機械系統(tǒng)設計第二章機械系統(tǒng)總體設計產品設計明確任務要求功能分析搜尋解法方案綜合決策確定最佳原理解

功能面變形構形聯接變形材料變形定材料、尺寸最佳結構總裝配圖部件裝配圖零件圖設計任務書要求明細表評價評價試制各種技術文件原理圖總裝配圖零部件圖樣技術文件功能原理方案設計階段結構總體設計階段技術設計階段機械系統(tǒng)總體設計機械系統(tǒng)總體設計的內容：

1.機械系統(tǒng)功能原理設計;2.總體布局（各子系統(tǒng)如動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱和控制系統(tǒng)等之間的相互關系）;3.主要技術參數（如尺寸參數、運動參數和動力參數等）的確定;4.技術經濟分析等。

§2.1機械系統(tǒng)的功能原理設計一、功能的定義及其分類1.定義：功能是系統(tǒng)必須實現的任務，或者說是系統(tǒng)具有轉化能量、運動或其他物理量的特性。2.分類：功能附加功能必要功能非必要功能基本功能功能與產品產品是功能的實現形式，企業(yè)通過產品設計來滿足用戶的需要。整體功能功能部件元件功能元件功能元件元件部件產品功能部件元件功能元件功能元件元件部件…………自行車系統(tǒng)輸入輸出支架驅動變速控制轉向制動車輪轉動二、功能原理設計及特點功能原理設計:針對所設計產品的主要功能提出一些原理性的構思，亦即針對產品的主要功能進行原理性設計。功能原理方案設計的任務：針對某一確定的功能要求，去尋求一些物理效應并借助某些作用原理來求得一些實現功能目標的解法原理；或者說，功能原理設計的主要工作內容是：構思能實現功能目標的新的解法原理。二、功能原理設計及特點思路要廣闊，呈發(fā)散狀。功能原理設計特點：①由一種新的物理效應來代替舊的物理效應，使所設計系統(tǒng)的工作原理發(fā)生根本變化。②功能原理設計中往往要引入某種新技術、新材料、新工藝……，但首先要求設計人員有一種新想法、新構思。③功能原理設計使所設計的系統(tǒng)發(fā)生質的變化。

創(chuàng)新的思維是發(fā)散的。自行車系統(tǒng)輸入輸出支架驅動變速控制轉向制動車輪轉動待設計的技術系統(tǒng)（黑箱）輸入輸出黑箱法把技術系統(tǒng)看成一個黑箱，其輸入和輸出用信息流S、能量流E和物料流M來描述；輸出用相應的S′、E′、M′來描述。來自外界的影響對外界的影響通過“黑箱”與輸入、輸出量及周圍環(huán)境的信息聯系，了解系統(tǒng)（產品）的功能、特性，進一步探索出系統(tǒng)的機理和結構，逐步使“黑箱”透亮，直至方案擬定。

三、功能原理設計的設計方法—“黑箱法”“黑箱法”---根據系統(tǒng)的輸入、輸出關系來研究實現系統(tǒng)功能目標的一種方法，即根據系統(tǒng)的某種輸入及要求獲得某種輸出的功能要求，從中尋找出某種物理效應或原理來實現輸入—輸出之間的轉換，得到相應的解決辦法，從而推求出“黑箱”的功能結構，使“黑箱”逐漸變成“灰箱”、“白箱”的一種方法。黑箱白箱灰箱輸入輸出硬幣機功能分解一般的機械執(zhí)行系統(tǒng)都比較復雜，難以直接求得滿足總功能的原理解。如果利用系統(tǒng)工程分解的原理，將總功能進行分解，則可化繁為簡。如硬幣計數包卷機可分解為圖中所示的的7個分功能，各功能單元具有一定的獨立性。

硬幣機功能分解

1.硬幣堆放、輸送功能單元

2.硬幣排列、分選、挑殘功能單元

3-硬幣分選計數功能單元

4-硬幣堆碼、整理功能單元

5-送紙、撕紙功能單元

6-硬幣包卷功能單元

7-卷邊功能單元功能分解功能分解可表示為樹狀的功能結構，稱為功能樹。功能樹起于總功能，按分功能、二級分功能……分解，末端為功能元。功能元是可以直接求解的系統(tǒng)最小組成單元。

總功能分功能1分功能n二級分功能1二級分功能m功能樹…….1.功能元由于一個系統(tǒng)可以分解成一些子系統(tǒng)，所以，一個系統(tǒng)的總功能也能分解為一些分功能；如果有些分功能還太復雜，則還可以進一步分解到更低更層次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能單位為止，這個基本功能單位就叫功能元。功能元是能直接從技術效應（如物理效應、化學效應等）及邏輯關系中找到可以滿足功能要求的最小單位。機械設計中常用的基本功能元有物理功能元、數學功能元和邏輯功能元。四、功能元、功能結構（1）物理功能元物理功能元反映系統(tǒng)中能量流、物料流及信息流的基本物理動作。①“變換”功能元——包括各種類型能量之間的轉變、運動形式的轉變、材料性質的轉變、物態(tài)的轉變及信號種類的轉換等；②“放大、縮小”功能元——是指各種能量、信號向量（如力、速度）、物理量的放大和縮小及物料性質的縮放（如壓敏材料電阻隨外壓的變化等）；（1）物理功能元物理功能元反映系統(tǒng)中能量流、物料流及信息流的基本物理動作。③“合并、分離”功能元——是指包括能量流、物料流及同一性質或不同性質的信息流在數量上的結合或分離；④“傳導、絕緣”功能元——是反映能量流、物料流、信息流的位置變化的。⑤“貯存”功能元——是體現三大流在一定時間范圍內保存的功能，如彈簧、電池、錄音帶、光盤等的貯存。（2）數學功能元主要用于機械系統(tǒng)中有一些與數學的加、減、乘、除等有關的功能要求，如差動輪系、求積儀、機械式計算機等。（3）邏輯功能元主要用于信息及控制系統(tǒng)中，基本的邏輯功能元有“與”、“或”、“非”元。3.建立功能結構圖的流程技術過程結構確定系統(tǒng)的總功能劃分分功能及功能元（功能分解）建立功能結構圖功能結構圖評比最優(yōu)功能結構圖材料拉伸試驗機的功能結構圖力－變形測量試件夾持和松開夾頭移動信號獲取信號放大力顯示信號獲取信號放大變形顯示開機停機自動停機試件拉伸力測量變形測量動作控制五、功能元（分功能）求解功能元求解——是尋找或創(chuàng)造實現總功能或分功能的載體，完成功能元要求的運動指標。功能元的求解方法主要有：①參考有關資料、專刊或產品求解法；②利用各種創(chuàng)造性方法以開闊思想去探討求解法；③利用設計目錄求解法。設計目錄—是把實現某種功能元的各種原理和結構綜合在一起的一種表格或分類資料。六、系統(tǒng)原理方案的綜合把各種功能元的局部解合理地予以組合，就可以得到一個系統(tǒng)的多個原理解。組合的方法可以采用形態(tài)矩陣法。形態(tài)矩陣法是把系統(tǒng)功能元和其所對應的各個解分別作為縱、橫坐標，列出“功能求解矩陣”，然后從每個功能元中取出一個對應解進行有機組合，以構成一個系統(tǒng)解的方法。1.形態(tài)矩陣的組成形態(tài)學矩陣是表達方案綜合的一種較為清晰的形式。由每個分功能解中挑選一個解，經過組合可以形成一個包括全部分功能的整體方案。理論上，可以組成整體方案的數量，為各行解法個數的連乘積。形態(tài)學矩陣分功能可能的解法123…ijkAA1A2A3…AiBB1B2B3……Bj┇┇┇┇┇NN1N2N3………Nk六、系統(tǒng)原理方案的綜合把各種功能元的局部解合理地予以組合，就可以得到一個系統(tǒng)的多個原理解。組合的方法可以采用形態(tài)矩陣法。形態(tài)矩陣法是把系統(tǒng)功能元和其所對應的各個解分別作為縱、橫坐標，列出“功能求解矩陣”，然后從每個功能元中取出一個對應解進行有機組合，以構成一個系統(tǒng)解的方法。1、相容性矩陣為了便于檢驗和了解有聯系的分功能（功能元）之間的相容性，可以列出相容性矩陣。2、選擇表對于復雜的問題，從模幅箱中篩選有價值的組合方案，可以采用選擇表。2.形態(tài)學矩陣的要點⑴盡可能多列分功能解法。對復雜機械，先建立各分功能的形態(tài)學矩陣，分別考慮局部方案，再綜合為總體方案。⑵相容性。分功能解法之間必須相容，否則不能組合。審核其物理學原理上的相容性和動力性能的匹配性。⑶舍棄明顯不合理的解法。檢驗其技術的可行性、經濟性、運動性能和尺寸的適宜性等方面。不滿足設計要求和約束條件的應舍棄，例：成本偏高、效率低、污染嚴重、不安全、加工困難。⑷優(yōu)先選用主要分功能的較好解法。由該解法出發(fā)，選擇與它相容的其它分功能解法。⑸特別注意防止按舊框框設計。要處理好繼承與創(chuàng)新的矛盾。

3.挖掘機的方案設計1）明確任務要求2）功能分析

①確定總功能：挖掘機的總功能為物料取移。挖掘機能量（力、速度）物料（裝車）信號能量（驅動）物料（待裝）信號挖掘機②總功能分解：3.挖掘機的方案設計3）各功能元解及形態(tài)學矩陣挖掘機的形態(tài)學矩陣

分功能可能的解法123456A(動力源)電動機汽油機柴油機蒸汽透平液動機氣動馬達B(移位傳動)齒輪傳動蝸桿傳動帶傳動鏈傳動液力耦合器C(移位)軌道及車輪輪胎履帶氣墊D(取物傳動)拉扦繩傳動氣缸傳動液壓缸傳動E(取放物)挖斗

抓斗鉗式斗挖掘機的方案設計4）方案組合

可能組合的方案數

N=6×5×4×4×3=1440

不同的組合（相容性矩陣與選擇表）可以得到不同的方案如：A3-B4-C3-D2-E1履帶式挖掘機

A5-B5-C2-D4-E2液壓輪胎式挖掘機

挖掘機的方案設計

通過形態(tài)學矩陣雖然可以得到許多方案，但不是所有的方案都具有實際意義，也不是所有的功能元解都能互相匹配和適應。因此，應首先根據不相容性和設計邊界條件的限制刪去不可行方案和明顯不理想的方案，選擇較好的幾個方案，然后通過綜合評價的方法進行比較、優(yōu)化，最后求得最佳方案。方法：