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1、机械系机械系统设计产产品品设设计计明确义务要求明确义务要求功能分析功能分析搜索解法搜索解法方案综合方案综合决策决策 确定最正确原了解确定最正确原了解功能面变形功能面变形构形构形联接变形联接变形资料变形资料变形定资料、尺寸定资料、尺寸最正确构造总装配图最正确构造总装配图部件装配图部件装配图零件图零件图设计义务书设计义务书要求明细表要求明细表评价评价评价评价试试 制制各种技术文件各种技术文件原理图原理图总装配图总装配图零部件图样零部件图样技术文件技术文件功能原理功能原理方案设计方案设计阶阶段段构造总构造总体设计体设计阶段阶段技术设技术设计阶段计阶段 机械系统总体设计机械系统总体设计 机械系机械系统
2、总体体设计的内容：的内容：1.机械系机械系统功能原理功能原理设计;2.总体体规划各子系划各子系统如如动力系力系统、传动系系统、执行系行系统、支配和控制系、支配和控制系统等之等之间的相互关系的相互关系;3.主要技主要技术参数如尺寸参数、运参数如尺寸参数、运动参参数和数和动力参数等确力参数等确实定定;4.技技术经济分析等。分析等。 机械系统总体设计机械系统总体设计p2.1机械系机械系统统的功能原理的功能原理设计设计p2.2构造构造总总体体设计设计2.1 机械系机械系统统的功能原理的功能原理设计设计一、功能的定一、功能的定义及其分及其分类1.定定义：功能是系：功能是系统必需必需实现的的义务，或者，或
3、者说是系是系统具有具有转化能量、运化能量、运动或其他物理量或其他物理量的特性。的特性。2.分分类：功能功能附加功能附加功能必要功能必要功能非必要功能非必要功能根本功能根本功能功能与产品功能与产品p产品是功能的品是功能的实现方式，企方式，企业经过产品品设计来来满足用足用户的需求。的需求。整体功能整体功能功能部件功能部件元件功能元件功能元件功能元件功能元件元件元件元件部件部件产品产品功能部件功能部件元件功能元件功能元件功能元件功能元件元件元件元件部件部件自行自行车系系统输入输入输出输出支架支架驱动驱动变速变速控制控制转向转向制动制动车轮车轮转转动动构造式功能系统图实例构造式功能系统图实例自行车中轴
4、系统中轴左右脚蹬链条飞轮滚珠车架车把前叉车座车闸系统衣 货 架车轴轴套辐条轮圈内胎前后轮系统外胎滚珠代步、载货传送力矩固定足蹬转变动力传送力矩单向传送力矩减少摩擦衔接各部件、构成车体控制方向衔接前轮承载乘员减低速度承载货物固定车轮与轴配合接受拉力支撑车胎坚持气压承重、转动接受压力、摩擦减少摩擦自行车的构造与自行车的构造与构造式功能系统图构造式功能系统图二、功能原理设计及特点二、功能原理设计及特点p功能原理功能原理设计:针对所所设计产品的主要功能提出一品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能品的主要功能进展原展原理性理性设计。p功能原理方案功能原理方案设计的的
5、义务：针对某一确定的功能要某一确定的功能要求，去求，去寻求一些物理效求一些物理效应并借助某些作用原理来求并借助某些作用原理来求得一些得一些实现功能目的的解法原理；功能目的的解法原理；p或者或者说，功能原理，功能原理设计的主要任的主要任务内容是：内容是：构思能构思能实现功能目的的新的解法原理。功能目的的新的解法原理。二、功能原理设计及特点二、功能原理设计及特点p思思绪要要宽广，呈广，呈发散状。散状。shuguang/xspd/xspd-zsdt/069.htm功能原理设计p特点：特点：p由一种新的物理效由一种新的物理效应来替代旧的物来替代旧的物理效理效应，使所，使所设计系系统的任的任务原理原理发
6、生根本生根本变化。化。p功能原理功能原理设计中往往要引入某种新中往往要引入某种新技技术、新、新资料、新工料、新工艺，但首先，但首先要求要求设计人人员有一种新想法、新构思。有一种新想法、新构思。p功能原理功能原理设计使所使所设计的系的系统发生生质的的变化。化。p创新的思想是新的思想是发散的。散的。三、功能原理三、功能原理设计的的设计方法方法“黑箱法黑箱法p“黑箱法黑箱法-暂时摒弃那些附加功能和非必摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和根本功能，并将要功能，突出必要功能和根本功能，并将这些功能用些功能用较为笼统的方式如的方式如输入量和入量和输出量加以表达。突出出量加以表达。突出设计中的主要矛
7、中的主要矛盾，抓住盾，抓住问题的本的本质。待待设计设计的技的技术术系系统统黑箱黑箱输输入入输输出出p“黑箱法是指只知道黑箱法是指只知道输入量和入量和输出量而不知道其出量而不知道其内部构造的表述内部构造的表述设计义务的一种方式。的一种方式。自行自行车系系统输入输入输出输出支架支架驱动驱动变速变速控制控制转向转向制动制动车轮车轮转转动动待待设计设计的技的技术术系系统统黑箱黑箱输输入入输输出出黑箱法黑箱法 p把技把技术系系统看成一个黑箱，其看成一个黑箱，其输入和入和输出用信息流出用信息流S S、能量流、能量流E E和物料流和物料流M M来描画；来描画；输出用相出用相应的的SS、EE、MM来描画。来描
8、画。来自外界的影响来自外界的影响对外界的影响对外界的影响p经过“黑箱与黑箱与输入、入、输出量及周出量及周围环境的信息境的信息联络，了解系了解系统产品品的功能、特性，的功能、特性，进一步探求出系一步探求出系统的的机理和构造，逐机理和构造，逐渐使使“黑箱透亮，直黑箱透亮，直至方案至方案拟定。定。 三、功能原理三、功能原理设计的的设计方法方法“黑箱法黑箱法p“黑箱法黑箱法-根据系根据系统的的输入、入、输出关系来研出关系来研讨实现系系统功能目的的一种方法，即根据系功能目的的一种方法，即根据系统的某种的某种输入及要求入及要求获得某种得某种输出的功能要求，从中出的功能要求，从中寻觅出某种物理效出某种物理效
9、应或原理来或原理来实现输入入输出之出之间的的转换，得到相，得到相应的的处理方法，从而推求出理方法，从而推求出“黑箱黑箱的功能构造，使的功能构造，使“黑箱逐黑箱逐渐变成成“灰箱、灰箱、“白箱白箱的一种方法。的一种方法。黑箱黑箱白箱白箱灰箱灰箱输入入输出出例：硬币计数包卷机例：硬币计数包卷机 p一台硬一台硬币计数包卷机，它数包卷机，它的功能是用来整理、清点、的功能是用来整理、清点、计数，最后按一定的枚数数，最后按一定的枚数将硬将硬币用用纸包卷起来或装包卷起来或装入袋内。入袋内。p用黑箱法描画的硬用黑箱法描画的硬币机的机的总功能。功能。硬币机功能分解硬币机功能分解p普通的机械执行系统都比较复杂，难以
10、直接求得普通的机械执行系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的原了解。假设利用系统工程分解的满足总功能的原了解。假设利用系统工程分解的原理，将总功能进展分解，那么可化繁为简。原理，将总功能进展分解，那么可化繁为简。p如硬币计数包卷机可分解为图中所示的的如硬币计数包卷机可分解为图中所示的的7 7个分个分功能，各功能单元具有一定的独立性。功能，各功能单元具有一定的独立性。 硬币机功能分解硬币机功能分解1.硬硬币堆放、保送功能堆放、保送功能单元元2.硬硬币陈列、分列、分选、挑残功、挑残功能能单元元3-硬硬币分分选计数功能数功能单元元4-硬硬币堆堆码、整理功能、整理功能单元元5-送送纸、撕、撕纸功能功
11、能单元元6-硬硬币包卷功能包卷功能单元元7-卷卷边功能功能单元元功能分解功能分解p功能分解可表示功能分解可表示为树状的功能构造，称状的功能构造，称为功能功能树。功能功能树起于起于总功能，按分功能、二功能，按分功能、二级分功能分功能分分解，末端解，末端为功能元。功能元是可以直接求解的系功能元。功能元是可以直接求解的系统最小最小组成成单元。元。总功能总功能分功能分功能1分功能分功能n二二级分功能分功能1二二级分功能分功能m功能功能树.家用缝纫机的功能分解家用缝纫机的功能分解p如家用缝纫机的功能分解：家用缝纫机的总功能是缝制衣如家用缝纫机的功能分解：家用缝纫机的总功能是缝制衣物。要用多个分功能才干综
12、合实现其总功能，详细分解如物。要用多个分功能才干综合实现其总功能，详细分解如下：下：1.1.功能元功能元由于一个系由于一个系统可以分解成一些子系可以分解成一些子系统，所，所以，一个系以，一个系统的的总功能也能分解功能也能分解为一些一些分功能；假分功能；假设有些分功能有些分功能还太复太复杂，那，那么么还可以可以进一步分解到更低更一步分解到更低更层次的分次的分功能，直到分解到最后不能再分解的根功能，直到分解到最后不能再分解的根本功能本功能单位位为止，止，这个根本功能个根本功能单位就位就叫功能元。叫功能元。功能元是能直接从技功能元是能直接从技术效效应如物理效如物理效应、化学效化学效应等及等及逻辑关系
13、中找到可以关系中找到可以满足功能要求的最小足功能要求的最小单位。位。机械机械设计中常用的根本功能元有物理功能中常用的根本功能元有物理功能元、数学功能元和元、数学功能元和逻辑功能元。功能元。 四、功能元、功能构造四、功能元、功能构造 1物理功能元物理功能元物理功能元反映系物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的中能量流、物料流及信息流的根本物理根本物理动作。作。“变换功能元功能元包括各种包括各种类型能量之型能量之间的的转变、运运动方式的方式的转变、资料性料性质的的转变、物、物态的的转变及信号种及信号种类的的转换等；等；“放大、减少功能元放大、减少功能元是指各种能量、信号向是指各种能量、信号向
14、量如力、速度、物理量的放大和减少及物料量如力、速度、物理量的放大和减少及物料性性质的的缩放如放如压敏敏资料料电阻随外阻随外压的的变化等；化等；1物理功能元物理功能元物理功能元反映系物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的根中能量流、物料流及信息流的根本物理本物理动作。作。“合并、分合并、分别功能元功能元是指包括能量流、物料是指包括能量流、物料流及同一性流及同一性质或不同性或不同性质的信息流在数量上的的信息流在数量上的结合或分合或分别；“传导、绝缘功能元功能元是反映能量流、物料流、是反映能量流、物料流、信息流的位置信息流的位置变化的。化的。“储存功能元存功能元是表达三大流在一定是表达三大流在
15、一定时间范范围内保管的功能，如内保管的功能，如弹簧、簧、电池、池、录音音带、光、光盘等等的的储存。存。1物理功能元物理功能元2 2数学功能元数学功能元主要用于机械系主要用于机械系统中有一些与数学的加、减、乘、除中有一些与数学的加、减、乘、除等有关的功能要求，如差等有关的功能要求，如差动轮系、求系、求积仪、机械式、机械式计算机等。算机等。3 3逻辑功能元逻辑功能元主要用于信息及控制系主要用于信息及控制系统中，根本的中，根本的逻辑功能元有功能元有“与、与、“或、或、“非元。非元。 2.功能构造功能构造将将总功能分解成分功能，并相功能分解成分功能，并相应找出找出实现各分功能各分功能的原理方案，从而的
16、原理方案，从而简化了化了实现总功能的原理构思。功能的原理构思。反之，同一反之，同一层次的功能次的功能单位位组合起来，合起来，应能能满足上足上层功能的要求，最后功能的要求，最后组合成的整体合成的整体应能能满足足总功能功能要求。要求。这种功能的分解和种功能的分解和组合关系称合关系称为功能构造。功能构造。串串联构造构造又称又称链式构造，它表示各分功能之式构造，它表示各分功能之间是按是按顺序依次序依次进展的。展的。并并联构造构造其几个分功能其几个分功能处于并于并联关系，几个分关系，几个分功能同功能同时起作用才干起作用才干实现预期的功能。期的功能。循循环构造构造又称又称环状构造，起反响作用。状构造，起反
17、响作用。F1F2F3F2F3F1F1F2F3在建立功能构造图时应留意：在建立功能构造图时应留意：建立系建立系统功能构造功能构造图的方法有两种：的方法有两种：一是从一是从总功能出功能出发来来层层分解；分解；二是先建立二是先建立输入、入、输出两端的分功能，再根据出两端的分功能，再根据总功能要求将两端功能要求将两端联接起来；接起来；建立功能构造建立功能构造图时，应首首选所列的根本功能元；所列的根本功能元；功能构造功能构造图应尽能尽能够简单，能找到相，能找到相应的技的技术效效应时就不要再就不要再继续分解下去了；分解下去了；要把原理方案构思同功能构造要把原理方案构思同功能构造图的建立的建立结合起来。合起
18、来。3.建立功能构造图的流程建立功能构造图的流程技术过程构造技术过程构造确定系统的总功能确定系统的总功能划分分功能及功能元功能分解划分分功能及功能元功能分解建立功能构造图建立功能构造图功能构造图评选功能构造图评选最优功能构造图最优功能构造图资料拉伸实验机的功能构造图资料拉伸实验机的功能构造图力力力力变变形形形形丈丈丈丈量量量量试件夹持和松开试件夹持和松开夹头挪动夹头挪动信号获取信号获取信号放大信号放大力显示力显示信号获取信号获取信号放大信号放大变形显示变形显示开机开机停机停机自动停机自动停机试件拉伸试件拉伸力丈量力丈量变形丈量变形丈量动作控制动作控制五、功能元分功能求解五、功能元分功能求解功能
19、元求解功能元求解是是寻觅或或发明明实现总功能或分功能的功能或分功能的载体，完体，完胜利能元要求的运利能元要求的运动目的。目的。功能元的求解方法主要有：功能元的求解方法主要有：参考有关参考有关资料、料、专刊或刊或产品求解法；品求解法；利用各种利用各种发明性方法以开明性方法以开阔思想去思想去讨论求解法；求解法；利用利用设计目目录求解法。求解法。 设计设计目目目目录录是把是把是把是把实现实现某种功能元的各种原理和构某种功能元的各种原理和构某种功能元的各种原理和构某种功能元的各种原理和构造造造造综综合在一同的一种表格或分合在一同的一种表格或分合在一同的一种表格或分合在一同的一种表格或分类资类资料。料。
20、料。料。六、系统原理方案的综合六、系统原理方案的综合把各种功能元的部分解合理地予以把各种功能元的部分解合理地予以组合，就可以得合，就可以得到一个系到一个系统的多个原了解。的多个原了解。组合的方法可以采用形合的方法可以采用形状矩状矩阵法。法。形状矩形状矩阵法是把系法是把系统功能元和其所功能元和其所对应的各个解分的各个解分别作作为纵、横坐、横坐标，列出，列出“功能求解矩功能求解矩阵，然后从，然后从每个功能元中取出一个每个功能元中取出一个对应解解进展有机展有机组合，以构合，以构成一个系成一个系统解的方法。解的方法。1. 形状矩阵的组成 形状学矩形状学矩阵是表达方案是表达方案综合的一种合的一种较为明晰
21、的方式。明晰的方式。 由每个分功能解中挑由每个分功能解中挑选一个解，一个解，经过组合可以构成一合可以构成一个包括全部分功能的整体方案。个包括全部分功能的整体方案。实际上，可以上，可以组成整成整体方案的数量，体方案的数量，为各行解法个数的各行解法个数的连乘乘积。 形态学矩阵形态学矩阵分功能分功能可能的解法可能的解法1 12 23 3ijkA AA1A2A3A iB BB1B2B3B j N NN1N2N3Nk六、系统原理方案的综合六、系统原理方案的综合把各种功能元的部分解合理地予以把各种功能元的部分解合理地予以组合，就可以得到一个系合，就可以得到一个系统的多个原了解。的多个原了解。组合的方法可以
22、采用形状矩合的方法可以采用形状矩阵法。法。形状矩形状矩阵法是把系法是把系统功能元和其所功能元和其所对应的各个解分的各个解分别作作为纵、横坐横坐标，列出，列出“功能求解矩功能求解矩阵，然后从每个功能元中取出，然后从每个功能元中取出一个一个对应解解进展有机展有机组合，以构成一个系合，以构成一个系统解的方法。解的方法。1、相容性矩、相容性矩阵为了便于了便于检验和了解有和了解有联络的分功能功能元之的分功能功能元之间的相容的相容性，可以列出相容性矩性，可以列出相容性矩阵。2、选择表表对于复于复杂的的问题，从模幅箱中挑，从模幅箱中挑选有价有价值的的组合方案，可合方案，可以采用以采用选择表。表。2.2.形状
23、学矩形状学矩阵的要点的要点 尽能尽能够多列分功能解法。多列分功能解法。对复复杂机械，先建立各机械，先建立各分功能的形状学矩分功能的形状学矩阵，分，分别思索部分方案，再思索部分方案，再综合合为总体方案。体方案。 相容性。分功能解法之相容性。分功能解法之间必需相容，否那么不能必需相容，否那么不能组合。合。审核其物理学原理上的相容性和核其物理学原理上的相容性和动力性能的力性能的匹配性。匹配性。 舍弃明舍弃明显不合理的解法。不合理的解法。检验其技其技术的可行性、的可行性、经济性、运性、运动性能和尺寸的适宜性等方面。不性能和尺寸的适宜性等方面。不满足足设计要求和要求和约束条件的束条件的应舍弃，例：本舍弃
24、，例：本钱偏高、效偏高、效率低、率低、污染染严重、不平安、加工困重、不平安、加工困难。 优先先选用主要分功能的用主要分功能的较好解法。由好解法。由该解法出解法出发，选择与它相容的其它分功能解法。与它相容的其它分功能解法。 特特别留意防止按旧框框留意防止按旧框框设计。要。要处置好承置好承继与与创新的矛盾。新的矛盾。 3.发掘机的方案设计1明确明确义务要求要求2功能分析功能分析确定确定总功能：功能：发掘机的掘机的总功能功能为物料取移。物料取移。发掘机发掘机能量力、速度能量力、速度物料装车物料装车信号信号能量驱动能量驱动物料待装物料待装信号信号发掘机发掘机总功能分解：功能分解：3.发掘机的方案设计3
25、各功能元解及形状学矩各功能元解及形状学矩阵挖掘机的形态学矩阵挖掘机的形态学矩阵 分功能分功能可能的解法可能的解法1 12 23 34 45 56 6A(A(动力源动力源) )电动机电动机汽油机汽油机柴油机柴油机蒸汽透平蒸汽透平液动机液动机气动马达气动马达B(B(移位传动移位传动) ) 齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动 带传动带传动链传动链传动液力耦合器液力耦合器C(C(移位移位) )轨道及车轮轨道及车轮轮轮 胎胎履履 带带气气 垫垫D(D(取物传动取物传动) ) 拉扦拉扦绳传动绳传动气缸传动气缸传动 液压缸传动液压缸传动E(E(取放物取放物) ) 挖斗挖斗 抓斗抓斗钳式斗钳式斗发掘机的方案设计
26、发掘机的方案设计4方案方案组合合能能够组合的方案数合的方案数N=65443=1440不同的不同的组合相容性矩合相容性矩阵与与选择表可以得到不同的表可以得到不同的方案如：方案如：A3-B4-C3-D2-E1履履带式式发掘机掘机A5-B5-C2-D4-E2液液压轮胎式胎式发掘机掘机发掘机的方案设计发掘机的方案设计经过形状学矩形状学矩阵虽然可以得到然可以得到许多方案，但不是一切的多方案，但不是一切的方案都具有方案都具有实践意践意义，也不是一切的功能元解都能相互匹配，也不是一切的功能元解都能相互匹配和和顺应。因此，。因此，应首先根据不相容性和首先根据不相容性和设计边境条件的限制境条件的限制删去不可行方
27、案和明去不可行方案和明显不理想的方案，不理想的方案，选择较好的几个方案，好的几个方案，然后然后经过综合合评价的方法价的方法进展比展比较、优化，最后求得最正确化，最后求得最正确方案。方案。方法：方法：相容性矩相容性矩阵选择表表4.功能原理设计的步骤功能原理设计的步骤第一步：明确第一步：明确设计要求要求第二步：功能分析第二步：功能分析总功能：建立黑箱模型功能：建立黑箱模型总功能分解功能分解第三步：功能元求解第三步：功能元求解第四步：功能元解的第四步：功能元解的组合合第五步：第五步：评价与决策价与决策:评价表价表总功能总功能功能元解功能元解功能原理方案功能原理方案最正确功能原理方案最正确功能原理方案明确义务明确义务黑箱法黑箱法功能树功能树发明法发明法形状学矩阵形状学矩阵评价法评价法功能元功能元习题与思索习题与思索 作业作业P59P59：2 2、3 3、4 4；
