功能组合设计的优化方法

求解机械设计问题的重要特征之一是设计问题的多解性。为了能够在众多可行解中寻求较优的解答，首先需要广泛地探索各种可行解，然后通过科学的评价、筛选，得到较优秀的解答。功能组合设计方法就是一种使设计者可以广泛探索各种可行解的设计方法。

复杂机械装置的总功能需要通过装置中各部分的组合与协调来实现，装置各部分所完成的功能称为隶属于总功能的分功能。

求解机械功能的过程中，首先将机械装置的总功能分解成一组分功能，各项分功能的组合可以恰好完成总功能，各项分功能之间没有重复，各项分功能的组合不超出对总功能要求的范围，也不遗漏任何一项功能。

由于对各项分功能的要求比总功能更简单，所以逐个求解分功能的难度通常比直接求解总功能的难度更小，一旦所有的分功能都得到适当的解答，对总功能的解答也就被确立了。如果某项分功能无法直接求解，可以仿照前面的方法将其进一步分解，直至所有的分功能都得到有效的解答。

通常每项分功能的解答都是不唯一的，通过将各项分功能的不同解答进行充分的组合，就可以得到大量的关于总功能的解答。只要对功能的分解和对分功能的求解过程是适当的，求解过程就不会遗漏可行解。通过对这些可行解的分析、评价和筛选，可以得到较优秀的总功能解，参见图2-15。

设第i项分功能的解答有k个，经过充分组合后可以得到的总功能解数量为

有些分功能解之间是不相容的，有些组合的结果明显不合理，将这些无效的组合删除后仍可以得到大量的有效解答，通过对这些解答的可行性、经济性、先进性、竞争性进行评价，可以得到较优秀的原理方案。

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图2-15 功能分解法

例如，轴系结构的功能之一是通过合理地配置轴承，使轴系相对于箱体在两个方向上均实现定位。双支点轴系结构的轴向定位分别通过两个支点的定位方式实现，每个支点相对于箱体的轴向定位方式可以有图2-16所示的4种情况。

图2-16 单个支点轴向定位方式

将这4种定位方式进行组合，可以得到双支点轴系轴向定位的16种可能方式，如图2-17所示。

图2-17 双支点轴系轴向定位方式

在这16种定位方式中，方案g、h、j、l、n、o、P存在过定位，实际不被采用。在其余的9种方案中，方案b与e、方案i与c、方案d与m分别为对称方案，余下的6种方案均为可行方案。其中，方案f和k分别为两端单向固定的正装和反装轴系结构，通常用于支点跨距较小而且工作温升较低的场合；方案d为一端固定、一端游动轴系结构，通常用于支点跨距较大或工作温升较高的场合；方案a为两端游动轴系结构，用于轴系中的其他零件具有双向轴向定位功能的场合，例如，通过一对人字齿轮或双斜齿轮啮合的轴系结构中，其中一个轴系结构应采用两端游动结构；方案b和c为一端单向固定轴系结构，可用于轴系中的其他零件具有单向轴向定位功能的场合，例如锥齿轮轴系、活顶尖轴系、只受重力作用的立式轴系等。