功能原理设计的5种求解思路

机械设计学作业

—功能原理设计

问题：功能原理设计的几种求解思路是什么？查阅资料，各举一个本教材之外的实例说明之。

要求：图文并茂说明。

解答：

功能原理共有五种求解思路，它们分别是几何形体组合法、基本机构组合法、物—场分析法（s-Field法）、技术矛盾分析法、物理效应引入法。不同的求解思路用以解决不同的功能类型。功能的基本类型可分为“动作功能”和“工艺功能”，动作功能又可分为“简单动作功能”和“复杂动作功能”，而这两种基本功能可能同时又是“综合技术功能”和“关键技术功能”。下图表示了功能类型的分类情况。

其中，简单动作功能可用几何形体组合法构思，复杂动作功能用基本机构组合法进行构思，关键技术功能

运用技术矛盾分析法，综合技术功能用物理效应引入法构思，工艺功能用物—场分析法（s-Field法）构思。下面进行具体分析。

一、几何形体组合法

简单的动作功能是由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现互相动作或锁合动作。如果要创造一种新的简单动作功能，可以以几何形体组合法作为参考求解思路来进行构思。在运用几何形体组合法时，首先要明确“功能目标”，然后针对功能目标，对几个构件上的几何形体进行构思。

实例：螺纹

螺纹在工程中的应用非常广泛，生活中也处处离不开螺纹。利用两个构件螺纹形状的啮合，可实现各种功能。它的作用非常广泛，如联接、传动、密封等。联接功能的如螺母螺栓，传动功能的如螺杆，密封功能的如瓶盖。

螺母螺栓

螺杆

矿泉水瓶

二、基本机构组合法

复杂动作功能以采用常用基本机构为主，例如凸轮、多杆机构和齿轮等，组合起来实现复杂运动。其设计已有很成熟的理论和经验，所以即使这类功能原理要实现相当复杂的功能目标，但比起“简单动作功能”的设计要容易得多。“复杂动作功能”的设计求解思路是基本机构组合法。即将各种基本机构组合起来，实现发展动作功能。

实例：液体包装机

去年我们机械设计课程设计的液体包装机的功能就是

一个典型的复杂动作功能。为了实现液体包装这个功能，包装机中采用了齿轮、蜗轮蜗杆、凸轮、四杆机构和离合器等基本机构的组合。齿轮实现传动，凸轮实现热封，四杆机构实现送料等，组合起来才实现了液体包装。

液体包装机

三、物—场分析法（s-Field法）

工艺功能不仅要有动作，它与动作功能不同之处主要在于工作头对物体的作用。工艺类机器是对被加工对象实施某种加工工艺的装置，其中必有一个工作头，工作头和工作对象相互配合，实现的功能就叫“工艺功能”。工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。物—场分析法（s-Field法）可

以作为求解工艺功能很有效的思路。这个方法的基础是对“最小技术系统”的理解和分析：在任何一个最小技术系统中，至少有一个主体（S1）,一个客体（S2）和一个场（F），三者缺一不可。S1通过F作用于S2，其模型图如下所示：

F

S1 S2

实例：线切割

线切割的工作原理如下图所示。绕在运丝筒4上的电极丝1沿着运丝筒的回转方向以一定的速度移动，装在机床工作台上的工件3由工作台按预定控制轨迹相对与电极丝做成型运动。脉冲电源的一极接在工件上，另一极接电极丝。在工件与电极丝之间总是保持一定的放电间隙且喷洒工作液，电极之间的火花放电蚀出一定的缝隙，连续不断的脉冲放电就切出了所需形状和尺寸的工件。其中，电极丝为S1，工件为S2，电场就是F。

线切割

四、技术矛盾分析法

产品中的关键技术主要与材料、制造工艺和设计三个方面有关。关键技术的技术要求较高，解决方法往往也出奇制胜，由于特殊的工作条件或特殊的使用要求，用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或是别人目前尚难以实现的技术高度，关键技术能够解决。关键技术的求解思路是技术矛盾分析法。无论何种关键技术，往往都是在某种特殊条件的约束下难以实现的技术难点，其中期望达到的较高要求和约束条件，就形成一对技术矛盾。针对技术矛盾，设计者提出各种想法，以提出解决原理。这就是关键技术功能的原理解法的一般规律。技术矛盾分析法的作用并不是直接给出解法，而是帮助人们找出可能解决问题的途径。实例：穿针器

穿针器是一种新型实用的将线穿过针眼的机械。它由机体、顶线片、曲杆按键、拉簧构成。使用时将要穿的针放在机体的放针孔内。将线放在机体的放线槽内，用手按动曲杆按键，顶线片便带着线穿过针眼。该设计就是基于老年人或眼睛不好的人做针线活时穿针困难这个矛盾构思出来的。结构简单，使用方便，为个人或家庭提供了适用穿针工具。

穿针器

五、物理效应引入法

综合技术功能的特点是：在某些特定的条件下，采用广义物理效应，有可能实现比纯机械方法更好的动作或工艺功能。但综合技术功能并不强调全部代替纯机械功能，因为有许多场合的动作和工艺还是特别简单可靠的，没有必要用更复杂的广义物理效应去代替。

综合技术功能的求解思路是物理效应引入法。这里所指的物理效应是一种广义的概念。机构学本身包含了运动学、力学方面的各种物理效应，但除此之外，还有更多的物理效应（如热胀冷缩、电磁效应、光电效应、流体效应等）可以在求解中引入。

实例：气垫船

气垫船是利用高于大气压的空气在船底与支承表面间形成气垫，使全部或部分船体脱离支承表面而高速航行的船，有时也能在陆地上行驶。气垫船的设计在传统船只设计的基础上引入了气体流体效应，把压缩空气打入船底下可以减少航行阻力，提高航速，实现两栖登陆。

气垫船