功能分析：如何确定产品的总功能与分功能

功能是对于某一产品的特定工作能力的抽象化描述。每一件产品均具有不同的功能，对于工业产品，使用者购买的主要是实用功能。当人们把机械、设备、仪器看作是一个系统时，功能就是一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入输出量之间的关系。输入和输出可以抽象为能量、物质和信息三要素。实现预定的能量、物质和信息的转换就体现了机械系统的功能。

机械产品如同人的身体结构。人有头部、胸、腹、四肢等肢体部位，机器有齿轮、轴、连杆、螺钉、机架等组合构件；人有消化、呼吸、血液循环等功能件，机器有动力、传动、执行、控制等功能。机械设计的常规设计是从构件开始，而功能分析是从功能思考开始，不受现有结构的束缚，以便形成新的设计构思，提出创造性方案。

确定总功能，将总功能分解为分功能，并用功能结构来表达分功能之间的相互关系，这一过程称为功能分析。功能分析过程是设计人员初步酝酿功能设计原理设计方案的过程。图2-2描述了利用功能分析法设计原理方案的步骤。

图2-2 原理方案设计

1.总功能分析

一种产品中必然有一种转换是该产品主要使用目的所直接要求的，它就构成了该产品的主要功能，简称主功能。为实现产品主功能服务的、由产品主功能决定的一种手段功能称辅助功能。主功能和辅助功能合称为总功能。

在没有获得具体功能解之前，系统只能用一个抽象的“黑箱”来描述一个不知道具体解的技术系统，可参见图2-1。

图2-1中方框内部为待设计的技术系统，方框即为系统边界，通过系统的输入和输出使系统和环境连接起来。对系统总功能的分析，即是通过研究输入、输出之间的变化，对系统的功能作出准确的描述和定义，从而确定实现系统功能的原理方案。

2.总功能分解

一般可按系统分解的原则进行功能分解与功能定义，并通过较简单的功能元去求解。

例如，挖掘机的总功能是取运物料，可分解为一级分功能取物料与运物料，二级分功能在最末端，为功能元，功能元能直接求解。功能分解可用树状的功能关系图（功能树）表达，如图2-3所示。

图2-3 挖掘机的总功能分解

3.功能元求解

利用各种创造性方法开阔思路以寻解法，或利用解法目录对功能元进行求解。所谓解法目录，是把功能原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。建立各种类型功能元的解法目录不仅便于设计人员作参考，而且也有利于存入计算机进行计算机辅助设计。下面介绍几种方法：

（1）直觉法 直觉法是设计师凭借个人的智慧、经验和创造能力，充分调动设计师的灵感思维，来寻求各种分功能的原理解。

直觉思维是人对设计问题的一种自我判断，往往是非逻辑的、快速的直接抓住问题的实质，但它又不是神秘或无中生有的，而是设计者长期思考而突然获得解决的一种认识上的飞跃。日本富士通用电气公司的职工小野，一次雨后散步，在路旁发现一张湿淋淋的展开的卫生纸，由此激发了他的灵感：晴天时，废纸是一团团的，而被雨水淋湿后，都自动伸展开来。后来，他利用“废纸干湿卷伸原理”，研制成功了“纸型自动控制器”，获得一项日本专利。

（2）调查分析法 设计师要了解当前国内外技术发展状况，大量查阅文献资料和专业书刊、专利资料、学术报告、研究论文等，掌握多种专业门类的最新研究成果。这是解决设计问题的重要源泉。(www.xing528.com)

我们的知识来源于大自然，设计师有意识地研究大自然的形状、结构变化过程，对动植物生态特点深入研究，必将得到更多的启示，诱发出更多新的、可应用的功能解，或技术方案。通过对生物学和工程技术方面的关系的研究，开辟了仿生学或生物工程学科。利用自然现象来解决工程技术问题。例如，机器人的出现就是模仿人的听觉、视觉和部分思维及动作而产生的。

调查分析同类机电产品对其进行功能和结构分析，研究哪些是先进可靠的，哪些是陈旧落后的、需要更新改进的，这都对开发新产品、构思新方案、寻找功能原理解法有益处。

（3）设计目录法 设计目录法是设计工作的一种有效工具，是设计信息的存储器、知识库。它以清晰的表格形式把设计过程中所需的参考解决方案加以分类、排列，供设计者查找和调用。设计目录不同于传统的设计和标准手册，它提供给设计师的不是零件的设计计算方法，而是提供分功能或功能元的原理解，给设计者具体启发，帮助设计者具体构思。

4.求系统原理解

将各功能元解进行组合，就可得到多个系统原理解。

进行功能元解组合的常用方法是形态综合法。它是将系统的功能元列为纵坐标，各功能元的相应解列为横坐标，构成形态学矩阵，见表2-1。从每项功能元中取出一种解进行有机组合，即得到一个系统解。最多可以组合出N种方案：

N=n₁×n₂×…×n_i×n_m

式中 m——功能元数；

n_i——第i个功能元解的个数。

表2-1 系统解的形态学矩阵

例如，运用形态综合法来求解挖掘机设计的原理方案。可列出各功能元及其局部解的形态学矩阵，见表2-2。此系统解的可能方案数为

N=6×5×4×4×3=1440

表2-2 挖掘机的形态学矩阵

5.求最佳系统原理方案

在众多方案中，要寻求出最佳系统原理方案，一般需由粗到细进行方案比较，由定性到定量进行优选。首先进行粗筛选，把与设计要求不符的或各功能元解不相容的方案去除。例如上例挖掘机设计的功能元解的组合，若动力源选电动机，则与液力耦合器、气垫、液压缸传动等功能元解不相容，不能组成可实现的原理方案。定性选取出几个满意的方案后，如A₁+B₄+C₃+D₂+E₁⇒履带式挖掘机，A₅+B₅+C₂+D₄+E₂⇒液压轮胎式挖掘机。采用科学的评价方法进行定量评价，从中选出符合设计要求的最佳原理方案。