第三章 机械产品的功能原理设计

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1、第三章 机械产品的功能原理设计,第三章 机械产品的功能原理设计,随着科学技术的发展和国内外市场竞争的日益加剧，用户对机械产品的要求越来越高。设计工作者必须不断地开发设计新的产品，以满足市场的需求，提高产品的市场竞争力。在新产品的设计过程中，首先要针对产品所应具有的功能进行原理性的设计构思，提出设计方案。这部分设计内容和过程称为机械产品的功能原理设计。 定义：功能原理设计是针对产品所应具有的功能进行原理性设计构思，提出设计方案的设计过程。 它是机械产品整个设计过程的一个重要阶段，也是机械设计的最初阶段。其实质是原理方案的构思与拟定的过程。功能原理设计从最新的自然科学原理及其技术效应出发，通过创新

2、构思、优化筛选，找出最适宜于实现预定功能目标的原理方案。例如，要设计一台物料分离机，首先要构思利用什么原理将不同物料分开。如图3-1 所示是物料分离机功能原理设计的构思示意图。,第三章 机械产品的功能原理设计,c-磁性分选,d-摩擦分选,a-浮力分选,b-电性分选,图3-1 物料分离机功能原理构思,e-惯性分选,第三章 机械产品的功能原理设计,功能原理设计对所开发机械产品的成败起着决定性的作用。一个好的功能原理设计总是充满创新构思，所设计的产品具有突出的功能特色，而且在市场竞争中具有潜在的价值。因此，功能原理设计的重点在于提出创新构思，使思维尽量发散，力求提出更多的解法供比较优选。,3.1 功

3、能原理设计工作的特点和任务,功能原理设计是产品设计的第一设计阶段，而总体设计、机构设计和结构设计则是功能原理设计的后继过程，是将功能原理设计结果转化为生产方案的具体设计过程。对于机构设计和结构设计，通过有关课程的学习大家已经有了比较详细的了解。而对功能原理设计并不真正了解，与机构设计和结构设计相比，功能原理设计有其完全不同的特点和工作内容。 3.1.1 功能原理设计的工作特点 随着科学技术的发展计算工具在不断的更新换代，由原始的将树叶或贝壳串在一起计数，到我们的祖先发明算盘；从简单的机械式计算器，发展到较为复杂的机电计算器，再发展到计算机。计算机从电子管式发展到晶体管式，再发展到集成电路、超大

4、规模集成电路，使它的计算速度越来越快，性能越来越强大，体积越来越小、重量越来越轻。从计算工具工作原理不断改革和发展可以看出，功能原理设计工作具有下述特点：,3.1.1 功能原理设计的工作特点,1功能原理设计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本质的变化的设计。 2功能原理设计中往往要引入某种新技术（新材料、新工艺、），这就要求设计人员首先有一种新想法、新构思。否则，没有新想法，即使新技术放到面前也不会把它用到设计中去。 3功能原理设计使机器的品质发生质的变化。如机械钟表无论在技术上如何改进，其走时的精确性都不可能与石英表相媲美。,3.1.2 功能原理设计的任务和工作内容

5、,功能原理设计的任务概括起来可以表述为：针对某一确定的功能要求，寻求相应的的物理效应，借助某些作用原理，求得实现功能目标的某些解法原理。 例如，要实现直线移动这样一个功能要求，可以寻求液压、电磁或机构等物理效应，通过油缸、直线电机、牵引电磁铁或刚体传动等作用原理，求得实现直线移动这个功能目标的解法原理。 功能原理设计的工作内容，主要是构思能实现功能目标的新的解法原理。其工作步骤首先是明确功能目标；其次是进行创新构思；然后通过模型试验，进行技术分析，验证其原理的可行性，对于不完善的构思进行修改、完善和提高；最后，对几个解法作技术经济的评价，选择出较为合理的解法作为最优方案（如图3-2所示 ）。

6、这里所谓的“最优方案”，实际上只能是一种较为“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。,3.1.2 功能原理设计的任务和工作内容,明 确 功能目标,市 场 调 查,需 求 发 现,任 务 确 定,用 户 调 查,功 能 澄 清,目 标 建 立,酝 酿 解法原理,收 集 信 息,资 料 研 究,多 项 联 想,创 新 构 思,思 维 试 验,模 型 试 验,改进完善 解法原 理,弱点发现,问题剖析,改善修正,完善提高,选出满意 的 解,建立准则,评价比较,权衡利弊,去劣存优,图3-2 功能原理设计的工作步骤和内容,3.1.3 功能原理设计的过程,功能设

7、计是工程设计中探求原理方案的一种有效方法，它以系统工具为基础，从功能分析着手，其步骤如图3-3所示。功能设计紧紧抓住系统功能这个本质，具有化繁为简、原理解答多、最佳解答多中选优等特点，是一种较好的原理方案设计的方法。,明 确 任 务,求总 功能,求分 功能,求分 功能解,系统 原理解,最佳原 理方案,黑箱法,抽象,功能结构,分解,作用原理,搜索,横幅箱图,组合,评价法,评价,图3-3 功能设计的步骤,3.2 产品功能的定义与分类,功能原理设计必须由功能分析入手。在进行功能分析之前，首先应对“功能”的概念及其它有关的概念有一个科学的认识。 3.2.1 功能和功能单元 1功能 是对于某一产品特定的

8、工作能力的抽象化描述。设计产品的目的是把一定的输入量转化为满足需求、符合特定目的的输出量。实质上，“功能”是指某一机器或装置（这里统称为技术系统）所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。它反映了技术系统输入量和输出量之间的因果关系。例如，一台电机的功能是将电能转变为旋转运动的动能。 人们购买和使用产品实际上是购买和使用其功能。用户需要的功能往往是有条件的：如需要某种功能的目的，功能的使用地点及环境条件，功能的定量与定性参数，实现功能的具体结构和手段，功能的经济性等等。这些都是设计者在设计过程中，尤其是在产品的功能原理设计时所需要考虑的。,3.2.1 功能和功能单元,根据系统论的观点，一个系统

9、可以分解为若干个子系统，系统的总功能可以分解为若干分功能。任一机械产品都是一个相对独立的技术系统，因此其总功能同样也具有可分性。例如，一台钻井泵是可以分成动力端和液力端两大部分。把钻井泵看作一个整体系统，则动力端和液力端即为分系统；增加液体的能量是总功能，相应的转换运动形式和吸排液体的功能就是分功能。,3.2.1 功能和功能单元,2功能单元 在进行一个复杂机械系统的功能原理设计中，或对一个复杂机械系统的功能结构进行分析时，有时仅仅使用分功能这一概念，难以清楚地表达出功能的层次和功能之间的相互关系。为此，结合机械设计的特点，引入功能单元的概念。 定义：功能单元是指以功能为核心，既保持有一定的功能

10、独立性，又具有一定的复杂程度的技术单元。 也可以说，功能单元是不能再分解的最小功能单位，是直接能从物理效应、逻辑关系等方面找到解法的基本功能。机械和仪器中的基本功能可以归纳为三类：物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。由于机械的功能原理设计是围绕功能核心来寻求解法，在设计中又必然会联系到与功能相关的实体结构，所以功能单元往往与机械中的某个组成部分相对应。 应该注意，分功能和功能单元都是根据功能的相对独立性而划分的，与机械的零件、部件或机构不能等同。前者是对一个机械系统的某一分系统工作任务的抽象描述，后者属于功能载体。,3.2.2 功能流及功能描述方法,任何一个机械系统（或一般技术系统）的输入和输

11、出都可以归纳为三个基本要素1. 能量（E）：包括机械能、热能、电能、光能、化学能、核能、生物能等； 2. 物料（M）：可为材料、毛坯、试样、气体、液体等； 3. 信息（S）：表现为数据、控制指令和显示等。 能量、物料和信息三个基本要素在系统中沿一定路径运动形成功能流，即：能量流、物料流和信息流。在系统内部物理量发生了变化，使得系统的输入量与输出量有所不同，这称为变换。 仪器：是主要传递信息流的技术系统，其主要性能指标为精度。 设备：是主要传递物料流的技术系统，设计中主要考虑静强度和刚度等问题。 机械：是主要传递能量流的技术系统，设计中需要进行运动和动力学分析，主要性能指标为强度、刚度、磨损和寿

12、命等。在进行产品的功能原理设计时，对于所要设计的机械或其它产品，总会提出各种各样的要求，给出一些限制条件。这些要求和限制条件有定性的也有定量的，有主要的也有次要的，如果从这样复杂的任务要求出发来分析系统的总功能，难以一下子认识清楚。为此，通常采用系统工程学中的“黑箱法”来抽象，并描述其功能流的输入和输出。 “黑箱法”是指将系统看成一个不透明的不知道其内部结构的“黑箱”，在不打开黑箱的前提下，利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入和输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能和特性的分析方法。,3.2.2 功能流及功能描述方法,黑箱法将要开发的机械系统视为一个未知内容的黑箱，把三个

13、基本要素的输入和输出用黑箱模型来表示，如图3-3 所示。 这样的抽象表达，可暂时忽略次要因素，只对三个基本要素的输入和输出关系作集中考虑，因此能突出表达设计的总功能。 图3-4 所示是用黑箱法描述钻井泵的总功能。由此可以看出，黑箱法是一种暂时忽略次要因素，首先集中考虑系统的输入和输出关系，寻求系统总功能的方法。在系统总貌了解清楚之后，再由总体到局部，逐步进行功能分析和功能协调的细化研究。,图3-3 用黑箱法描述系统功能,图3-4 用黑箱法描述钻井泵的总功能,3.2.3 功能分类,在各种设计对象中，有的可能只采用几种功能，有的则可能采用更多种功能。现在，可供机械设计采用的功能原理十分繁多。为了更

14、好地分析设计对象，确定功能的性质及其重要程度，寻求功能原理设计的求解思路，就必须对功能加以区别和分类。可以从不同的角度出发对功能进行分类，现分别介绍如下。一、按功能的重要程度分类按功能的重要程度，功能可分为基本功能和辅助功能。1基本功能 是指为达到设计目的，发挥设计对象的效用所必不可少的功能。它是设计对象赖以存在的条件，也是我们对设计对象进行分析、研究的基础。如果设计对象失去了基本功能，也就失去了对它继续研究的价值，失去了它存在的意义。基本功能不同，设计对象的用途也就不同。,3.2.3 功能分类,2辅助功能 是为了更好地实现基本功能而添加上去的功能。它的作用相对于基本功能来说是次要的、辅助性的

15、，但同时也是实现基本功能的手段。例如，手表的基本功能是显示时间，而防水、防震、防磁、夜光等则是手表的辅助功能。这些辅助功能相对于基本功能来说是次要的，但是它们有助于基本功能的实现，使手表在水、震、磁、黑暗的环境中也能准确地显示时间，实现基本功能。对于任何设计对象而言，其基本功能是不能改变的，而辅助功能则可由设计者添加或删减。所以，添加必要的辅助功能，有助于更完美地实现基本功能。基本功能是设计对象最重要的功能，也是用户最关心的功能。在产品设计中要牢牢把握住产品的基本功能，把主要力量集中到基本功能上。应注意的是，一个设计对象可以有一个基本功能，也可以有几个基本功能。例如万能铣床，既具有卧铣功能，同

16、时又具有立铣或其它铣削功能。因此，在设计中要正确理解产品的目的要求，以保证同时实现产品所应具有的基本功能。,3.2.3 功能分类,二、按功能的性质分类 按功能的性质功能可分为物质功能和精神功能。 物质功能是指设计对象的实际用途或使用价值，它是设计者和使用者最关心的。物质功能一般包括设计对象的适用性、可靠性、安全性、和维修性等。 精神功能则是指产品的外观造型及产品的物质功能本身所表现出来的审美、象征、教育等效果。 图3-6 所示为产品功能按性质的分类。,3.2.3 功能分类,图3-6 产品功能按性质分类,3.2.3 功能分类,设计对象的物质功能和精神功能是通过基本功能和辅助功能来实现的。不同的设

17、计对象，对物质功能和精神功能要求的程度是不同的。 例如，手表、家电、汽车等产品，不仅应具有物质功能，而且还应具有精神功能。因为，人们购买和使用这些产品，在获得相应的物质功能，满足使用的需要同时；也希望获得它的精神功能，满足精神审美的需要，即样式要美观别致、能体现自己的身份、能美化环境等等。这些与人们的生活密切相关的产品，其精神功能占有十分重要的地位，甚至有些产品的精神功能还会直接影响其物质功能的发挥。所以，在进行这类产品的设计时，不仅要满足用户的物质功能要求，还要根据不同产品的具体情况，切实考虑其精神功能的体现。 对于如农业机具、化工生产设备、工程机械等产品，其精神功能相对来说是次要的。在设计这类产品时，物质功能是考虑的主要问题，精神功能一般不予过多重视。,