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1、第二章 机械产品的功能原理设计 1、功能原理设计概念：2、功能原理设计重点：在于提出创新构思， 使思维尽量“发散”，力求提出较多的解法供 比较选优。1设计一台点 抄机：首先构思将 钞票逐张分 离的工作原 理。图3-1为构思 示意图23、作用：功能原理设计设计 是对产对产 品的成败败起 决定性作用的工作。 4、任何一种机器的更新换换代都存在三个途 径: 一是改革工作原理； 二是通过过改进进工艺艺、结结构和材料提高技术术 性能； 三是加强辅辅助功能使其更适应应使用者的心 理。3第一节节 功能原理设计设计 的工作特点和工作内容 一、功能原理设计设计 的工作特点 1) 是用一种新的物理效应应来代替旧的
2、物理效 应应，使机器的工作原理发发生根本的变变化的设设 计计。 2) 引入某种新技术(新材料、新工艺、) ，但首先要求设计人员有一种新想法(New Idea)、新构思。43)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。电波表的出现：当然，在实实践中，每一个功能原理设计设计 不一定 都能体现现上述三个特点，而能体现这现这 三个特点 的，则应该则应该 是高品位的功能原理设计设计 。5二、功能原理设计的任务和主要工作内容 任务：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”来求得一些 实现该功能目标的“解
3、法原理”。主要工作内容：是构思能实现功能目标的新的解法原理。举例：喷墨打印技术 6789第二节 功能、功能单元和功能结构 一、机器的功能组成 一台机器完成的功能通常称为总功能， 机器的总功能由多个分功能（功能单元）组成 ，而每个分功能都有相应的功能载体。分功能 载体应由原动机，传动机构、工作头或执行机 构、控制器等组成。 有的分功能与其他分 功能也可共用一个原 动力或传动机构。机 器的功能组成如图所 示。 10二、 机械功能分析方法（机械的功能、功能元和功能 结构）1、功能的含义功能是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描 述，它和人们常用的“功用”、“用途”、“性能”、“能 力”等概念既有
4、联系又有区别。例如：11洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来 。功能的定义：是指某一机器(或装置)所具有的转化 能量、运动或其它物理量的特性。系统工程学把一个机械产品看成技术系统，在设计 初期时该技术系统还不清楚，故用“黑箱”来描述功 能：把信息流、能量流、物料流输入“黑箱”，在“ 黑箱”中转换成新的信息流、能量流、物料流，然 后输送出来，如图36所示。系统工程学对功能的定义：是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的相 互转换的关系。12设计者的任务就是使“黑箱”变成“白箱”这个技 术系统就设计出来了，获得了一个完美的机械 产品，实现了预定的功能。 13图37所示
5、是一台硬币计数包卷机的外观， 它用来整理、清点、计数，最后按50枚一卷将 硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不 包卷。图38所示是用黑箱法描述的硬币机的 总功能。这种黑箱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构思和设计的。14硬币计数包卷机功能分解图硬币计数包卷机外形图15总之：任何技术系统都可以视为3种流的处理系统，即能量 流、物料流和信息流。作为输入的能量流，可以是机械 能、热能、电能、化学能、光能、核能等能量流，也可 以是它的某一具体分量，如力流、扭矩流、电流等等。 例如，作为一个技术系统，内燃机的功能是将输入燃料 的化学能流转
6、换为机械能流，核电站的功能是将核能流 转换为电能流。作为输入的物质流，可以是气体、液体或各种形式的 固体，如毛坯、原材料、半成品零件、部件、成品等， 也可能是粉半、磨屑、泥沙之类待处理物。机械技术系 统将对它们实行结合、分离、移动、气相转液相之类相 的变化，以及各相之间的混合等转化。如机床实现多余 物料从工件上分离，输送带实现物料的搬运等。16作为输入的信息流，可以是各种测量值、输入指令 、数据、图像等；信息的载体可以是机械量、电量、 化学量等；信息的形式可以是模拟量，也可以是数字 量。技术系统将对信息流作加工、处理或转换。如凸 轮机械具有将转动量信息转化为直线运动量信息的功 能，计算机能做数
7、据处理，AD转换器能将模拟量转换 为数字量信息，数字式电视机能将接收到的数字信息 转化为图像信息。对于一个技术系统有时三流并存，如现代的加工中 心和自动生产线，有时只存在能量流与信息流，如电 视机。系统在完成功能的过程中，外界将向它输入各 种制约和干扰，同时系统也将对外界输出干扰和影响 ，如振动、噪声、化学排放、热量、废弃物等。172功能单元 一般技术系统都较为复杂，直接求总功能的 解比较困难，可对总功能进行分解，分解成较 为简单的“功能单元”。这样的功能单元具有一 定的独立性，是直接求解的功能单元也可称 为“功能元”。直接实现总功能的各分功能称为一阶分功 能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分
8、功能 ，并以此类推。分解到末端的为功能元，如下 图中的夹持试件、夹头、移动等。 18例如：对材 料拉伸试验 机的功能分 解图可用图 示的形式表 示。拉伸试验机的功能分解图19冰箱功能分解图203功能结构 功能结构图：用来表示各分 功能之间关系的框图。由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图 。这样一个过程，称为”功能分析”，也可称为“ 系统分析”。从上述材料拉伸试验机采用的力变形关系测 量的例子中：总功能(力变形关系测量)可分 解为四个分功能(试件拉伸、力测量、变形测量 、控制信息)，每个分功能再分解，直至功能元 。将各分功能(或功能元)组合时有三种基本结 构形式，如图所示。图中F1，F2和F
9、3为分功能 。21(1)串联：各 分功能按顺 序相继作用 ；(2)并联：各 分功能并列 作用；(3)回路：各 分功能组成 环状循环回 路，体现反 馈作用。 22从以上分析可以画出材料拉伸试验机的 功能结构图。上图表示是用“黑箱”描述材 料拉伸试验机的总功能。下图表示材料拉 伸试验机功能(一阶)结构图。2324下图表示材料拉伸试验机功能(二阶)结构图。25总之，“功能结构”图是用来表示各分功能之间关系的框 图，它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联系 与配合。26第三节 机械系统的功能原理设计功能原理设计是产品设计的最初环节，对主要 功能提出原理构思。任何一个产品的新颖性、 先进性都取决于这
10、个阶段。如包糖果，过去人 们总是设计构思机械手，模仿人的手包糖果， 机构复杂，实现困难；从功能出发，糖果包装 有两个目的，一是防止糖果受污染，二是增加 美的功能。新式袋装包糖果机的问世采用了 光电控制，使两个功能均能实现而防污染能力 也更强了，但机器结构却很简单。所以说，一 个好的功能原理设计应具备两个条件，既有创 新构思，又有市场竞争潜力。 27一、任何一种机器的更新换代都有三个途径：1、改革工作原理例如用激光打孔机替代机械钻，使一些精密仪器、 仪表的精度得到很大的提高。常用创新原理有：1）综合创新原理综合创新原理是指将研究对象的各个部分、各个方面 和各种因素联系起来加以考虑，从整体上把握事
11、物的 本质和规律的一种思维法则。28例如，普通的x光机和计算机，都无法对人的脑内病 变作出诊断。豪斯菲尔德将二者综合，设计出CT扫 描仪，使诊断难题出现新的求解希望。人们应用新 仪器获得了许多前所未有的研究成果，促使医学有 了长足的发展。CT扫描仪的创新设计，是20世纪医 学领域的一项重大创新成果。2）分离创新原理分离创新原理是把某一创造对象进行科学的分解或 离散，使主要问题从复杂现象中暴露出来，从而理 清创造者的思路，以便抓住主要矛盾或寻求某种设 计特色。29例如，早期电冰箱都是上“冷”下“热”，即冷冻室 在上，冷藏室在下。而万宝电器集团公司在开发新产品 时，对电冰箱进行分离创造，开发出冷藏
12、室在上、冷冻 室在下的上“热”下“冷”式电冰箱。这种电冰箱具有 三方面的优点：其一，增加了用户使用的方便性。电冰 箱在实际使用中更多的还是往冷藏室存贮食物，冷藏室 在下时存取东西，需要弯腰，非常令人不舒服；其二， 冷冻室在下面，化霜水不再对冷藏室内的东西造成污染 ：其三，冷冻室下置方案利用了冷气下沉的特点，使负 载温度回升时间比一般冰箱延长1倍，减少耗电，节约 能源。 303）移植创新原理移植创新是指吸取、借用某一领域的科学技术成 果，引用或渗透到其他领域，以变革或改进已有事 物或开发新产品。例如，常见的机床导轨为滑动摩擦导轨。人们在 摩擦面间放置磙子，设计出滚动摩擦导轨。与普通 滑动导轨相比
13、，滚动导转具有运动灵敏度高、定位 精度高、牵引力小、润滑系统简单、维修方便(只需 更换滚动体)等优点。从创新设计原理上看，可以认 为这种新型导轨是推力滚子轴承结构方式的一种移 植。 314）物场分析原理所谓物场，是指物质与物质之间相互作用和相互影 响的一种联系。世界上的物体本身是不能实现某种作 用的，只有同某种“场”发生联系后才会产生对另一 物体的作用或承受相应的反作用。就科学领域来说， 温度场、机械场、声场、引力场、磁场、电场等等， 是物场的具体存在形式。构成一个物场需要三个要素 ：两个物质和一个场。物场分析的基本内容是使物场 三要素之间的相互作用更为有效，功能更加完整和可 靠。32例如，确
14、定冷冻机密封检测方案的。如家用电冰箱 中的冷冻机充满着氟利昂和润滑油，如果密封不良 ，氟利昂和润滑油都会外漏。根据物场形式进行分 析，在其检测体系中，“润滑油”、“氟利昂”是 物质，但相互之间与场没有构成完整的物场。因此 ，可将这个体系补建成非人工检测泄漏的完全物场 体系。具体方法是，将掺有荧光粉的润滑油注入冷 冻机，在暗室里用紫外光照射冷冻机，由于密封不 严处渗漏出的润滑油中的荧光粉会发光，由此可确 定泄漏部位。335）还原创新原理还原创新原理是指创造者回到驱使人们创造的最基 本的出发点或归宿，进行创新思考的一种创造模式。例如，设计新型电风扇，无论是台扇、吊扇、壁扇 ，最基本的出发点都是使周
15、围空气急速流动。有没有 别的技术方案能实现这种功能或物理效应呢?有人想 到了薄板振动的方案。该方案用压电陶瓷夹持一金属 板，通电后金属薄报振荡，导致空气加速流动。按此 思路设计的电风扇，没有扇叶，面貌全新，称为“无 扇叶电风扇”。与传统的风叶旋转式电风扇相比，具 有体积小、重量轻、耗电少和噪声低等优点。 346）价值优化原理把价值看作某一功能与实现这一功能所需成本的比，提 高产品价值就是用低成本实现产品的功能。在开发产品 时注意从功能分析着手，实现必要功能，去除多余功能 和过剩功能，既满足用户需要，又降低成本，将产品设 计问题变为用最低成本向用户提供必要功能的问题，即 创造具有高价值的产品。例
16、如，英国库特公司的设计人员曾开发一种新型百叶窗 ，要求产品既能防止雨水打入，又可使室内空气流通。 设计者通过价值分析，改变了用料多、造价高的传统设 计，而采用了允许雨水透过百叶窗，再在窗叶后面用凹 槽收集，然后通过细管将雨水排出室外的新设计。新设 计的百叶窗，不仅降低了成本，而且便于操作，且能够 延长使用寿命，即功能得到改善。 352、通过改进工艺、结构和材料提高性能。例如 ：由于工艺改进，将原来的切削改变为按液压原理设计 的搓丝机，生产效率和质量都得到很大的提高。图中的 (b)，(c)，(d)都是搓丝机，工作原理均为按压，但由于 结构不同，性能也不一样，其中(d)是按行星机构原理 制造的行星搓丝机，使机器体积最小，生产效率最高。在材料方面，如液晶材料的出现及实用化，促进了钟 表业的发展，使钟表的时间显示又多了一条途径。 36373、增加辅助功能，以满足使用者需求，如空调 机增加空气净化装置、手表增加日历等。机器更新换代的三个途径中，第一种实现起来 最困难，但效果却是最好的，也是最有前途的 。二、 功能原理设计的内容功能原理设计的内容
