第二章 总体设计讲解

F1 F3
F2
循环结构
2.1.4.2 功能元
定义：
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。
常用的五种物理功能元
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；
机械系统设计
第二章 机械系统总体设计
机械系统总体设计概述
机械系统总体设计是产品设计的关键阶段， 对产品的技术性能、经济指标和外观造型均有决 定性意义。
机械系统总体设计分为功能原理设计和结构 总体设计两阶段，主要包括功能设计、原理方案 设计、总体布局（确定各子系统之间关系）、主 要技术参数的确定及技术经济分析等内容。
2.1.5 设计目录
定义：
设计目录是一种设计信息的载体，是一定设计任 务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编，它通过 对设计过程中所需的大量信息有规律地加以分类、排 序、存储，以便设计者查找和使用。
——设计一糖果包装机
可见：功能原理不同，工艺动作（运动规律） 也不同，执行机构型式自然不一样。
功能原理设计举例
——设计一台加工内孔的机床
车床
镗床
钻床
拉床
功能原理设计举例
——设计草坪剪草机（1）
对杂草进行剪修通常的办法： 拉——可以拉断草，但无法控制被拉断草的高度，
即无法使草地整齐。 割断——像割麦一样，需要握住草的上部才能割断。 剪断——利用剪刀刃的合拢可以剪断草。
指各种物理量(如位移、速度、力)的放 大和缩小等
包括能量流、物料流、信息流的结合或 分离（如运动的合成与分解）。
反映能量流、物料流、信息流的位置变 化。如离合器、开关、阀门等。
体现三大流在一定时间范围内保存的功 能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的 贮存。
功能元（分功能）的求解
功能元的求解方法主要有： 1) 参考有关资料、专刊或产品求解法； 2) 利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法； 3) 利用设计目录求解法。
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，直至方案拟定。
它摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和 对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利 于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。
黑箱
黑箱法示意图
黑箱法举例——车床总功能
黑箱法举例
——挖掘机总功能
黑箱法举例——自行车功能结构
输入
蹬力或推力
自行车 输出 （黑箱） 车的行走
2.1.4 功能分解
一般技术系统都比较复杂，难以直接求出满足总功能的原理解。
可利用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、…、功能 元进行分解，化繁为简，以便通过各功能元解的有机组合求得系统解。
原理方案设计：
构思能实现功能目标的解法原理。
需
功
结
求
能
构
域
域
域
功 能 原 理 设 计 过 程
用户需求分析
需求分析
系统总功能 总功能参数 运行要求 人机工程要求 外观要求 法规标准要求 经济要求 时间要 求 几何要求 运动要求 载荷要求 能量要求 重量要求 材料要求 工作对象 其它要求
问题抽象
功
能 过程分解
设
计
过
程
优
化
功能原理设计步骤与方法
明确任务
抽象
黑箱法
求总功能
搜索
逐级细化
总功能分解
分解
功能树
子功能求解
搜索
功能元求解
设计目录等
组合
原理解组合
形态学矩阵
收敛
评价与决策
各种评价法
最佳原理方案
技术设计阶段
2.1.1 功能
系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。 产品或系统特定工作能力抽象化描述。 系统输入/输出间参数或状态变化的一种抽象描述。
功 能 分 解 模 型
Pahl和Beitz
物料 能量 信息
分功能1
分功能21
分功能…
总功能
物料 能量 信息
分功能2
分功能3 分功能4
分功能22
.. .. ..
分功能23
分功能…
分功能…
2.1.4 .1 功能结构
功能的分解和组合关系称为功能结构。
三
F1
种
基 本
F2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
类 型
F3
链式结构
F2 F1
F3
并联结构
显然，选择剪断是较合理的方案，并且将剪刀做成 像理发推子那样，这就是传统的剪草机的解法原理。
功能原理设计举例
——设计草坪剪草机（2）
鞭子断纸
绳子割草
功能原理设计特点
1) 功能原理方案设计就是针对某一确定的功能要求，构 思并求得能实现功能目标的新的解法原理。
2) 功能原理设计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。
2.1.3 总功能求解——黑箱法
定义：
根据系统输入输出关系来研究实现系统功能目标的一 种方法。即用技术系统所具有的转化能量、物料、信 息等物理量的特性描述其功能。
关键：
通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)的基本功 能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓 住问题的本质。
系统理论为基础
黑箱法（Block Box）特点
1
2
3
寻求原理解 方
原理 原理 解1 解2
原理 解1
原理 解2
案
设 计
原理解组合
原理解组合1
阶
段 概念方案评价
功功
功
能能
能
元元
元
1
2
1
原理 解1
原理 解2
原理 解2
功功 功
能能 能
元元 元
1
2
3
原理 解1
原理 解2
原理解组合2
原理解组合3
方案评价
获得概念产品方案
最优原理方案
外
部
创
新
思
想 知
输
识
入
及 库
设
计 阶
功能分解
段
子功能求解
主要过程
主要功能
子子 功功 能能 12
辨别问题 抽象成说明书
驱动过程 驱动功能
控制过程 控制功能
辅助过程 辅助功能
子子子 功功功 能能能 123
子子
子
功功
功
能能
能
1
2
1
联接与支撑作用 联接与支撑功能
子子 子
功功 功
能能 能
1
2
3
功能元分解
功功
能能
元元
1
2
功功 功
能能 能
元元 元
2.1 功能原理设计概述
功能原理设计又称为概念设计阶段，资料表明，产 品全生命周期内70～80％的成本由功能原理设计阶段决 定。
功能原理设计是发散－收敛过程。从功能分析入手， 通过创新构思探求多种方案，然后经技术经济评价，优 选得到最佳方案。
功能原理设计的内容
功能设计：
功能的抽象、表达、分解和推理。
基本功能
必要功能
分
附加功能
类 非必要功能
Miles 1947
功能的描述 ——准确、简洁、合理
举例
抓 问 题 本 质
取核桃仁问题
功能描述
原理解法
砸壳 外部加压：砸、夹、压、冲、射等
压壳
外部加压 内部加压：通入高压气体胀破
外部加压
壳仁分离 内部加压 去壳：培育薄壳核桃，脆皮易取
化学方法溶壳
2.1.2 功能原理设计举例