机械设计学第二章

热 量
振 动
噪 声
毛坯 冷却剂 润滑剂 驱动能 信号能 金属切削机床
零件 耗损的冷却剂 耗损的润滑剂 切削
切削功率
自动开动
启动信号
灰 尘
环境的温 度、湿度
地基的 振动
机床黑箱示意图
二、功能元素和功能单元
1、 功能元素 从系统论的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，相 应的总功能也可以分为一些分功能。因此，有些学者提出， 将这些复杂动作分解为一些基本动作，把这些基本的动作 称为“功能元素”，也称功能元 转变复原、放大缩小、 物理功能元 传导绝缘、存贮提取
图3—7所示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3—8 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。
硬币计数包卷机外形图
3）供给和收回面线的功能 4）输送缝料的功能
2.辅助功能 （1）调节面线和底线的阻尼功能
（2）调节压脚压紧力的功能
（3）调节送布针距的功能
（4）绕底线功能
3.控制功能 （1）机械控制功能：每一功能动作必须按规定的时间和速度进 行，由传动机构的巧妙配合进行控制的。凸轮和连杆机构。 （2）人机控制功能 人机接口共4个：缝针工作区、手轮、机针前方布面、脚踏板
三、功能分析法
（一）、确定总功能 1.设计问题抽象化:从抽象到具体，从定性到定量是产品设计 的战略思想方法 （1）台钳功能表述对解法的影响
适 度 抽 象 化 功能表达 螺旋加压 机械加压 形成压力 解法 螺旋丝杠 偏心机构… 气动、液压机构…
(2)砸开核桃壳取出果仁的功能描述
功能 分析
解法构思
砸壳
§3-1功能原理设计的工作特点和工 作内容
一、工作特点 1．功能原理设计往往使用一种新的物理效 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、工艺），首先要求设计人员有一 种新的想法和构思。 3．功能原理设计使机器品质发生质的变化。
第二章 机器的组成及典型机器分 析
§2-1机器的定义 §2-2机器的组成 §2-3机器的分类 §2-4典型机器功能分析—家用缝纫机
一、机器（现代机器）：
机器是由两个或两个以上的相互联系配合的构件所组成的联合体， 通过其中某些构件限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，以执 行人们预期的工作，在人或其他智能体的操作和控制下，实现为之设计 的某种或某几种功能。 注意：1）两个或两个以上的构件 2）联系：联接方式 3）功能和控制
§2-3机器的分类
工艺类机器
加工机床 食品机械 纺织机械 印刷机械 …
机 器 非工艺类机器
动力机械 起重运输机械
精密机械 医疗机械 通用机械
…
§2-4典型机器的功能分析(家用缝纫 机)
企图模仿人工缝纫的方式-针尾引线 1.采用了针尖引线代替针尾引线 2.采用了双线互锁交织以代替线的反复穿刺
连接分离…
总功能—分功能—功能元
数学功能元：加和减等 逻辑功能元：与、或、非
2.功能单元 功能元划分过细，在机械实践中并不很有效，尚 有待进一步的研究。 另外一种分解方式：只是分解到 功能单元的水平上，这样的功能单元是既有一定的独立 性，又有一定复杂程度的技术单元。 例：硬币计数包卷机的功能单元：1）硬币堆放、输送2） 硬币排列、分选、挑残3）硬币分选计数4）硬币堆码、 整理5）送纸、撕纸6）硬币包卷7）卷边
工作机
控制器
电子装置
二、不同角度下看机器的组成
1．机构学：由各种基本机构组合而成， 自由度应等于原动机数 2．结构学：由各种基本零件组装而成 3．专业的角度：常以主要部件来看机器 的组成 4. 对于机械设计学来说，更强调从功能 的观点来看机器的组成
三、从功能的观点看机器的组成
1.功能：设计学的基本概念。只有从功能的观点 来观察和认识机器，人们的思维才能从旧的结构 和形式中解放出来,拥有不断探索新原理、新结 构的广阔视野。 2.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系统（载体）。分 功能系统应由原动机，传动机构、工作机和控制 器等组成；其中的工作机则多由执行机构和工作 头构成。如图所示
一、家用缝纫机的总功能 1.将线按一定规律缝于缝料上 2.特点： 1）机缝线迹整齐美观，缝合牢固，缝纫迅速。
2）由于缝纫质量的要求，实现总功能的各机构间的运动配 合要求精度很高，因此，家用缝纫机属于精密的工艺类机器。
二、家用缝纫机的功能分析 1.主要分功能
1）引面线造环功能
2）钩面线扩环，使底面线交织的功能
黑箱法
功能逐级分解
创造性方法、目录 法、调查分析法
形态学矩阵法 各种评价方法
§3-2功能、功能单元和功能结构
一、功能的含义 1．传统的定义 功能：是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述， 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。 注意：区分这样的几个概念（功用、用途、性能、能力） 例： 功用——作原动机 电动机 用途——驱动电扇、机床 性能——效率、耐用性、振动 能力——功率、转速 功能——将电能转变为旋转运动的动能
洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来 。
2．从系统工程学的角度来看功能的含义 在系统工程学上，我们用“黑箱”来描述功能 黑箱：只是描述了系统的功能目标，而内部结构是未 知的 白箱：内部结构完全已知 灰箱：内部结构部分已知 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：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 ' 、E '来描述。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
硬币计数包卷机功能分解图
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。
我们根据所学过的传递函数的定义，可以得出系统工程学 对功能的定义：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
信息S 能量E 技 术 系 统
S' E'
信息流S料M
M'
注意：1）功能抽象的描述机械产品输入量和输出量之间的因 果关系 2）黑箱只是描述了从系统外部观察到的功能特点，而内部结 构是需要设计师去进行具体构思和设计的。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。
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。

例：实验力学检测技术 1应变电测与传感器技术 2超声波检测技术 3各种光测方法
2．主要工作内容：构思能实现功能目标的新的解法原 理 3．功能原理方案设计步骤：
分 析 设计任务 求总功能 总功能分解 综 合 寻求子功能解 原理解组合 决评 策价 与 评价与决策 最佳原理方案
二、包含了两个新的概念： 功能（设计学的核心）和控制（可以由某种智能体来实现） 三、构件（广义）： 构件之间的联系（机械联接，电、磁、气、液等各种联系方式）
构件：机器中每一个独立的单元体
§2-2机器的组成
一、传统
原动机 科技发展 机器 传动机 机器 工作机
机械装置
原动机
传动机
第三章绪论
1.功能原理设计：针对 主要功能的原理性设计 2.例：点钞机(首先构思将 钞票逐张分离的工作原理。) 3.重点：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。
设计一台点 钞机： 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
3、作用：功能原理设计是对产品的成败起 决定性作用的工作。 4、任何一种机器的更新换代都存在三个途 径: 一是改革工作原理； 二是通过改进工艺、结构和材料提高技术 性能； 三是加强辅助功能使其更适应使用者的心 理。
（例：车床的辅助功能：主轴变速、进给变速、 润滑、冷却功能、控制）
§2-3机器的分类
按功能来进行分类，可分为：工艺类机械和非工艺类机械两 大类。 1、对物料进行工艺性加工的机械属于工艺类机械，这类机 械具有专用的工作头，如轧钢机的轧辊、孔型，切削机床的 刀具，电锯的锯条等．并用工作头对相应的物料进行工艺性 加工。工艺类的机械包括：金属冷加工设备、金属热加工设 备、矿石破碎机械、矿石粉磨机械、食品机械、橡胶机械， 木工机械等。 2、非工艺类机械则不对任何物料进行工艺性加工，只是实 现某种需求的功能。非工艺类机械包括：交通运输机械、物 料搬运机械、动力机械，各类阀门、泵、压力容器等。
机器的组成（功能角度）图解
工作头 分功能系统1 …. 工作机 传动机 原动机 控制机 执行机构
机器 （总 功能）
分功能系统i …. 分功能系统n
三、从功能的观点看机器的组成
（例：车床的总功能：利用移动刀具对旋转工件 进行切削。两个主要分功能：工件旋转、刀具进 给） 3.机器的功能（主要功能和辅助功能）
适 度 抽 象 化 分离 壳与 桃仁
外 部 加 压
侧 向 思 维
砸：利用重力 夹：杠杆作用（核桃夹子） 压：螺旋压力机 冲击：水力冲压 射击：把核桃作为“枪弹”射向硬靶
逆 向 思 维
使壳变脆：让壳变脆易碎 把壳溶解：溶解壳而不溶解桃仁
钻孔：向壳内充气撑破外壳 整体加压：外压骤减，内压撑破外壳（专利发 明）
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。 当然，在实践中，每一个功能原理设计不一 定都能体现上述三个特点，而能体现这三个 特点的，则应该是高品位的功能原理设计。
二、任务和主要内容
1．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 标的解法原理。 解释：1）功能目标：最后要达到的功能 2）物理效应：摩擦、离心力、气吹、液化、压 电变形等 3） 作用原理：摩擦轮、气嘴、压电晶体等 4） 解法原理：物理效应+作用原理 例：喷墨打印技术
（3）电子控制功能：实现绣花和锁扣眼
第三章机械产品的功能原理设计
§3-1功能原理设计的工作特点和工作内容 §3-2功能、功能单元和功能结构 §3-3功能原理的发展历史及其基本类型 §3-4两种动作功能及其对应的求解思路 §3-5工艺功能及其对应的求解思路 §3-6关键技术功能、综合技术功能及其对应的求 解思路