机械创新设计 课件 模块二 项目五 机械系统方案创新设计 课件

《机械创新设计》任务一功能分析

项目五

机械系统方案创新设计（一）功能的描述功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述，如手机的功能是接打电话，计算机的功能是信息处理。在功能原理方案设计时，功能原理方案要满足设计对象的功能要求，对设计对象功能的描述要简洁、准确、全面，要合理抽象，抓住本质。这样可以开阔设计思路，为工作原理方案设计提供一个宽松的范围与空间，更有利于设计的创新。进行原理方案设计时，一般遵循以下步骤：（1）明确任务；（2）设计任务抽象化，确定总功能，抓住本质，扩展思路；（3）将总功能分解为了功能直至功能元；（4）寻找子功能（功能元）的解；（5）原理解组合，形成多种原理设计方案；（6）方案评价与决策。（一）功能的描述在确定一个未知系统的总功能时，由于对未知系统的内部关系一无所知，漆黑一团，常采用“黑箱法”研究分析问题。黑箱法，是指针对复杂的未知系统，犹如不透明不知其内部结构的“黑箱”，通过考察黑箱与周围环境的联系、输入、输出及其动态过程，来定量或定性地认识系统的功能特性、行为方式，以及探索其内部结构和机理的一种控制论认识方法。黑箱方法注重整体和功能，兼有抽象方法和模型方法的特征。把待求系统看作“黑箱”，分析比较系统输入输出的能量、物料和信息，输入输出的转换关系，即反应系统总功能。（二）功能的分类

一台设备或者一个产品通常具有为很多的功能。为了分析产品的功能，需要对功能进行分类。产品的功能可从性质、重要性及用户需求等方面进行分类。

（1）按性质分类1）使用功能。它是指为满足产品使用目的而提出的各项特性要求。例如，空调的使用功能是把环境温度调节在一个固定范围内，手机的使用功能是把视频、语音等信息进行远距离传送。2）美观功能。它是指产品外观、形状、色彩、气味、手感和音响等方面的功能，即人们对美的享受功能。例如，人们对汽车的需求，即要求它能载人、拉货，而且又要求它外观漂亮。

一般产品都同时有使用功能和外观功能，而对于机器设备而言，基本上只看它的使用功能。至于装在机器内部的零部件，只要有使用功能，外观功能要求不高。

（2）按重要性分类

1）基本功能。基本功能是产品得以独立存在的基础，是实现产品用途必不可少的功能，是用户购买该产品的目的。产品的基本功能有一种甚至多种。例如，普通水杯的基本功能是盛装饮用水这一种，而保温水杯除了盛装饮用水之外，还具有保温功能，它就具有两种基本功能。

2）辅助功能。辅助功能相对基本功能来说，是次要的、辅助的，是完善基本功能的手段，但如果没有它，产品的基本功能不受影响。例如，汽车的泊车辅助系统、电视机的遥控装置等。（二）功能的分类（3）按用户要求分类

1）必要功能。这是指产品符合使用者所要求的必须具备的作用或功能，即产品的使用价值。比如机电系统一般由驱动、传动、执行和测控四部分组成，各部分具有其相应的功能。驱动部分为系统提供能量，传动部分完成驱动部分与执行部分间运动和动力的传递，执行部分以不同的执行元件完成各种机器执行功能，测控部分包含传感和控制功能。传感部分把机器工作过程中各种参数和状况检测出来，变成可测定和控制的物理量，传送到控制部分，控制部分经过信息处理，发出对各部分工作的指令和控制信号。这些功能共同作用，使机电系统正常运转，缺一不可。

2）不必要功能。这是指使用者不需要的功能，即多余的功能。例如，在风扇的扇叶防护罩上设计很多纹路图案，希望能使风扇美观，但该设计既容易附着灰尘，有影响排风效果，这就是不必要的功能。再比如，在设计时，对公差的精度、材料的质量、安全系数等要求过高；或在生产过程中大材小用、优材劣用、整料零用等。在产品中往往包含这种功能，原因一部分是由于设计者没有掌握功能的本质，或者是没有对准用户的要求，主观臆断附加上去的；另一部分则是因为设计不合理而造成的。（三）功能原理方案分析在弄清产品或系统功能的基础上，要对其功能的原理方案进行总体分析。通常功能的实现方式与工艺过程和执行元件有密切关系，需要分析其工艺过程，在较大的领域内进行工作原理的搜索。如：发电设备总体原理方案的分析。根据转化为电能的原始能源类型可提出以下几种发电原理：（1）水力发电法：利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。比如水轮发电机。（2）火力发电法：利用石油、煤炭和天然气等燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电。比如锅炉+汽轮发电机。（3）核能发电法：利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电。比如核反应堆+汽轮发电机。（4）风力发电法：把风能转变为电能。比如风力发电机。

（5）地热发电法：利用地下热能发电。比如地热发电机。由以上分析可见，由于不同的原理和生产工艺将会有不同的执行元件和生产过程，对方案（1）、（4）、（5）需分别设计发电机，而对于方案（2）、（3）汽轮发电机大同小异，不同的是需分别涉及燃烧系统和核反应堆。

复杂系统往往有多个功能，在总体方案阶段要求对各执行元件之间的关系配合和动作协调进行规划，以便指导下一步的设计。（四）功能分解随着产品技术系统越来越复杂，功能越来越多，一般很难直接找到满足总功能的原理解。用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、……、功能元进行分解，化繁为简，通过各功能元解的有机组合求得技术系统解。可将功能分解为树状结构，称为功能树。功能树起于总功能，按分功能、二级分功能……分解，其末端为功能元。功能元是可以直接求解的系统最小组成单元。如：冰箱的功能分析。冰箱是保持恒定低温的一种制冷设备，也是一种使食物或其他物品保持恒定低温状态的民用产品。箱体内有压缩机、制冰机用以结冰的柜或箱，带有制冷装置的储藏箱。目前比较常用的是压缩式冰箱，该种电冰箱由电动机提供机械能，通过压缩机对制冷系统做功。制冷系统利用低沸点的制冷剂，蒸发汽化时吸收热量的原理制成的。其优点是寿命长，使用方便。其功能分解如右图所示。（五）功能求解1.功能元解功能元解是得出系统总功能原理解的基础。一般对功能元求解可通过以下几种方法进行：（1）调查分析法了解当前国内外技术发展状况，参考借鉴有关产品资料或专利，得出解决方案；（2）设计目录法（详见任务2）；（3）各种创造技法。如：冷却降温原理解法分析。①制冷系统利用低沸点的制冷剂，蒸发汽化时吸收热量的原理制成的。②利用热源(如煤气、煤油、电等)作为动力。利用氨-水-氢混合溶液在连续吸收-扩散过程中达到制冷的目的。③利用对PN型半导体，通以直流电，在结点上产生珀尔帖效应的原理来实现制冷。④利用某些化学物质溶解于水时强烈吸热而获得制冷效果。⑤利用太阳能作为制冷能源。⑥绝热去磁制冷。⑦辐射制冷。（五）功能求解

《机械创新设计》任务二设计目录

项目五机械系统方案创新设计（一）原理解法的设计目录用功能设计法进行原理方案设计，功能元解是组合原理方案的基础。工程系统的基本功能元可归结为逻辑功能元、数学功能元和物理功能元三类。(1)逻辑功能元—“与”、“或”、“非”三元，主要用于控制功能。基本逻辑关系如表2-5-1所示。由机械、强电、电子、射流、气体、液体等领域可寻找相应的“与”、“或”、“非”逻辑动作的各种解法。比如机械钥匙开锁就属于逻辑“与”功能。（一）原理解法的设计目录(2)数学功能元—可分为加减、乘除、乘方和开方、积分和微分四组，也可按机、强电、电子各领域列出有关解法目录。

(3)物理功能元—物理功能元反映系统中能量、物料及信号变化的物理基本作用。常用的有五个为:转变—复原；放大—缩小；连接—分离；传导—绝缘；贮存—提取。1）“变换—复原”功能元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、物态的转变及信号种类的转变等。2）“放大—缩小”功能元，是指各种能量、信号向量(力、速度等)或物理量的放大及缩小，以及物料性质的缩放(压敏材料电阻随外压力的变化)。3）“连接—分离”功能元，包括能量，物料、信号同质或不同质数量上的结合和分离。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。

4）“传导—绝缘”功能元，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。

5）“贮存—提取”功能元，体现一定时间范围内对能量、物料、信号保存的功能。如飞轮，弹簧、电池、电容器等，反映能量的贮存；录音带、磁鼓反映声音、信号的贮存。（一）原理解法的设计目录工程系统中常用的物理效应有：（1）力学效应：重力、弹性力、惯性力、摩擦力等；比如离心泵、化工系统的考拉泵都是利用离心惯性力来引水的。（2）液气效应：流体静压、流体动压、毛细管效应、帕斯卡效应、虹吸效应等；比如液压千斤顶、汽车液压刹车系统等都是利用的帕斯卡效应。（3）电力效应：静电、压电效应，电动力学等；（4）磁效应：电磁效应、永磁效应等；比如永磁体电动机、交流电动机、电磁铁等都是利用电磁效应工作的。（5）光学效应：反射、折射、衍射、光干涉、偏振、激光效应等；（6）热力学效应：膨胀、热传导、热存储、绝热效应等；（7）核效应：辐射、同位素效应等。比如核辐射在工业、农业、医学等领域有着广泛的应用，可用于辐射加工、辐射育种及放射性治疗等方面。可见同一物理效应能完成不同功能，如利用静电效应可以除尘、复印与印刷、喷涂等，在进行功能设计时应根据实际情况选择合适的物理效应。（二）设计目录的编制设计目录的编制也是采用系统工程分析的方法和系统搜索的思路。以挖掘机的设计目录编制为例加以说明。挖掘机的功能分解如图2-5-6所示。将总功能分解为一级、二级子功能。二级子功能若还找不到解，还可以接着往下分解，直到可找到相应的原理解为止。图2-5-6

挖掘机的功能分解（二）设计目录的编制取每一种子功能的一种功能解法组合，可得到挖掘机的一种方案，可组合的最多方案数为N=1×3×3×3×2×4×4×3×4=10368。在众多方案中，进行筛选评价，得出最优方案。设计目录是具体选择并确定方案的依据，为了更好地描述不同方案的特点，也可将每个功能解作为特定的功能模块，也列为一个基本目录，列出其基本性能特点（如传动比大小、功率范围等）、特殊性能（如远距离传动、自锁等）、评价数据（如对性能、成本、工艺性等基本评价目标的评分或隶属度）等。

将挖掘机的功能元列为横坐标，对应的功能元解分列为纵坐标，形成形态学矩阵，如表2-5-2所示。《机械创新设计》任务三产品价值分析

项目五机械系统方案创新设计（一）产品价值分析定义产品价值分析(Product-valueanalysis，简称PVA)是一种降低成本、提高效益的方法，其是通过产品属性的审慎研究来决定是否能重新设计、标准化或以较便宜高效的生产方法来制造、销售和服务。（二）产品价值分析意义（1）研究产品功能，更好的提高和保证功能的实施程度。（2）研究产品消费，以更小的费用可靠的实现功能或降低产品成本。（3）提高产品的价值，更好的满足消费者的需要。（三）产品价值分析产生与发展20世纪40年代美国出现了产品分析的概念。二战期间美国对战争物资的消耗巨大，为了提升武器性能，保证武器按时交货，导致了对有限资源的大肆滥用，造成美国物资短缺。在100种重要资源中，有88种需要进口。在这样的大背景下，美国通用电器公司同样遇到物资短缺的问题，尤其是公司常用的石棉板供货不足，价格昂贵不说，有时还买不到货。工程师迈尔斯提出用一种价格较低且货源充足的不易燃烧的纸代替石棉板。该纸不仅与石棉板一样，能铺在地板上，防止给产品喷涂材料时玷污地板而引发火灾，而且货源充足，价格还很低，仅仅是石棉板的1/4左右。工程师迈尔斯发现，人们使用某种材料的目的是利用材料所具有的功能。因此可以考虑用功能相同但价格低廉的代用品取代原来昂贵的材料，由此促成了价值分析的问世。我国在1978年下半年开始推广价值工程活动。价值分析的发展过程大致经历了以下四个阶段：（1）降低材料的费用，比如改变产品材质、尺寸和形状等；（2）改进现有产品，比如改变产品设计方案，优化产品加工方法等；（3）新产品的价值分析，在新产品开发时运用价值分析的方法进行设计；（4）系统的价值分析，对由产品及相关的设备组成的系统运用价值分析，包含设计、制造、使用、维修服务等整个环节。（四）产品价值结构产品价值结构主要包括材料成本、生产成本、机能价值、创意设计、信誉价值等。（1）材料成本材料成本包括产品材料、生产耗损、研发耗损、包装材料；约占产品价值的30%。（2）生产成本生产成本包括工资福利费用、管理费用、场地费用；精工细作的产品成本相对会提高；约占产品价值的30%。（3）机能价值机能价值包括实用价值、性能价值（可操作性、安全性、舒适性）；约占产品价值的15%。（4）创意设计创意设计包括产品的结构搭配、造型线条、色彩图案装饰、寓意表达、文化衬托和整体美学感官；约占产品价值的10%。（5）信誉价值信誉价值主要来自生产厂家和经营者的信誉积累，保质保量、价格合理、服务周到才会产生信誉价值；约占产品价值的15%。（五）产品价值分析的方法（1）PEST分析法PEST分析是指宏观环境的分析，P是政治(politics)，E是经济(economy)，S是社会(society)，T是技术(technology)。在分析一个行业/

企业/

产品所处的市场环境，通常是通过这四个因素来进行分析企业集团所面临的状况。下面以新能源汽车为例简单介绍PEST分析法。新能源汽车作为低碳环保的重要产品，其产业发展受到大家的青睐。1）政治环境分析-国家政策推动产业发展。新能源汽车产业作为我国七大新兴产业之一，极大的受到了政府的重视，在战略投资、财政补贴、税收减免、法规标准等方面推出多项相关政策，例如2001年发布国家863计划电动汽车重大专项，2009年我国开始实施“十城千辆”节能与新能源汽车示范推广应用工程，2022年下半年开展全国新一轮新能源汽车下乡活动等。2）经济环境分析-经济增长为产业发展提供保障。我国经济呈现稳定增长趋势，经济转型逐渐走上正轨，国民收入和人均可支配收入不断提高，为新能源汽车产业发展提供了保障。近年来，新能源汽车市场需求旺盛，产销创新高。2021年中国新能源汽车产量为354.5万辆，截至2021年底，全国新能源汽车保有量达784万辆，其中，纯电动汽车保有量640万辆。新能源汽车较高的价格却成了制约新能源汽车产业发展的重要因素。为了保证续航里程和充电效率，电动汽车对电池的技术要求很高，因此中国市场上的各类在售车型官方定价也较高，一般在10万元、15万万元以上，有些甚至在20万元以上。（五）产品价值分析的方法3）社会环境分析-能源消耗为产业发展提供机会。近年来全球环境污染等问题不断涌现。我国的能源消费量逐年增加，能源安全正在面临着严峻的挑战，碳达峰和碳中和对清洁能源以及低碳环保产品的需求越来越多。新能源汽车作为低碳环保的重要产品，其产业发展也将会成为我国低碳趋势与可持续发展的重要体现。4）技术环境分析-专利增多，为产业发展提供支持。新能源汽车在技术、专利方面都有了进步与发展，纯电动汽车的专利数量和增长速度都遥遥领先。我国新能源汽车产业的市场宏观环境良好，产业的繁荣和发展将会受到国家的持续关注。政治、经济、社会和技术各方面的现状使得新能源汽车产业的发展前景光明。（五）产品价值分析的方法（2）SWOT分析法SWOT分析，即态势分析法，S（strengths）是优势、W（weaknesses）是劣势，O（opportunities）是机会、T（threats）是威胁。将对企业/

产品内外部条件各方面内容进行综合和概况，进而分析组织的优劣势、面临的机会威胁通过调查列举出来，并依照矩阵形式排列，然后用系统分析的思想，把各种因素相互匹配起来加以分析，从中得出一系列相应的结论，而结论通常带有一定的决策性的一种方法（较为宏观和主观）。《机械创新设计》