机械系统设计_总体设计(一)

元件功能 元件功能
元件
元件
元件
元件
部件
……
部件
产品
自行车系统
输入
驱动 控制
支架 变速 转向 制动
车轮 转 动
输出
结构式功能系统图实例
中轴系统
中轴 左右脚蹬 链条 飞轮 滚珠
车架 车把 自 前叉 行 车座 车 车闸系统
衣货架
车轴
前后轮系统
自行车的结构与 结构式功能系统图
轴套
辐条
轮圈 内胎 外胎 滚珠
直至方案拟定。
对外界的影响 来自外界的影响
三、功能原理设计的设计方法—“黑箱法”
“黑箱法”---根据系统的输入、输出关系来研
究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的 某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中 寻找出某种物理效应或原理来实现输入—输出之 间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出 “黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰 箱”、“白箱”的一种方法。
思路要广阔，呈发散状。
功能原理设计
特点：
①由一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所 设计系统的工作原理发生根本变化。
②功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、 新工艺……，但首先要求设计人员有一种新想法、 新构思。
③功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。 创新的思维是发散的。
三、功能原理设计的设计方法—“黑箱法”
机械系统设计
功能原理 方案设计 阶段
产
品 设
结构总 体设计 阶段
计
技术设 计阶段
明确任务要求
功能分析
搜寻解法 方案综合
评价
决策 确定最佳原理解
功能面变形 构形 联接变形
材料变形
定材料、尺寸
评价
最佳结构总装配图 部件装配图 零件图
各种技术文件 试制
设计任务书 要求明细表
原理图
总装配图 零部件图样
技术ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ件
如硬币计数包卷机可分解为图中所示的的7个分 功能，各功能单元具有一定的独立性。
硬币机功能分解
1.硬币堆放、输送功能单元 2.硬币排列、分选、挑残功 能单元 3-硬币分选计数功能单元 4-硬币堆码、整理功能单元 5-送纸、撕纸功能单元 6-硬币包卷功能单元 7-卷边功能单元
功能分解
功能分解可表示为树状的功能结构，称为功能树。 功能树起于总功能，按分功能、二级分功能……分 解，末端为功能元。功能元是可以直接求解的系统 最小组成单元。
分功能1
二级分功能1 …….
总功能
二级分功能m
分功能n
功能树
家用缝纫机的功能分解
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。要用多个分功能才能综合实现其总功能，具体分解如 下：
四、功能元、功能结构
1.功能元
由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个 系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分 功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低更层次 的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能 单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。
固定足蹬 转变动力 传递力矩 单向传递力矩 减少摩擦
传递力矩
连接各部件、构成车体 控制方向 代 连接前轮 步 承载乘员 、 减低速度 载 承载货物 货
固定车轮
与轴配合
承受拉力 支撑车胎 保持气压 承受压力、摩擦 减少摩擦
承重、转动
二、功能原理设计及特点
功能原理设计:针对所设计产品的主要功能提出一 些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原 理性设计。
“黑箱法”是指只知道输入量和输出量而不知道其 内部结构的表述设计任务的一种模式。
“黑箱法”---暂时摒弃那些附加功能和非必要
功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能 用较为抽象的形式（如输入量和输出量）加以表 达。突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。
输入
待设计的技术系统 输出 （黑箱）
自行车系统
②“放大、缩小”功能元——是指各种能量、信号 向量（如力、速度）、物理量的放大和缩小及物 料性质的缩放（如压敏材料电阻随外压的变化 等）；
功能元是能直接从技术效应（如物理效应、化学效 应等）及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小 单位。
机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学 功能元和逻辑功能元。
（1）物理功能元
物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的 基本物理动作。
①“变换”功能元——包括各种类型能量之间的转 变、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的 转变及信号种类的转换等；
输入
黑箱
灰箱
白箱
输出
例：硬币计数包卷机
一台硬币计数包卷机，它 的功能是用来整理、清点、 计数，最后按一定的枚数 将硬币用纸包卷起来或装 入袋内。
用黑箱法描述的硬币 机的总功能。
硬币机功能分解
一般的机械执行系统都比较复杂，难以直接求得 满足总功能的原理解。如果利用系统工程分解的 原理，将总功能进行分解，则可化繁为简。
§2.1 机械系统的功能原理设计
一、功能的定义及其分类
1.定义：功能是系统必须实现的任务，或者说是系
统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。
2.分类：
基本功能
必要功能
功能
附加功能
非必要功能
功能与产品
产品是功能的实现形式，企业通过产品设计来满 足用户的需要。
整体功能
功能部件
……
功能部件
元件功能 元件功能
输入
驱动 控制
支架 变速 转向 制动
车轮 转 动
输出
输入
待设计的技术系统 输出 （黑箱）
黑箱法
把技术系统看成一个黑箱，其输入和输出用信息流 S、能量流E和物料流M来描述；输出用相应的S′、 E′、M′来描述。
通过“黑箱”与 输入、输出量及周 围环境的信息联系， 了解系统（产品） 的功能、特性，进 一步探索出系统的 机理和结构，逐步 使“黑箱”透亮，
机械系统总体设计
机械系统总体设计的内容：
1.机械系统功能原理设计; 2.总体布局（各子系统如动力系统、传动系统、 执行系统、操纵和控制系统等之间的相互关系）; 3. 主要技术参数（如尺寸参数、运动参数和动力 参数等）的确定; 4.技术经济分析等。
机械系统总体设计
§2.1 机械系统的功能原理设计 §2.2 结构总体设计
功能原理方案设计的任务：针对某一确定的功能要 求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求 得一些实现功能目标的解法原理； 或者说，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。
http://www.shuguang.net/xspd/xspd-zsdt/069.htm
二、功能原理设计及特点