机械结构产品设计的方法分析

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【内容摘要】文章通过研究经典机械结构对产品设计的指导作用，提出一种高效合理的产品设计方法。该方法从研究经典产品在功能模块上的典型特征出发，寻找出一套能够普遍运用的规律，并将这种机械结构移植规律应用于具体产品设计，验证了其有效性，最终归纳出一套基于经典机械结构移植的产品设计方法，从而缩短新产品的研发周期、降低成本。

【关键词】产品设计;机械结构;使用功能

设计方法是设计学理论研究的重要方向之一，对设计实践具有现实性的指导作用，历来为设计界学者所重视。如果缺乏对设计方法与工具的清楚认识，很难对其进行有针对性的使用，更不利于发展和创造新的方法和工具。通过经典机械结构移植手段实现新产品的开发，即利用现有工具来进行创新设计，具有重要意义。笔者通过对典型案例的分析，总结出一套简单易行的设计方法。

一、运用和移植经典机械结构的意义

在漫长的发展过程中，人们创造出无数经典的产品与结构形式。虽然设计师不可能深入了解每种机械结构，但在产品的设计过程中，经常需要一些特定的机械结构来实现产品功能。按照传统的设计方法，设计师只能向技术人员寻求帮助，过程费时费力，效率相对较低。如果设计师能独立地将所需结构应用到产品设计中，将较大程度地提高效率。生活中，大到汽车、轮船，小到插座、台灯，都包含了非常精巧的机械结构，不同机械结构之间的相互配合能实现多种复杂的功能要求。将功能特征作为切入点了解和掌握这些机械结构，对设计师而言并不困难。功能分析既是实现功能创新的重要方法，也是实现产品创新的关键技术，其将对实体结构的思考转化为对产品功能的思考，以使设计师获得更多元的设计构思。

二、如何移植经典机械结构

在实际设计活动中，设计师并不是在每次设计新的产品时都具备足够的知识积累，以运用合适的结构实现产品功能，这就要求设计师能在短时间内找到设计所需要的结构。咨询工程人员固然能得到有用的信息，但大多数情况下他们给出的建议都过于专业，如果设计师对结构缺乏足够的了解，将很难对其进行有效利用。这时，设计师若能从功能入手，探寻功能与结构之间的联系，利用功能上的关联性来寻找相关结构就能实现各种结构的再利用。这种利用功能上的关联性实现结构再利用的方法，就是将机械结构进行移植的过程，这一过程可分为四个步骤。第一步，根据产品设计要求确定功能模块。这一步骤就是将要设计的产品功能拆分成若干简单的功能。例如，要设计一款能大范围供暖的取暖器，可将其拆分为三个单元：第一个单元是发热单元，其作用是产生热量；第二个单元是操控原件，实现对取暖器的控制；第三个单元可设计一个转向模块。前两个功能模块都是取暖器的常规模块，而转向功能在取暖器上并不常见，这时就要将其独立出来，进行创新设计。第二步，根据功能模块来寻找相关联的产品。这一步骤就是根据所需功能模块来寻找具有相同或类似功能模块的产品。上述例子中将目标锁定在了“转向”这一功能点，将其发散开，便能较为容易地找到电风扇、空调、园林绿化自动喷淋器等能转向的产品的设计结构。第三步，提炼出相关产品中所需的机械结构。在找到具备类似功能模块的产品之后，还要将所需模块提炼出来，研究其对新产品设计的参考价值。电风扇能改变方向是因为后部的传动机构；空调运用导流片的转动来改变风向；园林绿化自动喷淋器则是利用水的压力来推动喷淋器进行周期性转动。将这三个功能结构提取出来，就能得到所需的功能模块原型。第四步，改进机械结构使之应用在新产品上。在得到目标机械结构之后，设计师要对其应用环境进行研究，目标机械结构很多时候能在原有产品上发挥作用，却无法在新的产品上实现设想中的效果。比如电风扇的转向动力源自电动机的驱动，而在取暖器上并没有电动机，因此，相同的结构如果要应用到取暖器上，就要设置额外的动力来源。空调通过导流片来改变风向，而取暖器大多都是采用热辐射的原理将热量散发出来，因此导流片无法应用到取暖器上。同理，园林绿化自动喷淋器的转向结构也无法应用。按照以上四个步骤来进行经典机械结构的移植，并不需完全掌握这些机械结构，设计师只需要了解其功能特征和实现条件，就能将其进行应用，而这是很容易实现的。设计师通过模块化的思维对身边的产品进行分析和提炼，就能不断积累这些功能结构的知识。模块化的思维作为一种高度理想化的思维模式，对人们认识和整理复杂的事物能提供较多帮助。

三、运用经典机械结构移植的设计实例

为了验证上述理论的有效性，笔者将其运用到一款教学用课桌椅的设计上。传统课桌椅一般朝一个方向固定在地面上，不能同时满足教师讲课和前后桌的学生之间相互讨论的要求。为了解决这个问题，需要一款能转向的课桌椅，而且转向后也要保证其功能的完整性。下面笔者利用上述设计方法，对这一设计项目进行分析。

（一）功能模块的确立

传统课桌椅可分为两个功能模块，一个是固定支架，一个是支撑台面，仅依靠这两个功能模块并不能实现课桌椅的转向，因此需要设计一个新的功能结构来达成这一目的。现设想三种方式（图1）来实现这一功能。方案一是将支撑台面设计成能在竖直方向进行滑动的形式，滑到上端可作为桌面，滑下来就成为椅面；方案二是将桌面和椅面作为整体，通过水平方向上的转动来达成目的；方案三中桌面和椅面同样作为整体，不同之处在于其是在竖直方向上进行旋转，将桌面变成椅面，将椅面变成桌面。

（二）根据功能模块来关联相关产品

在有了设计方向之后，就可以根据所需的功能模块去寻找相关产品。方案一中运用到了一种滑动机构，其不仅能够滑动，在滑动到两端的位置时还要保持固定，这时可以借鉴千斤顶和固体胶棒的原理，这两者都能在竖直方向伸缩的同时又保持稳定。方案二和方案三都运用到了旋转机构，它们都是在一定范围内旋转，而且也需要在两个极端位置保持固定。这与电风扇的摇头功能类似，但电风扇需要电力驱动，故排除。现要寻找到一种简单的机械结构，不需要额外的动力来源，仅靠人力就能完成操作。要实现其转动并不难，难点在于两个端点位置的固定，因此，这里将能够在两点实现固定的功能模块分离出来，作为重点突破对象。生活中这样的结构很多，最典型的有圆珠笔、插线板开关、储存卡插口等。通过以上的发散思维，即使不能找到可以直接套用的机械结构，也能通过思维的延伸对功能模块进行深入挖掘，以得到有关联性的产品，再从这些产品出发提炼出所需的关键部分。

（三）提炼相关产品中所需的功能模块

找到了功能模块上具有关联性的产品后，接下来就要将所需的或相关的功能模块进行分离和提炼。在上面提到的例子中，关联到的产品有千斤顶、固体胶棒、圆珠笔等，现将每一种产品进行分析，得出所需功能模块。普通的液压千斤顶的结构主要包括一大一小两个液压缸。通过管道连接油箱，管道间配上特定的阀门，从而实现其功能；固体胶棒则更为简单，它就是一组螺栓和螺丝，螺栓和外壳保持水平方向上的固定；圆珠笔是典型的Push-Push结构，按一下，笔尖弹出，再按一下，笔尖收回，依靠内部两个带有斜齿的零件间歇式错位来实现。

（四）改进机械结构

现对上述机械结构进行分析：千斤顶的必要构件包括液压缸、管道、油箱、阀门等部件，要将这些部件应用到课桌椅上具有较大的难度。首先，液压缸和油箱具有较大的体积，而且这些设备一般是使用在工业设备上，安装在一款课桌椅上难免大材小用，也难以体现课桌椅的产品特征。很明显，这种结构在理论上可行，但实际应用会出现难以调和的矛盾，因此放弃这种结构，将重点放在圆珠笔结构上。要运用圆珠笔的这种结构，课桌椅的设计必须采用纵向旋转的方式来实现。桌面和椅面将作为一个相对独立的整体固定在支架上，通过转动来实现课桌和椅子状态的切换，所需要解决的问题就是这两个状态的固定。要想解决这个问题，一个锁定结构必不可少，其要求是在整体桌椅转动时，锁定部件能收起来，而到了两个极限位置，又能弹出来卡住整体桌椅。如果将锁定部件的收缩和整体桌椅的转动两个动作分开进行，技术方面比较容易实现，但会对用户造成不便，因此需要将这两个操作整合在一起，以实现只将整体桌椅转动到一定位置就能自动卡住。要实现以上的设想，就需要在两个操作之间建立起联系，让转动桌椅的动力传递到锁止件上，而锁止件又能在恰当的位置锁住桌椅。将这个过程与按压圆珠笔进行类比，桌椅的两个锁定状态刚好对应圆珠笔笔芯弹出和收缩两个状态，而圆珠笔笔芯伸缩这一结果可以转化成锁止件的伸缩。圆珠笔通过按压就能实现笔芯的伸缩，与之相对应，从椅子状态变成桌子状态时，可以直接用人力转动实现，这个过程类似于圆珠笔笔芯按出的过程。而要将桌子变成椅子，只需按相同的方向稍微旋转，然后放开，就能在重力的作用下实现。这个过程类似于圆珠笔笔芯已经按出去了，再稍微按下去一点它就会弹回来。这样，在一款新产品上便实现了整个机械结构的移植。结语模块化不仅是一种设计方法，还是一种思维方式，如果设计师能将其转变为一种思维习惯，将对功能模块移植方法的掌握大有裨益。而功能分析是实现功能创新的重要方法，也是实现产品创新的核心技术。通过对生活中各种常见功能结构的观察和分析，发现它们广泛的适用性，进而提出一种利用机械结构移植来进行设计的方法，对功能性产品的设计具有积极的参考意义。

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作者:谢华 周毅 郑刚强 单位:武汉理工大学