机械产品设计高职高专

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1、高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 1书名：机械产品设计ISBN： 9787111284796作者：马晓丽出版社：机械工业出版社本书配有电子课件高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 2第3章 机械产品功能设计31 功能原理设计的特点和内容32 功能的类型及设计33 产品合理功能的确定34 产品功能的分解复习与思考题高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 3第3章 机械产品功能设计产品的功能设计有二层含义：第一，在机械产品设计的最初环节，针对产 品的主要功能提出一些原理性的构思。这种对主 要功能的原理性设计，简称为“功能原理设计”。第二，在设计中以

2、产品的功能为设计依据， 以实现产品的功能为最终目标。 高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 431功能原理设计的特点和内容311功能原理设计的意义功能原理设计的重点在于提出创新构思，设计人 员思维要尽可能开阔，力求提出较多的方案供比较选 择，对构件的具体结构、材料和制造工艺等则不一定 要有成熟的考虑，可以用示意图来表示所构思的内容 ，然后利用各种计算机CAD软件仿真机械产品的功能目 标实现过程。功能原理设计是对产品的成败起决定性作用的工作 。一个好的功能原理设计应该既有创新构思，又应同 时考虑其市场竞争潜力，因为脱离市场需求的盲目创 新是没有意义的。例如美国宝丽来公司研制的一次

3、成 像照像机。 高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 5任何一种机器的更新换代都存在三个途径。改革工作原理改进工艺、结构和材料来提高技术性能加强辅助功能使其更适应使用者的心理这三方面对于产品市场竞争力的影响几乎具有同等 重要的意义。但第一种途径在实现时的困难程度要比后 两种大得多。以至于早在60年代就有人预言：各种机器 的工作原理已经基本定型，今后改进的方向主要只能在 工艺、材料和结构方面。然而30年来产品发展的事实否定了这种悲观的预言 。不仅采用新工作原理的新机型不断出现，而且由于新 工艺、新材料的出现，也促进了新工作原理的产生。 高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品

4、功能设计 6例如液晶材料的实用化，促使钟表的工作原理发生了本 质的变化。例如计算机软硬件的发展，使得铅字打字机成为历史。铅字打印机 针式打印机 喷墨打印机 激光打印机现在有很多有远大目光的企业家和工程师，都把更多 的注意力放在基本工作原理的改革这一方面来。 高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 7312 功能的含义功能是对某一产品特定工作能力的抽象化描述，它 和人们常用的功能、用途、性能和能力等概念既有联系 又有区别。“功能”是指某一机器（或装置）所具有的转化能量 、运动或其他物理量的特性。以一台电动机为例：电动机功用作原动机用途驱动机床等性能效率等能力功率、转速等功能将电能转

5、变为旋转运动的 动能高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 8还有一种描述功能的方法：用系统工程学的“黑箱”来描述功能。任何一个技术系统都有输入和输出，把技术系统看成一个黑箱，其 输入用物料流M、信息流S和能量流E来描述；其输出用相应的M、S和 E来描述。于是，功能可表示为：一个技术系统在以实现某种任务为 目标时，其输入量和输出量之间相互转换的关系。黑箱（Black Box）技术系统信息流S（进行 能量流E 转换）物料流M信息S能量E物料MSEM输出 （OUT）输入（IN）黑箱描述法只是描述了从系统外部观察到的功能特点，而黑箱的 内部结构是未知的，是需要设计师去进行具体的构思和设

6、计的。系统分析中的“白箱”和“灰箱”，则是指内部结构完全已知或部分 已知的技术系统。高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 9313功能原理设计的特点功能原理设计往往是用一种新的物理效应来代替旧的物理 效应，使机器的工作原理发生根本变化的设计。功能原理设计往往要引入某种新技术(新材料、新工艺等) ，但首先要求设计人员引入一种新想法、新构思。没有新想 法，即使新技术放到面前也不会把它运用到设计中去。功能原理设计使机器品质发生质的变化。例如，机械表不 论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能和石英电 子表相媲美。在实践中，每一个功能原理设计不定都能体现这三个 特点。而能体现这三个

7、特点的，则应该是高品位的功能原理 设计。 高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 10314功能原理设计的主要内容简要地说，功能原理设计的任务可表述为：针对某一确定的“功能目标”，寻求一些“物理效应”并借助某些“作用原理”，求得一些实现该功能目标的“解法原理”。高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 11实例1：要设计一种点钞机，可以构思出各种将钞票逐张分离的工作原 理。如考虑应用某种“物理效应”(如图中的摩擦、离心力、气吹等)，然后 利用某种“作用原理”(如图中的摩擦轮、转动架、气吸等)，最后达到实现“功能目标”的结果。 1-推栝 2-摩擦 3-离心力 4-重力

8、5-粘力 6-气吹 7-气吸 8-静电高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 12实例2：提出了开发喷墨打印技术的构想。最初，针对喷墨打印的功能日标，曾提出过象用电场控 制电子束扫描屏幕那样，控制喷嘴喷出的墨水滴来扫描白纸 。结果扫描出的画面，可以想象比电子束扫描屏幕的效果要 差得多。后来人们又寻找了另外一些物理效应，较好地实现 了喷墨打印的功能目标。一种是用液体受热汽化的物理效应，在毛细管口产生气 泡，将墨水滴喷出。另一种是用压电晶体在受电场作用时产生变形的物理效 应，将墨水腔中的墨水从小孔口中挤出，达到喷墨的效果， 如图3-3所示。高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品

9、功能设计 13图3-3 两种喷墨打印功能原理a）加热汽化喷墨 b）压电喷墨高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 14实例3：并联运动机床的出现。并联运动机床是以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控 制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机 械传动，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结 构和运动学原理发生了根本的变化。高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 15功能原理设计的主要工作内容是构思能实现功能目标 的新的解法原理。但其工作步骤必须先从明确功能目标做起，然后才能 进行创新构思，得出某些解法原理后还应通过模拟试验， 进行

10、技术分析，验证其原理上的可行性；对于不完善的构思还应按实验结果做修改、完善和提 高的工作；最后对几个解法作技术经济的评价对比，选择其中一 种较合理的解法作为最优方案加以采用。这里所谓的“最优方案”，实际上只能是一种较“满意” 的解法。因为在实际设计工作中，真正完全理想化的、没 有缺点的解法几乎是没有的。高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 1632功能的类型及设计 321功能类型对现有的机械功能原理进行分类，基本上可分为两大类 ：动作功能：指以实现需求动作为目的的功能。动作功能又 可以明确地分为简单动作功能（完成简单的一次性动作）和 复杂动作功能（能实现连续的传动）。工艺功能。

11、是以完成对对象物的加工为目的的功能。这两种功能都是用纯机械或主要靠机械完成的动作功能 。高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 17从机械的工作特点来分类：动作功能、工艺功能从参与完成功能的物理作用的特点来分类：纯机械功能、综合技术功能从所完成的功能的困难或复杂程度来分类：常规技术功能、关键技术功能综合技术功能和关键技术功能是随着历史发展和技术的 进步而出现的，对于现代产品设计来说，它们对于提高产品 的竞争优势，有时可能起到非常重要的作用。 高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 18随着科学技术的发展，已经不再局限于纯机械的方式去 完成动作功能，而出现了综合运用机

12、、光、电、磁、热、化 等各种“广义物理效应”，以便更好地去实现各种动作功能和 工艺功能，我们把它总称为“综合技术功能”，以区别于纯机 械的功能原理。但从它所完成的功能来说，实际上仍是动作 功能或工艺功能，但其技术手段却是广义的物理效应。近年来，在激烈的产品竞争中，出现了种有力的竞争 武器，就是所谓的“关键技术”。它是作为某个企业或部门独 有的技术，暂时还没有被别人掌握，因此该企业的产品在这 一方面具有独特的优势。这种技术可能是动作功能，可能是 工艺功能，而且很有可能也是采用“广义物理效应”的综合技 术功能，只是因为它在竞争中的特殊地位，才把它列为一种 功能，称为“关键技术功能”。 高等职业教育

13、示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 19功能原理的分类和相互关系见图3-5所示。 功能类型动作类简单动作功能复杂动作功能关键技术功能综合技术功能工艺类工艺功能（纯机械）（广义物理效应）对于一个具体的功能来说，只有动作功能和工艺功能是 可以明确区分的基本功能。个动作功能或工艺功能，则有 可能同时是综合技术功能，甚至还同时是关键技术功能。 高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 20322按动作功能设计带轴的轮子 自然界有很多圆形物体， 但不存在带轴的轮子，古代人类发明了带 轴的轮子。轮子被穿在轴上，能实现相对 转动。这是一种典型的简单动作功能。拉链 拉链被称为人类近代十大发明

14、之 一，也是最典型的简单动作功能之例。它 有两种构件（链米和开链器）组成（图3-6 ），能实现闭合和开启的动作功能。简单动作功能简单动作功能是由两个或两个以上的具有特殊几何 形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现互 相运动或锁合的动作。高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 21其他 在今天的现实生活中，这种简单动作功能应用 非常广泛。例如电视机双动调节盒盖，圆珠笔的伸缩双动 功能(图3-7)，计算机鼠标的x、y驱动功能，各种电器开 关的双稳态快动功能，各种枪炮的击发功能等。高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 22利用形体组合 简单动作功能简单，而所实现

15、的功能 又相对巧妙，所以往往给人以神奇的感觉。例如，“魔方”，由三种构件组合而成，利用形体的 几种形状相互结合，可以实现巧妙的换位。例如自古到今人类发明的各种门锁都是典型的简单 动作功能，较简单的是弹子锁（图3-8）。高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 23构思方法 在构思简单动作功能时，首先要明确“功 能目标”，然后针对功能目标，对几个构件中的几何形体 进行构思。由于在构件上设置几何形体的可能性非常多 ，就为实现这类功能创造了宽广的途径，总有几种形体 可以实现所要求的功能目标。需强调是：在进行功能原理设计创造时，没有什么 简易的“办法”可循。因为设计是“综合”，而“综合”是

16、没有 确定方法的，即使有某些参考的方法可作辅助，但也不 一定能取得合理的结果。最实际的办法，是多看优秀设计实例，多作基础设 计训练，练习设计巧妙的简单动作，在正确的指导性思 路的引导下，才有可能取得某个合理的设计成果。简单动作功能并没有过时，而是仍以其简单可靠的 特点，在各个领域里可靠地为人类服务。 高等职业教育示范专业规划教材第3章 机械产品功能设计 24复杂动作功能复杂动作功能以采用常用基本机构为主，其设计已有很成熟的 理论和经验。尽管这类功能原理要实现相当复杂的功能目标，设计 起来也并非毫无困难，但是比起“简单动作功能”的设计，还是要容 易得多，因为常用基本机构已经被人们研究得相当透彻了。古代发明的机构 当人类学会利用畜力、风力和水力的时候 ，人类就需要发明些能连续运动的机械来进行搬运、抽水和舂米 等工作，这时候人类就已经开始发明绳轮、连杆、齿轮、凸轮等 些机构，