机械设计基础II -机器功能分析及功能原 理设计
目录

机器功能分析和功能基词汇 机构的组成原理及机构运动系统方案设计
经典设计理论(德国) －普适设计方法学



Engineering design ： Paul & Beitz 1976，1986 工程设计学－学习与实践手册(1992.6):机械工业出版社 翻译：张直明 毛谦德 冯培恩 等 普适设计方法学(Comprehensive Design Methedology)： 优秀设计过程所积累经验的总结。 该设计方法学建立了设计人员在每一设计阶段的工作 步骤计划，这些计划包括策略、规则、原理，从而形 成一个完整的设计过程模型。一个特定产品的设计可 完全按该过程模型进行，也可选择其中的一部分使用。描述。流集合的第 一层仍然采用Pahl & Beitz 提出的三个基本类， 即物质流、信息流和能量流。物质流中有5 个二 层目录以及相应的三层扩展；信息流中有2 个二 层目录以及相应的三层扩展；能量流中有13 个二 层目录以及相应的三层扩展。 表2 是调和功能基础RFB 的功能集合的部分描述， 包含8 个基本类以及相应的第二、第三层扩展。 表中的“Correspondents”不是集合的第四层， 而是为了便于设计表达向RFB 的三层结构映射的 辅助信息。
辅 助 功 能
功能结构简图



如果把所要研究的产品对象看成是 一个整体，把它相对地从其环境中 孤立出来，把研究对象所受到周围 环境的影响看成是通过特定通道实 现的“输入”，把研究对象对周围 环境的作用看成是通过特定通道来 实现的“输出”。 根据研究对象的性质和研究目的， 划定了研究对象与周围环境的边界。 选定了对象与环境的相互联系的特 定通道，确定了对 象的一组输入和 输出，就意味着一个黑箱的确立。 对于这样一种内部结构尚不能直接 观测，只能从外部去认识的研究对 象，控制论创始人维纳，以及艾什 比称它为“黑箱”(Black Box)。 目前几乎所有的功能建模都把黑箱 法作为基本的构造方法，图是产品 功能系统的黑箱模型。

一般解题过程

任务
对峙


任务 对峙(矛盾) 信息 定义(抽象功能) 创造(原理解) 评价 决断(决策) 解
解
信息
定义
创造
结 果 不 满 意
评价
决断
经典设计理论的一般解题过程
经典设计理论(德国) －概念设计


概念设计(方案设计)：是设计过程中的一部 分，即在阐明了任务书以后，通过抽象化、 建立功能结构、寻求合适的作用原理并将 其组合，而确定原理解(原理方案)。 概念设计阶段的核心
经典设计理论(德国) －设计划分的三种类型

新设计：在概念设计阶段产生一个全新的原理解，以满足 给定的设计要求

按照一个系统 (装置、设备、机器或部件)的相同的、有变化的 或是新的任务书的要求，制定一个新的解的原理。

适应性设计：对已有产品的工作原理作适当改进，以满足 对产品新的要求

使一个已有的系统(解的原理保持不变)，适应于一个有改变的 任务书，以克服原有系统的明显的局限性，这时常常必须对个 别部件或零件作新设计。

变型设计：不改变已有产品的工作原理，而对其某些零部 件改进设计

在预先选定的系统范围内作尺寸和(或)布置方式的变型，功能 和解的原理保持不变。也不出现例如材料、应力和工艺方面的 新问题。设计工作也同样没有新问题，解的原理和所作技术设 计均保持不变，只有个别零件尺寸有所改变
经典设计理论(德国) －一般解题过程
经典设计理论(德国) －功能分析实例
E辅 助 S F应 SΔL应
应有值 实有值 比较 放大 测量值 测量力 Sp
E加 载 S
能量转换成 力和路程
调节能量大小
测量变形
SΔL
E损 失
试件
夹持 试件
对试件 加载
E变 形 试 件 变形
试验机总功能的完整功能结构
实例讨论

购物车的功能如何分解？
购物车 容纳货物

分析力－变形关系的试验机
E加 载 E变 形
试件 S
考察试件的 力 ----变 形 关 系
试 件 变形的
S力 S变 形
分析力－变形关系的试验机的总功能图
经典设计理论(德国) －功能分析实例
E加 载 S
能量转换成 力和路程 测量力
SF
测量变形
SΔL
试件
对试件 加载
E变 形 试 件 变形的
试验机的分功能图

在以往工作的基础上， Stone 和 Hirtz等通 过对NIST（National Institute of Standards and Technology）通用功能分类和功能基础 FB（Functional Basis）分类进行调和 （Reconcile）处理，提出了基于三层调和 功能基础的功能词汇的统一表达；
输入
产品功能系统
输出
产品功能系统的黑箱模型
手和手指的运动 (人力) 指甲和手 (固体) 长指甲和倒刺 (视觉和触觉信息) 指甲刀 (分离固体)
声音和动能 (声能和机械能) 剪过的指甲、手 和指甲屑 (固体) 美观和光滑的指甲 (视觉和触觉信息)
指甲刀的能量、物质和信息输入输出的黑箱模型
功能分析实例
平整衣 服（熨 平）
洁净 衣服
水 清洁剂
水 洗衣机功能分析
热空气
调合功能基的提出和应用

从1940s 起源于价值工程的产品功能研究— —针对不同的设计领域提出了“主—谓— 宾”（Active verb object）结构的语句方式 来描述产品的功能——开始，人们逐渐认 识到一致的功能表达词汇对于设计问题的 重要性。
杂货
支撑 重量
容纳大 件商品
容纳小 件商品
容纳柔 软或易 碎商品
移动购物车 杂货
容纳小孩
推动购 物车
转动购 物车
停住购 物车
小孩
小孩
支撑 重量
限制小 孩活动
图例 系统边界 主要功能 子功能
脏水
水
湿空气
脏衣服
松动尘 土 (加 水 和清洁 剂)
分离尘土 （搅动）
去除尘土 （冲洗）
去除水分 （甩干）
风干衣服 （翻滚烘 干）

建立待设计产品或称技术系统的功能结构。产 品首先由总功能描述，总功能可分解为分功能， 各分功能可一直分解到能够实现为止。物料、 能量、信号三种流作为输入与输出，将各功能 有机地组合在一起就形成了产品的功能结构。
经典设计理论(德国)
能量流 物料流 信号流 总 功 能 能量流 物料流 信号流
分 功 能