第二章 机械产品的功能原理设计

1、1第二章第二章 机械产品的功能原理设计机械产品的功能原理设计 1 1、功能原理设计概念：、功能原理设计概念： 2 2、功能原理设计重点：在于提出创新构思，、功能原理设计重点：在于提出创新构思，使思维尽量使思维尽量“发散发散”，力求提出较多的解法供，力求提出较多的解法供比较选优。比较选优。2设计一台点设计一台点抄机：抄机：首先构思将首先构思将钞票逐张分钞票逐张分离的工作原离的工作原理。理。图图3-1为构思为构思示意图示意图33 3、作用作用：功能原理设计是对产品的成败起功能原理设计是对产品的成败起决定性作用的工作。决定性作用的工作。 4 4、任何一种机器的更新换代都存在三个途任何一种机器的更新换

2、代都存在三个途径径: :一是改革工作原理一是改革工作原理；二是通过改进工艺、结构和材料提高技术二是通过改进工艺、结构和材料提高技术性能性能；三是加强辅助功能使其更适应使用者的心三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。理。 4第一节第一节 功能原理设计的工作特点和工作内容功能原理设计的工作特点和工作内容 一、功能原理设计的工作特点一、功能原理设计的工作特点 1) 1) 是用一种新的物理效应来代替旧的物理效是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。 2) 2) 引入某种新技术引入某种新技术( (新材料、新工艺、新材料、新

3、工艺、)，但首先要求设计人员有一种新想法但首先要求设计人员有一种新想法(New Idea)(New Idea)、新构思。新构思。53)3)功能原理设计使机器品质发生质的变化。功能原理设计使机器品质发生质的变化。例如，机械表不论在技术上如何改进，其走时例如，机械表不论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。电波表的出现：电波表的出现：当然，在实践中，每一个功能原理设计不一定当然，在实践中，每一个功能原理设计不一定都能体现上述三个都能体现上述三个特特点，而能体现这三个特点点，而能体现这三个特点的，则应该是高品位的功能原理设计。的，则应该是

4、高品位的功能原理设计。6二、功能原理设计的任务和主要工作内容二、功能原理设计的任务和主要工作内容 任务：任务：针对某一确定的针对某一确定的“功能目标功能目标”寻求一些寻求一些“物物理效应理效应”并借助某些并借助某些“作用原理作用原理”来求得一些来求得一些实现该功能目标的实现该功能目标的“解法原理解法原理”。主要工作内容：主要工作内容：是构思能实现功能目标的新的解法原理。是构思能实现功能目标的新的解法原理。举例：举例：喷墨打印技术喷墨打印技术 78910第二节第二节 功能、功能单元和功能结构功能、功能单元和功能结构 一、机器的功能组成一、机器的功能组成 一台机器完成的功能通常称为总功能，一台机器

5、完成的功能通常称为总功能， 机器的总功能由多个分功能（功能单元）组成机器的总功能由多个分功能（功能单元）组成，而每个分功能都有相应的功能载体。分功能，而每个分功能都有相应的功能载体。分功能载体应由原动机，传动机构、工作头或执行机载体应由原动机，传动机构、工作头或执行机构、控制器等组成。构、控制器等组成。有的分功能与其他分有的分功能与其他分功能也可共用一个原功能也可共用一个原动力或传动机构。机动力或传动机构。机器的功能组成如图所器的功能组成如图所示。示。 11二、二、 机械功能分析方法（机械的功能、功能元和功能机械功能分析方法（机械的功能、功能元和功能结构）结构）1、功能的含义、功能的含义功能是

6、对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描功能是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述，它和人们常用的述，它和人们常用的“功用功用”、“用途用途”、“性能性能”、“能力能力”等概念既有联系又有区别。例如：等概念既有联系又有区别。例如：12洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来 。功能的定义：是指某一机器功能的定义：是指某一机器( (或装置或装置) )所具有的转所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。化能量、运动或其它物理量的特性。系统工程学把一个机械产品看成技术系统，在设系统工程学把一个机械产品看成技术系统，在设计初期时该技术系统还不清楚，故用

7、计初期时该技术系统还不清楚，故用“黑箱黑箱”来来描述功能：把信息流、能量流、物料流输入描述功能：把信息流、能量流、物料流输入“黑黑箱箱”，在，在“黑箱黑箱”中转换成新的信息流、能量流、中转换成新的信息流、能量流、物料流，然后输送出来，如图物料流，然后输送出来，如图36所示。所示。系统工程学对功能的定义：是一个技术系统在以系统工程学对功能的定义：是一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间的相互转换的关系。的相互转换的关系。13 设计者的任务就是使设计者的任务就是使“黑箱黑箱”变成变成“白箱白箱”这个技术系统就设计出来了，获得了一个完美这

8、个技术系统就设计出来了，获得了一个完美的机械产品，实现了预定的功能。的机械产品，实现了预定的功能。14 图图37所示是一台硬币计数包卷机的外观，所示是一台硬币计数包卷机的外观，它用来整理、清点、计数，最后按它用来整理、清点、计数，最后按50枚一卷将枚一卷将硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不包卷。图包卷。图38所示是用黑箱法描述的硬币机的所示是用黑箱法描述的硬币机的总功能。总功能。 这种黑箱只是描述了从系统外部观察到的这种黑箱只是描述了从系统外部观察到的“功能特点功能特点”，而黑箱的内部结构是未知的，而黑箱的内部结构是未知的，是需要设计师去进行具体构

9、思和设计的。是需要设计师去进行具体构思和设计的。15硬币计数包卷机功能分解图硬币计数包卷机功能分解图硬币计数包卷机外形图硬币计数包卷机外形图16总之：总之： 任何技术系统都可以视为任何技术系统都可以视为3 3种流的处理系统，即能种流的处理系统，即能量流、物料流和信息流。作为输入的能量流，可以是机量流、物料流和信息流。作为输入的能量流，可以是机械能、热能、电能、化学能、光能、核能等能量流，也械能、热能、电能、化学能、光能、核能等能量流，也可以是它的某一具体分量，如力流、扭矩流、电流等等。可以是它的某一具体分量，如力流、扭矩流、电流等等。例如，作为一个技术系统，内燃机的功能是将输入燃料例如，作为一

10、个技术系统，内燃机的功能是将输入燃料的化学能流转换为机械能流，核电站的功能是将核能流的化学能流转换为机械能流，核电站的功能是将核能流转换为电能流。转换为电能流。 作为输入的物质流，可以是气体、液体或各种形式作为输入的物质流，可以是气体、液体或各种形式的固体，如毛坯、原材料、半成品零件、部件、成品等，的固体，如毛坯、原材料、半成品零件、部件、成品等，也可能是粉半、磨屑、泥沙之类待处理物。机械技术系也可能是粉半、磨屑、泥沙之类待处理物。机械技术系统将对它们实行结合、分离、移动、气相转液相之类相统将对它们实行结合、分离、移动、气相转液相之类相的变化，以及各相之间的混合等转化。如机床实现多余的变化，以

11、及各相之间的混合等转化。如机床实现多余物料从工件上分离，输送带实现物料的搬运等。物料从工件上分离，输送带实现物料的搬运等。17 作为输入的信息流，可以是各种测量值、输入指作为输入的信息流，可以是各种测量值、输入指令、数据、图像等；信息的载体可以是机械量、电令、数据、图像等；信息的载体可以是机械量、电量、化学量等；信息的形式可以是模拟量，也可以量、化学量等；信息的形式可以是模拟量，也可以是数字量。技术系统将对信息流作加工、处理或转是数字量。技术系统将对信息流作加工、处理或转换。如凸轮机械具有将转动量信息转化为直线运动换。如凸轮机械具有将转动量信息转化为直线运动量信息的功能，计算机能做数据处理，量

12、信息的功能，计算机能做数据处理，ADAD转换器能转换器能将模拟量转换为数字量信息，数字式电视机能将接将模拟量转换为数字量信息，数字式电视机能将接收到的数字信息转化为图像信息。收到的数字信息转化为图像信息。 对于一个技术系统有时三流并存，如现代的加工对于一个技术系统有时三流并存，如现代的加工中心和自动生产线，有时只存在能量流与信息流，中心和自动生产线，有时只存在能量流与信息流，如电视机。系统在完成功能的过程中，外界将向它如电视机。系统在完成功能的过程中，外界将向它输入各种制约和干扰，同时系统也将对外界输出干输入各种制约和干扰，同时系统也将对外界输出干扰和影响，如振动、噪声、化学排放、热量、废弃扰

13、和影响，如振动、噪声、化学排放、热量、废弃物等。物等。182 2功能单元功能单元 一般技术系统都较为复杂，直接求总功能的一般技术系统都较为复杂，直接求总功能的解比较困难，可对总功能进行分解，分解成较解比较困难，可对总功能进行分解，分解成较为简单的为简单的“功能单元功能单元”。这样的功能单元具有。这样的功能单元具有一定的独立性，是直接求解的功能单元也可一定的独立性，是直接求解的功能单元也可称为称为“功能元功能元”。 直接实现总功能的各分功能称为一阶分功直接实现总功能的各分功能称为一阶分功能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能，并以此类推。分解到末端的为功

14、能元，如下，并以此类推。分解到末端的为功能元，如下图中的夹持试件、夹头、移动等。图中的夹持试件、夹头、移动等。 19例如：对材例如：对材料拉伸试验料拉伸试验机的功能分机的功能分解图可用图解图可用图示的形式表示的形式表示。示。拉伸试验机的功能分解图拉伸试验机的功能分解图20冰箱功能分解图冰箱功能分解图213 3功能结构功能结构 功能结构图：用来表示各分功能结构图：用来表示各分功能之间关系的框图。功能之间关系的框图。由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图。由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图。这样一个过程，称为这样一个过程，称为”功能分析功能分析”，也可称为，也可称为“系统分析系统分析”。

15、从上述材料拉伸试验机采用的力从上述材料拉伸试验机采用的力变形关系测变形关系测量的例子中：总功能量的例子中：总功能( (力力变形关系测量变形关系测量) )可分可分解为四个分功能解为四个分功能( (试件拉伸、力测量、变形测量、试件拉伸、力测量、变形测量、控制信息控制信息) )，每个分功能再分解，直至功能元。，每个分功能再分解，直至功能元。将各分功能将各分功能( (或功能元或功能元) )组合时有三种基本结构组合时有三种基本结构形式，如图所示。图中形式，如图所示。图中F1F1，F2F2和和F3F3为分功能。为分功能。22(1)串联：各串联：各分功能按顺分功能按顺序相继作用；序相继作用；(2)并联：各并

16、联：各分功能并列分功能并列作用；作用；(3)回路：各回路：各分功能组成分功能组成环状循环回环状循环回路，体现反路，体现反馈作用。馈作用。 23 从以上分析可以画出材料拉伸试验机的从以上分析可以画出材料拉伸试验机的功能结构图。上图表示是用功能结构图。上图表示是用“黑箱黑箱”描述描述材料拉伸试验机的总功能。下图表示材料材料拉伸试验机的总功能。下图表示材料拉伸试验机功能拉伸试验机功能(一阶一阶)结构图。结构图。 2425下图表示材料拉伸试验机功能下图表示材料拉伸试验机功能(二阶二阶)结构图。结构图。26总之，总之，“功能结构功能结构”图是用来表示各分功能之间关系的图是用来表示各分功能之间关系的框图，

17、它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联框图，它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联系与配合。系与配合。27第三节第三节 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计功能原理设计是产品设计的最初环节，对主要功能原理设计是产品设计的最初环节，对主要功能提出原理构思。任何一个产品的新颖性、功能提出原理构思。任何一个产品的新颖性、先进性都取决于这个阶段。如包糖果，过去人先进性都取决于这个阶段。如包糖果，过去人们总是设计构思机械手，模仿人的手包糖果，们总是设计构思机械手，模仿人的手包糖果，机构复杂，实现困难；从功能出发，糖果包装机构复杂，实现困难；从功能出发，糖果包装有两个目的，一是防止糖果受污

18、染，二是增加有两个目的，一是防止糖果受污染，二是增加美的功能。新式袋装包糖果机的问世采用了美的功能。新式袋装包糖果机的问世采用了光电控制，使两个功能均能实现而防污染能力光电控制，使两个功能均能实现而防污染能力也更强了，但机器结构却很简单。所以说，一也更强了，但机器结构却很简单。所以说，一个好的功能原理设计应具备两个条件，既有创个好的功能原理设计应具备两个条件，既有创新构思，又有市场竞争潜力。新构思，又有市场竞争潜力。28一、任何一种机器的更新换代都有三个途径：一、任何一种机器的更新换代都有三个途径：1 1、改革工作原理、改革工作原理 例如用激光打孔机替代机械钻，使一些精密仪器、例如用激光打孔机

19、替代机械钻，使一些精密仪器、仪表的精度得到很大的提高。常用创新原理有：仪表的精度得到很大的提高。常用创新原理有：1 1）综合创新原理）综合创新原理综合创新原理是指将研究对象的各个部分、各个方综合创新原理是指将研究对象的各个部分、各个方面和各种因素联系起来加以考虑，从整体上把握事面和各种因素联系起来加以考虑，从整体上把握事物的本质和规律的一种思维法则。物的本质和规律的一种思维法则。29例如，普通的例如，普通的x x光机和计算机，都无法对人的脑内病光机和计算机，都无法对人的脑内病变作出诊断。豪斯菲尔德将二者综合，设计出变作出诊断。豪斯菲尔德将二者综合，设计出CTCT扫扫描仪，使诊断难题出现新的求解

20、希望。人们应用新描仪，使诊断难题出现新的求解希望。人们应用新仪器获得了许多前所未有的研究成果，促使医学有仪器获得了许多前所未有的研究成果，促使医学有了长足的发展。了长足的发展。CTCT扫描仪的创新设计，是扫描仪的创新设计，是2020世纪医世纪医学领域的一项重大创新成果。学领域的一项重大创新成果。2 2）分离创新原理）分离创新原理分离创新原理是把某一创造对象进行科学的分解或分离创新原理是把某一创造对象进行科学的分解或离散，使主要问题从复杂现象中暴露出来，从而理离散，使主要问题从复杂现象中暴露出来，从而理清创造者的思路，以便抓住主要矛盾或寻求某种设清创造者的思路，以便抓住主要矛盾或寻求某种设计特色

21、。计特色。30 例如，早期电冰箱都是上例如，早期电冰箱都是上“冷冷”下下“热热”，即冷冻室，即冷冻室在上，冷藏室在下。而万宝电器集团公司在开发新产品在上，冷藏室在下。而万宝电器集团公司在开发新产品时，对电冰箱进行分离创造，开发出冷藏室在上、冷冻时，对电冰箱进行分离创造，开发出冷藏室在上、冷冻室在下的上室在下的上“热热”下下“冷冷”式电冰箱。这种电冰箱具有式电冰箱。这种电冰箱具有三方面的优点：其一，增加了用户使用的方便性。电冰三方面的优点：其一，增加了用户使用的方便性。电冰箱在实际使用中更多的还是往冷藏室存贮食物，冷藏室箱在实际使用中更多的还是往冷藏室存贮食物，冷藏室在下时存取东西，需要弯腰，非

22、常令人不舒服；其二，在下时存取东西，需要弯腰，非常令人不舒服；其二，冷冻室在下面，化霜水不再对冷藏室内的东西造成污染：冷冻室在下面，化霜水不再对冷藏室内的东西造成污染：其三，冷冻室下置方案利用了冷气下沉的特点，使负载其三，冷冻室下置方案利用了冷气下沉的特点，使负载温度回升时间比一般冰箱延长温度回升时间比一般冰箱延长1 1倍，减少耗电，节约能倍，减少耗电，节约能源。源。 313 3）移植创新原理）移植创新原理 移植创新是指吸取、借用某一领域的科学技术成移植创新是指吸取、借用某一领域的科学技术成果，引用或渗透到其他领域，以变革或改进已有事果，引用或渗透到其他领域，以变革或改进已有事物或开发新产品。

23、物或开发新产品。 例如，常见的机床导轨为滑动摩擦导轨。人们在例如，常见的机床导轨为滑动摩擦导轨。人们在摩擦面间放置磙子，设计出滚动摩擦导轨。与普通摩擦面间放置磙子，设计出滚动摩擦导轨。与普通滑动导轨相比，滚动导转具有运动灵敏度高、定位滑动导轨相比，滚动导转具有运动灵敏度高、定位精度高、牵引力小、润滑系统简单、维修方便精度高、牵引力小、润滑系统简单、维修方便( (只需只需更换滚动体更换滚动体) )等优点。从创新设计原理上看，可以认等优点。从创新设计原理上看，可以认为这种新型导轨是推力滚子轴承结构方式的一种移为这种新型导轨是推力滚子轴承结构方式的一种移植。植。 324 4）物场分析原理）物场分析原

24、理 所谓物场，是指物质与物质之间相互作用和相互影所谓物场，是指物质与物质之间相互作用和相互影响的一种联系。世界上的物体本身是不能实现某种作响的一种联系。世界上的物体本身是不能实现某种作用的，只有同某种用的，只有同某种“场场”发生联系后才会产生对另一发生联系后才会产生对另一物体的作用或承受相应的反作用。就科学领域来说，物体的作用或承受相应的反作用。就科学领域来说，温度场、机械场、声场、引力场、磁场、电场等等，温度场、机械场、声场、引力场、磁场、电场等等，是物场的具体存在形式。构成一个物场需要三个要素：是物场的具体存在形式。构成一个物场需要三个要素：两个物质和一个场。物场分析的基本内容是使物场三两

25、个物质和一个场。物场分析的基本内容是使物场三要素之间的相互作用更为有效，功能更加完整和可靠。要素之间的相互作用更为有效，功能更加完整和可靠。 33例如，确定冷冻机密封检测方案的。如家用电冰箱例如，确定冷冻机密封检测方案的。如家用电冰箱中的冷冻机充满着氟利昂和润滑油，如果密封不良，中的冷冻机充满着氟利昂和润滑油，如果密封不良，氟利昂和润滑油都会外漏。根据物场形式进行分析，氟利昂和润滑油都会外漏。根据物场形式进行分析，在其检测体系中，在其检测体系中，“润滑油润滑油”、“氟利昂氟利昂”是物质，是物质，但相互之间与场没有构成完整的物场。因此，可将但相互之间与场没有构成完整的物场。因此，可将这个体系补建

26、成非人工检测泄漏的完全物场体系。这个体系补建成非人工检测泄漏的完全物场体系。具体方法是，将掺有荧光粉的润滑油注入冷冻机，具体方法是，将掺有荧光粉的润滑油注入冷冻机，在暗室里用紫外光照射冷冻机，由于密封不严处渗在暗室里用紫外光照射冷冻机，由于密封不严处渗漏出的润滑油中的荧光粉会发光，由此可确定泄漏漏出的润滑油中的荧光粉会发光，由此可确定泄漏部位。部位。345 5）还原创新原理）还原创新原理 还原创新原理是指创造者回到驱使人们创造的最基还原创新原理是指创造者回到驱使人们创造的最基本的出发点或归宿，进行创新思考的一种创造模式。本的出发点或归宿，进行创新思考的一种创造模式。 例如，设计新型电风扇，无论

27、是台扇、吊扇、壁扇，例如，设计新型电风扇，无论是台扇、吊扇、壁扇，最基本的出发点都是使周围空气急速流动。有没有最基本的出发点都是使周围空气急速流动。有没有别的技术方案能实现这种功能或物理效应呢别的技术方案能实现这种功能或物理效应呢? ?有人想有人想到了薄板振动的方案。该方案用压电陶瓷夹持一金到了薄板振动的方案。该方案用压电陶瓷夹持一金属板，通电后金属薄报振荡，导致空气加速流动。属板，通电后金属薄报振荡，导致空气加速流动。按此思路设计的电风扇，没有扇叶，面貌全新，称按此思路设计的电风扇，没有扇叶，面貌全新，称为为“无扇叶电风扇无扇叶电风扇”。与传统的风叶旋转式电风扇。与传统的风叶旋转式电风扇相比

28、，具有体积小、重量轻、耗电少和噪声低等优相比，具有体积小、重量轻、耗电少和噪声低等优点。点。 356 6）价值优化原理）价值优化原理把价值看作某一功能与实现这一功能所需成本的比，提把价值看作某一功能与实现这一功能所需成本的比，提高产品价值就是用低成本实现产品的功能。在开发产品高产品价值就是用低成本实现产品的功能。在开发产品时注意从功能分析着手，实现必要功能，去除多余功能时注意从功能分析着手，实现必要功能，去除多余功能和过剩功能，既满足用户需要，又降低成本，将产品设和过剩功能，既满足用户需要，又降低成本，将产品设计问题变为用最低成本向用户提供必要功能的问题，即计问题变为用最低成本向用户提供必要功

29、能的问题，即创造具有高价值的产品。创造具有高价值的产品。例如，英国库特公司的设计人员曾开发一种新型百叶窗，例如，英国库特公司的设计人员曾开发一种新型百叶窗，要求产品既能防止雨水打入，又可使室内空气流通。设要求产品既能防止雨水打入，又可使室内空气流通。设计者通过价值分析，改变了用料多、造价高的传统设计，计者通过价值分析，改变了用料多、造价高的传统设计，而采用了允许雨水透过百叶窗，再在窗叶后面用凹槽收而采用了允许雨水透过百叶窗，再在窗叶后面用凹槽收集，然后通过细管将雨水排出室外的新设计。新设计的集，然后通过细管将雨水排出室外的新设计。新设计的百叶窗，不仅降低了成本，而且便于操作，且能够延长百叶窗，

30、不仅降低了成本，而且便于操作，且能够延长使用寿命，即功能得到改善。使用寿命，即功能得到改善。 36 2、通过改进工艺、结构和材料提高性能。、通过改进工艺、结构和材料提高性能。例如：例如：由于工艺改进，将原来的切削改变为按液压原理设计的由于工艺改进，将原来的切削改变为按液压原理设计的搓丝机，生产效率和质量都得到很大的提高。图中的搓丝机，生产效率和质量都得到很大的提高。图中的(b)，(c)，(d)都是搓丝机，工作原理均为按压，但由于都是搓丝机，工作原理均为按压，但由于结构不同，性能也不一样，其中结构不同，性能也不一样，其中(d)是按行星机构原理是按行星机构原理制造的行星搓丝机，使机器体积最小，生产

31、效率最高。制造的行星搓丝机，使机器体积最小，生产效率最高。 在材料方面，如液晶材料的出现及实用化，促进了钟在材料方面，如液晶材料的出现及实用化，促进了钟表业的发展，使钟表的时间显示又多了一条途径。表业的发展，使钟表的时间显示又多了一条途径。 kr37383、增加辅助功能，以满足使用者需求，如空调、增加辅助功能，以满足使用者需求，如空调机增加空气净化装置、手表增加日历等。机增加空气净化装置、手表增加日历等。机器更新换代的三个途径中，第一种实现起来机器更新换代的三个途径中，第一种实现起来最困难，但效果却是最好的，也是最有前途的。最困难，但效果却是最好的，也是最有前途的。二、二、 功能原理设计的内容

32、功能原理设计的内容功能原理设计的内容：功能原理设计的内容： 构思能实现功能目标的构思能实现功能目标的新的解法原理。功能原理设计首先要通过调查新的解法原理。功能原理设计首先要通过调查研究，确定符合当时技术发展的明确的功能目研究，确定符合当时技术发展的明确的功能目标，然后进行创新构思，寻求新的解法原理，标，然后进行创新构思，寻求新的解法原理，并进行原理验证，确定方案及评价，最后选择并进行原理验证，确定方案及评价，最后选择一种较为合理的方案。一种较为合理的方案。 现举例说明：现举例说明：391、例如，有关部门需要设计肌电假手，要求不很具体，、例如，有关部门需要设计肌电假手，要求不很具体，只提出要有能

33、模仿真手抓握物体的假手。经分析如能像只提出要有能模仿真手抓握物体的假手。经分析如能像真手一样能拿起一个质量约为真手一样能拿起一个质量约为300g300g的物体，应实现的的物体，应实现的具体功能目标如下：具体功能目标如下：手指应能实现手指应能实现0.5rad0.5rads s的抓握运动速度，以模仿人的抓握运动速度，以模仿人手的真实运动。手的真实运动。手指触物后，应能产生手指触物后，应能产生50N50N左右的捏紧力，以满足实左右的捏紧力，以满足实际工作的需要。际工作的需要。所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应不所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应不大于大于20mm20mm。传动机械

34、的效率应足够高，以保证充电电池至少能工传动机械的效率应足够高，以保证充电电池至少能工作作1 1天天。40 有了这些量化指标，设计者设计就有了明确有了这些量化指标，设计者设计就有了明确的目标，验收者验收也有了依据。的目标，验收者验收也有了依据。 以上目标中具有必须解决的矛盾，即如果保以上目标中具有必须解决的矛盾，即如果保证了运动速度捏紧力只有证了运动速度捏紧力只有5N5N而不是而不是50N50N，若保，若保证了捏紧力证了捏紧力50N 50N ，运动速度只有原来的，运动速度只有原来的l l1010，相当于慢动作，人们很难接受。所以设计出了相当于慢动作，人们很难接受。所以设计出了切换装置，假手不接触

35、物品时保证运动速度，切换装置，假手不接触物品时保证运动速度，当手指触摸物品时，切换装置工作，运动速度当手指触摸物品时，切换装置工作，运动速度降下来降下来( (这时也不需要高速度这时也不需要高速度) )，捏紧力由，捏紧力由5N5N转转换成换成50N50N，就可以保证工作要求。，就可以保证工作要求。 412、例如，对轿车的总体要求是：安全、环保、例如，对轿车的总体要求是：安全、环保、节能。功能目标要求有座位数、驱动前轮、驱动节能。功能目标要求有座位数、驱动前轮、驱动功率、当转数为功率、当转数为50r50rs s时的最大转矩、换挡和制时的最大转矩、换挡和制动形式等。除功能目标要求外，用户还可能提一动

36、形式等。除功能目标要求外，用户还可能提一些最低要求，如某一行驶速度下的最高耗油量，些最低要求，如某一行驶速度下的最高耗油量，最小的行李箱空间、低温下安全启动能力。用户最小的行李箱空间、低温下安全启动能力。用户还可能提出一些希望考虑的项目，如车上舒适方还可能提出一些希望考虑的项目，如车上舒适方便、噪音低等。功能目标是必须保证的，而对于便、噪音低等。功能目标是必须保证的，而对于最低要求和希望考虑的项目越能很好地满足，则最低要求和希望考虑的项目越能很好地满足，则这一方案就越有价值。这一方案就越有价值。42 3、任何一个机械产品功能目标确定后，经过功能分析、任何一个机械产品功能目标确定后，经过功能分析

37、和综合，就要针对该产品的主要功能提出一些原理性的和综合，就要针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思。例如，设计一台粉碎机械，即应用机械力对固体构思。例如，设计一台粉碎机械，即应用机械力对固体物料进行粉碎作用，使之变为小块、细粒或粉末的机械。物料进行粉碎作用，使之变为小块、细粒或粉末的机械。先要构思工作原理，右下图就是其功能原理设计的构思先要构思工作原理，右下图就是其功能原理设计的构思示意图。显然，进行原理性构思时首先要考虑应用某种示意图。显然，进行原理性构思时首先要考虑应用某种“物理效应物理效应”( (如图中的挤压、劈裂、弯曲、研磨、冲如图中的挤压、劈裂、弯曲、研磨、冲击击) )，然后利用某

38、种作用原理，如表，然后利用某种作用原理，如表2 2-2 2中的粉碎机构，中的粉碎机构，最后获得达到实现最后获得达到实现“功能目标功能目标”的的结果。结果。434445 前面提到粉碎的前面提到粉碎的5种种“物理效应物理效应”，前四种，前四种属于使用静力，后一种是应用动能。大多数属于使用静力，后一种是应用动能。大多数情况下，物料常在两种以上的情况下，物料常在两种以上的“物理效应物理效应”综合作用下被粉碎。物理效应的选择是根据综合作用下被粉碎。物理效应的选择是根据物料的物理特性、料块的大小和所要求的细物料的物理特性、料块的大小和所要求的细化程度来选择的。对于坚硬的物料应采用化程度来选择的。对于坚硬的

39、物料应采用挤压、弯曲和劈裂；对于脆性物料、应采用挤压、弯曲和劈裂；对于脆性物料、应采用冲击和劈裂；料块较大时，应采用劈裂和弯冲击和劈裂；料块较大时，应采用劈裂和弯曲；料块较小或排料粒度要求很小时，则应曲；料块较小或排料粒度要求很小时，则应采用冲击和研磨。采用冲击和研磨。 464、再举洗衣机的例子。人工洗衣通常用手搓、再举洗衣机的例子。人工洗衣通常用手搓、脚踩、刷子刷、棒槌打、流水冲等方式除去衣脚踩、刷子刷、棒槌打、流水冲等方式除去衣物纤维中的污垢。只要使污垢与纤维分离就可物纤维中的污垢。只要使污垢与纤维分离就可以使衣物干净，因而产生了多种洗衣机：以使衣物干净，因而产生了多种洗衣机： 如：如：1

40、）波轮式洗衣机。用波轮回转形成水流）波轮式洗衣机。用波轮回转形成水流并控制流速和流向达到洗净的效果；并控制流速和流向达到洗净的效果； 2）电磁洗衣机。这种洗衣机缸内装有四个）电磁洗衣机。这种洗衣机缸内装有四个带夹子的洗涤头，每个洗涤头上有一种电磁圈，带夹子的洗涤头，每个洗涤头上有一种电磁圈，通电后能在水中发出每秒通电后能在水中发出每秒2500次微振，这种高次微振，这种高频振荡使污垢与纤维分离，不仅去污力强，而频振荡使污垢与纤维分离，不仅去污力强，而且比一般洗衣机节电且比一般洗衣机节电75，节水，节水50左右；左右； 473）气流洗衣机。它利用空气泵产生气泡，气泡）气流洗衣机。它利用空气泵产生气

41、泡，气泡破裂时产生的能量能提高洗净度，同时气泡可使破裂时产生的能量能提高洗净度，同时气泡可使洗涤剂更好地分解，因此洗涤效果可提高洗涤剂更好地分解，因此洗涤效果可提高55，与波轮式洗衣机相比，它对衣物的磨损率、洗涤与波轮式洗衣机相比，它对衣物的磨损率、洗涤剂的用量和残留量有大幅度降低；剂的用量和残留量有大幅度降低；4）冷沸腾洗衣机。该机能在几秒钟内用泵从洗）冷沸腾洗衣机。该机能在几秒钟内用泵从洗涤桶的上部将空气抽走，因桶内处于高真空状态，涤桶的上部将空气抽走，因桶内处于高真空状态，使水呈沸腾状，衣物在泡沫旋涡中反复搅动，水使水呈沸腾状，衣物在泡沫旋涡中反复搅动，水在衣物表面产生气泡，当气泡破裂时

42、产生爆破力在衣物表面产生气泡，当气泡破裂时产生爆破力将衣物上的污垢微粒弹开并抛向水面，仅用两分将衣物上的污垢微粒弹开并抛向水面，仅用两分钟就能洗净，由于机内无旋转部件，对衣物损伤钟就能洗净，由于机内无旋转部件，对衣物损伤很小，同时它还无噪音、无振动和无污染，且不很小，同时它还无噪音、无振动和无污染，且不用任何洗涤剂；用任何洗涤剂； 485）喷雾洗衣机。）喷雾洗衣机。它是通过水往复循环形成的水它是通过水往复循环形成的水雾来达到清洗衣物的目的水雾是水流在通过洗衣雾来达到清洗衣物的目的水雾是水流在通过洗衣机内高速旋转的桶壁上密布的小孔时形成的，这时机内高速旋转的桶壁上密布的小孔时形成的，这时水立即被

43、吸走，而桶中的衣物则受到喷雾的清洗；水立即被吸走，而桶中的衣物则受到喷雾的清洗；6）超声波洗衣机。）超声波洗衣机。洗衣槽充满水，放入衣物后，洗衣槽充满水，放入衣物后，启动气泵和超声波发生器，衣物上污垢在超声波作启动气泵和超声波发生器，衣物上污垢在超声波作用下由纤维中分离出来，由气泡带走。用下由纤维中分离出来，由气泡带走。7）漂洗、脱水全部自动化的全自动化洗衣机，）漂洗、脱水全部自动化的全自动化洗衣机，也称为智能洗衣机。也称为智能洗衣机。该机由模糊系统控制，其特该机由模糊系统控制，其特点是无论洗多少衣物，都可根据脏污程度自动选择点是无论洗多少衣物，都可根据脏污程度自动选择时间。该产品在排水口安装

44、了光传感器，可根据水时间。该产品在排水口安装了光传感器，可根据水的脏度和相饱和时间判断出脏污程度和脏迹的性质。的脏度和相饱和时间判断出脏污程度和脏迹的性质。 498）最近又研制出来仿生搓洗洗衣机。该机利最近又研制出来仿生搓洗洗衣机。该机利用模糊和变频技术，能自动感知衣物的质地、用模糊和变频技术，能自动感知衣物的质地、重量和脏污程度，调节手形搓洗棒的摆动频率重量和脏污程度，调节手形搓洗棒的摆动频率和角度，酷似人手洗衣服的快慢与节奏，从而和角度，酷似人手洗衣服的快慢与节奏，从而达到手洗一样的洗衣效果。达到手洗一样的洗衣效果。 总之，寻求作用原理是机械产品创新构思的重总之，寻求作用原理是机械产品创新

45、构思的重要阶段，这阶段要充分利用力学效应，流体效要阶段，这阶段要充分利用力学效应，流体效应，热力学效应，动力学效应，声、光、电、应，热力学效应，动力学效应，声、光、电、磁等效应等，一定能构思出先进而新颖的作用磁等效应等，一定能构思出先进而新颖的作用原理，使新产品不断涌现，让人们一些潜在的原理，使新产品不断涌现，让人们一些潜在的愿望得以实现。愿望得以实现。505、已知一个机械产品作用原理，也可以构思出不同的产品。例如、已知一个机械产品作用原理，也可以构思出不同的产品。例如风扇，其功能是产生压力差。由于压力差使空气产生流动，吹到风扇，其功能是产生压力差。由于压力差使空气产生流动，吹到人身上时，人感

46、到凉爽。分析风扇的功能和用途还可构思出如下人身上时，人感到凉爽。分析风扇的功能和用途还可构思出如下相关产品。相关产品。 (1)风扇风扇鼓风机为炉灶送风助燃；风扇一鼓风机为炉灶送风助燃；风扇一抽风机，抽吸厨抽风机，抽吸厨房的油烟；风扇一房的油烟；风扇一吸尘器，吸尘。吸尘器，吸尘。 (2)从调节温度出发，用压缩式空调器，可以调节冷热，其功能从调节温度出发，用压缩式空调器，可以调节冷热，其功能比风扇还好。比风扇还好。 (3)改变风扇结构、造型开发出新产品。改变结构：台扇改变为改变风扇结构、造型开发出新产品。改变结构：台扇改变为落地扇、吊扇、壁扇等；改变造型：圆形、方形、动物造型等。落地扇、吊扇、壁扇

47、等；改变造型：圆形、方形、动物造型等。 (4)增大或减小，设计大型工业排风扇；蚊帐内的小吊扇。增大或减小，设计大型工业排风扇；蚊帐内的小吊扇。 (5)多速风扇代替单速风扇。多速风扇代替单速风扇。 (6)改变运动形式。送风：普通风扇，外罩不转，叶片转；鸿运改变运动形式。送风：普通风扇，外罩不转，叶片转；鸿运风扇，叶片不转，外罩转。风扇，叶片不转，外罩转。516、产品销售量与功能原理设计、产品销售量与功能原理设计产品使用区域越广，销量就越大。一机多用使销量也能产品使用区域越广，销量就越大。一机多用使销量也能增加。增加辅助功能，也能扩大销量。因此，在进行功增加。增加辅助功能，也能扩大销量。因此，在进

48、行功能原理设计时就要把这些因素考虑进去。为扩大产品的能原理设计时就要把这些因素考虑进去。为扩大产品的销量在功能原理设计时可考虑以下方面：销量在功能原理设计时可考虑以下方面：1)适用性改变适用性改变 不同的地区和民族，气候、经济和资源不同的地区和民族，气候、经济和资源都可能不同，产品开发时就要针对不同条件开发不同产都可能不同，产品开发时就要针对不同条件开发不同产品，或产品结构要有所变化。例如轿车，在寒带散热器品，或产品结构要有所变化。例如轿车，在寒带散热器的工作能力能得到满足，到了热带就满足不了要求，在的工作能力能得到满足，到了热带就满足不了要求，在功能原理设计阶段就要考虑进去，使产品适用于地球

49、的功能原理设计阶段就要考虑进去，使产品适用于地球的任何一个地区；又如开发出的扫雷机，既要适用于寒带任何一个地区；又如开发出的扫雷机，既要适用于寒带疏松的雪，也要适用于温带的半融冰雪。汽车驾驶员的疏松的雪，也要适用于温带的半融冰雪。汽车驾驶员的座位，因国家和地区左、右侧通行不同而分为右座位和座位，因国家和地区左、右侧通行不同而分为右座位和左座位等。总之，设计方案要适用于需求。左座位等。总之，设计方案要适用于需求。522)开发新用途开发新用途 开发一个新产品的同时在原理构开发一个新产品的同时在原理构思阶段就要考虑一机多用，使产品具备多种功思阶段就要考虑一机多用，使产品具备多种功能。如小型拖拉机可应

50、用于农业耕作也可牵引能。如小型拖拉机可应用于农业耕作也可牵引运货，再如平衡重式叉车运货，再如平衡重式叉车(如图所示如图所示)，更换属，更换属具后就可在多种条件下工作。如图所示，属具具后就可在多种条件下工作。如图所示，属具共有共有30多种，可见设计出一台叉车，只是更换多种，可见设计出一台叉车，只是更换一个工作头，就组成了另一台新设备，而且更一个工作头，就组成了另一台新设备，而且更换属具又很方便，这样扩大了产品的销售。换属具又很方便，这样扩大了产品的销售。(3)增添附加功能增添附加功能 其目的是拓宽使用面如手其目的是拓宽使用面如手表加血压计，空调机加换气装置，新式木工机表加血压计，空调机加换气装置

51、，新式木工机床等床等 535455第第四四节节 机械的分类机械的分类 一、功能原理设计的两个工作特点如下；一、功能原理设计的两个工作特点如下； 1 1、功能原理设计是一种综合，综合是不可能有、功能原理设计是一种综合，综合是不可能有任何定法可循的。分析和综合是两种个同的科学任何定法可循的。分析和综合是两种个同的科学方法；分析可以按某些既定的方法按步进行，而方法；分析可以按某些既定的方法按步进行，而综合则是综合则是“有法而无定法有法而无定法”，即不可能只要按某，即不可能只要按某种种“方法方法”去做就一定能得到某种好的解法。去做就一定能得到某种好的解法。2 2、功能原理设计所要求解的问题是有多解的问

52、、功能原理设计所要求解的问题是有多解的问题，即既不是只有唯一解，也不是绝对无解，而题，即既不是只有唯一解，也不是绝对无解，而且也很难得到绝对理想的解。一般来说在构思且也很难得到绝对理想的解。一般来说在构思阶段应尽可能多地搜索各种可能的解法，以便阶段应尽可能多地搜索各种可能的解法，以便在众多可能的解法中选出较满意的解法来。在众多可能的解法中选出较满意的解法来。56二、按功能来进行分类，可分为：工艺类机械二、按功能来进行分类，可分为：工艺类机械和非工艺类机械两大类。和非工艺类机械两大类。 1、对物料进行工艺性加工的机械属于工艺类、对物料进行工艺性加工的机械属于工艺类机械，这类机械具有专用的工作头，

53、如轧钢机机械，这类机械具有专用的工作头，如轧钢机的轧辊、孔型，切削机床的刀具，电锯的锯条的轧辊、孔型，切削机床的刀具，电锯的锯条等并用工作头对相应的物料进行工艺性加工等并用工作头对相应的物料进行工艺性加工。工艺类的机械包括：金属冷加工设备、金属。工艺类的机械包括：金属冷加工设备、金属热加工设备、矿石破碎机械、矿石粉磨机械、热加工设备、矿石破碎机械、矿石粉磨机械、食品机械、橡胶机械，木工机械等。食品机械、橡胶机械，木工机械等。 2、非工艺类机械则不对任何物料进行工艺性、非工艺类机械则不对任何物料进行工艺性加工，只是实现某种需求的功能。非工艺类机加工，只是实现某种需求的功能。非工艺类机械包括：交通

54、运输机械、物料搬运机械、动力械包括：交通运输机械、物料搬运机械、动力机械，各类阀门、泵、压力容器等。机械，各类阀门、泵、压力容器等。57 三、按技术特点进行分类：三、按技术特点进行分类： 综合运用机、光、电、磁、热、化综合运用机、光、电、磁、热、化各种各种“广义广义物理效应物理效应”（非纯机械）去实现各种动作功能和工艺（非纯机械）去实现各种动作功能和工艺功能。为区别纯机械的功能原理，我们把它总称为功能。为区别纯机械的功能原理，我们把它总称为“综合技术功能综合技术功能”。从它所完成的功能来说，实际上。从它所完成的功能来说，实际上仍是动作功能或工艺功能，但其技术手段却是广义的仍是动作功能或工艺功能

55、，但其技术手段却是广义的物理效应。物理效应。 在激烈的产品竞争中，出现了一种有力的竞争武器，在激烈的产品竞争中，出现了一种有力的竞争武器，就是所谓的就是所谓的“关键技术关键技术”或叫做或叫做“Know How”。它是。它是作为某个企业或部门独有的技术，暂时还没有被别人作为某个企业或部门独有的技术，暂时还没有被别人掌握因此该企业的产品在这一方面占有待殊的优势。掌握因此该企业的产品在这一方面占有待殊的优势。这种技术可能是动作功能，可能是工艺功能，而且很这种技术可能是动作功能，可能是工艺功能，而且很有可能也是采用有可能也是采用“广义物理效应广义物理效应”的综合技术功能，的综合技术功能，只是因为它在竞

56、争中的持殊地位，才把它列为只是因为它在竞争中的持殊地位，才把它列为种功种功能，叫能，叫“关键技术功能关键技术功能”。58第五节第五节 两种动作功能及其对应的求解思路两种动作功能及其对应的求解思路动作功能是指那些只完成动作，不同时进行对动作功能是指那些只完成动作，不同时进行对物体的加工的功能，属于非工艺类机械。按其物体的加工的功能，属于非工艺类机械。按其是否是一次性动作，还是进行连续运动可分为是否是一次性动作，还是进行连续运动可分为“简单动作功能简单动作功能”和和“复杂动作功能复杂动作功能”两类。两类。59一、简单动作功能一、简单动作功能简单动作功能是由两个或两个以上的具有特简单动作功能是由两个

57、或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征可以实现互相运动或锁合的动作。特征可以实现互相运动或锁合的动作。如：带轴的轮子，人类如：带轴的轮子，人类十大发明之一的拉链。十大发明之一的拉链。6061 总结：在进行功能原理设计创造时，没有什么简易总结：在进行功能原理设计创造时，没有什么简易的的“办法办法”可循。因为设计是可循。因为设计是“综合综合”，而，而“综合综合”是没有确定的方法的，即使有某些参考的方法可作辅是没有确定的方法的，即使有某些参考的方法可作辅助，也不一定能取得合理的结果。所谓助，也不一定能取得合理的结果。所谓“有法而无定有法而无

58、定法法”就是设计创造的特点，最实际的办法，就是多看就是设计创造的特点，最实际的办法，就是多看优秀设计实例，多作基础设计训练，在正确的指导性优秀设计实例，多作基础设计训练，在正确的指导性思路的引导下，才有可能取得某一个合理的设计成果。思路的引导下，才有可能取得某一个合理的设计成果。62二、复杂动作功能二、复杂动作功能 这类功能以采用常用基本机构为主其设这类功能以采用常用基本机构为主其设计已有很成熟的理论和经验。尽管这类功能原计已有很成熟的理论和经验。尽管这类功能原理要实现相当复杂的功能目标，设计起来并非理要实现相当复杂的功能目标，设计起来并非毫无困难，但是比起毫无困难，但是比起“简单动作功能简单

59、动作功能”的设计的设计来还是要容易得多，因为它毕竟被人们研究来还是要容易得多，因为它毕竟被人们研究得相当透彻了。得相当透彻了。 显然、显然、“复杂动作功能复杂动作功能”的设计求解思路的设计求解思路应该是基本机构组合法。在机械原理课程中介应该是基本机构组合法。在机械原理课程中介绍了这些基本机构。如：齿轮、齿条机构、连绍了这些基本机构。如：齿轮、齿条机构、连杆机构、凸轮机构、铰链机构、螺旋机构等杆机构、凸轮机构、铰链机构、螺旋机构等. .63举例：举例： 人类利用这些基本机构不仅用来实现连续人类利用这些基本机构不仅用来实现连续的传动，而且利用它们实现复杂的运动规律和运动的传动，而且利用它们实现复杂

60、的运动规律和运动轨迹。例如图轨迹。例如图318所示的硬币机的卷边功能系统所所示的硬币机的卷边功能系统所采用的一组六杆机构、它既要使上钩的位置能随包采用的一组六杆机构、它既要使上钩的位置能随包卷纸的宽度而变，而且能使上、下钩同时进行对称卷纸的宽度而变，而且能使上、下钩同时进行对称的包卷动作，它是的包卷动作，它是由凸轮、一套平行由凸轮、一套平行四杆机构和一套反四杆机构和一套反四杆机构组合而成四杆机构组合而成的。的。64 特别应该指出的是在现代很多所谓特别应该指出的是在现代很多所谓“机电一体化机电一体化的机器中，仍大量采用基本机构来实现各种运动和动的机器中，仍大量采用基本机构来实现各种运动和动力传递