机械设计学课件第三章机械产品的功能原理设计2012.ppt
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1、1第三章第三章 机械产品的功能原理设计机械产品的功能原理设计 什么是功什么是功能原理设能原理设计?计?针对主要功能的原理性设计。针对主要功能的原理性设计。功能原理设计重点功能原理设计重点尽量使思维尽量尽量使思维尽量“发散发散”,力求多解,便于选优。,力求多解,便于选优。23任何一种机器的更新换代都存在三个途径任何一种机器的更新换代都存在三个途径: :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性能二是通过改进工艺、结构和材料提高技术性能;三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。 为什么要突出功能原理设计?功能原理设计对产品的成败
2、功能原理设计对产品的成败起决定性作用。起决定性作用。45用一种新的物理效用一种新的物理效应来代替旧的物理应来代替旧的物理效应,使机器的工效应,使机器的工作原理发生根本的作原理发生根本的变化的设计变化的设计 。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6手动变速箱7AT/CVT/DCT(DSG)/AMT 自动变速器 8AT/CVT/DCT/AMT 自动变速器 传递引擎动力的扭力转换器,负责档位切换的电磁阀体,负责变速的离合器组件及行星齿轮 9液力变矩器原理10转矩传递过程转矩传递过程泵轮转动,涡轮不动涡流环流(1)泵轮转动,涡轮不动。)泵轮转动,涡轮不动。(2
3、)泵轮与涡轮转速差较大时,形成涡流。)泵轮与涡轮转速差较大时,形成涡流。(3)泵轮与涡轮转速接近时,形成环流。)泵轮与涡轮转速接近时,形成环流。11磁带机1213引入某种新技术引入某种新技术(新新材料、新工材料、新工艺、艺、),新想法新想法(New Idea)、新构思。、新构思。M in plane, low density.NSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSM perpendicular to the plane, high density.14构思新原理的步骤明确功能目标:装设导向系统的费用要小;允许扩充和调整设
4、备,变动运输路线;在拥挤的工作环境中小车能灵活运行。提出的原理性设想:应用惯性导航技术,利用所设参考点用于制程序给出理论轨迹并作轨迹误差的修正;应用传感器引导绕过障碍物;在工件转接站上用超声波定向,使小车实现准确定位。15灵活运动和准确定位16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 机器(总功能)分功能系统 1分功能系统 i分功能系统 n工作机传动机工作头执行机构原动机控制器17什么是功能?某一机器某一机器(或装置或装置)所具有的转化所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。能量、运动或其它物理量的特性。系统工程学的观点:一个技术系统工程学的观点:一个技术系统在以实现某
5、种任务为目标系统在以实现某种任务为目标时,其输入量和输出量之间的时,其输入量和输出量之间的相互转换的关系。相互转换的关系。能力:功率、转速性能:效率、耐用性、振动用途:驱动电扇、机床功用:作原动机电动机功能:将电能转变为旋转运动的动能。 18 技 术 系 统 信息流S(进行 能量流E 的转换) 物料流M输入(IN)输出(OUT)信息S能量E物料MSEM(黑箱)(BLACK BOX) 系统工程学:用“黑箱”描述技术系统的功能 设计者的任务:使设计者的任务:使“黑箱黑箱”变成变成“白箱白箱”获得一个完美的机械产品,实现预定的功能。获得一个完美的机械产品,实现预定的功能。19 任何技术系统都可以视为
6、三种流的处理系统:任何技术系统都可以视为三种流的处理系统:能量流能量流物料流物料流信息流信息流20硬币计数包卷机外形图硬币计数包卷机外形图整理、清点、计数,包卷或装袋21功能元素功能元素放出-吸收 传导-绝缘 集合-扩散 引导-阻碍 转换-回复 放大-缩小变向-定向 调整-激动 联结-开断结合-分离 接合-拆开 贮存-取出 22功能单元功能单元 将总功能分解成较为简单的、具有一将总功能分解成较为简单的、具有一定的独立性、可以直接求解定的独立性、可以直接求解“功能单元功能单元”,也称,也称“功能元功能元” 。 直接实现总功能的各分功能称为一阶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
7、的分功能称为二分功能;实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能,并以此类推。分解到末端的为阶分功能,并以此类推。分解到末端的为功能元。功能元。23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堆放、输送功能单元硬币排列、分选、挑残功能单元硬币分选计数功能单元送纸、撕纸功能单元硬币堆码、整理功能单元硬币包卷功能单元卷边功能单元24功能结构功能结构 功能结构图:用来表示各分功能之功能结构图:用来表示各分功能之间关系的框图。间关系的框图。功能分解图25功能分析:功能分析:由总功能分解为分功能,最后由总功能分解为分功能,最后作出作出功能结构图功能结构图。也可称为。也可称为“系统分析系统分析”。 26
8、两种功能结构对比2728用功能树法用功能树法进行露天矿开采挖掘机的方案设计露天矿开采挖掘机的方案设计总功能分功能1功能元1功能元n分功能n功能元1功能元n29总功能(挖煤、运煤)驱动功能能量转换能量传递与分配执行功能铲 入提升回转铲斗推压行走功能(整台机器的移动)控制功能启动、停止(制动)其他仪表显示辅助功能支承和联接 照 明变 速303、功能元组合相容矩阵法组合方案数组合方案数=3=33 3 2 2 3 3 1 1 4 4 4 4 3 3 4=10368 4=10368若方案为:(若方案为:(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+
9、I1) 履带式正铲机械挖掘机履带式正铲机械挖掘机若方案为:(若方案为:(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2) 轮胎式正铲液压挖掘机轮胎式正铲液压挖掘机31露天矿开采挖掘机黑箱示意图挖掘机能量(驱动)物料(煤)信 号振动热量噪声灰尘温度湿度能量(挖动力和速度等)物料(装入卡车的煤)信号32信息工作机构(挖/运)物料物料能量(柴油机)运输机械汽车环境系统人相邻技术系统能量转换能量传递支 承 和 连 接 部 分控制33辅助行走信号转入另一工作点运输机煤能量物料/煤信号变速能量传递及分配启动、停止支 承 及 联 接回转提升铲入能量转
10、换34第三节 功能原理的发展历史及基本类型 功能原理设计的两个工作特点:1、综合问题,无定法可循。2、多解问题,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。35功能原理分类动作功能工艺功能36动作功能工艺功能37 “关键技术”(“Know How”)。某个企业或部门独有的技术,暂时还没有被别人掌握根据功能的技术特点分类综合技术功能综合运用机、光、电、磁、热、化各种“广义物理效应”(非纯机械)去实现各种动作功能和工艺功能。38左图为纵向磁记录的记录方式示意图右图为垂直磁记录的记录方式示意图39功能类型动作类工艺类简单动作功能复杂动作功能工艺功能关键技术功能综合技术功能(纯机械)
11、(广义物理效应)功能类型总结40第四节第四节 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简单动作:一次性动作41复杂动作纸宽调节杆硬币42工艺功能工艺功能工件头和工作对象相互配合,实现一种功能。工件头和工作对象相互配合,实现一种功能。两个重要因素两个重要因素采用哪种工艺方法采用哪种工艺方法工作头采用什么形状和动作工作头采用什么形状和动作工艺功能的特点工艺功能的特点工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。三个主要因素。第五节第五节 工艺功能及其对应的求解思路工艺功能及其对应的求解思路43犁的工作曲面1犁尖 2犁镜
12、 3曲面绞肉机44水刀切割工艺家用切碎机45电火花加工原理图电火花线切割原理图1-工件,2-脉冲电源,3-点动进给调节装置,4-工具,5-工作液,6-过滤器,7-工作液泵1-坐标工作台,2-夹具,3-工件,4-脉冲电源,5-导轮,6-电极丝,7-丝架,8-工作液箱,9-储丝筒46S S 对象或物体对象或物体(Substance)(Substance)。主体。主体(S1)(S1),客体,客体(S2)(S2)F F场,这不单指某种物理场,而是广义地指场,这不单指某种物理场,而是广义地指S1S1向向S2S2作用时发出的力、运动、电磁、热、光作用时发出的力、运动、电磁、热、光一切作用一切作用场。场。“
13、最小技术系统最小技术系统”在任何一个最小技术系统中,至少有一个主体在任何一个最小技术系统中,至少有一个主体(S1)(S1),一个客体一个客体(S2)(S2)和一个场和一个场(F)(F)。缺一即不可能发生技术作。缺一即不可能发生技术作用。用。物一场分析法物一场分析法(S-Field法法)47基本的方法是寻求合理的基本的方法是寻求合理的F和和S例:为了完成修剪草地的任务,例:为了完成修剪草地的任务,如何构思剪草机的工作原理如何构思剪草机的工作原理?在这个问题里,在这个问题里,S 2是草地上的是草地上的草。剩下的问题是寻找合适的草。剩下的问题是寻找合适的F和和S1了。了。FS1S2标准S-Field
14、 模式用用SField模式探求工艺功能原理的解法模式探求工艺功能原理的解法48首先要寻找各种可能被利用的首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较:并加以分析和比较: 拉力拉力可以拉断草,但无法控制被拉断的草的可以拉断草,但无法控制被拉断的草的高度,无法使草地整齐。高度,无法使草地整齐。 割断力割断力像农夫割麦一样,需要握住草的上部像农夫割麦一样,需要握住草的上部才能割断。才能割断。 剪断力剪断力利用剪刀刃合拢,可以剪断。利用剪刀刃合拢,可以剪断。 显然,人们常常选择剪断力作为理想的显然,人们常常选择剪断力作为理想的F,当然,当然S1就只能是剪刀就只能是剪刀可以通过可以通过“完善完善”、“增
15、加增加和和“变换变换”的的方法来寻求新的解法。方法来寻求新的解法。491完善完善 原设计中有时出现缺少原设计中有时出现缺少F或或S1的情况并因此的情况并因此而造成功能不良的后果。应该通过补全而造成功能不良的后果。应该通过补全F或或S1的措施来使的措施来使SField模式完善化。模式完善化。 平板玻璃制造工艺的完善 a) 垂直引上法 b)浮法a)b)50 2增加增加 一个最小技术系统至少应具有一个最小技术系统至少应具有S1、S2和和F,但有时,但有时还应辅以还应辅以S1和和F,才能更好地完成希望实现的功能。,才能更好地完成希望实现的功能。 FS1S2FS1变形的S-Field 模式51铝带坯电磁
16、铸轧52 3变换变换 对已有工艺功能解法中的对已有工艺功能解法中的S1和和F进行分析后,常常进行分析后,常常可以发现它们并非是不可替换的。有时通过变换可能可以发现它们并非是不可替换的。有时通过变换可能会产生意想不到的好效果。会产生意想不到的好效果。割草机53用高压水喷射可以切割木材、钢板、布料用高压水喷射可以切割木材、钢板、布料 。利用各种广义的物理效应利用各种广义的物理效应54焊接:气焊、电焊、摩擦搅拌焊、超声波焊请举出一种通过利用场的完善、增加或改变而改善机器工艺功能的例子。55第六节第六节 关键技术功能、综合技术功能及其求解思路关键技术功能、综合技术功能及其求解思路56 1)材料:例如高
17、强度、高耐磨性、特殊的润滑油、材料:例如高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材料特殊轻质材料(例如复合材料例如复合材料)、特殊物理性能要求等。、特殊物理性能要求等。 2)制造工艺:高精度、小的表面粗糙度、高的热处制造工艺:高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求理要求。 3)设计:通过设计实现特殊的功能原理,尤其是实设计:通过设计实现特殊的功能原理,尤其是实现以前从未有人实现过的功能或是比别人已经实现现以前从未有人实现过的功能或是比别人已经实现的功能更好的功能水平。的功能更好的功能水平。一、关键技术功能一、关键技术功能57存储技术:穿孔纸带、磁盘、磁带机、 闪存、硬盘、微硬盘、光盘585N左
18、右左右50N左右左右关键技术的求解思路:关键技术的求解思路: “技术矛盾分析法技术矛盾分析法”关键技术功能(机电控制人工假手59解决思路:解决思路:在传动路线上再串接在传动路线上再串接一套减速比一套减速比i210的的减速装置,然后通过减速装置,然后通过两个联动的切换开关两个联动的切换开关来操作来操作60 从不同的角度分析技术矛盾,则可从不同的角度分析技术矛盾,则可以得到不同的分析结果,并可导出另一以得到不同的分析结果,并可导出另一些解法。些解法。 61 用常规技术或已有技术难以达到的技术难用常规技术或已有技术难以达到的技术难点,或是别人目前尚难以实现的技术高度、总点,或是别人目前尚难以实现的技
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