机械设计学_第三章_机械产品的功能原理设计
机械产品的功能原理设计
通过调查分析，明确以下几点功能目标 功能目标： 功能目标 1、 装设导向系统——费用低； 2、 允许扩充和调整设备，变动运输路线； 3、 运行灵活(环境拥挤) 针对上述功能目标，提出了一些原理性设想→解法原理：
1、 惯性导航技术，预置程序 预设参考点→ 理论轨迹 轨迹修正
第四节 两种动作功能及其对应的求解思路
一、简单动作功能 二、复杂动作功能
第五节 工艺功能设计及其对应的求解思路
一、工艺类机器 二、工艺功能设计的任务 三、工艺功能设计的特点 四、工艺功能设计的方法 构建物-场模型一般遵循以下四个步骤 五、构建物 场模型一般遵循以下四个步骤
第六节 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路
第五节 工艺功能设计及其对应的求解思路
一、工艺类机器：对被加工对象(某种物料)实施某种加工工艺的装置。由工作头完成对工作对 工艺类机器：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ象的加工处理。简单来理解，就是指加工设备。
二、工艺功能设计的任务 三、工艺功能设计的特点 四、工艺功能设计的方法
1、采用哪种工艺方法； 2、工作头采用什么形状和动作。
第三章 机械产品的功能原理设计
功能原理设计：针对主要功能的原理性设计 功能原理设计 重点在于提出创新构思
创新 ，获得较多解法供比较选优。 有市场竞争潜力
改革工作原理 机器更新换代的三个途径 改进工艺、结构、材料以提高技术性能 加强辅助功能
其中改革工作原理是最难的，一般需要有些新技术突破才行 机械表 (机械钟最早的机械钟是何人、何时在何地制造的已无从考证了。有记录的最古老的机械钟十三世纪出 现在欧洲的修道院之中。当时的机械钟不能显示时间，靠看钟人每小时敲钟来报时。1335年公共时钟 的出现，使机械钟第一次进入人们的日常生活。原理：最早的机械表是利用重锤工作的，非常笨重； 后来的机械钟是利用螺旋弹簧和发条装置工作的；现在的机械表是普遍使用游丝。是惠更斯在螺旋弹 簧的基础上研究出来的)； 机电结合的石英电子表 (1969年日本的精工公司,原理：利用石英晶体在加电源后，水晶便会以32768赫兹的周波数振动)。 液晶显示的纯电子表 (1973年，日本的精工制造公司开发出世界上第一块电子表。其原理是利用石英晶片的压电效应。在石 英晶片的极板上接上与石英晶片的固有频率相等的交流电场，就会产生共振(压电共振))
第3章(3-2)机械产品的功能原理设计
例 ：行走式挖掘机的原理方案求解。 行走式挖掘机的总功能是取运物料，其功能分解如下：
经分析找出各分功能的可能形态，列出挖掘机的形态学矩阵：
可能组合的方案数: 理论上方案组合数为 1440 ，但实际上并不完全 可行。定性选出几个可行方案，进行原理性试验和评价、决策，从中 选出符合功能目标的最佳原理方案。
第3章 机械产品的功能 两种动作功能及其对应的求解 思路
一、简单动作功能 此种功能的特点：
例如：带轴的轮子，拉链等。实现的动作虽然简 单，但是影响巨大。简单动作功能应用十分广 泛。
二、复杂动作功能
仍有系统的设计方法。
5 工艺功能及其对应的求解思路
（3）联想类推法 该法是通过启发、类比、联想、综合等创造出新的想法来解决问题。 1）相似联想法 通过相似联想进行推理，寻找创造性解法。 2）抽象类比法 用抽象反映问题实际的类比方法来扩大思路寻求新解法。 3）仿生法 通过对生物的某些特性进行分析和类比，启发出新的想法和 创造性方案的一种方法。它是现代发展新技术的重要途径之一。 （4）组合创新法 利用事物间的内在联系，用已有的知识和成果进行新的组合而产生新 的方案。 1）组合法是把现有的技术或产品通过功能、原理、机构等组合变化，形 成新的技术思想和新的产品。组合的类型包括功能组合、系统组合等。 2）综摄法是通过已知的东西作媒介，把毫无关联的、不相同的知识要素 结合起来，摄取各种产品的长处将其综合在一起，制造出新的产品的一 种创新技法。它具有综合摄取的组合特点。
思考题：
1、简述功能理性的分类。 2、简述简单动作功能、复杂动作功能、工艺功能的特点。 3、简述关键技术功能、综合技术功能的特点和求解思路。 4、对活动扳手不损伤螺母楞边的要求进行关键技术功能设计。 5、构思一种采用新的“物理效应”作为功能原理的点钞机，并用草图表示。 6、构思汽车安全带的“动感”自动锁紧的功能原理。 （“带感”——指对汽车安全带快速抽动敏感；“动感”或“车感”——指对汽车任何振 动敏感。） 7、构思针式打印机色带的单向驱动的功能原理（色带由打印机的双向往复运动带动）。 8、画出复印机中布墨粉功能的草图，并说明磁辊和绝缘载体的作用。 9、对核反应堆控制棒的驱动技术作矛盾分析： a)该关键技术的基本矛盾是什么？ b)水力驱动原理应用了什么物理效应？与普通液压（静压）方式有何区别？ c)画草图描述水力驱动的功能原理。
机械设计学第三章
燃烧变成热能，再由热能变成机械能
化学能
热能
机械能
例3：发电机的能量流：发电机将机械能变换成电能
机械能
电能
例4：压气机的能量流：压气机是把机械能变换成气体
的位能
机械能
气体位能
功能、功能单元和功能结构
能量流总结 从以上这几个能量流来看：机械系统必须有机械能与
其他形态能量的互换，机械能的利用等，如果只有化学能 变换成热能而不再变成机械能，那么这个系统就成为燃烧 器，也就是说这个系统不成为机械系统。
功能原理设计的工作特点和工作内容
那么为了实现 上述原理性设 想，必须设计 新的小车来实 现灵活运动和 准确定位。
无人驾驶小车的各种原理性方案的比较 a)曲线运动小车 b)平面移动小车
功能、功能单元和功能结构
一、功能的含义及三个功能要素 二、功能元素和功能单元 三、功能结构和功能系统分析 四、功能结构的基本结构形式
功能、功能单元和功能结构
物料流 物料流是机械系统完成特定工作过程中工作的
对象和载体。没有物料流也就体现不出机械系统的 工作过程和工作特点。机械系统的物料只有形态、 构型、包容、混合的变化，即物料只产生物理的、 机械的变化。
引言
（四）施工设计阶段 该阶段要进行零件工作图、部件装配图设计、完成全部生产
图纸并编制设计说明书、工艺文件、使用说明书等有关技术文件。
引言
二、功能原理设计的相关概念： 1、功能原理设计的概念：
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，可 以简称为“功能原理设计”。 2、功能原理设计的重点： 在于提出创新构思，使思维尽量 “发散”，力求提出较多的 解法供比较选优。
机械设计学课本
机械设计学课本第⼀章绪论1.机械设计学学科的三个组成部分：功能原理设计、实⽤化设计、商品化设计。
2.机械设计具有哪些主要特点？（多解性、系统性、创新性）3.近代“设计学”的重⼤发展（功能思想的提出和发展；⼈机学思想的形成和发展；⼯业设计学科体系的发展和成熟）4.从设计构思的⾓度将机械设计步骤归纳为哪三⼤步？（创意、构思、实现）第⼆章机器的组成及典型机器的功能分析1.机器的定义：有两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，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或控制下，实现为之设计的某种或⼏种功能。
2.从不同⾓度看机器的组成：从机构学的⾓度看：各种基本机构，⾃由度=原动机数；从结构学的⾓度看：各种基本零件；从专业的⾓度看：各种主要部件3.从功能的观点看机器的组成：机器由多个主要分功能系统构成，它们的协调⼯作实现了实现了机器的总功能。
⼜可进⼀步分为：⼯作机（⼯作头、执⾏机构）传动机原动机控制器。
4.从功能的观点看机器的分类可分为：⼯艺类机器：对物料进⾏⼯艺性加⼯的机器，主要特征是具有专⽤的⼯作头并进⾏独特的⼯艺加⼯动作；⾮⼯艺类-不对任何物料进⾏⼯艺性加⼯，只实现某些特殊的动作性的机器。
5.家⽤缝纫机是⼀种典型的⼯艺类机器。
⼯艺⽅式：⼀是采⽤针尖引线的⽅法代替针尾引线；⼆是采⽤双线互锁交织的⽅法代替反复穿刺。
功能分析：（1）总功能：将线按⼀定规律缝于缝料上，它可使⼀根线或多根线通过⾃连、互连、交织，在缝料上形成⼀定形式的线迹。
（2）主要功能：引⾯线造环功能，勾⾯线扩环供给和收回⾯线的功能，输送缝料的功能。
（3）辅助功能：调节⾯线和底线阻尼的功能，调节压脚和压紧⼒的功能，调节送布针距的功能，绕底线功能。
（4）控制功能：机械控制功能，⼈机控制功能，电⼦控制功能。
6.现代银⾏点钞机是⼀种典型的机电⼀体化系统，属于⼯艺类机器。
功能要求：要有堆放准备清点纸币的空间，并能将纸币连续输⼊，直到最后⼀张；要有能把纸币逐张分开，避免两张当做⼀张计数的机构；要有准确计数的装置，清理完毕的纸币要整理成⼀叠。
机械设计学教案(全套)
教案首页课程名称机械设计学任课教师第一章绪论计划学时 3教学目的和要求：1.明确课程定位，使学生理解机械设计与机械设计学的内容侧重点和课程特点；2.了解机械设计学的发展史；3.本课程的内容按章节的分布情况；4.要求同学掌握机械设计学的研究重点；5.要求同学掌握机械设计的一般步骤。
重点：1.设计的基本内涵，机械设计学的学科组成；2.机械设计的一般步骤。
难点：机械设计学的定义、机械设计的一般步骤。
思考题：1.如何认识人类文明的一切成果都是设计的产物？2.根据“功能”思想，预测下一代家用电器会风靡市场的是什么产品？本课程以培养学生“能提出创新构思并能尽快将其转化为有竞争能力的产品”的初步能力为目标，围绕影响产品竞争力的功能原理设计、实用化设计和商品化设计三个关键设计环节展开讨论。
科学和技术是两个完全不同的概念，千万不可混为一谈，科学是指那些基础性的研究，例如数学、物理、化学、天文、地理、生物……；技术则主要指制造工艺（包括材料的制备、加工、处理）以及各种制作的技巧、经验等。
设计的产品有的来源于生活，有的来源于想象，总的来说来源于思考，设计的始终都在贯穿着思考。
俗语说：没有做不到的，只有想不到的。
随着科技的发展会使很多不可能变为可能，把很多幻想变成现实。
机械设计学是一门方法性的课程，讲的是机械设计的理念、思路与方法。
产品设计的过程中，尤其是产品的方案设计中机械设计学的知识占的比重很大，能熟练运用辩证法、创新设计方法、概念设计等方法在机械设计中尤为重要。
第一讲绪论教学主要内容：1.机械设计的概念2.“设计学”的核心内容3.“机械设计学”的学科组成4.机械设计的类型及设计过程5.传统设计和现代设计一、概念1.机械（Machinery）机械是依据力学原理组成的各种装置和设备，是机器和机构的总称。
它包括机器、工具、器械、仪器…….2.机器 (Machine)机器是人类进行生产以减轻体力劳动和提高劳动生产力的主要工具。
2.1机械系统的功能原理设计知识课件
由总功能—分功能—功能结构图，
被称为“功能分析”，也可称为
“系统分析”。
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硬币机功能结构分析
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硬币机“功能结构”图
三、功能树和功能结构图
3. 基本功能结构 各分功能（或功能元）组合时有三种基本形式
（a）串联：各分功能按顺序相继作用； （b）并联：各分功能并列作用； （c）回路：各分功能组成环状循环回路，体现反馈作用。
2.4.1 机械的分类与功能组成 2.4.2 机械的功能分析 2.4.3 典型机械功能分析实例：家用缝纫机
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2.4.1 机械的分类与功能组成
一、机械的定义 二、机械的分类 三、从不同角度看机械的组成 四、从功能观点看机械的组成
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一、机械的定义
由两个或两个以上相互联系配合的构件所组成 的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运 动，能将某种原动力和运动转变，在人或其它 智能体的控制下，以执行人们预期的工作，实 现为之设计的某种或某几种功能。
（3）变型性设计
在功能原理和结构都保持不变的情况下，变动部分
零部件的技术性能和结构尺寸参数，扩大规格或补
齐系列，以满足更大范围功能参数需要的设计。又
称变参数设计。
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3
2.2 机械设计的一般过程
设计就是创造，是从创意、构思到实 现的过程。
认目 识标 需界 求定
问
分
题
析
求
选
解
优
评 价
（3）移植法
（4）筛选法
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2.3.3 方案构思的常用方法
机械设计学(总结)
机械设计学第一章绪论1、机械设计学定义——是一门研究机械设计的共性的综合性学科。
如设计技术、设计理论和设计方法。
2、机械设计的目标：在满足需求的基础上，实现约束最优化设计。
3、机械是机器和机构的统称。
4、机械设计具有的主要特点：多解性、系统性和创新性5、机械设计学的学科由（机械产品设计的三个基本环节是）功能原理设计、实用化设计和商品化设计三大部分组成。
功能原理设计：针对产品的主要功能所进行的原理性设计实质：原理方案的构思和拟定过程。
设计方法：以简图或示意图来进行方案的设计。
实用化设计工作：设计结构、选择材料、确定尺寸要求：明确、简单、安全可靠、掌握和遵循其内在规律和一般原理。
实用化设计的核心是要使产品具有优良的性能，好用。
商品化设计（技术、经济、社会）6、从设计构思的角度机械产品设计可归纳为三大步：创意、构思和实现。
创意：重点在于新颖性，且必须具有潜在需求。
构思：重点在于创造．即要构思一种新的技术方向或功能原理来实现某创意。
实现：重点在于验证构思的合理性，可以通过模型或原理样机来检查构思的合理性。
7、创新需要充分发挥设计人员的三种能力：抽象思维（抓住问题的本质）创造性思维（求多解）形象思维（头脑设计阶段）8、信息的交流与综合是创新的前提9、设计过程是在约束条件下求优过程（约束优化问题）包括：方案优化、设计参数优化、结构形状优化和整体布局方案优化。
10、机械设计按其创新程度可分为创新设计、变型设计和适用性设计三种类型。
11、设计阶段的具体任务可分为四个阶段：可行性研究、初步设计、详细设计和改进设计。
12、机械设计的基本程序可分为四个阶段：设计规划、方案设计、技术设计和施工设计。
第二章机器的组成及典型机器的功能分析1、机器的定义：一种用来变换或传递能量、物料与信息的机构的组合。
2、任何一台机器都是由原动机、传动机、工作机和控制器四部分组成。
第三章机械产品的功能原理设计1、功能原理设计定义：针对产品的主耍功能所进行的原理性设计简称为功能原理设计。
机械设计学 第三章 机械产品的功能原理设计
《机械设计学》课件
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路
一、工艺功能的特点
犁的工作曲面 1－犁尖 2－犁镜 3－曲面
《机械设计学》课件
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路
一、工艺功能的特点
绞 肉 机
注意:工艺功能是广义上的,不一定是纯 机械的,如水刀、激光刀
简单动作求解思路:几何形体组合法
《机械设计学》课件
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路 一、简单动作功能 2、几何形体组合法——简单动作功能的求解思路之一 在构思简单动作功能时，针对功能目标，对几个构件上 的几何形体进行构思。由于在构件上设置几何形体的可能性 非常多，为实现这类功能创造了宽广的途径，总有几种形体 可以实现所要求的功能目标。 简单动作功能并没有过时，而仍以其简单可靠的特点， 在各个领域可靠地为人类服务。
《机械设计学》课件
第三章 机械产品的功能原理设计
本章重点：功能的概念、功能原理设计的特点和内容、机械功 能基本类型以及对应的求解思路、创新性思维的基本知识。 基本要求：通过授课、练习、课堂讨论等环节，体会功能原理 求解的构思过程及思维特点。对简单动作功能及工艺功能这两 类基本功能作测绘及设计构思练习。 §3-1概述 一、功能原理设计 1、定义：针对产品的主要功能所进行的原理性设计简称为 功能原理设计。即应用某种“物理效应”通过某种“作用原理” 来实现“功能目标”的结果。例如：点钞机分离功能原理构思 2、重点：创新构思。例如：洗衣机功能原理的改进 3、创新与市场竞争潜力。例：两种喷墨打印机 4、产品更新换代的三个途径：改革工作原理；改进工艺、 材料和结构以提高技术性能；加强辅助功能使其更适应使用 者的心理。 下一页
机械设计学习题及（附答案）
机械设计学习题及（附答案）⼀、名词解释：1、功能原理设计:针对产品的主要功能所进⾏的原理性设计2、简单动作功能：仅完成简单的⼀次性动作的功能3、复杂动作功能：能实现连续的传动的动作功能4、机械创新设计：在功能结构图中，有的分功能⽐较复杂，不可能⽤⼀个已知的机构来完成。
这就需要根据分功能的特点，挑选⼏个机构组成⼀个机械运动系统，由这些机构共同完成这个分功能的机械动作。
5、机械协调性设计：当功能结构图中的各机械分功能均已根据分功能的要求选择好相应的机构后，怎样使这些分散的机构组成⼀个协调运动的整体，只是这个系统⽐较⼤，其综合后完成的机械功能，就是整个机械产品的总功能中的全部机械功能。
6、核⼼技术：产品实现总功能和主要技术要求的技术。
7、关键技术：实现某种功能过程中需要解决的技术难题。
8、弹性强化：使构件在受⼯作载荷之前预受⼀个与⼯作载荷相反的载荷，产⽣⼀个相应的预变形，以及⼀个与⼯作应⼒相反的预应⼒，⼯作时该预加载荷部分抵消⼯作载荷，预变形部分抵消⼯作变形，从⽽降低了构件的最⼤应⼒。
9、塑性强化：使构件在⼯作状态下应⼒最⼤那部分材料预先经塑性变形⽽产⽣⼀个与⼯作应⼒符号相反的残留应⼒，⽤以部分抵消⼯件应⼒。
⼆、简答题：1-1机械产品设计的三个基本环节是什么？答：机械产品设计的三个基本环节是：“功能原理设计，实⽤化设计和商品化设计”1-2、机械设计具有哪些主要特点：答：机械设计具有如下主要特点 :(1)多解性 (2)系统性 (3)创新性1-3、近代“机械设计学”的核⼼内容1）“功能”思想的提出：l947年、美国⼯程师麦尔斯创⽴了“价值⼯程“。
他真正重要的贡献在于他提出的关于‘功能”的思想。
2）“⼈机⼯程’’学科的兴起：“宜⼈”的宗旨已经成为现代机械设计的基本观念。
3）“⼯业设计”学科的成熟。
⼯业产品设计的原则是：“技术第⼀，艺术第⼆”。
⼯业设计师应该⾸先是⼀个⼯业技术专家，⽽不⾸先是⼀个艺术家。
1-4、从设计构思的⾓度机械产品设计可归纳为三⼤步：创意、构思和实现。
第三章 机械产品的功能原理设计
由设计解决的关键技 术功能的例子
关键技术功能的特点： 由于特殊的工作条件 ( 约束 ) 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，总的来说它 的技术要求高，而解 决的方法也往往是出 奇制胜。 关键技术功能的求解 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， 其中的约束条件和期望达到的较高要求， 就形成一对技术矛盾，所谓“技术矛盾 分析法”，就是去分析技术难题中的技 术矛盾。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。
第四节
两种动作功能及其对 应的求解思路
一、简单动作功能 简单动作功能：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 互相运动或锁合的动 作。 简单动作功能设计的 求解思路是：几何形 体组合法。
构思简单动作功能时，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。由于在构 件上设置几何形体的可能性非常多，这 就为实现这类功能创造了宽广的途径， 总有几种形体可以实现所要求的功能目 标。当然，不是每个人都可以很容易获 得合理的解决思路的。因此，多看现有 的优秀设计实例，练习设计巧妙的简单 动作功能，对于训练设计创造力是很有 帮助的。简单动作功能设计比复杂动作 功能设计要困难的多。
第三章机械产品的功能原理设计
③环形结构，又称循环结构
环形结构的另一种形式：
功能结构图的作用：
通过功能结构图的绘制，可以明确实现 系统的总功能所需要的分功能、功能元及 其顺序关系。 功能结构图的建立使得技术系统的“黑 箱”具体化，是使技术系统从抽象走向具 体的重要环节之一。
例
硬币计数包卷机的功能结构图
串联结构
并联结构
（4）伴生输入和伴生输出
伴生输入：外界环境对技术系统的影响和作用， 用实线箭头画在下方。
伴生输出：技术系统对外界环境的影响和作用， 用实线箭头画在上方。
举例 —— 水泵
说 明： 输出的能量为“压力水”中蕴含的机械能 没有明显的输出信号，可以不画出。 没有明显的伴生输入和伴生输出，可以不画出。
“黑箱”的内部结构
功能结构图的变化 功能结构也不是只能有一种形式，它 可能有多种不同的组成形式。
实现同一总功能的功能结构可有多种，改变 功能结构常可发展出新的产品。
改变的途径有：
① 功能的进一步分解或重新组合。
② 顺序的改变。例如能量进入系统以后，其转换与传 递顺序不同，实体解答方案亦将不同。 ③ 分功能连接形式改变。（串联、并联的改变） ④ 系统边界的改变。必要时可扩大或缩小系统的功能， 以求得更合理的解答方案。提高系统机械化、自动化 程度是其重要方面。
二、功能原理设计的任务和主要工作内容
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”。
举例：喷墨打印技术
最初的解法原理
功能目标：喷墨打印
工作原理：受显示成像原理（用电场控制电子束扫描 屏幕）启发，用电场控制喷嘴喷出的墨水滴扫描白纸。
机械设计学-教学日历
章节题目
内容
课时
课堂讨论、实（验）践等其它教学环节题目
1
第一章绪论
介绍设计在人类文明进步中的作用；介绍改善设计对于国家地位的重要作用；介绍设计与科学研究的关系；近代设计科学的重要进展；机械设计的概述。
2
讲课
2
第二章机器的组成及典型机器的功能分析
讲解机械和机器的概念以及机器的功能组成。介绍机器的分类，引出按功能分类对于设计的重要意义。对家用缝纫机进行功能分析；对针式打印机进行功能分析。
2018/2019学年第2学期
教学日历(1-18周)
课程名称:机械设计学总学时: 34实验学时: 0周学时: 2学分: 2
任课单位:机械工程学院教研室:机械设计任课教师:职称:
使用教材及参考书:黄靖远，高志陈祝林主编.机械设计学.北京：机械工业出版社,2007
学生所在院：机械工程学院年级:班级:学生人数:32
2
讲课
5
第四章机械功能原理的实现—机械运动系统的方案设计（2）
讲解按机械动作功能原理要求完成机械运动系统的方案设计。介绍机构的创新设计方法；举例讲解机构运动循环图的概念和绘制方法。
2
讲课
6
第五章机械产品的实用化设计（1）
讲解产品设计的核心和外围问题；讲解实用化设计的任务和主要内容；总体设计的基本任务和内容；举例介绍工艺方案的确定
2
讲课
12
第七章机械产品设计中的几个主要技术问题（2）
可靠性设计；介绍机械的热效应设计；
2
讲课
13
第七章机械产品设计中的几个主要技术问题（3）
介绍机械抗振性设计和低噪声设计；介绍机械动态设计。介绍人机学。
2
讲课
第3章 机设学-机械产品的功能原理设计讲解
特点：容易创新
二、复杂动作功能 1 ．特点：这类功能以采用 常用基本机构为主，其设计 已有很成熟的理论和经验。 尽管这类功能原理要实现相 当复杂的功能目标，设计起 来并非毫无困难，但是比起 简单动作功能的设计来，还 是要容易的多，因为它毕竟 被人们研究的相当透彻了。 2.求解思路：基本机构组合 法
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
（4）分功能求解
（5）将分功能解综合为整体解——原理方案 将相容的分功能解综合为整体方案。综合时从最重要的分功能的较 优解出发，追求整体最优。 整体原则是系统方法的核心，这一原则认为，任何系统都是由部分 组成的，但整体不等于部分的机械相加，这是由于各部分之间的相互作 用、关系和层次产生了系统的整体特征。 最后组成几个整体方案，通过评价比较，筛选出或综合为1-2个原 理方案，作为继续进行技术设计的基础。
关键技术功能
复杂动作功能
功能类型 工艺类——工艺功能 综合技术功能
§3-4两种动作功能及其对应的求解思路
一、简单动作功能 1 ．特点：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，可以实现互相运动或锁合的动作。 举例：带轴的轮子、拉链、魔方、鼠标、弹子锁
机械设计学4
式式 式 瓣
式式 式
式
第三章 机械产品的功能原理设计
3.2 功能原理设计的任务 针对给定的“功能目标”， 寻求一些可以实现功能目标的“物理效应”， 并借助某些“作用原理”， 求得实现功能目标的“解法原理”。
功能目标——要实现的输入与输出之间的变换 物理效应——联系有关输入与输出量的自然定律 作用原理——以工程方式实现物理效应的基本形式 解法原理——以工程方式实现物理效应的实现形式
第三章 机械产品的功能原理设计
3.2 功能原理设计的任务 功能原理设计的特点：
1.通常要引进新的物理效应 2.通常要引进新的设计理念和新的设计技术 3.功能原理设计可以使产品的性能发生本质的变化
第三章 机械产品的功能原理设计
3.3 功能原理设计与技术创新
(
约自 行 二
百
车 年
前 ）
原 型
自 行 车 的 进 化
何形体的巧妙结合，实现相互锁合或相互动 作的功能。
例： 改变世界的耗子－－鼠标
杠杆，轮轴，刀，锯，弓箭，针线，拉锁，魔方，双动开关，弹子锁 ，多色圆珠笔 ，
双向开启门窗，随意定位窗，汽车安全带
列车挂钩，枪栓……
简 单 动 作 功 能 典 型 实 例
拉 链
圆 珠 笔 双 动 功 能 原 理
奇 妙 的 魔 方
第三章 机械产品的功能原理设计
3.4 功能、功能元素、功能单元、功能结构 功 能——输入与输出之间的变换 功能元素——可以用来组成任意复杂系统的
最基本单元 功能单元——可以直接实现的功能（分功能）
第三章 机械产品的功能原理设计
3.4 功能、功能元素、功能单元、功能结构 功能结构——表示功能关系的框图，即表示功
河南理工大学机械设计学课件(张小明)第三章机械产品的功能原理的实现
举例2 过载保护装置：
常用的安全保护装置有以下几种： 1．销钉安全联轴器
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2．钢珠安全离合器
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11
3．摩擦式安全离合器 图示为单圆锥形擦安全离合器。摩擦面由内圆锥摩擦盘1和 外圆锥面摩擦盘2组成。在弹簧3作用下使两个锥面压紧，由 此产生酌摩擦力矩即为该离台器允许的输出转矩。螺母5用 来调整压紧力。
第二节 传动机构和执行机构
一切机器都包含有四个部分：动力源、传动机 构、执行机构和控制部分。
一、传动机构
传动机构（系统）是将原动机的运动和动力传给执 行机构的中间装置，其类型主要有机械传动、流体 动力传动、电力和磁力传动等。原动机与执行机构 间组成传动联系的一系列传动件称为传动链，所有 传动链以及它们之间的相互联系组成传动机构（系 统）。 主要目的：为了实现速度或力的变换，或实现特定 运动规律的要求。
根据功率、速度、输出力三者之间的关系
P= F× v
在输出功率一定的情况下：速度与输出力的变化关 系
30
常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主 要有以下几种：
1)通过啮合方式进行传动(例如；齿轮、蜗轮蜗杆、 链传动、同步齿形带等)。其中．齿轮传动可以在平 行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功 率和速度范围广，结构紧凑，传动效率高，工作可 靠，寿命长，互换性好，因而得到广泛应用。
夹持搬运输送分度与转位检测与分类施力等351夹持夹持工作是加工搬运及安全系统中最常见的动作如弹簧杠杆式斜楔杠杆式液压连杆式电气式等型式夹持器其基本原理多采用杠杆式原理动力源有机械电力液力气压及人力等易简单的形式是人力夹持器如夹煤球的钳子虎钳等
第三章 机械产品的功能原理的实现 ——机械运动系统的方案设计
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§3-2两种动作功能及其对应的求解思路
一、简单动作功能
人类近代十大发明之一:拉链---典型简单动作
《机械设计学》课件
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路
一、简单动作功能
电视机盒盖、圆珠笔、魔方
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路
input
信号 S 技术系统
S
output
S′信息 E′能量 转换 M′物料
电动机
性能：效率、耐用性、振动 能量 E
物料 M
进行 E
M
功能： 将电能转变为旋转运动的动能。 系统工程学用“黑箱”（Black Box）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输入输出信息流S（Signal）、 能量流E（Energy）和物料流M（Materiel）的黑箱
F场
S1 主体 S—Field 法
S2 客体
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路 二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法) 讨论:如何用S－Field模式来求解工艺功能的功能原理问题。 1、F、S1搜索
如需要完成修剪草地的任务，如何构思剪草机的工作原理呢？
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黑箱：系统内部结构完全未知的技术系统。
白箱：系统内部结构完全已知的技术系统。
灰箱：系统内部结构部分未知的技术系统。
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述 四、功能、功能单元和功能结构 2、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，那 么一个系统的总功能也应该可以分解为一些分功能。
市 场 调 查
信 息 收 集
需 求 发 现
资 料 研 究 弱 点 发 现 建 立 准 则
任 务 确 定
多 向 联 想 问 题 剖 析 评 价 比 较
明确功能目标
用 户 调 查
创 新 构 思 改 错 修 正 权 衡 利 弊
功 能 澄 清
思 维 实 验 完 善 提 高 去 劣 存 优
目 标 建 立
模 型 试 验
在这个问题里，S2——草，寻求合适的F和S1。
可能被利用的F：
（1）拉力——可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高 度，无法使草地整齐； （2）割断力——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才 能割断；
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
四、功能、功能单元和功能结构
例： 硬币计数包卷机的7个功能单元，见下页。
形式不同的硬币点钞机
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硬币计数包装机的外形及硬币总功 能的黑箱描述
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
四、功能、功能单元和功能结构
水 刀 切 割 工
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路
一、工艺功能的特点
工艺功能相对于动作功能，更容易改进
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路
二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法) 这种方法是前苏联的科学家提出的，最适合求解工艺功能。 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）。这三者缺一即不可能发 生技术作用。S1（主体）即对客体发生 作用的物体，也就是所说的工作头；S2 （客体）即被加工的物体，也就是工艺 动作的对象。F（场）即指S1向S2作用 时发生的一切作用场。
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路
一、工艺功能的特点
犁的工作曲面 1－犁尖 2－犁镜 3－曲面
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路
一、工艺功能的特点
绞 肉 机
注意:工艺功能是广义上的,不一定是纯 机械的,如水刀、激光刀
简单动作功能并没有过时，而仍以其简单可靠的特点， 在各个领域可靠地为人类服务。
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路
二、复杂动作功能
1、复杂动作功能的特点：以采用常用基本机构为主， 演变和组合成各种形式的机构，从而实现各种复杂的运动规 律或运动轨迹。 2、基本机构组合法——复杂动作功能的法之一
进行形体设计的思维方法主要要用形象思维、视觉思 维和动作思维的思维方式，也就是说不能全靠抽象思维来 进行形体的构思。
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路
一、工艺功能的特点
工艺类机器的执行机构的动作和工作头的形状往往以被加 工工作物质的工艺过程密切相关，工作头对物体的作用形式 （作用场）有纯机械的作用，也有不是纯机械的作用。因此， 工作头的形状、运动方式和作用场构成完成工艺功能的三要素。 工艺功能比起动作功能来，更容易进行改进和革新，因为工 作头的变革可能性是很大的。工艺功能的解法往往在工艺上发生 了巧妙的革新，而在技术上不一定有很困难的问题。 这一类功能的特点是要设计工艺，由于完成原理的工艺是 可以变化的。因此这类功能原理可以有更多的灵活性。往往通 过改善工艺而设计出更新颖、更有效的原理解法。
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第三章 机械产品的功能原理设计
本章重点：功能的概念、功能原理设计的特点和内容、机械功 能基本类型以及对应的求解思路、创新性思维的基本知识。 基本要求：通过授课、练习、课堂讨论等环节，体会功能原理 求解的构思过程及思维特点。对简单动作功能及工艺功能这两 类基本功能作测绘及设计构思练习。 §3-1概述 一、功能原理设计 1、定义：针对产品的主要功能所进行的原理性设计简称为 功能原理设计。即应用某种“物理效应”通过某种“作用原理” 来实现“功能目标”的结果。例如：点钞机分离功能原理构思 2、重点：创新构思。例如：洗衣机功能原理的改进 3、创新与市场竞争潜力。例：两种喷墨打印机 4、产品更新换代的三个途径：改革工作原理；改进工艺、 材料和结构以提高技术性能；加强辅助功能使其更适应使用 者的心理。 下一页
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路
二、复杂动作功能
六种基本机构:
硬币机卷边功能的执行结构
1 连杆机构 2 齿轮机构 3 挠性机构 4 凸轮机构 5 螺旋机构 6 间歇机构
复杂动作功能设计求解思路:
基本机构组合法
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路
一、简单动作功能
1、简单动作功能的特点：简单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， 可以实现互相运动或锁合的动作。常用2～3个构件组成。
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第三章 机械产品的功能原理设计
3、使机器品质发生质的变化； 三、功能原理设计的任务和主要工作内容
1、任务：寻找一种物理效应和相应的作用原理以实现所追 求的功能目标。
2、主要工作内容：构思能实现功能目标的新的解法原理。 包括明确功能目标、创新构思、模型试验、修改完善构 思、评价选优等工作内容。
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功能原理设计的工作步骤和工作内容
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
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
4、功能结构和功能分析 一个系统的总功能可以逐步分解为很多分功能。 功能分析过程是设计人员初步酝酿功能原理设计总体方 案的过程，这个过程往往不是一次完成，而是随设计工作的 逐步深入而不断修改、不断完善的。
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
4、功能结构和功能分析
硬币计数包卷机的功能结构图
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
4、功能结构和功能分析
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
五、功能原理的基本类型与解法特点 1、基本类型： 动作功能和工艺功能。 （1）动作功能：以实现动作为目的的功能。
酝酿解法原理
改进、完善解法原理
选出满意解
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
四、功能、功能单元和功能结构
1、功能：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）所具有转化能量、运动或其它物理量的特性。 功用：作原动机 用途：驱动电扇、机床 能力：功率、转速
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路
二、复杂动作功能
实例
机构创新实验
多机构组合螺旋加工机床
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路
无论简单还是复杂动作功能，都是纯机械的功能，它们 的基本特点是“以形体来实现功能”。这个特征使机械实现 动作功能的方式变化无穷。机械动作原理实现得好与不好， 全在于形体设计的变化。
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第三章 机械产品的功能原理设计