第3章 机设学-机械产品的功能原理设计概要

功能的黑箱描述方法：
信息S 能量E 技术系统 信息流S （进行能量流E的转换） E' S'
物料流M 物料M
M'
注意：
1）功能抽象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 结构需要设计师去进行具体构思和设计。
硬币计数包卷机总功能的黑箱描述（黑箱法）
指令 S
S‘ 显示
～220V E
币堆、卷 币纸 M
硬币计数包卷机
E'
M ‘ 币卷、 币袋
噪声、发热
残币
机床总功能的黑箱描 述（黑箱法）：
毛坯
冷却剂 润滑剂
热 量
振 动
噪 声
零件 耗损的冷却剂 耗损的润滑剂 金属切削机床
驱动能 信号能 启动信号
切削
切削功率 自动开动
灰 尘
环境的温 度、湿度
地基的 振动
黑箱法描述机床示意图
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。 12对典型的基本动作（可构成任何技术系统复杂的总功能） 放出-吸收 传导-绝缘 集合-扩散 引导-阻碍 转变-恢复 放大-缩小 变向-定向 调整-激励 联结-开断 结合-分离 结合-拆开 储存-取出
例： 功用——作原动机 用途——驱动电扇、机床 性能——效率、耐用性、振动 能力——功率、转速
电动机
功能——将电能转变为旋转运动的动能
在系统工程学上，我们用“黑箱”-BLACK BOX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。 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。 系统工程观点的定义：功能就是一个技术系统在以实 现某种任务为目标时，其输入/输出量之间的相互转换 关系。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-5 §3-6 §3-7 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能、功能单元和功能结构 功能原理的发展历史及其基本类型 两种动作功能及其对应的求解思路 工艺功能及其对应的求解思路 关键技术功能、综合技术功能及其求解思路 功能原理设计的工作要点
方案A:加热汽化喷墨
功能目标：将墨水滴喷射 到纸上。 物理效应：液体高温气化 膨胀导致墨水喷射。 作用原理：电热元件+半 封闭的墨水储存腔。
Байду номын сангаас
方案B:压电喷墨
功能目标：将墨水滴喷 射到纸上。 物理效应：挤压墨水腔 导致墨水喷射。 作用原理：压电元件+ 半封闭的墨水储存腔。
2．主要工作内容：构思能实现功能目标的新解法原理
功能原理设计：机械产品设计的 最初环节是先要针对该产品的主 要功能提出一些原理性的构思。 这种针对主要功能的原理性设计， 称为“功能原理设计”。 重点：提出创新构思，对具体 结构、材料及制造工艺则不一定 有成熟的考虑。
§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。
一个系统的总功能可以逐步分解为很多分功能，如硬币计数 包卷机总功能分解图：
硬币计数包卷机
计数
包卷
堆放、输送
分选排列 硬币计数包卷机的功能分解图
分选计数
功能分解图：不能充分表达各分功能之间相互配合关系
功能结构图：
建立功能结构图（表示分功能关系的图）的要求 （1）体现功能元或分功能之间的顺序关系 （2）各分功能或功能元的划分及其排列要有一定的理论 依据（物理作用原理）或经验支持（以确保分功能或功能元 有明确解答） （3）不能漏掉必要的分功能或功能元 （4）尽可能简单明了，但要便于实体解答方案的求取 在分析功能关系和逻辑关系时，首先考虑主要功能和主 要流，初步建立功能结构图，然后，再解决辅助功能和次要 流，逐渐完善系统的功能结构图。
市场调查、需求发现、任务确定、用 户调查、功能澄清、目标建立 信息收集、资料研究、多想联想、创 新构思、思维实验、模型实验 明确功能目标
酝酿解法原理
弱点发现、问题剖析、改错修正、完 善提高 建立准则、评价比较、权衡利弊、去 劣存优
改进解法原理
选出满意解
§3-2功能、功能单元和功能结构
一、功能的含义 1960’S 以来，人们开始意识到设计的最主要的工作并不只是 选用某种机构或设计某种结构，更重要的是要进行工作原理的构 想，核心问题就是“功能” 。 定义：所谓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）
总功能—>分功能—>功能元
2.功能单元 功能元划分过细，在 机械设计中并不很有效， 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。
硬币分选技术视频：
机械式硬币分离技术装置
三、功能结构和功能系统分析
满足以上三点的功能原理设计是一个高品位的功能原理设计
思考：以计时为例，列出可达到计时作用的计时产品的功能原理设计 方案。（每个人列出不少于3种计时方案）
微波表、原子钟…….
二、功能原理设计的任务和主要内容
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。（以喷墨打印机为例） 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、热胀冷缩、光电效应等 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