機械結構產品設計的方法分析

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【內容摘要】文章通過研究經典機械結構對產品設計的指導作用，提出一種高效合理的產品設計方法。該方法從研究經典產品在功能模塊上的典型特征出發，尋找出一套能夠普遍運用的規律，并將這種機械結構移植規律應用于具體產品設計，驗證了其有效性，最終歸納出一套基于經典機械結構移植的產品設計方法，從而縮短新產品的研發周期、降低成本。

【關鍵詞】產品設計;機械結構;使用功能

設計方法是設計學理論研究的重要方向之一，對設計實踐具有現實性的指導作用，歷來為設計界學者所重視。如果缺乏對設計方法與工具的清楚認識，很難對其進行有針對性的使用，更不利于發展和創造新的方法和工具。通過經典機械結構移植手段實現新產品的開發，即利用現有工具來進行創新設計，具有重要意義。筆者通過對典型案例的分析，總結出一套簡單易行的設計方法。

一、運用和移植經典機械結構的意義

在漫長的發展過程中，人們創造出無數經典的產品與結構形式。雖然設計師不可能深入了解每種機械結構，但在產品的設計過程中，經常需要一些特定的機械結構來實現產品功能。按照傳統的設計方法，設計師只能向技術人員尋求幫助，過程費時費力，效率相對較低。如果設計師能獨立地將所需結構應用到產品設計中，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械結構，不同機械結構之間的相互配合能實現多種復雜的功能要求。將功能特征作為切入點了解和掌握這些機械結構，對設計師而言并不困難。功能分析既是實現功能創新的重要方法，也是實現產品創新的關鍵技術，其將對實體結構的思考轉化為對產品功能的思考，以使設計師獲得更多元的設計構思。

二、如何移植經典機械結構

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

三、運用經典機械結構移植的設計實例

為了驗證上述理論的有效性，筆者將其運用到一款教學用課桌椅的設計上。傳統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生之間相互討論的要求。為了解決這個問題，需要一款能轉向的課桌椅，而且轉向后也要保證其功能的完整性。下面筆者利用上述設計方法，對這一設計項目進行分析。

（一）功能模塊的確立

傳統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課桌椅的轉向，因此需要設計一個新的功能結構來達成這一目的。現設想三種方式（圖1）來實現這一功能。方案一是將支撐臺面設計成能在豎直方向進行滑動的形式，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動來達成目的；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行旋轉，將桌面變成椅面，將椅面變成桌面。

（二）根據功能模塊來關聯相關產品

在有了設計方向之后，就可以根據所需的功能模塊去尋找相關產品。方案一中運用到了一種滑動機構，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定。方案二和方案三都運用到了旋轉機構，它們都是在一定范圍內旋轉，而且也需要在兩個極端位置保持固定。這與電風扇的搖頭功能類似，但電風扇需要電力驅動，故排除。現要尋找到一種簡單的機械結構，不需要額外的動力來源，僅靠人力就能完成操作。要實現其轉動并不難，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。生活中這樣的結構很多，最典型的有圓珠筆、插線板開關、儲存卡插口等。通過以上的發散思維，即使不能找到可以直接套用的機械結構，也能通過思維的延伸對功能模塊進行深入挖掘，以得到有關聯性的產品，再從這些產品出發提煉出所需的關鍵部分。

（三）提煉相關產品中所需的功能模塊

找到了功能模塊上具有關聯性的產品后，接下來就要將所需的或相關的功能模塊進行分離和提煉。在上面提到的例子中，關聯到的產品有千斤頂、固體膠棒、圓珠筆等，現將每一種產品進行分析，得出所需功能模塊。普通的液壓千斤頂的結構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結構，按一下，筆尖彈出，再按一下，筆尖收回，依靠內部兩個帶有斜齒的零件間歇式錯位來實現。

（四）改進機械結構

現對上述機械結構進行分析：千斤頂的必要構件包括液壓缸、管道、油箱、閥門等部件，要將這些部件應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，而且這些設備一般是使用在工業設備上，安裝在一款課桌椅上難免大材小用，也難以體現課桌椅的產品特征。很明顯，這種結構在理論上可行，但實際應用會出現難以調和的矛盾，因此放棄這種結構，將重點放在圓珠筆結構上。要運用圓珠筆的這種結構，課桌椅的設計必須采用縱向旋轉的方式來實現。桌面和椅面將作為一個相對獨立的整體固定在支架上，通過轉動來實現課桌和椅子狀態的切換，所需要解決的問題就是這兩個狀態的固定。要想解決這個問題，一個鎖定結構必不可少，其要求是在整體桌椅轉動時，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動兩個動作分開進行，技術方面比較容易實現，但會對用戶造成不便，因此需要將這兩個操作整合在一起，以實現只將整體桌椅轉動到一定位置就能自動卡住。要實現以上的設想，就需要在兩個操作之間建立起聯系，讓轉動桌椅的動力傳遞到鎖止件上，而鎖止件又能在恰當的位置鎖住桌椅。將這個過程與按壓圓珠筆進行類比，桌椅的兩個鎖定狀態剛好對應圓珠筆筆芯彈出和收縮兩個狀態，而圓珠筆筆芯伸縮這一結果可以轉化成鎖止件的伸縮。圓珠筆通過按壓就能實現筆芯的伸縮，與之相對應，從椅子狀態變成桌子狀態時，可以直接用人力轉動實現，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，然后放開，就能在重力的作用下實現。這個過程類似于圓珠筆筆芯已經按出去了，再稍微按下去一點它就會彈回來。這樣，在一款新產品上便實現了整個機械結構的移植。結語模塊化不僅是一種設計方法，還是一種思維方式，如果設計師能將其轉變為一種思維習慣，將對功能模塊移植方法的掌握大有裨益。而功能分析是實現功能創新的重要方法，也是實現產品創新的核心技術。通過對生活中各種常見功能結構的觀察和分析，發現它們廣泛的適用性，進而提出一種利用機械結構移植來進行設計的方法，對功能性產品的設計具有積極的參考意義。

參考文獻：

[1]時迪，厲珺.設計研究方法與工具在不同領域內的定位研究[J].包裝工程，2016（4）.

[2]成思源，呂瑟，卜研，等.基于功能&結構分析與TRIZ理論集成的產品創新設計[J].包裝工程，2016（6）.

[3]施進發，游善華，梁錫昌.機械模塊學[M].重慶：重慶大學出版社，1997.

[4]劉杰，侯智，廖林清.基于功能分析的產品創新方法的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2004（8）.

[5]劉和山.典型技術的產品可用性設計方法研究[D].山東大學，2014.

[6]丁肇辰.跨學科設計創新的課程實踐[J].藝術設計研究，2013（4）.

作者:謝華 周毅 鄭剛強 單位:武漢理工大學