1、机械系统设计机械系统设计产产品品设设计计明确任务要求明确任务要求功能分析功能分析搜寻解法搜寻解法方案综合方案综合决策决策 确定最佳原理解确定最佳原理解 功能面变形功能面变形 构形构形 联接变形联接变形 材料变形材料变形定材料、尺寸定材料、尺寸最佳结构总装配图最佳结构总装配图部件装配图部件装配图零件图零件图设计任务书设计任务书要求明细表要求明细表评价评价评价评价试试 制制各种技术文件各种技术文件原理图原理图总装配图总装配图零部件图样零部件图样技术文件技术文件功能原理功能原理方案设计方案设计阶阶 段段结构总结构总体设计体设计阶段阶段技术设技术设计阶段计阶段 机械系统总体设计机械系统总体设计 机械系
2、统总体设计的内容：机械系统总体设计的内容： 1. 1.机械系统功能原理设计机械系统功能原理设计; ; 2. 2.总体布局（各子系统如动力系统、传动系统、总体布局（各子系统如动力系统、传动系统、执行系统、操纵和控制系统等之间的相互关系）执行系统、操纵和控制系统等之间的相互关系）; ; 3. 3. 主要技术参数（如尺寸参数、运动参数和动力主要技术参数（如尺寸参数、运动参数和动力参数等）的确定参数等）的确定; ; 4. 4.技术经济分析技术经济分析等。等。 机械系统总体设计机械系统总体设计p2.1 2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计p2.2 2.2 结构总体设计结构总体设计2.1
3、2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计一、功能的定义及其分类一、功能的定义及其分类1. 1.定义：定义：功能是系统必须实现的任务，或者说是系功能是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。2.2.分类：分类：功能功能附加功能附加功能必要功能必要功能非必要功能非必要功能基本功能基本功能功能与产品功能与产品p产品是功能的实现形式，企业通过产品设计来满产品是功能的实现形式，企业通过产品设计来满足用户的需要。足用户的需要。整体功能整体功能功能部件功能部件元件功能元件功能元件功能元件功能元件元件元件元件部件部件产品产品功能
4、部件功能部件元件功能元件功能元件功能元件功能元件元件元件元件部件部件自行车系统自行车系统输入输入输出输出支架支架驱动驱动变速变速控制控制转向转向制动制动车轮车轮转转动动结构式功能系统图实例结构式功能系统图实例自行车中轴系统中轴左右脚蹬链条飞轮滚珠车架车把前叉车座车闸系统衣 货 架车轴轴套辐条轮圈内胎前后轮系统外胎滚珠代步、载货传递力矩固定足蹬转变动力传递力矩单向传递力矩减少摩擦连接各部件、构成车体控制方向连接前轮承载乘员减低速度承载货物固定车轮与轴配合承受拉力支撑车胎保持气压承重、转动承受压力、摩擦减少摩擦自行车的结构与自行车的结构与结构式功能系统图结构式功能系统图二、功能原理设计及特点二、功
5、能原理设计及特点p功能原理设计功能原理设计:针对所设计产品的主要功能提出一针对所设计产品的主要功能提出一些些，亦即针对产品的主要功能进行，亦即针对产品的主要功能进行。p功能原理方案设计的任务功能原理方案设计的任务：针对某一确定的功能要：针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现功能目标的解法原理；得一些实现功能目标的解法原理； 或者说，功能原理设计的主要工作内容是：或者说，功能原理设计的主要工作内容是：。二、功能原理设计及特点二、功能原理设计及特点p思路要广阔，呈发散状。思路要广阔，呈发散状。http:/ 三、功能原理
6、设计的设计方法三、功能原理设计的设计方法“黑箱法黑箱法”p“黑箱法黑箱法”-暂时摒弃那些附加功能和非必要暂时摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能用较为抽象的形式（如输入量和输出量）加以表用较为抽象的形式（如输入量和输出量）加以表达。突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。达。突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。p“黑箱法黑箱法”是指只知道输入量和输出量而不知道其是指只知道输入量和输出量而不知道其内部结构的表述设计任务的一种模式。内部结构的表述设计任务的一种模式。自行车系统自行车系统输入输入输出输出支架支架驱动驱动变速变速控
7、制控制转向转向制动制动车轮车轮转转动动黑箱法黑箱法 p把技术系统看成一个黑箱，其输入和输出用信息流把技术系统看成一个黑箱，其输入和输出用信息流S S、能量流、能量流E E和物料流和物料流M M来描述；输出用相应的来描述；输出用相应的SS、EE、MM来描述。来描述。来自外界的影响来自外界的影响对外界的影响对外界的影响p通过通过“黑箱黑箱”与与输入、输出量及周输入、输出量及周围环境的信息联系，围环境的信息联系，了解系统（产品）了解系统（产品）的功能、特性，进的功能、特性，进一步探索出系统的一步探索出系统的机理和结构，逐步机理和结构，逐步使使“黑箱黑箱”透亮，透亮，直至方案拟定。直至方案拟定。三、功
8、能原理设计的设计方法三、功能原理设计的设计方法“黑箱法黑箱法”p“黑箱法黑箱法”-根据系统的输入、输出关系来研根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入寻找出某种物理效应或原理来实现输入输出之输出之间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱黑箱”的功能结构，使的功能结构，使“黑箱黑箱”逐渐变成逐渐变成“灰灰箱箱”、“白箱白箱”的一种方法。的一种方法。黑箱黑箱白箱白箱
9、灰箱灰箱输入输入输出输出例：硬币计数包卷机例：硬币计数包卷机 p一台硬币计数包卷机，它一台硬币计数包卷机，它的功能是用来整理、清点、的功能是用来整理、清点、计数，最后按一定的枚数计数，最后按一定的枚数将硬币用纸包卷起来或装将硬币用纸包卷起来或装入袋内。入袋内。p用黑箱法描述的硬币用黑箱法描述的硬币机的总功能。机的总功能。 硬币机功能分解硬币机功能分解p一般的机械执行系统都比较复杂，难以直接求得一般的机械执行系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的原理解。如果利用系统工程分解的满足总功能的原理解。如果利用系统工程分解的原理，将总功能进行分解，则可化繁为简。原理，将总功能进行分解，则可化繁为简。p
10、如硬币计数包卷机可分解为图中所示的的如硬币计数包卷机可分解为图中所示的的7 7个分个分功能，各功能单元具有一定的独立性。功能，各功能单元具有一定的独立性。 硬币机功能分解硬币机功能分解 1.1.硬币堆放、输送功能单元硬币堆放、输送功能单元 2.2.硬币排列、分选、挑残功硬币排列、分选、挑残功能单元能单元 3-3-硬币分选计数功能单元硬币分选计数功能单元 4-4-硬币堆码、整理功能单元硬币堆码、整理功能单元 5-5-送纸、撕纸功能单元送纸、撕纸功能单元 6-6-硬币包卷功能单元硬币包卷功能单元 7-7-卷边功能单元卷边功能单元 功能分解功能分解p功能分解功能分解可表示为树状的功能结构，称为可表示
11、为树状的功能结构，称为功能树。功能树起于总功能，按分功能、二级分功能功能树起于总功能，按分功能、二级分功能分分解，末端为功能元。解，末端为功能元。 总功能总功能分功能分功能1分功能分功能n二级分功能二级分功能1二级分功能二级分功能m功能树功能树.家用缝纫机的功能分解家用缝纫机的功能分解p如家用缝纫机的功能分解：家用缝纫机的总功能是缝制衣如家用缝纫机的功能分解：家用缝纫机的总功能是缝制衣物。要用多个分功能才能综合实现其总功能，具体分解如物。要用多个分功能才能综合实现其总功能，具体分解如下：下：1. 1.功能元功能元p由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个由于一个系统可以分解成一些子系统，所
12、以，一个系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低更层次功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低更层次的分功能，直到分解到最后的分功能，直到分解到最后为止，这个基本功能单位就叫为止，这个基本功能单位就叫功能元功能元。p功能元功能元是能直接从是能直接从技术效应技术效应（如物理效应、化学效（如物理效应、化学效应等）及应等）及逻辑关系逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小中找到可以满足功能要求的最小单位。单位。p机械设计中常用的基本功能元有机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学物理功能元、数学功能元和逻辑功能元功能
13、元和逻辑功能元。 四、功能元、功能结构四、功能元、功能结构 （1）物理功能元）物理功能元物理功能元物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的反映系统中能量流、物料流及信息流的基本物理动作。基本物理动作。“变换变换”功能元功能元包括各种类型能量之间的转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；转变及信号种类的转换等；“放大、缩小放大、缩小”功能元功能元是指各种能量、信号是指各种能量、信号向量（如力、速度）、物理量的放大和缩小及物向量（如力、速度）、物理量的放大和缩小及物料性质的缩放（如压敏材料电阻随外压的
14、变化料性质的缩放（如压敏材料电阻随外压的变化等）；等）；（1）物理功能元）物理功能元物理功能元物理功能元反映系统中能量流、物料流及信息流的基反映系统中能量流、物料流及信息流的基本物理动作。本物理动作。“合并、分离合并、分离”功能元功能元是指包括能量流、物料是指包括能量流、物料流及同一性质或不同性质的信息流在数量上的结流及同一性质或不同性质的信息流在数量上的结合或分离；合或分离；“传导、绝缘传导、绝缘”功能元功能元是反映能量流、物料流、是反映能量流、物料流、信息流的位置变化的。信息流的位置变化的。“贮存贮存”功能元功能元是体现三大流在一定时间范围是体现三大流在一定时间范围内保存的功能，如弹簧、电
15、池、录音带、光盘等内保存的功能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的贮存。的贮存。 （1）物理功能元）物理功能元（2 2）数学功能元）数学功能元主要用于机械系统中有一些与数学的主要用于机械系统中有一些与数学的加加、减减、乘乘、除除等有关的功能要求，如差动轮系、求积仪、机械式等有关的功能要求，如差动轮系、求积仪、机械式计算机等。计算机等。（3 3）逻辑功能元）逻辑功能元主要用于信息及控制系统中，基本的逻辑功能元有主要用于信息及控制系统中，基本的逻辑功能元有“与与”、“或或”、“非非”元。元。 2.功能结构功能结构将总功能分解成将总功能分解成，并相应找出实现各分功能，并相应找出实现各分功能的原理方案，从
16、而简化了实现总功能的原理构思。的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上层功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能层功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能要求。要求。又称链式结构，它表示各分功能之间又称链式结构，它表示各分功能之间是按顺序依次进行的。是按顺序依次进行的。其几个分功能处于并联关系，几个分其几个分功能处于并联关系，几个分功能同时起作用才能实现预期的功能。功能同时起作用才能实现预期的功能。又称环状结构，起反馈作用。又称环状结构，起反馈作用。F1F2F3F2F3F1F1F2F3在建立功能结构
17、图时应注意：在建立功能结构图时应注意：建立系统功能结构图的方法有两种：建立系统功能结构图的方法有两种： 一是从总功能出发来层层分解；一是从总功能出发来层层分解； 二是先建立输入、输出两端的分功能，再根据总功二是先建立输入、输出两端的分功能，再根据总功能要求将两端联接起来；能要求将两端联接起来；建立功能结构图时，应首选所列的建立功能结构图时，应首选所列的基本功能元基本功能元；功能结构图应尽可能简单，能找到相应的技术效功能结构图应尽可能简单，能找到相应的技术效应时就不要再继续分解下去了；应时就不要再继续分解下去了；要把原理方案构思同功能结构图的建立结合起来。要把原理方案构思同功能结构图的建立结合起
18、来。3.建立功能结构图的流程建立功能结构图的流程技术过程结构技术过程结构确定系统的总功能确定系统的总功能划分分功能及功能元（功能分解）划分分功能及功能元（功能分解）建立功能结构图建立功能结构图功能结构图评比功能结构图评比最优功能结构图最优功能结构图材料拉伸试验机的功能结构图材料拉伸试验机的功能结构图试件夹持和松开试件夹持和松开夹头移动夹头移动信号获取信号获取信号放大信号放大力显示力显示信号获取信号获取信号放大信号放大变形显示变形显示开机开机停机停机自动停机自动停机试件拉伸试件拉伸力测量力测量变形测量变形测量动作控制动作控制五、功能元（分功能）求解五、功能元（分功能）求解功能元求解功能元求解是是
19、寻找或创造实现总功能或分功能的寻找或创造实现总功能或分功能的载体，完成功能元要求的运动指标。载体，完成功能元要求的运动指标。功能元的功能元的求解方法求解方法主要有主要有： 参考有关资料、专刊或产品求解法；参考有关资料、专刊或产品求解法； 利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法； 利用设计目录求解法。利用设计目录求解法。是把实现某种功能元的各种原理和结是把实现某种功能元的各种原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。构综合在一起的一种表格或分类资料。六、系统原理方案的综合六、系统原理方案的综合 把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得把各种功能元的
20、局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。组合的方法可以采用到一个系统的多个原理解。组合的方法可以采用形形态矩阵法态矩阵法。 形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。构成一个系统解的方法。1. 形态矩阵的组成 形态学矩阵形态学矩阵是表达方案综合的一种较为清晰的形式。是表达方案综合的一种较为清晰的形式。 由每个分功能解中挑选一个解，经过组合可以形
21、成一由每个分功能解中挑选一个解，经过组合可以形成一个包括全部分功能的整体方案。理论上，可以组成整个包括全部分功能的整体方案。理论上，可以组成整体方案的数量，为体方案的数量，为。 形态学矩阵形态学矩阵分功能分功能可能的解法可能的解法1 12 23 3ijkA AA1A2A3A iB BB1B2B3B jN NN1N2N3Nk六、系统原理方案的综合六、系统原理方案的综合 把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。组合的方法可以采用统的多个原理解。组合的方法可以采用形态矩阵法形态矩阵法。形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和
22、其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。1、相容性矩阵、相容性矩阵 为了便于检验和了解有联系的分功能（功能元）之间的相容为了便于检验和了解有联系的分功能（功能元）之间的相容性，可以列出相容性矩阵。性，可以列出相容性矩阵。2、选择表、选择表 对于复杂的问题，从模幅箱中筛选有价值的组合方案，可对于复杂的问题，从模幅箱中筛选有价值的组合方案，可以采用选择表。以采用选择表。 2
23、.2.形态学矩阵的要点形态学矩阵的要点 尽可能多列尽可能多列分分功能解法。功能解法。对复杂机械，先建立各分功能对复杂机械，先建立各分功能的形态学矩阵，分别考虑局部方案，再综合为总体方案。的形态学矩阵，分别考虑局部方案，再综合为总体方案。 相容性。相容性。分功能解分功能解法法之间必须之间必须，否则不能组合。，否则不能组合。审核审核其其。 舍弃明显不合理的解法。舍弃明显不合理的解法。检验其检验其等方面。等方面。不满足设计要求和约束条不满足设计要求和约束条件的应舍弃，例：成本偏高、效率低、污染严重、不安全、件的应舍弃，例：成本偏高、效率低、污染严重、不安全、加工困难。加工困难。 优先选用优先选用的较
24、好解法。的较好解法。由该解法出发，选由该解法出发，选择与它相容的其它分功能解法。择与它相容的其它分功能解法。 特别注意防止按旧框框设计。特别注意防止按旧框框设计。要处理好继承与创新的要处理好继承与创新的矛盾。矛盾。 3.挖掘机的方案设计1）明确任务要求）明确任务要求2）功能分析）功能分析 确定总功能：确定总功能： 挖掘机的挖掘机的为为。 挖掘机挖掘机能量（力、速度）能量（力、速度）物料（装车）物料（装车）信号信号能量（驱动）能量（驱动）物料（待装物料（待装）信号信号挖掘机挖掘机总功能分解：总功能分解：3.挖掘机的方案设计3）各功能元解及形态学矩阵）各功能元解及形态学矩阵挖掘机的形态学矩阵挖掘机
25、的形态学矩阵 分功能分功能可能的解法可能的解法1 12 23 34 45 56 6A A( (动力源动力源) )电动机电动机汽油机汽油机柴油机柴油机蒸汽透平蒸汽透平液动机液动机气动马达气动马达B B( (移位传动移位传动) ) 齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动 带传动带传动链传动链传动液力耦合器液力耦合器C(C(移位移位) )轨道及车轮轨道及车轮轮轮 胎胎履履 带带气气 垫垫D(D(取物传动取物传动) ) 拉扦拉扦绳传动绳传动气缸传动气缸传动 液压缸传动液压缸传动E(E(取放物取放物) ) 挖斗挖斗 抓斗抓斗钳式斗钳式斗挖掘机的方案设计挖掘机的方案设计4）方案组合）方案组合可能组合的方案数可能
26、组合的方案数 N = 65443 = 1440不同的组合（相容性矩阵与选择表）可以得到不同的不同的组合（相容性矩阵与选择表）可以得到不同的方案如：方案如： A3-B4-C3-D2-E1 履带式挖掘机履带式挖掘机 A5-B5-C2-D4-E2 液压轮胎式挖掘机液压轮胎式挖掘机挖掘机的方案设计挖掘机的方案设计 通过形态学矩阵虽然可以得到许多方案，但不是通过形态学矩阵虽然可以得到许多方案，但不是所有的方案都具有实际意义，也不是所有的功能元所有的方案都具有实际意义，也不是所有的功能元解都能互相匹配和适应。因此，应首先根据解都能互相匹配和适应。因此，应首先根据删去不可行方案和明显不删去不可行方案和明显不
27、理想的方案，选择较好的几个方案，然后通过综合理想的方案，选择较好的几个方案，然后通过综合评价的方法进行比较、优化，最后求得最佳方案。评价的方法进行比较、优化，最后求得最佳方案。 方法：方法： 相容性矩阵相容性矩阵 选择表选择表 4.功能原理设计的步骤功能原理设计的步骤第一步：明确设计要求第一步：明确设计要求第二步：功能分析第二步：功能分析 总功能：建立黑箱模型总功能：建立黑箱模型 总功能分解总功能分解第三步：功能元求解第三步：功能元求解 第四步：功能元解的组合第四步：功能元解的组合第五步：评价与决策第五步：评价与决策:（评价表）（评价表） 总功能总功能功能元解功能元解功能原理方案功能原理方案最佳功能原理方案最佳功能原理方案明确任务明确任务黑箱法黑箱法功能树功能树创造法创造法形态学矩阵形态学矩阵评价法评价法功能元功能元习题与思考习题与思考 作业作业P59P59：2 2、3 3、4 4；
