抽象思维、直觉思维、联想思维、类比思维、逆向性思维、差异性思维等。②

近年新提出的创新性思维概念：它是一种打破传统的封闭意识，更新观念，提出标新立异，独树一帜新观念的思维模式。其实，以上各种思维方式中或多或少包含有一些创新思维的成分、要素，创新性思维将各种思维的创新要素汇集起来，突出追求“新颖”的实质。

2 机构创新和思维方式

机构创新设计有很多具体演化变换方法和技能，如：机构运动变换、运动副变换、机构型变换、同性异形变换、机构组合变换、机构简化变换、运动链再生变换原理、反求设计变换等。③这些方法与技能无疑能使学生了解各种实际机构如何从基本机构演变而来，并仿效其进行新型机构的设计。但这是否就能真正提高学生创新能力？不妨先了解教材中介绍的机构演化方法。例如：由四杆机构演化成的正弦机构和倍角机构。

正弦机构（图1）是由曲柄滑块机构演变而成，其中：滑块被丁字形导杆C取代，连杆演变成滑块B，连杆与导杆（原滑块）间的转动副用滑块B与丁字导杆C间的移动副替代。若曲柄取为单位长度，则该机构中滑块B垂直位移可用曲柄转角正弦值表达。但是正弦机构在演变过程中得益于什么样的思维方式，教材中很少论及。

图2 倍角机构

再看倍角机构（图2），教学中往往只讲该机构是利用了几何学中定理：圆周角等于同弧上圆心角的一半，于是曲柄中心O自然为圆心，摇杆中心C必固定在曲柄销运动轨迹的圆周上。从而使学生认为倍角机构只有两个运动构件，是三构件机构，它与四杆机构没有关系，导致学生思维僵化。

以上例子所涉及的机构演变方法虽然可以开阔学生的眼界，得到一些创新思路的启发，但还只能使学生思维局限在具体的机构中进行一些模仿性的创新设计，难于取得在原理上不同于已有机构的创新设计。

2.1 机构变换原理与发散―收敛思维方式

应用机构运动变换原理中的机架变换和主动件变换方法来创新机构时，不同机架和主动件的选择方式及分析其对机构运动带来的影响，就体现出设计者思维发散性和收敛性。

图3 四杆机构的机架变换法

采用发散思维可以对四杆机构选择不同的机架，变换成曲柄摇杆机构（图3a）、双曲柄机构（图3b）和双摇杆机构（图3c）。同样，也可以将思维发散到考虑机构运动副变换的情形。图4就是扩大转动副或者改变运动副形式所形成几种演变机构。其中，a～b是转动副B的三种不同变换方式的机构，实质上三者都是曲柄摇杆机构。d～f是转动副D演化成的曲柄滑块机构。可见，发散思维越灵活，机构创新的形式越丰富。

图4 四杆机构的运动副变换

2.2 构件形态变换原理与变异性思维方式

变异性思维在机构创新中也常采用。图5a表示的正弦机构，两移动副的导轨相互垂直，其运动输出件丁字架的行程是曲柄长度的两倍（2r）。若把丁字架的垂直导轨改变角度或者改变形状，运动会有什么变化？还能叫正弦机构吗？

图5 正弦机构中构件形态变换创新

图5b是使两导轨夹角从直角变为%Z角，丁字架行程由2r增大为2r/sin%Z。图5c是将垂直导轨变成圆弧形导轨，当圆弧形导轨半径取为r时，其丁字架作有停歇的往复直线运动，不再是正弦机构了。这种构件形态变换原理实质上运用了变异性思维。

2.3 机构同性异形变换与差异性思维方式

同性异形机构是指运动性能相同而形态不同的一组机构。同性指机构的运动特性相同，自由度数相同，输入、输出构件的运动规律相同。异形指机构的组成结构不同。同性异形变换就是根据原始机构，通过结构变换，找到一组运动性能相同而组成结构不同的机构族。

同性异形机构变换的典型例子――由双转块机构演化成的十字滑块联轴节（图6）和由双摇杆机构演化成的双圆盘联轴器（图7）。可见二者结构差异很大，但两种联轴器都能保证输入轴和输出轴在不同心的情况下保持相同的转动关系。

图6 双转块型十字联轴器

图7 转动导杆型联轴轴

该变换方法采用同中求异的思维方式，在运动规律相同的条件下，找出不同的结构形式。创新者首先需要明确创新对象必须保持不变的要素是什么？可以改变的要素有哪些？然后应用逻辑思维中的枚举法和具体的机构变换创新方法来逐一改变这些要素，比较新机构与原机构的差异，选择满足需要且在某方面（如强度、结构简洁性等）有最理想特性的新机构。

图2所示的三构件倍角机构就是通过同中求异思维将摇杆2与曲柄1之间的滑块简化而省去，并将滑块处两个低副用一个高副取代而成，其运动规律不变。同样，图5a所示三构件正弦机构也是运用同中求异的思维方式，由图1的四构件正弦机构演变、简化而成。

2.4 机构移植创新变换与联想思维方式

普通带传动成本低、运行平稳、噪声小，适于两轴较远距离的转动。但它靠摩擦力传递运动和动力，难保证准确的传动比。而齿轮传动的传动比恒定，但远距离传动成本高。运用联想思维方式将轮齿移植到带上，创造出齿形同步带。它与齿型带轮构成的传动系统，兼有带传动和齿轮传动的优点，带与带轮间无相对滑动，保证了准确的传动比和较高的传动效率。

2.5 机构型变换与类比思维方式

以机构的基本型为原始机构，通过机构型模拟变换、机构型倒置扩展变换、机构传动原理的仿效等获得新机构的变换理论与方法，称为机构型变换原理。④该变换常采用类比思维方式。图8所示的爬楼小车就是类比齿轮传动原理，把阶梯视为特殊齿条，将车轮设计成能与之啮合的四齿状滚轮，利用齿轮啮合原理来实现爬楼功能。

2.6 机构反求设计与逆向、创新思维方法

机构反求设计是消化吸收先进技术的创新设计方法。它以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、挖潜和开拓，对已有技术或产品进行创造性再设计。它强调再设计、再创造，应用它来开发新机构是机构创造发明的重要途径。

反求设计的思维方式较复杂，为多种思维（下转第138页）（上接第129页）方式的结合。首先，若不清楚已有先进产品或新技术的工作机理或技术的核心思想，就必须逆向思维，从产品的功能、用途、特性、材料、尺寸或技术特点出发，反向分析、推演出产品的组成结构和工作原理或技术的理论依据，对于机械类产品还应绘出机构图进行相关的运动分析和动力学分析。对多种同类产品还需要对工作原理和核心技术进行比较，分析优缺点，吸收长处。再综合运用同中求异、发散与收敛等思维方式结合具体创新技能去重新改进设计原来产品，克服其不足，最后形成比原产品更好的产品或比原技术更加高级的技术。

3 结束语

创新的本质是求变，求变的途径是思维方式。机构演变设计中蕴藏着各种思维方式，只有在机构设计教学中重视和掌握好创新思维方式，才可能培养出有设计原创性新型机构能力的学生，同时，还有助于他们将机构创新思维方法移植到其他领域进行创新活动。