2018第3章-機(jī)設(shè)學(xué)-機(jī)械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計(jì)

1、第三章 機(jī)械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計(jì),§3-1 功能原理設(shè)計(jì)的工作特點(diǎn)和工作內(nèi)容 §3-2 功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu) §3-3 功能原理的發(fā)展歷史及其基本類(lèi)型 §3-4 兩種動(dòng)作功能及其對(duì)應(yīng)的求解思路 §3-5 工藝功能及其對(duì)應(yīng)的求解思路 §3-6 關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技術(shù)功能及其求解思路§3-7 功能原理設(shè)計(jì)的工作要點(diǎn),功能原理設(shè)計(jì)：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初環(huán)節(jié)是先要

2、針對(duì)該產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思。這種針對(duì)主要功能的原理性設(shè)計(jì)，稱(chēng)為“功能原理設(shè)計(jì)”。 重點(diǎn)：提出創(chuàng)新構(gòu)思，對(duì)具體結(jié)構(gòu)、材料及制造工藝則不一定有成熟的考慮。,§3-1功能原理設(shè)計(jì)的工作特點(diǎn)和工作內(nèi)容,一、工作特點(diǎn) 1．功能原理設(shè)計(jì)往往使用一種新的物理效應(yīng)來(lái)代替舊的物理效應(yīng)，使機(jī)器的工作原理發(fā)生根本的變化的設(shè)計(jì)。 2．功能原理設(shè)計(jì)中往往要引入某種新技術(shù)（新材料、工藝），首先要求設(shè)計(jì)人員有一種新的想法和構(gòu)思。

3、 3．功能原理設(shè)計(jì)使機(jī)器品質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變化。 滿(mǎn)足以上三點(diǎn)的功能原理設(shè)計(jì)是一個(gè)高品位的功能原理設(shè)計(jì)思考：以計(jì)時(shí)為例，列出可達(dá)到計(jì)時(shí)作用的計(jì)時(shí)產(chǎn)品的功能原理設(shè)計(jì)方案。（每個(gè)人列出不少于3種計(jì)時(shí)方案）,微波表、原子鐘…….,二、功能原理設(shè)計(jì)的任務(wù)和主要內(nèi)容,1．任務(wù)：針對(duì)某一確定的功能目標(biāo)，尋求一些物理效應(yīng)，并借助某些作用原理，來(lái)求得一些實(shí)現(xiàn)該功能目標(biāo)的解法原理。（以噴墨打印機(jī)為例）解釋?zhuān)?）功能目標(biāo)：最后要達(dá)到的功能

4、 2）物理效應(yīng)：摩擦、離心力、氣吹、液化、壓 電變形、熱脹冷縮、光電效應(yīng)等 3） 作用原理：摩擦輪、氣嘴、壓電晶體等 4） 解法原理：物理效應(yīng)+作用原理,功能目標(biāo)：將墨水滴噴射到紙上。物理效應(yīng)：液體高溫氣化膨脹導(dǎo)致墨水噴射。作用原理：電熱元件+半封閉的墨水儲(chǔ)存腔。,方案A:加熱汽化噴墨,方案B:壓電噴墨,功能目標(biāo)：將墨水滴噴射到紙上。物理效應(yīng)：擠壓墨水腔導(dǎo)致墨水噴射。作用原理：壓電元件+

5、半封閉的墨水儲(chǔ)存腔。,2．主要工作內(nèi)容：構(gòu)思能實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)的新解法原理,明確功能目標(biāo),醞釀解法原理,改進(jìn)解法原理,選出滿(mǎn)意解,市場(chǎng)調(diào)查、需求發(fā)現(xiàn)、任務(wù)確定、用戶(hù)調(diào)查、功能澄清、目標(biāo)建立,信息收集、資料研究、多想聯(lián)想、創(chuàng)新構(gòu)思、思維實(shí)驗(yàn)、模型實(shí)驗(yàn),,,,,弱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、問(wèn)題剖析、改錯(cuò)修正、完善提高,建立準(zhǔn)則、評(píng)價(jià)比較、權(quán)衡利弊、去劣存優(yōu),,,,,舉例：洗衣機(jī)的功能原理設(shè)計(jì),§3-2功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu),一、功能的含義

6、 1960’S以來(lái)，人們開(kāi)始意識(shí)到設(shè)計(jì)的最主要的工作并不只是選用某種機(jī)構(gòu)或設(shè)計(jì)某種結(jié)構(gòu)，更重要的是要進(jìn)行工作原理的構(gòu)想，核心問(wèn)題就是“功能” 。定義：所謂功能是對(duì)于某一產(chǎn)品的特定的工作能力的抽象化的描述，是指某一機(jī)器（或裝置）所具有的轉(zhuǎn)化能量、運(yùn)動(dòng)或其他物理量的特性。注意：區(qū)分這樣的幾個(gè)概念（功用、用途、性能、能力）例： 功用——作原動(dòng)機(jī) 用途——驅(qū)動(dòng)電扇、機(jī)床電動(dòng)機(jī) 性能——效率、耐

7、用性、振動(dòng) 能力——功率、轉(zhuǎn)速 功能——將電能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,,黑箱：只是描述了系統(tǒng)的功能目標(biāo)，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)是未知的。白箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全已知；灰箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分已知。用黑箱來(lái)描述功能：任何一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)都有輸入和輸出，把技術(shù)系統(tǒng)看成一個(gè)黑箱，其輸入用物料流M、信息流S和能量流E來(lái)描述；其輸出用相應(yīng)的M’ 、S’ 、E’來(lái)描述。系統(tǒng)工程觀點(diǎn)的定義：功能就是一個(gè)技

8、術(shù)系統(tǒng)在以實(shí)現(xiàn)某種任務(wù)為目標(biāo)時(shí)，其輸入/輸出量之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。,在系統(tǒng)工程學(xué)上，我們用“黑箱”-BLACK BOX來(lái)描述功能。,,注意：1）功能抽象描述機(jī)械產(chǎn)品輸入量和輸出量之間的因果關(guān)系。2）黑箱只是描述了從系統(tǒng)外部觀察到的功能特點(diǎn)，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)師去進(jìn)行具體構(gòu)思和設(shè)計(jì)。,功能的黑箱描述方法：,硬幣計(jì)數(shù)包卷機(jī)總功能的黑箱描述（黑箱法）,機(jī)床總功能的黑箱描述（黑箱法）：,二、功能元素和功能單元,1、  功能元素從

9、系統(tǒng)論的觀點(diǎn)看，一個(gè)系統(tǒng)可以分解為一些子系統(tǒng)，相應(yīng)的總功能也可以分為一些分功能。因此，有些學(xué)者提出，將這些復(fù)雜動(dòng)作分解為一些基本動(dòng)作，把這些基本的動(dòng)作稱(chēng)為“功能元素”，也稱(chēng)功能元。 12對(duì)典型的基本動(dòng)作（可構(gòu)成任何技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜的總功能）放出-吸收 傳導(dǎo)-絕緣 集合-擴(kuò)散 引導(dǎo)-阻礙 轉(zhuǎn)變-恢復(fù) 放大-縮小變向-定向 調(diào)整-激勵(lì) 聯(lián)結(jié)-開(kāi)斷 結(jié)合-分離 結(jié)合-拆開(kāi) 儲(chǔ)存-取出

10、總功能—>分功能—>功能元,,2.功能單元 功能元?jiǎng)澐诌^(guò)細(xì)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中并不很有效，尚有待進(jìn)一步的研究。 另外一種分解方式：只是分解到功能單元的水平上，這樣的功能單元是既有一定的獨(dú)立性，又有一定復(fù)雜程度的技術(shù)單元。,硬幣分選技術(shù)視頻：,機(jī)械式硬幣分離技術(shù)裝置,,,一個(gè)系統(tǒng)的總功能可以逐步分解為很多分功能，如硬幣計(jì)數(shù)包卷機(jī)總功能分解圖：,三、功能結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)分析,功能分解圖：不能充分表達(dá)各分功能

11、之間相互配合關(guān)系,硬幣計(jì)數(shù)包卷機(jī)的功能分解圖,建立功能結(jié)構(gòu)圖（表示分功能關(guān)系的圖）的要求 （1）體現(xiàn)功能元或分功能之間的順序關(guān)系 （2）各分功能或功能元的劃分及其排列要有一定的理論依據(jù)（物理作用原理）或經(jīng)驗(yàn)支持（以確保分功能或功能元有明確解答） （3）不能漏掉必要的分功能或功能元 （4）盡可能簡(jiǎn)單明了，但要便于實(shí)體解答方案的求取 在分析功能關(guān)系和邏輯關(guān)系時(shí)，首先考慮主要功能和主要流，初步建立功能結(jié)構(gòu)

12、圖，然后，再解決輔助功能和次要流，逐漸完善系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖。,功能結(jié)構(gòu)圖：,,,硬幣計(jì)數(shù)包卷機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖,（5）將分功能解綜合為整體解——原理方案 將相容的分功能解綜合為整體方案。綜合時(shí)從最重要的分功能的較優(yōu)解出發(fā)，追求整體最優(yōu)?！　≌w原則是系統(tǒng)方法的核心，這一原則認(rèn)為，任何系統(tǒng)都是由部分組成的，但整體不等于部分的機(jī)械相加，這是由于各部分之間的相互作用、關(guān)系和層次產(chǎn)生了系統(tǒng)的整體特征。 最后組成幾個(gè)整體方案，

13、通過(guò)評(píng)價(jià)比較，篩選出或綜合為1-2個(gè)原理方案，作為繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。,舉例：確定波輪式洗衣機(jī)分功能及功能結(jié)構(gòu)圖。解：1）確定系統(tǒng)總功能：洗衣機(jī)的總功能是洗滌衣物，包括容納衣物和水、攪動(dòng)衣物和水、定時(shí)、排水、能量轉(zhuǎn)換、聯(lián)結(jié)和支承。2）劃分分功能及功能元,§3-3功能原理基本類(lèi)型,一、功能原理設(shè)計(jì)的特點(diǎn)1．分析可以按一定的步驟進(jìn)行，綜合不可能有任何定法可循。2．有多解的問(wèn)題，而且很難得到絕對(duì)理想的解二、功能原理分類(lèi)

14、（為研究方便）,共性：用純機(jī)械或主要靠機(jī)械完成的動(dòng)作功能,,不再局限于用純機(jī)械的方式，而是綜合運(yùn)用機(jī)、光、電、磁、熱、化各種廣義物理效應(yīng)去實(shí)現(xiàn)動(dòng)作功能和工藝功能。,作為某個(gè)企業(yè)或部門(mén)獨(dú)有的技術(shù)，暫時(shí)還沒(méi)被別人掌握（動(dòng)作功能、工藝功能、綜合技術(shù)功能）如數(shù)控機(jī)床初期的滾珠絲桿等。,,簡(jiǎn)單動(dòng)作功能 關(guān)鍵技術(shù)功能 動(dòng)作類(lèi) 復(fù)雜動(dòng)作功

15、能 功能類(lèi)型 工藝類(lèi)——工藝功能 綜合技術(shù)功能,,,,,,,§3-4兩種動(dòng)作功能及其對(duì)應(yīng)的求解思路,一、簡(jiǎn)單動(dòng)作功能1．特點(diǎn)：由兩個(gè)或兩個(gè)以上的具有特殊幾何形狀的構(gòu)件組成，利用它們形體上的特征，可以實(shí)現(xiàn)互相運(yùn)動(dòng)或鎖合的動(dòng)作。舉例：帶軸的輪子、拉鏈、魔方、鼠標(biāo)、彈子鎖2．求解思路：幾何形體組合法1）明確“功能目標(biāo)”2）針對(duì)功能目標(biāo)，對(duì)幾個(gè)構(gòu)件上的幾何形體進(jìn)行構(gòu)思。,特點(diǎn)：

16、容易創(chuàng)新,,二、復(fù)雜動(dòng)作功能1．特點(diǎn)：這類(lèi)功能以采用常用基本機(jī)構(gòu)為主，其設(shè)計(jì)已有很成熟的理論和經(jīng)驗(yàn)。盡管這類(lèi)功能原理要實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的功能目標(biāo)，設(shè)計(jì)起來(lái)并非毫無(wú)困難，但是比起簡(jiǎn)單動(dòng)作功能的設(shè)計(jì)來(lái)，還是要容易的多，因?yàn)樗吘贡蝗藗冄芯康南喈?dāng)透徹了。2.求解思路：基本機(jī)構(gòu)組合法,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)最可靠的手段還是機(jī)構(gòu)而不是什么電子裝置，那種認(rèn)為信息時(shí)代機(jī)器里面的機(jī)構(gòu)已變得不重要了的想法是幼稚和不符合實(shí)際的。,§3-5工藝功能及其對(duì)應(yīng)的求解

17、思路,工藝類(lèi)機(jī)器是對(duì)被加工對(duì)象（某種物料）實(shí)施某種加工工藝的裝置，其中必定有一個(gè)工作頭（如機(jī)床刀具、挖掘機(jī)挖斗等），用這個(gè)工作頭去完成對(duì)工作對(duì)象的加工處理。一、工藝功能1．定義：1）工作頭和工作對(duì)象互相配合所實(shí)現(xiàn)的功能 2）以完成對(duì)對(duì)象物的加工為目的的功能2．兩個(gè)重要因素： 1）采用那種工藝方法 2）工作頭采用什么形狀和動(dòng)作——確定工作頭的形狀和動(dòng)作,3．特點(diǎn)：工作頭的形狀、

18、運(yùn)動(dòng)方式和作用場(chǎng)是完成工藝功能的三個(gè)重要因素分析：1）工藝方法不能完全模仿手工的工藝方法（如洗衣機(jī)） 2）工作頭對(duì)物體的作用有可能不是純機(jī)械的，而加入其他廣義的作用 3）比動(dòng)作功能更易改進(jìn)和革新（工作頭的變革可能性大）二、求解思路——物-場(chǎng)分析法（S-FIELD） 1.最小技術(shù)系統(tǒng)：主體（S1）、客體（S2）和場(chǎng)（F） 2.標(biāo)準(zhǔn)的S-FIELD模型 分析： 1

19、）S1—主體，是對(duì)客體發(fā)出作用的物體，也就是所說(shuō)的工作頭（或工具） 2）S2—客體，是被加工的物體，也就是工藝動(dòng)作的對(duì)象物體 3) F—場(chǎng)，不單指物理場(chǎng)，而是廣義的指S1向S2作用時(shí)發(fā)出的力、運(yùn)動(dòng)、光一切作用場(chǎng),3.求解的方法 1）F、S1搜索 例：構(gòu)思剪草機(jī)的工作原理 (1)S2：草 拉力：無(wú)法保證草地整齊 (2)選擇合適的F 割斷力：鐮刀、需要握住草的上部

20、 剪斷力：理發(fā)推子 (3)根據(jù)選用的力F為剪斷力，那么S1肯定是剪刀了 2）完善方法：針對(duì)原設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的缺少F或S1的情況，補(bǔ)全F或S1例：制造平板玻璃（p46） 原設(shè)計(jì)（垂直引上法），用S-FIELD分析后發(fā)現(xiàn)，S2在凝固前大部分時(shí)間內(nèi)缺少F和S1。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)（浮法）：讓液態(tài)玻璃飄浮在低熔點(diǎn)金屬的液面上。S1：低熔點(diǎn)合金的液面，F(xiàn)：表面張力,,3）增加：S1、S2和F，有時(shí)還應(yīng)

21、輔以S1’和F1’，才能實(shí)現(xiàn)更好的功能例：金屬切削過(guò)程：S2：鋼工件，S1：刀具，F(xiàn)：切削力加入S1’（切削液）——切削工藝過(guò)程更好，工件的表面粗糙度較低，切削速度提高。F’（分子吸附膜）——刀具和工件表面之間的摩擦得到改善，同時(shí)還起冷卻作用。 S-F模型的變型,4）變換：對(duì)已有功能解法中的S1和F進(jìn)行分析后，常常發(fā)現(xiàn)他們并非是不可替換的。有時(shí)通過(guò)變換可能產(chǎn)生意想不到的效果。 例：S1——尼龍線F

22、——高速抽打的抽擊力總結(jié)： 由于作為S1的工作頭和起媒介作用的F的變換是有很大自由度的，因此工藝功能是一種最具靈活性的功能,§3-6關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技術(shù)功能及其對(duì)應(yīng)的求解思路,一、關(guān)鍵技術(shù)功能1．關(guān)鍵技術(shù)的幾個(gè)因素1）材料：高強(qiáng)度、高耐磨性、特殊的潤(rùn)滑油、特殊輕質(zhì)材料、特殊的物理性能要求等(抽油煙機(jī)面板材料)2）制造工藝：高精度、小的表面粗糙度、高的熱處理要求3）設(shè)計(jì)：通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特殊的功能原理

23、，尤其是實(shí)現(xiàn)以前從未有人實(shí)現(xiàn)過(guò)的功能或是比別人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能更好的功能水平。2. 關(guān)鍵技術(shù)功能特點(diǎn)：由于特殊的工作條件（約束）或特殊的使用要求，用常規(guī)技術(shù)或已有技術(shù)難以達(dá)到的技術(shù)難點(diǎn)，或是別人目前尚難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)高度，總的來(lái)說(shuō)他的技術(shù)要求高，而解決的方法也往往是出奇制勝。 3．求解思路：技術(shù)矛盾分析法技術(shù)矛盾：約束條件和期望達(dá)到的較高要求，形成一對(duì)技術(shù)矛盾,由于空間的限制，只能用直徑僅Ø20mm左右的微型直流電動(dòng)機(jī)（額

24、定輸出n=5000r/min，M=0.3N.cm）。經(jīng)過(guò)減速比i1=900的降速后，驅(qū)動(dòng)一套連桿機(jī)構(gòu)，使手指得到約0.5rad/s的抓握運(yùn)動(dòng)速度。但是在這樣的運(yùn)動(dòng)速度下，指端的捏緊力只有5N左右。若使捏緊力達(dá)到50N，一般的方法是降速比增大10倍，手指的運(yùn)動(dòng)速度降低10倍。存在運(yùn)動(dòng)與力的矛盾。1)主要矛盾是電動(dòng)機(jī)體積和輸出力矩之間的矛盾。研制一種大力矩的微型電動(dòng)機(jī)就是一種求解的途徑。2）從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，若有足夠大的存儲(chǔ)能量的飛輪

25、，也可達(dá)到增大指端捏緊力的目的。,肌電控制假手（技術(shù)矛盾法舉例）,,二、綜合技術(shù)功能 非機(jī)械的方法獲得動(dòng)作，如飛機(jī)飛行（空氣動(dòng)力學(xué)原理）、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)(熱力學(xué)原理)等。1．特點(diǎn)：在某些特定的條件下，采用廣義物理效應(yīng)，有可能實(shí)現(xiàn)比純機(jī)械方法更好的動(dòng)作或工藝功能。顯然這里我們并不強(qiáng)調(diào)全部可以代替純機(jī)械功能，因?yàn)橛性S多場(chǎng)合純機(jī)械的動(dòng)作和工藝功能還是特別簡(jiǎn)單可靠的，沒(méi)有必要用更復(fù)雜的廣義物理效應(yīng)去代替。2．求解思路：物理效應(yīng)引入法

26、機(jī)電一體化、機(jī)械電子學(xué)等的就是引入微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)物，是物理效應(yīng)引入的成功例子。,物理效應(yīng)P51表3.1,,流體效應(yīng)：浮力、粘滯、射流效應(yīng)等,熱力學(xué)效應(yīng)：熱膨脹、熱輻射等,光聲效應(yīng)：波傳導(dǎo)、能量傳送、熱效應(yīng)、光吸收,電磁效應(yīng)：磁吸引力、靜電吸引、壓電效應(yīng)、電致伸縮,力學(xué)效應(yīng)：靜力學(xué)效應(yīng)、力平衡、摩擦等,其他效應(yīng)：如化學(xué)效應(yīng)及其他派生效應(yīng)（潤(rùn)滑油中加入添加劑可改變其特性）：,§3-7 功能原理設(shè)計(jì)的工作要點(diǎn)總結(jié),明

27、確所要設(shè)計(jì)的任務(wù)的功能目標(biāo)調(diào)查、分析已有的解法原理進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，尋求更合理的解法原理初步預(yù)想實(shí)用化的可能認(rèn)真進(jìn)行原理性試驗(yàn)評(píng)價(jià)、對(duì)比、決策（技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面）,第三章 復(fù)習(xí)總結(jié),1、功能原理設(shè)計(jì)的基本任務(wù)、內(nèi)容、設(shè)計(jì)步驟2、功能的概念3、黑箱法4、功能單元和功能結(jié)構(gòu)5、功能原理設(shè)計(jì)擬定的一般過(guò)程6、功能原理的分類(lèi)7、各種功能類(lèi)型及其對(duì)應(yīng)的求解思路,作業(yè),1。汽車(chē)舉升機(jī)原理方案設(shè)計(jì)。包括黑箱描述、功能分解圖、功能結(jié)構(gòu)