機構創新設計中的思維方法

孔蓉

摘 要 提高大學生機構設計創新能力，掌握好創新思維方法非常重要。文章介紹了思維方式的概念，討論了典型機構演化創新過程中所涉及的思維方法，有利于提高機械專業大學生的創新思維和創新能力，可供機構創新設計教學參考。

關鍵詞 機構創新設計 思維方式 創新能力

機構創新設計訓練既是培養機械專業學生打好機器創新設計基礎的重要環節，又是提高學生創新意識和創新能力的重要途徑。但在機構創新設計教學中，過去只注重介紹具體方法，很少分析其后的思維方式，不利于增強大學生創新能力。本文擬通過討論機構創新方法與思維方式的內在關系，讓機械學科學生不僅掌握好機構演變創新技能，而且能運用好創新思維，提高其創新能力。

1 思維方式的概念

思維方式是人們的理性認識方式，是人的各種思維要素及其綜合，按一定的方法和程序表現出來的、相對穩定的定型化的思維樣式，即認識的發動、運行和轉換的內在機制與過程。從信息科學意義上說，思維方式是（思維）主體從外界獲得信息，加工信息，從而形成新信息的途徑和方法。①

常用思維方式有：發散性思維、收斂性思維、形象思維、抽象思維、直覺思維、聯想思維、類比思維、逆向性思維、差異性思維等。②

近年新提出的創新性思維概念：它是一種打破傳統的封閉意識，更新觀念，提出標新立異，獨樹一幟新觀念的思維模式。其實，以上各種思維方式中或多或少包含有一些創新思維的成分、要素，創新性思維將各種思維的創新要素匯集起來，突出追求“新穎”的實質。

2 機構創新和思維方式

機構創新設計有很多具體演化變換方法和技能，如：機構運動變換、運動副變換、機構型變換、同性異形變換、機構組合變換、機構簡化變換、運動鏈再生變換原理、反求設計變換等。③這些方法與技能無疑能使學生了解各種實際機構如何從基本機構演變而來，并仿效其進行新型機構的設計。但這是否就能真正提高學生創新能力？不妨先了解教材中介紹的機構演化方法。例如：由四桿機構演化成的正弦機構和倍角機構。

正弦機構（圖1）是由曲柄滑塊機構演變而成，其中：滑塊被丁字形導桿C取代，連桿演變成滑塊B，連桿與導桿（原滑塊）間的轉動副用滑塊B與丁字導桿C間的移動副替代。若曲柄取為單位長度，則該機構中滑塊B垂直位移可用曲柄轉角正弦值表達。但是正弦機構在演變過程中得益于什么樣的思維方式，教材中很少論及。

圖2 倍角機構

再看倍角機構（圖2），教學中往往只講該機構是利用了幾何學中定理：圓周角等于同弧上圓心角的一半，于是曲柄中心O自然為圓心，搖桿中心C必固定在曲柄銷運動軌跡的圓周上。從而使學生認為倍角機構只有兩個運動構件，是三構件機構，它與四桿機構沒有關系，導致學生思維僵化。

以上例子所涉及的機構演變方法雖然可以開闊學生的眼界，得到一些創新思路的啟發，但還只能使學生思維局限在具體的機構中進行一些模仿性的創新設計，難于取得在原理上不同于已有機構的創新設計。

2.1 機構變換原理與發散—收斂思維方式

應用機構運動變換原理中的機架變換和主動件變換方法來創新機構時，不同機架和主動件的選擇方式及分析其對機構運動帶來的影響，就體現出設計者思維發散性和收斂性。

圖3 四桿機構的機架變換法

采用發散思維可以對四桿機構選擇不同的機架，變換成曲柄搖桿機構（圖3a）、雙曲柄機構（圖3b）和雙搖桿機構（圖3c）。同樣，也可以將思維發散到考慮機構運動副變換的情形。圖4就是擴大轉動副或者改變運動副形式所形成幾種演變機構。其中，a～b是轉動副B的三種不同變換方式的機構，實質上三者都是曲柄搖桿機構。d～f是轉動副D演化成的曲柄滑塊機構。可見，發散思維越靈活，機構創新的形式越豐富。

圖4 四桿機構的運動副變換

2.2 構件形態變換原理與變異性思維方式

變異性思維在機構創新中也常采用。圖5a表示的正弦機構，兩移動副的導軌相互垂直，其運動輸出件丁字架的行程是曲柄長度的兩倍（2r）。若把丁字架的垂直導軌改變角度或者改變形狀，運動會有什么變化？還能叫正弦機構嗎？

圖5 正弦機構中構件形態變換創新

圖5b是使兩導軌夾角從直角變為%Z角，丁字架行程由2r增大為2r/sin%Z。圖5c是將垂直導軌變成圓弧形導軌，當圓弧形導軌半徑取為r時，其丁字架作有停歇的往復直線運動，不再是正弦機構了。這種構件形態變換原理實質上運用了變異性思維。

2.3 機構同性異形變換與差異性思維方式

同性異形機構是指運動性能相同而形態不同的一組機構。同性指機構的運動特性相同，自由度數相同，輸入、輸出構件的運動規律相同。異形指機構的組成結構不同。同性異形變換就是根據原始機構，通過結構變換，找到一組運動性能相同而組成結構不同的機構族。

同性異形機構變換的典型例子——由雙轉塊機構演化成的十字滑塊聯軸節（圖6）和由雙搖桿機構演化成的雙圓盤聯軸器（圖7）。可見二者結構差異很大，但兩種聯軸器都能保證輸入軸和輸出軸在不同心的情況下保持相同的轉動關系。

圖6 雙轉塊型十字聯軸器

圖7 轉動導桿型聯軸軸

該變換方法采用同中求異的思維方式，在運動規律相同的條件下，找出不同的結構形式。創新者首先需要明確創新對象必須保持不變的要素是什么？可以改變的要素有哪些？然后應用邏輯思維中的枚舉法和具體的機構變換創新方法來逐一改變這些要素，比較新機構與原機構的差異，選擇滿足需要且在某方面（如強度、結構簡潔性等）有最理想特性的新機構。

圖2所示的三構件倍角機構就是通過同中求異思維將搖桿2與曲柄1之間的滑塊簡化而省去，并將滑塊處兩個低副用一個高副取代而成，其運動規律不變。同樣，圖5a所示三構件正弦機構也是運用同中求異的思維方式，由圖1的四構件正弦機構演變、簡化而成。

2.4 機構移植創新變換與聯想思維方式

普通帶傳動成本低、運行平穩、噪聲小，適于兩軸較遠距離的轉動。但它靠摩擦力傳遞運動和動力，難保證準確的傳動比。而齒輪傳動的傳動比恒定，但遠距離傳動成本高。運用聯想思維方式將輪齒移植到帶上，創造出齒形同步帶。它與齒型帶輪構成的傳動系統，兼有帶傳動和齒輪傳動的優點，帶與帶輪間無相對滑動，保證了準確的傳動比和較高的傳動效率。

2.5 機構型變換與類比思維方式

以機構的基本型為原始機構，通過機構型模擬變換、機構型倒置擴展變換、機構傳動原理的仿效等獲得新機構的變換理論與方法，稱為機構型變換原理。④該變換常采用類比思維方式。圖8所示的爬樓小車就是類比齒輪傳動原理，把階梯視為特殊齒條，將車輪設計成能與之嚙合的四齒狀滾輪，利用齒輪嚙合原理來實現爬樓功能。

2.6 機構反求設計與逆向、創新思維方法

機構反求設計是消化吸收先進技術的創新設計方法。它以現代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業人員的工程設計經驗、知識和創新思維，對已有新產品進行解剖、挖潛和開拓，對已有技術或產品進行創造性再設計。它強調再設計、再創造，應用它來開發新機構是機構創造發明的重要途徑。

反求設計的思維方式較復雜，為多種思維（下轉第138頁）（上接第129頁）方式的結合。首先，若不清楚已有先進產品或新技術的工作機理或技術的核心思想，就必須逆向思維，從產品的功能、用途、特性、材料、尺寸或技術特點出發，反向分析、推演出產品的組成結構和工作原理或技術的理論依據，對于機械類產品還應繪出機構圖進行相關的運動分析和動力學分析。對多種同類產品還需要對工作原理和核心技術進行比較，分析優缺點，吸收長處。再綜合運用同中求異、發散與收斂等思維方式結合具體創新技能去重新改進設計原來產品，克服其不足，最后形成比原產品更好的產品或比原技術更加高級的技術。

3 結束語

創新的本質是求變，求變的途徑是思維方式。機構演變設計中蘊藏著各種思維方式，只有在機構設計教學中重視和掌握好創新思維方式，才可能培養出有設計原創性新型機構能力的學生，同時，還有助于他們將機構創新思維方法移植到其他領域進行創新活動。