機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計的方法分析

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【內(nèi)容摘要】文章通過研究經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)作用，提出一種高效合理的產(chǎn)品設(shè)計方法。該方法從研究經(jīng)典產(chǎn)品在功能模塊上的典型特征出發(fā)，尋找出一套能夠普遍運(yùn)用的規(guī)律，并將這種機(jī)械結(jié)構(gòu)移植規(guī)律應(yīng)用于具體產(chǎn)品設(shè)計，驗證了其有效性，最終歸納出一套基于經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)移植的產(chǎn)品設(shè)計方法，從而縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低成本。

【關(guān)鍵詞】產(chǎn)品設(shè)計;機(jī)械結(jié)構(gòu);使用功能

設(shè)計方法是設(shè)計學(xué)理論研究的重要方向之一，對設(shè)計實踐具有現(xiàn)實性的指導(dǎo)作用，歷來為設(shè)計界學(xué)者所重視。如果缺乏對設(shè)計方法與工具的清楚認(rèn)識，很難對其進(jìn)行有針對性的使用，更不利于發(fā)展和創(chuàng)造新的方法和工具。通過經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)移植手段實現(xiàn)新產(chǎn)品的開發(fā)，即利用現(xiàn)有工具來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，具有重要意義。筆者通過對典型案例的分析，總結(jié)出一套簡單易行的設(shè)計方法。

一、運(yùn)用和移植經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)的意義

在漫長的發(fā)展過程中，人們創(chuàng)造出無數(shù)經(jīng)典的產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)形式。雖然設(shè)計師不可能深入了解每種機(jī)械結(jié)構(gòu)，但在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，經(jīng)常需要一些特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)產(chǎn)品功能。按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法，設(shè)計師只能向技術(shù)人員尋求幫助，過程費時費力，效率相對較低。如果設(shè)計師能獨立地將所需結(jié)構(gòu)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中，將較大程度地提高效率。生活中，大到汽車、輪船，小到插座、臺燈，都包含了非常精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不同機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互配合能實現(xiàn)多種復(fù)雜的功能要求。將功能特征作為切入點了解和掌握這些機(jī)械結(jié)構(gòu)，對設(shè)計師而言并不困難。功能分析既是實現(xiàn)功能創(chuàng)新的重要方法，也是實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)，其將對實體結(jié)構(gòu)的思考轉(zhuǎn)化為對產(chǎn)品功能的思考，以使設(shè)計師獲得更多元的設(shè)計構(gòu)思。

二、如何移植經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)

在實際設(shè)計活動中，設(shè)計師并不是在每次設(shè)計新的產(chǎn)品時都具備足夠的知識積累，以運(yùn)用合適的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)品功能，這就要求設(shè)計師能在短時間內(nèi)找到設(shè)計所需要的結(jié)構(gòu)。咨詢工程人員固然能得到有用的信息，但大多數(shù)情況下他們給出的建議都過于專業(yè)，如果設(shè)計師對結(jié)構(gòu)缺乏足夠的了解，將很難對其進(jìn)行有效利用。這時，設(shè)計師若能從功能入手，探尋功能與結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，利用功能上的關(guān)聯(lián)性來尋找相關(guān)結(jié)構(gòu)就能實現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)的再利用。這種利用功能上的關(guān)聯(lián)性實現(xiàn)結(jié)構(gòu)再利用的方法，就是將機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行移植的過程，這一過程可分為四個步驟。第一步，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求確定功能模塊。這一步驟就是將要設(shè)計的產(chǎn)品功能拆分成若干簡單的功能。例如，要設(shè)計一款能大范圍供暖的取暖器，可將其拆分為三個單元：第一個單元是發(fā)熱單元，其作用是產(chǎn)生熱量；第二個單元是操控原件，實現(xiàn)對取暖器的控制；第三個單元可設(shè)計一個轉(zhuǎn)向模塊。前兩個功能模塊都是取暖器的常規(guī)模塊，而轉(zhuǎn)向功能在取暖器上并不常見，這時就要將其獨立出來，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。第二步，根據(jù)功能模塊來尋找相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品。這一步驟就是根據(jù)所需功能模塊來尋找具有相同或類似功能模塊的產(chǎn)品。上述例子中將目標(biāo)鎖定在了“轉(zhuǎn)向”這一功能點，將其發(fā)散開，便能較為容易地找到電風(fēng)扇、空調(diào)、園林綠化自動噴淋器等能轉(zhuǎn)向的產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)構(gòu)。第三步，提煉出相關(guān)產(chǎn)品中所需的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在找到具備類似功能模塊的產(chǎn)品之后，還要將所需模塊提煉出來，研究其對新產(chǎn)品設(shè)計的參考價值。電風(fēng)扇能改變方向是因為后部的傳動機(jī)構(gòu)；空調(diào)運(yùn)用導(dǎo)流片的轉(zhuǎn)動來改變風(fēng)向；園林綠化自動噴淋器則是利用水的壓力來推動噴淋器進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)動。將這三個功能結(jié)構(gòu)提取出來，就能得到所需的功能模塊原型。第四步，改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)使之應(yīng)用在新產(chǎn)品上。在得到目標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)之后，設(shè)計師要對其應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行研究，目標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)很多時候能在原有產(chǎn)品上發(fā)揮作用，卻無法在新的產(chǎn)品上實現(xiàn)設(shè)想中的效果。比如電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向動力源自電動機(jī)的驅(qū)動，而在取暖器上并沒有電動機(jī)，因此，相同的結(jié)構(gòu)如果要應(yīng)用到取暖器上，就要設(shè)置額外的動力來源?？照{(diào)通過導(dǎo)流片來改變風(fēng)向，而取暖器大多都是采用熱輻射的原理將熱量散發(fā)出來，因此導(dǎo)流片無法應(yīng)用到取暖器上。同理，園林綠化自動噴淋器的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)也無法應(yīng)用。按照以上四個步驟來進(jìn)行經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)的移植，并不需完全掌握這些機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計師只需要了解其功能特征和實現(xiàn)條件，就能將其進(jìn)行應(yīng)用，而這是很容易實現(xiàn)的。設(shè)計師通過模塊化的思維對身邊的產(chǎn)品進(jìn)行分析和提煉，就能不斷積累這些功能結(jié)構(gòu)的知識。模塊化的思維作為一種高度理想化的思維模式，對人們認(rèn)識和整理復(fù)雜的事物能提供較多幫助。

三、運(yùn)用經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)移植的設(shè)計實例

為了驗證上述理論的有效性，筆者將其運(yùn)用到一款教學(xué)用課桌椅的設(shè)計上。傳統(tǒng)課桌椅一般朝一個方向固定在地面上，不能同時滿足教師講課和前后桌的學(xué)生之間相互討論的要求。為了解決這個問題，需要一款能轉(zhuǎn)向的課桌椅，而且轉(zhuǎn)向后也要保證其功能的完整性。下面筆者利用上述設(shè)計方法，對這一設(shè)計項目進(jìn)行分析。

（一）功能模塊的確立

傳統(tǒng)課桌椅可分為兩個功能模塊，一個是固定支架，一個是支撐臺面，僅依靠這兩個功能模塊并不能實現(xiàn)課桌椅的轉(zhuǎn)向，因此需要設(shè)計一個新的功能結(jié)構(gòu)來達(dá)成這一目的。現(xiàn)設(shè)想三種方式（圖1）來實現(xiàn)這一功能。方案一是將支撐臺面設(shè)計成能在豎直方向進(jìn)行滑動的形式，滑到上端可作為桌面，滑下來就成為椅面；方案二是將桌面和椅面作為整體，通過水平方向上的轉(zhuǎn)動來達(dá)成目的；方案三中桌面和椅面同樣作為整體，不同之處在于其是在豎直方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將桌面變成椅面，將椅面變成桌面。

（二）根據(jù)功能模塊來關(guān)聯(lián)相關(guān)產(chǎn)品

在有了設(shè)計方向之后，就可以根據(jù)所需的功能模塊去尋找相關(guān)產(chǎn)品。方案一中運(yùn)用到了一種滑動機(jī)構(gòu)，其不僅能夠滑動，在滑動到兩端的位置時還要保持固定，這時可以借鑒千斤頂和固體膠棒的原理，這兩者都能在豎直方向伸縮的同時又保持穩(wěn)定。方案二和方案三都運(yùn)用到了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，它們都是在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而且也需要在兩個極端位置保持固定。這與電風(fēng)扇的搖頭功能類似，但電風(fēng)扇需要電力驅(qū)動，故排除。現(xiàn)要尋找到一種簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不需要額外的動力來源，僅靠人力就能完成操作。要實現(xiàn)其轉(zhuǎn)動并不難，難點在于兩個端點位置的固定，因此，這里將能夠在兩點實現(xiàn)固定的功能模塊分離出來，作為重點突破對象。生活中這樣的結(jié)構(gòu)很多，最典型的有圓珠筆、插線板開關(guān)、儲存卡插口等。通過以上的發(fā)散思維，即使不能找到可以直接套用的機(jī)械結(jié)構(gòu)，也能通過思維的延伸對功能模塊進(jìn)行深入挖掘，以得到有關(guān)聯(lián)性的產(chǎn)品，再從這些產(chǎn)品出發(fā)提煉出所需的關(guān)鍵部分。

（三）提煉相關(guān)產(chǎn)品中所需的功能模塊

找到了功能模塊上具有關(guān)聯(lián)性的產(chǎn)品后，接下來就要將所需的或相關(guān)的功能模塊進(jìn)行分離和提煉。在上面提到的例子中，關(guān)聯(lián)到的產(chǎn)品有千斤頂、固體膠棒、圓珠筆等，現(xiàn)將每一種產(chǎn)品進(jìn)行分析，得出所需功能模塊。普通的液壓千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)主要包括一大一小兩個液壓缸。通過管道連接油箱，管道間配上特定的閥門，從而實現(xiàn)其功能；固體膠棒則更為簡單，它就是一組螺栓和螺絲，螺栓和外殼保持水平方向上的固定；圓珠筆是典型的Push-Push結(jié)構(gòu)，按一下，筆尖彈出，再按一下，筆尖收回，依靠內(nèi)部兩個帶有斜齒的零件間歇式錯位來實現(xiàn)。

（四）改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)

現(xiàn)對上述機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：千斤頂?shù)谋匾獦?gòu)件包括液壓缸、管道、油箱、閥門等部件，要將這些部件應(yīng)用到課桌椅上具有較大的難度。首先，液壓缸和油箱具有較大的體積，而且這些設(shè)備一般是使用在工業(yè)設(shè)備上，安裝在一款課桌椅上難免大材小用，也難以體現(xiàn)課桌椅的產(chǎn)品特征。很明顯，這種結(jié)構(gòu)在理論上可行，但實際應(yīng)用會出現(xiàn)難以調(diào)和的矛盾，因此放棄這種結(jié)構(gòu)，將重點放在圓珠筆結(jié)構(gòu)上。要運(yùn)用圓珠筆的這種結(jié)構(gòu)，課桌椅的設(shè)計必須采用縱向旋轉(zhuǎn)的方式來實現(xiàn)。桌面和椅面將作為一個相對獨立的整體固定在支架上，通過轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)課桌和椅子狀態(tài)的切換，所需要解決的問題就是這兩個狀態(tài)的固定。要想解決這個問題，一個鎖定結(jié)構(gòu)必不可少，其要求是在整體桌椅轉(zhuǎn)動時，鎖定部件能收起來，而到了兩個極限位置，又能彈出來卡住整體桌椅。如果將鎖定部件的收縮和整體桌椅的轉(zhuǎn)動兩個動作分開進(jìn)行，技術(shù)方面比較容易實現(xiàn)，但會對用戶造成不便，因此需要將這兩個操作整合在一起，以實現(xiàn)只將整體桌椅轉(zhuǎn)動到一定位置就能自動卡住。要實現(xiàn)以上的設(shè)想，就需要在兩個操作之間建立起聯(lián)系，讓轉(zhuǎn)動桌椅的動力傳遞到鎖止件上，而鎖止件又能在恰當(dāng)?shù)奈恢面i住桌椅。將這個過程與按壓圓珠筆進(jìn)行類比，桌椅的兩個鎖定狀態(tài)剛好對應(yīng)圓珠筆筆芯彈出和收縮兩個狀態(tài)，而圓珠筆筆芯伸縮這一結(jié)果可以轉(zhuǎn)化成鎖止件的伸縮。圓珠筆通過按壓就能實現(xiàn)筆芯的伸縮，與之相對應(yīng)，從椅子狀態(tài)變成桌子狀態(tài)時，可以直接用人力轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，這個過程類似于圓珠筆筆芯按出的過程。而要將桌子變成椅子，只需按相同的方向稍微旋轉(zhuǎn)，然后放開，就能在重力的作用下實現(xiàn)。這個過程類似于圓珠筆筆芯已經(jīng)按出去了，再稍微按下去一點它就會彈回來。這樣，在一款新產(chǎn)品上便實現(xiàn)了整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的移植。結(jié)語模塊化不僅是一種設(shè)計方法，還是一種思維方式，如果設(shè)計師能將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N思維習(xí)慣，將對功能模塊移植方法的掌握大有裨益。而功能分析是實現(xiàn)功能創(chuàng)新的重要方法，也是實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的核心技術(shù)。通過對生活中各種常見功能結(jié)構(gòu)的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)它們廣泛的適用性，進(jìn)而提出一種利用機(jī)械結(jié)構(gòu)移植來進(jìn)行設(shè)計的方法，對功能性產(chǎn)品的設(shè)計具有積極的參考意義。

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作者:謝華 周毅 鄭剛強(qiáng) 單位:武漢理工大學(xué)