【正文】 功能元以及分功能之間的結(jié)構(gòu)關系。 由洗衣機的樹狀功能圖和功能結(jié)構(gòu)圖可以看出洗衣機具有的主要分功能：容納衣物和水（ A） 、 攪動衣物和水（ B） 、 運動傳遞（ C） 和 控制（ D） ，通過對各個分功能尋找功能載體，便可以做出洗衣機相應的 形態(tài)學矩陣 （用其來表示所有可能組成的總體方案）。 電腦自控 機械定時 人工控制 齒輪傳動 帶傳動 超聲波 電磁振蕩 機械摩擦 陶瓷桶 玻璃鋼桶 塑料桶 金屬桶 D（控制） C（運動傳遞） B（洗滌原理） A（容納衣物水） 4 3 2 1 功能載體 分功能 洗衣機的形態(tài)學矩陣 理論上可組合出技術(shù)方案： N=4 3 2 3=72 下圖是材料試驗機的 功能結(jié)構(gòu)圖的制作過程 ： 材料試驗機的總功能為：利用力和變形的關系，檢驗試件的力學性能。 Ⅰ 建立材料試驗機的 “ 黑箱 ” 示意圖： 材料試驗機 （黑箱） a） 材料試驗機的 “ 黑箱 ” 示意圖 加載能量 試件 信號 變形試件 變形能 變形信號 力信號 噪聲 振動 溫度 風力 在材料試驗機的“黑箱”示意圖中，有 3個輸入元素：加載能量、試件和信號；有 4個輸出元素：變形能、變形試件、力信號和變形信號，內(nèi)、外系統(tǒng)間有相互作用和影響。 b） 材料試驗機的功能分解圖 Ⅱ 建立材料試驗機的功能分解圖（初步簡單的功能結(jié)構(gòu)圖）： 通過功能分解，可以把材料試驗機的總功能分解成 4個主要的分功能： ① 把能量轉(zhuǎn)換為力和位移； ② 試件加載； ③ 測力； ④ 測變形。 能量轉(zhuǎn)換為力和位移 控制信號 加載能量 試件加載 試件 變形能 變形后的試件 測變形 變形信號 測力 力信號 b） 材料試驗機的功能分解圖 能量轉(zhuǎn)換為力和位移 控制信號 加載能量 試件加載 試件 變形能 變形后的試件 測變形 變形信號 測力 力信號 Ⅲ 建立材料試驗機的完善的功能結(jié)構(gòu)圖： c） 材料試驗機的功能結(jié)構(gòu)圖 通過增加分功能來進一步完善材料試驗機的功能結(jié)構(gòu)： ② 調(diào)節(jié)能量的大??； 裝卡 試件 試件 加載 變形能 變形后試件 試件 調(diào)節(jié)能量大小 加載能量 控制信號 能量轉(zhuǎn)換為力和位移 ③ 各測量值的放大； ④ 比較標準值和實際值。 測量值放大 測力 測變形 力信號 變形信號 比較標準值和實際值 輔助能量 標準量 ① 試件加載前要裝卡； b） 材料試驗機的功能分解圖 能量轉(zhuǎn)換為力和位移 控制信號 加載能量 試件加載 試件 變形能 變形后的試件 測變形 變形信號 測力 力信號 材料試驗機的功能結(jié)構(gòu)圖 裝卡 試件 試件 加載 變形能 變形后試件 試件 調(diào)節(jié)能量大小 加載能量 控制信號 能量轉(zhuǎn)換為力和位移 測量值放大 測力 測變形 力信號 變形信號 比較標準值和實際值 輔助能量 標準量 經(jīng)過功能分解后，一項總功能被分解成一系列分功能或功能元，與相應的技術(shù)物理效應及功能載體相對應，得到功能分解圖和功能結(jié)構(gòu)圖。 對于像自走式聯(lián)合收割機等 結(jié)構(gòu)過于復雜的機械產(chǎn)品 ，要用一張圖表示它的功能結(jié)構(gòu)，不僅繪制困難，而且看起來也顯得雜亂無章。這時 可把機械系統(tǒng)分解成幾個子系統(tǒng) ，如把谷物聯(lián)合收獲機分解成：收割系統(tǒng)、脫粒系統(tǒng)、清糧系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、支承系統(tǒng)等 8個子系統(tǒng)， 分別畫出各子系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖，這樣可使復雜的問題簡化 。 在繪制子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖時，可與功能相當?shù)臋C械系統(tǒng)作比較。對谷物聯(lián)合收獲機的子系統(tǒng)，收割系統(tǒng)與收割機，脫粒系統(tǒng)與脫粒機，清糧系統(tǒng)與清選機、行走系統(tǒng)與拖拉機汽車作對比。 用形態(tài)學方法建立形態(tài)學矩陣，可找出所有的組合方案。在做這項工作時，要集思廣義，廣開言路，避免犯偏聽偏信、先入為主、主觀片面的錯誤。 2． 功能載體的組合 實現(xiàn)一項功能往往可采用多種功能載體，這就是機械系統(tǒng)設計的多解性。 對機械系統(tǒng)按功能進行分解，對分解出的每一項功能找到可行的功能載體，將這些功能載體組合起來，就得到了機械系統(tǒng)一系列的總體方案。 以行走式挖掘機為例，說明機械系統(tǒng)技術(shù)方案確定的過程： 位置 1的物料 位置 2的物料 能量 驅(qū)動能 信息 顯示信號 噪聲 廢氣 振動 溫度 濕度 道路 行走式挖掘機 （ 黑箱 ） 行走式挖掘機的黑箱示意圖 1）作出行走式挖掘機的“黑箱”示意圖。 由圖可表明機械系統(tǒng)的互動能量；物料的取、移、放；環(huán)境對它的約束條件。 行走式挖掘機的功能結(jié)構(gòu)圖 2）功能分解：行走式挖掘機有 3個基本功能：挖取物料、移動物料和堆放物料，作出該機的功能結(jié)構(gòu)圖。 移物 C （挖掘機移動） 放物傳動 D （挖掘斗運動） 驅(qū)動能 顯示信號 信號 能量 移物傳動 B （將動力傳動至行走裝置） 驅(qū)動能 顯示信號 信號 能量 取物傳動 D （挖掘斗的運動） 驅(qū)動能 顯示信號 信號 能量 放物 E （堆放） （位置 2） 物料 取物 E （挖?。? （位置 1） 物料 由功能結(jié)構(gòu)圖可看出，行走式挖掘機有 5項分功能：動力源 (A)、移位傳動 (B)、移物 (C)、取物傳動 (D)、取放物 (E)(取物、放物合二為一，用一個功能載體實現(xiàn) )。找出各分功能可行的功能載體，就可以作出挖掘機的形態(tài)學矩陣。 方案總數(shù)： N=A B C D E=6 5 4 4 3=1440 鉗式斗 抓 斗 挖 斗 液壓缸傳動 氣缸傳動 繩傳動 拉 桿 氣 墊 履 帶 輪 胎 軌道及車輪 液力耦合器 鏈傳動 帶傳動 蝸桿傳動 齒輪傳動 氣動馬達 液動機 透平機 柴油機 汽油機 電動機 挖掘機的形態(tài)學矩陣 E(取放物 ) D(取放物傳動 ) C(移位 ) B(移物傳動 ) A(動力源 ) 6 5 4 3 2 1 功 能 載 體 分功能 A3 + B4 + C3 + D2 + E1——履帶式挖掘機 柴油機 鏈傳動 履帶 繩傳動 挖斗 3）作出挖掘機的形態(tài)學矩陣： 液動機 液力耦合器 輪胎 液壓缸傳動 抓斗 A3 + B4 + C3 + D2 + E1——履帶式挖掘機 柴油機 鏈傳動 履帶 繩傳動 挖斗 A5 + B5 + C2 + D4 + E2—液壓輪胎式挖掘機 對那些合理的可行方案，應進行綜合評價?？蓮?物理學相容原理 、 技術(shù)經(jīng)濟效益 、 功率 、 速度 、 尺寸等功能參數(shù)方面 ，對這些方案進行 復核、檢驗、評審 ，從中找出幾個較好的方案。 對于 像自走式聯(lián)合收獲機這類 比較復雜的機械產(chǎn)品 ，如果對整機采用一個形態(tài)學矩陣，就過于龐大了，這時 可分別建立各子系統(tǒng)的形態(tài)學矩陣，考慮各子系統(tǒng)的方案，然后再綜合成整個機械產(chǎn)品的方案 。 通過形態(tài)學矩陣得到的某一些方案，可能沒有實際意義，甚至有一些功能載體無法匹配，所以應首先舍去那些不合理或沒有實際意義的方案。 思考題： 舉例說明什么是 “黑箱 ”，為什么要把待定的設計對象抽象為 “黑箱 ”，從 “黑箱 ”圖中可以看出什么問題。 舉例說明怎么針對設計對象確定工藝原理，技術(shù)過程和尋找功能載體。 以你最熟悉的機械產(chǎn)品為例，說明機械系統(tǒng)方案設計的方法，要求畫出 “黑箱 ”示意圖，樹狀功能圖，功能結(jié)構(gòu)圖和形態(tài)學矩陣，并且組合可能的方案。 外部環(huán)境的溫度、濕度、塵埃、振動、噪聲、外部輸入能量的穩(wěn)定性等因素，都會影響或干擾技術(shù)過程的轉(zhuǎn)化；同樣，技術(shù)過程的轉(zhuǎn)化也會影響外部環(huán)境。 是否對這些影響和干擾進行控制，就涉及到系統(tǒng)的邊界。 (二 )確定系統(tǒng)邊界 系統(tǒng)邊界是技術(shù)系統(tǒng)功能范圍的界限，即內(nèi)部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的分界 。 1．人參與技術(shù)系統(tǒng)的程度 人參與技術(shù)系統(tǒng)的程度涉及到操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的功能 。有許多分功能如機床加工機械零件時，被加工工件的定位、夾緊、移位、調(diào)整和測量等分功 可以由人完成也可由機械系統(tǒng)完成 。人和機械系統(tǒng)的不同分工，就體現(xiàn)了機械系統(tǒng)的機械化和自動化程度，人參與程度不同，機械系統(tǒng)的復雜程度和成本也不相同。 2．外部系統(tǒng)和內(nèi)部系統(tǒng)的相互影響 確定系統(tǒng)的邊界時應考慮下面兩個因素： ①人參與技術(shù)系統(tǒng)的程度； ②外部系統(tǒng)與內(nèi)部系統(tǒng)的相互作用和影響。 例如： 普通轎車和越野車，外部環(huán)境 —— 道路不同，要求內(nèi)部系統(tǒng) —— 車的適應性不同，要求操縱系統(tǒng)不同，越野車要能適應較為惡劣的外部環(huán)境。 造紙設備，對外部環(huán)境的影響 —— 污水，要經(jīng)過處理以后才能排放，因此要把污水處理放到系統(tǒng)之內(nèi)，這就是系統(tǒng)邊界問題。 六、確定基本結(jié)構(gòu)布局 技術(shù)方案確定后，功能載體的組合關系就明確了，但結(jié)構(gòu)元件在空間的相互位置還可以進行不同的處理，即 相同的功能載體關系，可以構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)布局 。 發(fā)動機 A后置； 駕駛臺 B在發(fā)動機前側(cè)、左方； 糧箱 C前置； 脫粒機頂蓋 D在糧箱 C下方。 優(yōu)點：對發(fā)動機尺寸沒有限制 ， 駕駛員工作條件好 ， 保養(yǎng)空間大 ， 適合布置尺寸大的發(fā)動機 。 結(jié)構(gòu)特點： 缺點：檢查保養(yǎng)發(fā)動機，需從尾部爬上頂蓋，不方便；糧箱尺寸受限制，不能太大。 發(fā)動機 A前置 ； 駕駛臺 B在糧箱 C的前方、發(fā)動機左側(cè)； 脫 粒 機頂蓋 D在糧箱 C下方。 優(yōu)點：發(fā)動機靠近駕駛臺 ， 保養(yǎng)維護發(fā)動機方便；糧倉容積可以較大 。 結(jié)構(gòu)特點： 缺點：發(fā)動機尺寸受限制，駕駛員受發(fā)動機影響，有振動、噪聲和高溫。 發(fā)動機 A后置； 糧箱 C位于發(fā)動機 A與駕駛臺 B之間 ； 脫 粒 機頂蓋 D在糧箱 C下方。 優(yōu)點：發(fā)動機尺寸不受限制 ， 駕駛員工作條件好 ， 保養(yǎng)空間大；由于糧箱 C的隔離作用 ， 發(fā)動機的振動 、 噪聲和高溫對駕駛員影響較小 。 結(jié)構(gòu)特點： 缺點：保養(yǎng)發(fā)動機要從側(cè)面或后面爬上，較困難。 駕駛臺 B前置； 2） 短頭式 ：發(fā)動機一小部分伸入駕駛室之下。 優(yōu)點：可以改善駕駛員的視野，減小軸距和車的長度，改善機動性，減輕自重。 缺點：發(fā)動機保養(yǎng)不方便，發(fā)動機工作產(chǎn)生的噪聲、振動和高溫對駕駛員有影響。 載重汽車的 發(fā)動機與駕駛室 相對位置有 3種三種方案（型式）： 1） 長頭式 ：駕駛室在發(fā)動機之后。 優(yōu)點：保養(yǎng)發(fā)動機方便； 缺點：駕駛員的視線受影響，車輛的軸距和長度較大，機動性不好，自重較大。 3） 平頭式 ：發(fā)動機在駕駛室之下。 優(yōu)點：駕駛員視野開闊，車輛的軸距和長度小，機動性好，自重輕。 缺點：保養(yǎng)發(fā)動不方便，駕駛員受發(fā)動機工作產(chǎn)生的噪聲、振動、高溫的影響，另外，發(fā)生撞車后對司機保護不利。 1） 發(fā)動機前置 ：發(fā)動機在車箱之前。 優(yōu)點：操縱簡單，發(fā)動機冷卻條件好，保養(yǎng)維修方便。 缺點：車箱里噪聲大，有油煙味和熱氣，車輛的面積利用較差。 大型客車 發(fā)動機與車箱 的相對位置有 3種方案： 2） 發(fā)動機中置 ：發(fā)動機在車箱中下方。 優(yōu)點：車內(nèi)噪聲小，條件好，乘坐舒適，駕駛員視野開闊。 缺點：發(fā)動機保養(yǎng)維修困難，冷卻防塵難，地板高度也不易降低。 3） 發(fā)動機后置 ：發(fā)動機在車箱之后，橫置或者縱置。 優(yōu)點：車內(nèi)噪聲小，條件好，乘坐舒適，車廂內(nèi)地板平坦，駕駛員視野開闊。 缺點：發(fā)動機冷卻不好解決，散熱條件差，操縱困難。行進中車尾負壓及車輪灰塵，使進氣環(huán)境惡化，后橋易超載。 七、方案評價 （自學） 例 4：四工位專用機床 四工位專用機床是在 四個工位上 分別完成工件的裝卸、鉆孔、擴孔、鉸孔 工作的專用加工設備。機床的執(zhí)行動作有兩個：一是裝有工件的 回轉(zhuǎn)工作臺的間歇轉(zhuǎn)動 ；二是裝有三把專用刀具的 主軸箱的往復移動 （刀具的轉(zhuǎn)動由專用電機驅(qū)動）。 兩個執(zhí)行動作由同一臺電機驅(qū)動 ，工作臺轉(zhuǎn)位機構(gòu)和主軸箱往復運動機構(gòu)按動作時間順序分支并列，組合成一個機構(gòu)系統(tǒng)。 加工孔，如下圖。材料： HT200 φ 50H6ⅠⅡⅢⅣA2A3裝拆工件 鉆底孔 擴孔 鉸孔 （ Ⅰ