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1、 功能分析设计法 重庆汽车学院 屈翔 Email: Tel 本讲教学目的本讲教学目的 1.了解如何明确设计任务 2.能应用功能分析设计法进行产品原理方案设计 1 明确设计任务 新产品开发中最困难的是首先确定需要什么样的产品。 需求可能由用户提出，也可能由设计、经营人员分析 得出。 “识别需求”是从“社会与技术发展的实在情景”出发， 寻求要解决的问题-问题定义。 应抓住问题的实质 如解决老鼠糟蹋粮食的问题： 常规方法：捕杀老鼠 创新方法：使粮食避免被糟蹋 坚固的粮仓 赶走老鼠-电猫 发现潜在的需求 如爱迪生研制电灯 1 明确设计任务 需求识别 加 工 快速原型制造快速原
2、型制造 建筑 分析新产品在技术上的先进性、适用性和可靠性分析新产品在技术上的先进性、适用性和可靠性 先进性先进性 是否处在国内外技术领域的前沿？是否处在国内外技术领域的前沿？ 适用性适用性 是否适应工作对象或服务对象的变换？是否适应工作对象或服务对象的变换？ 可靠性可靠性是否能在规定的条件下在规定的时间内完成规定是否能在规定的条件下在规定的时间内完成规定 功能？功能？ 1.2 调查研究 1.2.2 经济分析 1.2 调查研究 把经济目的与技术手段相结合，力把经济目的与技术手段相结合，力 求以最少的人力、物力和财力消耗得到求以最少的人力、物力和财力消耗得到 满意的功能，取得较好的经济效果。满意的
3、功能，取得较好的经济效果。 1.2.3 社会分析 1.2 调查研究 分析有关项目对社会和环境的影响包 括人文、法规、习惯、环境等等 一个人的物欲引起头脑发热，一个人的物欲引起头脑发热， 人类的物欲引起地球发热人类的物欲引起地球发热。 “我们不要过分陶醉于我们人类对自然 界的胜利，对于每一次这样的胜利，自然 界都对我们进行报复。” 1.2.3 社会分析 1.2 调查研究 美国1963年发展马赫数为3的超音速飞机,技术上可行，期望 销售500架，按400万美元架计算经济效益也很好，问题是对 社会和环境因素分析不足: 每小时消耗燃料1718吨 发热能影响局部小气候升高12度 冲击波带来的影响(噪音)
4、使人无法忍受 结果结果: :纽约市议会决定超音速客机不得在距市中心160公里以内 的地方起落, 1973年3月美国政府不得不作出决定，停止开发这 种超音速飞机。 1.2.3 社会分析 1.2 调查研究 绿色设计与绿色制造绿色设计与绿色制造 可持续发展可持续发展 “既满足当代人的需求，又不对子孙既满足当代人的需求，又不对子孙 后代满足其需要之能力构成危害的发展后代满足其需要之能力构成危害的发展” （from: from: 我们共同的未来我们共同的未来, ,世界环境与发展委员会世界环境与发展委员会WCEDWCED向联合国向联合国 第第4242届年会提交的研究报告）届年会提交的研究报告） 1.2 调
5、查研究 绿色设计（绿色设计（Green Design） 是指在产品及其生命周期全过程的设计中， 充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品 的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各 有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的 总体影响减少到最少。 （也称为面向环境的设计Design for Environment，DFE） 1.2 调查研究 绿色制造绿色制造 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效 率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、 制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品 生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资 源效率最高。 绿色制造是现代制造业的可持续发展模式。绿色制造是现
6、代制造业的可持续发展模式。 来源丰富 便于利用 便于回收 绿色原材料绿色能源 耗能省 环保性好 贮量丰富 可再生 绿色资源 绿色设计 绿色生产设备 绿色生产工艺 绿色物料 绿色生产环境 绿色生产过程 节省能源 节省物料 保护环境 便于回收利用 符合人机工程 绿色商品 3项内容绿色制造 2个过程 2个目标 物料转 化过程 产品生命 周期全过程 环境保护资源优化利用 绿色制造的体系结构 绿色制造系统的战略途径 资源利用率max 废弃资源min 绿色制造系统环境污染min 1.3 可行性报告 主要内容：主要内容： （1 1）从市场需求预测出发，论述该设计项目的必要性；）从市场需求预测出发，论述该设计
7、项目的必要性； （2 2）该产品目前国内外现状及水平；）该产品目前国内外现状及水平； （3 3）确定产品的技术规格、性能参数和约束条件；）确定产品的技术规格、性能参数和约束条件； （4 4）提出该产品的技术关键和解决途径；）提出该产品的技术关键和解决途径； （5 5）预期达到的技术、经济、社会效益；）预期达到的技术、经济、社会效益； （6 6）预算投资费用及项目进度、期限。）预算投资费用及项目进度、期限。 1.4 产品设计任务书 详细而明确，合理而又先进 详细：详细：尽可能列出全部设计要求尽可能列出全部设计要求 明确：明确：对设计要求尽可能定量化对设计要求尽可能定量化 合理：合理：对设计要求提
8、得适度对设计要求提得适度 先进：先进：各种指标具有先进性各种指标具有先进性 4.产品设计要求 l设计任务书是设计师进行产品设计的“路 标”，是产品鉴定和验收的依据，是解决设 计单位 和委托单位之间矛盾的准绳。 l设计要求视具体产品而定，有些产品可依据 国际标准、国家标准或专业标准，有些可通 过统计法、类比法、估算法、试验法来确定， 有些产品可通过直接计算得到。 l 产品设计要求可采用“要求明细表” 或逐条 叙述两种方式提出 1.4.2 产品设计要求 产品设计要求包括：产品设计要求包括： 产品功能要求产品功能要求 适应性要求适应性要求 性能要求性能要求 生产能力要求生产能力要求 制造工艺要求制造
9、工艺要求 可靠性要求可靠性要求 使用寿命要求使用寿命要求 降低成本要求降低成本要求 人机工程要求人机工程要求 安全性要求安全性要求 包装、运输要求包装、运输要求 设计任务书见教材设计任务书见教材P23P23 2 功能分析设计法 功能分析是方案设计的出发点，是产功能分析是方案设计的出发点，是产 品设计的第一道工序；品设计的第一道工序； 功能分析是从对机械结构的思考转为功能分析是从对机械结构的思考转为 对它的功能思考，从而做到不受现有对它的功能思考，从而做到不受现有 结构的束缚，以便形成新的设计构思，结构的束缚，以便形成新的设计构思， 提出创造性方案。提出创造性方案。 2.1 原理方案设计步骤与方
10、法 设计任务设计任务 求总功能求总功能 总功能分解总功能分解 寻求分功能解寻求分功能解 原理解组合原理解组合 评价与决策评价与决策 最佳原理方案最佳原理方案 黑箱法黑箱法 功能逐级分解功能逐级分解 创造性方法创造性方法 设计目录法设计目录法 调查分析法调查分析法 形态学矩阵法形态学矩阵法 各种评价方法各种评价方法 分分 析 析综综 合 合 评价评价 决策决策 2.2 2.2 功能的概念功能的概念 抽象地描述产品输入量和输出量之间的因果 关系，对具体产品来说，功能是指产品的效能、 用途和作用。 人们购置的是产品功能，人们使用的也是产 品功能。 如： 运输工具的功能是运物载客 电动机的功能是将电能
11、转换为机械能 减速器的功能是传递转矩，变换转速 机床的功能是把坯料变成零件等等。 功能分类 按功能的重要程度分 基本功能和辅助功能 按功能的性质分 使用功能和外观功能 按用户的需要分 必要功能和不必要功能 2. 3 确定总功能 2.3.1 设计问题适度抽象化设计问题适度抽象化 无需涉及具体解决方案就能清晰地掌握产品的基 本功能，把设计人员思维集中到关键问题上来。 抽象化的目的是为了确定产品的总功能。 如设计轴的支承， 抽象为:相对回转运动表面间传递力和转矩。 通过问题抽象化能扩大解的范围。 功能抽象举例一 功能表达解 法 螺旋加压螺旋丝杠 机械加压偏心机构 形成压力气动机构、液压机构 台钳的功
12、能表述对解法的影响台钳的功能表述对解法的影响 适度抽象化 功能抽象举例二 功能分析解 法 构 思 砸 壳 分离壳 与桃仁 砸：利用重力 夹：杠杆作用（核桃夹子） 压：螺旋压力机等 冲击：水力冲击 射击：将核桃作为“枪弹”射向硬靶 使壳变脆：易碎 把壳溶解： 外部加压 侧向思维 逆向思维 内部加压 钻孔：向壳内充气撑破外壳 整体加压：外压骤减，内压 撑破外壳（专利） 适度抽象化 取桃仁的功能描述取桃仁的功能描述 2. 3 确定总功能 利用对未知系统的外部观测， 分析该系统与环境之间的输入和输 出，通过输入和输出的转换关系确 定系统的功能、特性，进一步寻求 能实现该功能、特性所需具备的工 作原理与
13、内部结构，这种方法称为 黑箱法。 2.3.2 黑箱法 2. 3.2 黑箱法 黑箱法要求设计者不要首先从产品结构着手， 而应从系统的功能出发设计产品，这是一种设计 方法的转变。 黑箱法有利于抓住问题本质、扩大思路、摆 脱传统结构的旧框框，获得新颖的较高水平的设 计方案。 n1 T1 n2 T2 (n1n2,T1T2) 思考：下述技术系统的总功能 减速增矩（能量缩放）减速增矩（能量缩放） 减速机 黑箱法举例一 思考下述技术系统的总功能： 流体 能量 压力流体 泵 液体增压（物料与能量结合）液体增压（物料与能量结合） 黑箱法举例二 2.3 功能分析 系统的总功能可以分解为子功能(或称一级分 功能、二
14、级分功能.)，子功能再分解为功 能元(直接可找到解法的分功能)。 功能是有层次的，是能逐层分解的。功能是有层次的，是能逐层分解的。 功能分解可图示为树状结构 2.3.1 功能分解 F F1F2F3 F11F12F21F22F23F24F31F32 F221F222F223 功能分解示意图 2.3 功能分析 物理功能元物理功能元 逻辑功能元逻辑功能元 数学功能元数学功能元 物理功能元 物理功能元是反映系统中能量、物料、信号变化的物理 基本动作，常用的有: 变换变换-复原复原 各种类型能量之间的转变、运动型式的转变、材料性质的 转变、物态的转变及信号种类的转变等； 放大放大-缩小缩小 各种能量、信
15、号向量(力、速度等)或物理量的放大及缩 小，以及物料性质的缩放(如压敏材料电阻随外压力的变化)。 物理功能元(续) 连接连接-分离分离 能量、物料、信号同质或不同质数量上的结合。除物料之间 的合并分离外，流体与能量结合成压力流体(泵)的功能也属 此范围。 传导传导-绝缘绝缘 反映能量、物料、信号的位置变化。传导包括单向传导、变 向传导，绝缘包括离合器、开关、阀门等。 存贮存贮-提取提取 体现一定时间范围内保存的功能。如飞轮、弹簧、电池、电 容器，反映能量的贮存，录音带、磁鼓反映声音、信号的贮 存。 数学功能元 数学功能元反映数学的基本动作，如加 和减、乘和除、乘方和开方、积分和微分。 数学功能
16、元主要用于机械式的加减机构 和除法机构，如差动轮系、机械台式计算机、 求积仪等。 逻辑功能元 包括“与”、“或”、“非”三种逻 辑动作， 主要用于控制功能。 如一般的钥匙 3.3 功能结构图 功用 表达分功能之间的关系 形式 类似电气系统线路图、液压系统图 3.3.1 功能结构图的基本结构形式 串联结构 又称顺序结构，它 反映分功能之间的因果 关系或时间顺序关系 。 F1 F2 F3 串联结构 3.3.1 功能结构图的基本结构形式 并联结构 又称选择结构，几 个分功能作为手段共同 完成个目的，或同时 完成某些分功能后才能 继续执行下个分功能。 F1 F2 F3 （a） 条件 F1F2 （b）
17、是否 并联结构 3.3.1 功能结构图的基本结构形式 （续） 环形结构 又称循环结构， 输出反馈为输入的 结构为循环结构。 F1 F2 F3 （a） 条件 F1F2 是 否 （b） 环形结构 3.3.2 建立功能结构图的要求 建立功能结构图时应注意以下要求： 体现功能元或分功能之间的顺序关系 各分功能或功能元的划分及其排列要有一定的理 论依据(物理作用原理)或经验支持(以确保分功 能或功能元有明确解答) 不能漏掉必要的分功能或功能元，要保证得到预 期的结果 尽可能简单明了，但要便于实体解答方案的求取 3.3.3 功能结构图的变化 实现同一总功能的功能结构可有多种，改变功能结 构常可发展出新产品
18、。 功能结构图的变化途径 功能的进一步分解或重新组合。 顺序的改变。 分功能联接型式改变。 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。 3.3.4 建立功能结构图的步骤 通过技术过程分析，划定技术系统的边界， 确定总功能 划分分功能及功能元 建立功能结构图，一般应同时考虑几个不同 的功能结构 评价，选出最佳的功能结构方案 考虑：实现的可能性 复杂程度 是否易于获得解答方案 是否满足特定要求 技术过程结构 确定系统总功能 划分分功能及功能元（功能分解） 建立功能结构图 功能结构图评比 最优功能结构图 建立功能结构图的流程 2.4功能元(分功能)求解 分功能求解是原理
19、方案设计中重要 的“发散”、“搜索”阶段 分功求解即寻求完成分功能的技术 实体-功能载体 2.4功能元(分功能)求解 基本思路 “功能功能工作原理工作原理功能载体功能载体” 从工作原理(科学原理、技术原理)出发寻求解答， 包括基础研究的拓展、对技术经验或类比对象内在机 制的探索以及由已知工作原理出发构思新产品 。 工作原理 科学原理 设计人员应掌握广泛的科学原理， 了解科学的发展动态，善于运用各种形 式的知识库，如机电一体化、机构分类 学知识等等 思考:实现直线运动轨迹的机构的可能方案 工作原理 技术原理 技术原理是支配技术对象的特殊规律，即实现特定 技术目的的基本原理，是技术系统的软件部分。
20、 从技术经验中提炼成技术原理 如: 二次包络环面蜗杆传动（技术经验上升为理论) 非液体摩擦滑动轴承的条件性校验(尽管不能上升为理论) 塑料工业中，把粉状的原料加工成片状，就利用了“剪切 加热”这一由库仑定律转化而来的技术原理，即两圆辊表面线 速度不同，使流经其间的粉状原料加热熔化 工作原理 技术原理 由已有的技术原理形成新的技术原理 技术并不等同于科学，技术的发展有他的相对独立性，有些技术的产生是 在已有技术成果的基础上进行移植、综合和革新的结果。 如20世纪初爱因斯坦提出受激辐射理论奠定了激光技术理论基础，微波波谱学的成 果进而为激光应用提供了技术原理，60年代制成了激光器，现在激光的应用更
21、广泛： 高密度能量：加热(表面热处理)、熔化(焊接)、气化（切割) 相干性：测量 方向性：质量检验及地下工程中的准直性测量 2.4.2 功能表述 功能功能=条件条件*属性属性 含义：在不同的条件下利用不同的属性， 同一物体可完成不同的功能。 国外学者认为：“一切机械系统都是以能够满 足某一确定目标和功能的物理现象为基础的。一切 设计任务都可以说是物理信息同结构措施相结合的 产物”。 功能载体 功能载体是实现工作原理的技术实体 如美国阿拉斯加油田及人造卫星上应用的导热管 功能载体的属性 功能载体的属性 属性的种类： 物理化学属性：如导电性、绝原性等 运动特性：如机构的急回特性 几何特性：如齿廓形
22、状 力学特性：如材料的强度等 原理解法 德R柯勒教授，把实现分功能或功能元的 解，定义为“原理解法”，并且指出原理解法是 物理作用及作用件的函数： 原理解法原理解法=f(物理作用，作用件物理作用，作用件) 也就是说，功能元的原理解法是通过物理作 用和作用件确定的。 寻找实现各个分功能的物理作用，就是求得 功能元的原理解。 如齿轮在不同条件下的不同功用。 功能载体的材料选择 材料 材料不但提供不同属性，还提供不同工作原理或 改变产品结构 新型材料提供新的工作原理，如根据压电效应原 理制成的压电陶瓷，实现了机械能与电能的直接转换 新型材料的应用可能改变产品原有结构，如陶瓷 内燃机，无冷却系统 材料
23、不同，可能影响产品的制造工艺，如析出硬化 钢的应用 2.4.3 知识库 建立知识库的目的： 向设计人员提供检索资料 知识库的内容： 包括科学原理和功能载体资料 知识库的形式： *物理效应与现象库 *设计目录 2.4.4功能元(分功能)求解 由于变异 (Variation)和综合（Synthesis)在 实际设计工作中很难划分明确的界限，因此把它统 称为求解的组合方法求解的组合方法。 其基本操作如下： 检索与选择 设计者首先对现有的工作原理、 功能载体进行信息检索与选择。 按从属关系检索与选择按从属关系检索与选择 按事物的从属关系进行检 索与选择，可以有效地利用已 有知识，高效率地获得解答。 例
24、如联接件按锁合原理不 同其从属关系如右图所示： 联 接 形锁合（平键、 开口销 材料 锁合 力锁合 有附加材料 直接力锁合 摩擦力锁合 无附加材料 检索与选择 按类同对应关系检索与选择按类同对应关系检索与选择 不考虑事物在学科分类上的从属关系， 只要发现事物属性有类同对应关系，即可 作为原型，探求工作原理，改变条件加以 应用。 如：“闪光的都是金子” 新型割草机的构思：“杂技演员用鞭子抽 报纸”与“高速旋转的尼龙线修剪草地”。 变异操作方法: 扩大与缩小 表达式：M=kMM=kM 式中：M为包括几何要素在内的参数， k为变换系数。 最初的汽车轮胎比现在小得多，缓冲力很小，约 半个世纪前一位轮胎
25、商制造大轮胎，迅速得到普及， 成为标准轮胎。 向微型、一次性使用方向发展如纸片香皂、手指 拉力器等。 变异操作方法: 增加与减少 表达式： M Mn n 对某一主体M增加或减去一部分,被减去的部 分不再是系统的组成部分。 M+nM+n 如磁性保温杯、尾部有纸带的笔、塑料瓶带挂钩等。 M-n 产品减去一部分以改善性能，或实现特定功能。 变异操作方法:组合与分解 表达式：M MN N 组合与分解所处理的诸要素M、N.大体上 是平等的，分解后的要素仍然是系统的组成部分。 组合 电动机十制动器-锥形电动机， 混凝土搅拌器+卡车-混凝土搅拌车， 普通改锥口+十字改锥口-通用螺钉， 变异操作方法:组合与分
26、解 分解 橡胶油封与转动轴接触的部分要求耐磨而使用较 贵的耐磨橡胶，而与固定机座接触的部分则不必使 用同一种材料。一些较大的油封已改用两种材料。 以CA6140的卸荷装置使拉力由机座承受，轴只 传递扭矩。 不但产品、材料可以组合、分解，还可 以把技术方法与多种产品进行组合。 折叠法+产品：如折叠刀、折叠书挡、折叠闹钟、 折叠望远镜、折叠衣架、折叠椅、折叠自行车、折 叠箱、折叠飞机、折叠手推车、折叠锹等 变异操作方法:逆反 表达式: MNNM或M 即非M)。 逆反操作是改变要素间的位置、层次等关 系，或将某要素改变为相反的要素 刀具固定，工件旋转-车床 刀具旋转，工件固定-镗床 烧瓷砖变形，不改
27、变窑的结构，而改变瓷砖的配方 圆珠笔磨损后漏油的解决方法 M 变异操作方法:置换 表达式： MN+QMQ+N 如：输送钢球的管道，由于钢球的撞击，拐弯部分的管 道磨损较快。如在弯头外部安放吸力适当的磁铁吸住管内钢 球，使钢球代替弯头承受撞击，但吸力又不过大，使钢球不 断更换。 2.4.3 变体分析 变体分析的含义 着重从不同工作原理建立的技术模型出发是对零 件、机构、产品的发展变化进行系统地分析。这是一 种动态分析方法。 变体分析的目的 将零件、机构、产品的演化过程，按一定原则分 类排列，用以总结变化规律，找出进一步发展的方向 ，并可以发现空白点，及时设计新产品来填补空白。 变体分析图的基本形式 科技原理 开发型产品 有较大突破的产品 改良型产品 2.5 原理方案综合 原理方案综合就是把分功能解法 合成为一个整体以实现总功能的过程。 2.5.1 形态学矩阵 123ijk AA1A2A3Ai BB1B2B3Bj CC1C2C3Ck 可 能 的 解 法 分功能 从理论上 讲，可以 组成的整 体方案的 数量，为 各行解法 个数的连 乘积。 2.5.2 形态学矩阵举例 1234 设计参数 可 能 的 解 答 A B C 墨库 装填机构 笔尖墨液 输
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