《機械創(chuàng)新設(shè)計》任務(wù)一功能分析

項目五

機械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計（一）功能的描述功能是產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)特定工作能力抽象化的描述，如手機的功能是接打電話，計算機的功能是信息處理。在功能原理方案設(shè)計時，功能原理方案要滿足設(shè)計對象的功能要求，對設(shè)計對象功能的描述要簡潔、準(zhǔn)確、全面，要合理抽象，抓住本質(zhì)。這樣可以開闊設(shè)計思路，為工作原理方案設(shè)計提供一個寬松的范圍與空間，更有利于設(shè)計的創(chuàng)新。進行原理方案設(shè)計時，一般遵循以下步驟：（1）明確任務(wù)；（2）設(shè)計任務(wù)抽象化，確定總功能，抓住本質(zhì)，擴展思路；（3）將總功能分解為了功能直至功能元；（4）尋找子功能（功能元）的解；（5）原理解組合，形成多種原理設(shè)計方案；（6）方案評價與決策。（一）功能的描述在確定一個未知系統(tǒng)的總功能時，由于對未知系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)系一無所知，漆黑一團，常采用“黑箱法”研究分析問題。黑箱法，是指針對復(fù)雜的未知系統(tǒng)，猶如不透明不知其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“黑箱”，通過考察黑箱與周圍環(huán)境的聯(lián)系、輸入、輸出及其動態(tài)過程，來定量或定性地認識系統(tǒng)的功能特性、行為方式，以及探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機理的一種控制論認識方法。黑箱方法注重整體和功能，兼有抽象方法和模型方法的特征。把待求系統(tǒng)看作“黑箱”，分析比較系統(tǒng)輸入輸出的能量、物料和信息，輸入輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即反應(yīng)系統(tǒng)總功能。（二）功能的分類

一臺設(shè)備或者一個產(chǎn)品通常具有為很多的功能。為了分析產(chǎn)品的功能，需要對功能進行分類。產(chǎn)品的功能可從性質(zhì)、重要性及用戶需求等方面進行分類。

（1）按性質(zhì)分類1）使用功能。它是指為滿足產(chǎn)品使用目的而提出的各項特性要求。例如，空調(diào)的使用功能是把環(huán)境溫度調(diào)節(jié)在一個固定范圍內(nèi)，手機的使用功能是把視頻、語音等信息進行遠距離傳送。2）美觀功能。它是指產(chǎn)品外觀、形狀、色彩、氣味、手感和音響等方面的功能，即人們對美的享受功能。例如，人們對汽車的需求，即要求它能載人、拉貨，而且又要求它外觀漂亮。

一般產(chǎn)品都同時有使用功能和外觀功能，而對于機器設(shè)備而言，基本上只看它的使用功能。至于裝在機器內(nèi)部的零部件，只要有使用功能，外觀功能要求不高。

（2）按重要性分類

1）基本功能?；竟δ苁钱a(chǎn)品得以獨立存在的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)產(chǎn)品用途必不可少的功能，是用戶購買該產(chǎn)品的目的。產(chǎn)品的基本功能有一種甚至多種。例如，普通水杯的基本功能是盛裝飲用水這一種，而保溫水杯除了盛裝飲用水之外，還具有保溫功能，它就具有兩種基本功能。

2）輔助功能。輔助功能相對基本功能來說，是次要的、輔助的，是完善基本功能的手段，但如果沒有它，產(chǎn)品的基本功能不受影響。例如，汽車的泊車輔助系統(tǒng)、電視機的遙控裝置等。（二）功能的分類（3）按用戶要求分類

1）必要功能。這是指產(chǎn)品符合使用者所要求的必須具備的作用或功能，即產(chǎn)品的使用價值。比如機電系統(tǒng)一般由驅(qū)動、傳動、執(zhí)行和測控四部分組成，各部分具有其相應(yīng)的功能。驅(qū)動部分為系統(tǒng)提供能量，傳動部分完成驅(qū)動部分與執(zhí)行部分間運動和動力的傳遞，執(zhí)行部分以不同的執(zhí)行元件完成各種機器執(zhí)行功能，測控部分包含傳感和控制功能。傳感部分把機器工作過程中各種參數(shù)和狀況檢測出來，變成可測定和控制的物理量，傳送到控制部分，控制部分經(jīng)過信息處理，發(fā)出對各部分工作的指令和控制信號。這些功能共同作用，使機電系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，缺一不可。

2）不必要功能。這是指使用者不需要的功能，即多余的功能。例如，在風(fēng)扇的扇葉防護罩上設(shè)計很多紋路圖案，希望能使風(fēng)扇美觀，但該設(shè)計既容易附著灰塵，有影響排風(fēng)效果，這就是不必要的功能。再比如，在設(shè)計時，對公差的精度、材料的質(zhì)量、安全系數(shù)等要求過高；或在生產(chǎn)過程中大材小用、優(yōu)材劣用、整料零用等。在產(chǎn)品中往往包含這種功能，原因一部分是由于設(shè)計者沒有掌握功能的本質(zhì)，或者是沒有對準(zhǔn)用戶的要求，主觀臆斷附加上去的；另一部分則是因為設(shè)計不合理而造成的。（三）功能原理方案分析在弄清產(chǎn)品或系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，要對其功能的原理方案進行總體分析。通常功能的實現(xiàn)方式與工藝過程和執(zhí)行元件有密切關(guān)系，需要分析其工藝過程，在較大的領(lǐng)域內(nèi)進行工作原理的搜索。如：發(fā)電設(shè)備總體原理方案的分析。根據(jù)轉(zhuǎn)化為電能的原始能源類型可提出以下幾種發(fā)電原理：（1）水力發(fā)電法：利用水的位能轉(zhuǎn)為水輪的機械能，再以機械能推動發(fā)電機，而得到電力。比如水輪發(fā)電機。（2）火力發(fā)電法：利用石油、煤炭和天然氣等燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能來加熱水，使水變成高溫、高壓水蒸氣，然后再由水蒸氣推動發(fā)電機來發(fā)電。比如鍋爐+汽輪發(fā)電機。（3）核能發(fā)電法：利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱能進行發(fā)電。比如核反應(yīng)堆+汽輪發(fā)電機。（4）風(fēng)力發(fā)電法：把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋１热顼L(fēng)力發(fā)電機。

（5）地?zé)岚l(fā)電法：利用地下熱能發(fā)電。比如地?zé)岚l(fā)電機。由以上分析可見，由于不同的原理和生產(chǎn)工藝將會有不同的執(zhí)行元件和生產(chǎn)過程，對方案（1）、（4）、（5）需分別設(shè)計發(fā)電機，而對于方案（2）、（3）汽輪發(fā)電機大同小異，不同的是需分別涉及燃燒系統(tǒng)和核反應(yīng)堆。

復(fù)雜系統(tǒng)往往有多個功能，在總體方案階段要求對各執(zhí)行元件之間的關(guān)系配合和動作協(xié)調(diào)進行規(guī)劃，以便指導(dǎo)下一步的設(shè)計。（四）功能分解隨著產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，功能越來越多，一般很難直接找到滿足總功能的原理解。用系統(tǒng)工程分解性原理將功能系統(tǒng)按總功能、分功能、……、功能元進行分解，化繁為簡，通過各功能元解的有機組合求得技術(shù)系統(tǒng)解。可將功能分解為樹狀結(jié)構(gòu)，稱為功能樹。功能樹起于總功能，按分功能、二級分功能……分解，其末端為功能元。功能元是可以直接求解的系統(tǒng)最小組成單元。如：冰箱的功能分析。冰箱是保持恒定低溫的一種制冷設(shè)備，也是一種使食物或其他物品保持恒定低溫狀態(tài)的民用產(chǎn)品。箱體內(nèi)有壓縮機、制冰機用以結(jié)冰的柜或箱，帶有制冷裝置的儲藏箱。目前比較常用的是壓縮式冰箱，該種電冰箱由電動機提供機械能，通過壓縮機對制冷系統(tǒng)做功。制冷系統(tǒng)利用低沸點的制冷劑，蒸發(fā)汽化時吸收熱量的原理制成的。其優(yōu)點是壽命長，使用方便。其功能分解如右圖所示。（五）功能求解1.功能元解功能元解是得出系統(tǒng)總功能原理解的基礎(chǔ)。一般對功能元求解可通過以下幾種方法進行：（1）調(diào)查分析法了解當(dāng)前國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，參考借鑒有關(guān)產(chǎn)品資料或?qū)＠?，得出解決方案；（2）設(shè)計目錄法（詳見任務(wù)2）；（3）各種創(chuàng)造技法。如：冷卻降溫原理解法分析。①制冷系統(tǒng)利用低沸點的制冷劑，蒸發(fā)汽化時吸收熱量的原理制成的。②利用熱源(如煤氣、煤油、電等)作為動力。利用氨-水-氫混合溶液在連續(xù)吸收-擴散過程中達到制冷的目的。③利用對PN型半導(dǎo)體，通以直流電，在結(jié)點上產(chǎn)生珀爾帖效應(yīng)的原理來實現(xiàn)制冷。④利用某些化學(xué)物質(zhì)溶解于水時強烈吸熱而獲得制冷效果。⑤利用太陽能作為制冷能源。⑥絕熱去磁制冷。⑦輻射制冷。（五）功能求解

《機械創(chuàng)新設(shè)計》任務(wù)二設(shè)計目錄

項目五機械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計（一）原理解法的設(shè)計目錄用功能設(shè)計法進行原理方案設(shè)計，功能元解是組合原理方案的基礎(chǔ)。工程系統(tǒng)的基本功能元可歸結(jié)為邏輯功能元、數(shù)學(xué)功能元和物理功能元三類。(1)邏輯功能元—“與”、“或”、“非”三元，主要用于控制功能。基本邏輯關(guān)系如表2-5-1所示。由機械、強電、電子、射流、氣體、液體等領(lǐng)域可尋找相應(yīng)的“與”、“或”、“非”邏輯動作的各種解法。比如機械鑰匙開鎖就屬于邏輯“與”功能。（一）原理解法的設(shè)計目錄(2)數(shù)學(xué)功能元—可分為加減、乘除、乘方和開方、積分和微分四組，也可按機、強電、電子各領(lǐng)域列出有關(guān)解法目錄。

(3)物理功能元—物理功能元反映系統(tǒng)中能量、物料及信號變化的物理基本作用。常用的有五個為:轉(zhuǎn)變—復(fù)原；放大—縮??；連接—分離；傳導(dǎo)—絕緣；貯存—提取。1）“變換—復(fù)原”功能元包括各種類型能量之間的轉(zhuǎn)變、運動形式的轉(zhuǎn)變、材料性質(zhì)的轉(zhuǎn)變、物態(tài)的轉(zhuǎn)變及信號種類的轉(zhuǎn)變等。2）“放大—縮小”功能元，是指各種能量、信號向量(力、速度等)或物理量的放大及縮小，以及物料性質(zhì)的縮放(壓敏材料電阻隨外壓力的變化)。3）“連接—分離”功能元，包括能量，物料、信號同質(zhì)或不同質(zhì)數(shù)量上的結(jié)合和分離。除物料之間的合并、分離外，流體與能量結(jié)合成壓力流體(泵)的功能也屬此范圍。

4）“傳導(dǎo)—絕緣”功能元，反映能量、物料，信號的位置變化。傳導(dǎo)包括單向傳導(dǎo)、變向傳導(dǎo)，絕緣包括離合器、開關(guān)、閥門等。

5）“貯存—提取”功能元，體現(xiàn)一定時間范圍內(nèi)對能量、物料、信號保存的功能。如飛輪，彈簧、電池、電容器等，反映能量的貯存；錄音帶、磁鼓反映聲音、信號的貯存。（一）原理解法的設(shè)計目錄工程系統(tǒng)中常用的物理效應(yīng)有：（1）力學(xué)效應(yīng)：重力、彈性力、慣性力、摩擦力等；比如離心泵、化工系統(tǒng)的考拉泵都是利用離心慣性力來引水的。（2）液氣效應(yīng)：流體靜壓、流體動壓、毛細管效應(yīng)、帕斯卡效應(yīng)、虹吸效應(yīng)等；比如液壓千斤頂、汽車液壓剎車系統(tǒng)等都是利用的帕斯卡效應(yīng)。（3）電力效應(yīng)：靜電、壓電效應(yīng)，電動力學(xué)等；（4）磁效應(yīng)：電磁效應(yīng)、永磁效應(yīng)等；比如永磁體電動機、交流電動機、電磁鐵等都是利用電磁效應(yīng)工作的。（5）光學(xué)效應(yīng)：反射、折射、衍射、光干涉、偏振、激光效應(yīng)等；（6）熱力學(xué)效應(yīng)：膨脹、熱傳導(dǎo)、熱存儲、絕熱效應(yīng)等；（7）核效應(yīng)：輻射、同位素效應(yīng)等。比如核輻射在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可用于輻射加工、輻射育種及放射性治療等方面?？梢娡晃锢硇?yīng)能完成不同功能，如利用靜電效應(yīng)可以除塵、復(fù)印與印刷、噴涂等，在進行功能設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的物理效應(yīng)。（二）設(shè)計目錄的編制設(shè)計目錄的編制也是采用系統(tǒng)工程分析的方法和系統(tǒng)搜索的思路。以挖掘機的設(shè)計目錄編制為例加以說明。挖掘機的功能分解如圖2-5-6所示。將總功能分解為一級、二級子功能。二級子功能若還找不到解，還可以接著往下分解，直到可找到相應(yīng)的原理解為止。圖2-5-6

挖掘機的功能分解（二）設(shè)計目錄的編制取每一種子功能的一種功能解法組合，可得到挖掘機的一種方案，可組合的最多方案數(shù)為N=1×3×3×3×2×4×4×3×4=10368。在眾多方案中，進行篩選評價，得出最優(yōu)方案。設(shè)計目錄是具體選擇并確定方案的依據(jù)，為了更好地描述不同方案的特點，也可將每個功能解作為特定的功能模塊，也列為一個基本目錄，列出其基本性能特點（如傳動比大小、功率范圍等）、特殊性能（如遠距離傳動、自鎖等）、評價數(shù)據(jù)（如對性能、成本、工藝性等基本評價目標(biāo)的評分或隸屬度）等。

將挖掘機的功能元列為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的功能元解分列為縱坐標(biāo)，形成形態(tài)學(xué)矩陣，如表2-5-2所示?！稒C械創(chuàng)新設(shè)計》任務(wù)三產(chǎn)品價值分析

項目五機械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計（一）產(chǎn)品價值分析定義產(chǎn)品價值分析(Product-valueanalysis，簡稱PVA)是一種降低成本、提高效益的方法，其是通過產(chǎn)品屬性的審慎研究來決定是否能重新設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化或以較便宜高效的生產(chǎn)方法來制造、銷售和服務(wù)。（二）產(chǎn)品價值分析意義（1）研究產(chǎn)品功能，更好的提高和保證功能的實施程度。（2）研究產(chǎn)品消費，以更小的費用可靠的實現(xiàn)功能或降低產(chǎn)品成本。（3）提高產(chǎn)品的價值，更好的滿足消費者的需要。（三）產(chǎn)品價值分析產(chǎn)生與發(fā)展20世紀(jì)40年代美國出現(xiàn)了產(chǎn)品分析的概念。二戰(zhàn)期間美國對戰(zhàn)爭物資的消耗巨大，為了提升武器性能，保證武器按時交貨，導(dǎo)致了對有限資源的大肆濫用，造成美國物資短缺。在100種重要資源中，有88種需要進口。在這樣的大背景下，美國通用電器公司同樣遇到物資短缺的問題，尤其是公司常用的石棉板供貨不足，價格昂貴不說，有時還買不到貨。工程師邁爾斯提出用一種價格較低且貨源充足的不易燃燒的紙代替石棉板。該紙不僅與石棉板一樣，能鋪在地板上，防止給產(chǎn)品噴涂材料時玷污地板而引發(fā)火災(zāi)，而且貨源充足，價格還很低，僅僅是石棉板的1/4左右。工程師邁爾斯發(fā)現(xiàn)，人們使用某種材料的目的是利用材料所具有的功能。因此可以考慮用功能相同但價格低廉的代用品取代原來昂貴的材料，由此促成了價值分析的問世。我國在1978年下半年開始推廣價值工程活動。價值分析的發(fā)展過程大致經(jīng)歷了以下四個階段：（1）降低材料的費用，比如改變產(chǎn)品材質(zhì)、尺寸和形狀等；（2）改進現(xiàn)有產(chǎn)品，比如改變產(chǎn)品設(shè)計方案，優(yōu)化產(chǎn)品加工方法等；（3）新產(chǎn)品的價值分析，在新產(chǎn)品開發(fā)時運用價值分析的方法進行設(shè)計；（4）系統(tǒng)的價值分析，對由產(chǎn)品及相關(guān)的設(shè)備組成的系統(tǒng)運用價值分析，包含設(shè)計、制造、使用、維修服務(wù)等整個環(huán)節(jié)。（四）產(chǎn)品價值結(jié)構(gòu)產(chǎn)品價值結(jié)構(gòu)主要包括材料成本、生產(chǎn)成本、機能價值、創(chuàng)意設(shè)計、信譽價值等。（1）材料成本材料成本包括產(chǎn)品材料、生產(chǎn)耗損、研發(fā)耗損、包裝材料；約占產(chǎn)品價值的30%。（2）生產(chǎn)成本生產(chǎn)成本包括工資福利費用、管理費用、場地費用；精工細作的產(chǎn)品成本相對會提高；約占產(chǎn)品價值的30%。（3）機能價值機能價值包括實用價值、性能價值（可操作性、安全性、舒適性）；約占產(chǎn)品價值的15%。（4）創(chuàng)意設(shè)計創(chuàng)意設(shè)計包括產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)搭配、造型線條、色彩圖案裝飾、寓意表達、文化襯托和整體美學(xué)感官；約占產(chǎn)品價值的10%。（5）信譽價值信譽價值主要來自生產(chǎn)廠家和經(jīng)營者的信譽積累，保質(zhì)保量、價格合理、服務(wù)周到才會產(chǎn)生信譽價值；約占產(chǎn)品價值的15%。（五）產(chǎn)品價值分析的方法（1）PEST分析法PEST分析是指宏觀環(huán)境的分析，P是政治(politics)，E是經(jīng)濟(economy)，S是社會(society)，T是技術(shù)(technology)。在分析一個行業(yè)/

企業(yè)/

產(chǎn)品所處的市場環(huán)境，通常是通過這四個因素來進行分析企業(yè)集團所面臨的狀況。下面以新能源汽車為例簡單介紹PEST分析法。新能源汽車作為低碳環(huán)保的重要產(chǎn)品，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到大家的青睞。1）政治環(huán)境分析-國家政策推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為我國七大新興產(chǎn)業(yè)之一，極大的受到了政府的重視，在戰(zhàn)略投資、財政補貼、稅收減免、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等方面推出多項相關(guān)政策，例如2001年發(fā)布國家863計劃電動汽車重大專項，2009年我國開始實施“十城千輛”節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程，2022年下半年開展全國新一輪新能源汽車下鄉(xiāng)活動等。2）經(jīng)濟環(huán)境分析-經(jīng)濟增長為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供保障。我國經(jīng)濟呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢，經(jīng)濟轉(zhuǎn)型逐漸走上正軌，國民收入和人均可支配收入不斷提高，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了保障。近年來，新能源汽車市場需求旺盛，產(chǎn)銷創(chuàng)新高。2021年中國新能源汽車產(chǎn)量為354.5萬輛，截至2021年底，全國新能源汽車保有量達784萬輛，其中，純電動汽車保有量640萬輛。新能源汽車較高的價格卻成了制約新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。為了保證續(xù)航里程和充電效率，電動汽車對電池的技術(shù)要求很高，因此中國市場上的各類在售車型官方定價也較高，一般在10萬元、15萬萬元以上，有些甚至在20萬元以上。（五）產(chǎn)品價值分析的方法3）社會環(huán)境分析-能源消耗為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供機會。近年來全球環(huán)境污染等問題不斷涌現(xiàn)。我國的能源消費量逐年增加，能源安全正在面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，碳達峰和碳中和對清潔能源以及低碳環(huán)保產(chǎn)品的需求越來越多。新能源汽車作為低碳環(huán)保的重要產(chǎn)品，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展也將會成為我國低碳趨勢與可持續(xù)發(fā)展的重要體現(xiàn)。4）技術(shù)環(huán)境分析-專利增多，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供支持。新能源汽車在技術(shù)、專利方面都有了進步與發(fā)展，純電動汽車的專利數(shù)量和增長速度都遙遙領(lǐng)先。我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的市場宏觀環(huán)境良好，產(chǎn)業(yè)的繁榮和發(fā)展將會受到國家的持續(xù)關(guān)注。政治、經(jīng)濟、社會和技術(shù)各方面的現(xiàn)狀使得新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景光明。（五）產(chǎn)品價值分析的方法（2）SWOT分析法SWOT分析，即態(tài)勢分析法，S（strengths）是優(yōu)勢、W（weaknesses）是劣勢，O（opportunities）是機會、T（threats）是威脅。將對企業(yè)/

產(chǎn)品內(nèi)外部條件各方面內(nèi)容進行綜合和概況，進而分析組織的優(yōu)劣勢、面臨的機會威脅通過調(diào)查列舉出來，并依照矩陣形式排列，然后用系統(tǒng)分析的思想，把各種因素相互匹配起來加以分析，從中得出一系列相應(yīng)的結(jié)論，而結(jié)論通常帶有一定的決策性的一種方法（較為宏觀和主觀）?！稒C械創(chuàng)新設(shè)計》