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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(jì)的指導(dǎo)作用,提出一種高效合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì),驗(yàn)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(jì)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(jì);機(jī)械結(jié)構(gòu);使用功能
設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)學(xué)理論研究的重要方向之一,對設(shè)計(jì)實(shí)踐具有現(xiàn)實(shí)性的指導(dǎo)作用,歷來為設(shè)計(jì)界學(xué)者所重視。如果缺乏對設(shè)計(jì)方法與工具的清楚認(rèn)識(shí),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(shí)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(jì),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(jì)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(jì)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(jì)過程中,經(jīng)常需要一些特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)師只能向技術(shù)人員尋求幫助,過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,效率相對較低。如果設(shè)計(jì)師能獨(dú)立地將所需結(jié)構(gòu)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(tái)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(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的功能要求。將功能特征作為切入點(diǎn)了解和掌握這些機(jī)械結(jié)構(gòu),對設(shè)計(jì)師而言并不困難。功能分析既是實(shí)現(xiàn)功能創(chuàng)新的重要方法,也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù),其將對實(shí)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(jì)師獲得更多元的設(shè)計(jì)構(gòu)思。
二、如何移植經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)
在實(shí)際設(shè)計(jì)活動(dòng)中,設(shè)計(jì)師并不是在每次設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品時(shí)都具備足夠的知識(shí)積累,以運(yùn)用合適的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能,這就要求設(shè)計(jì)師能在短時(shí)間內(nèi)找到設(shè)計(jì)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(jì)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(shí),設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(gè)步驟。第一步,根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求確定功能模塊。這一步驟就是將要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品功能拆分成若干簡單的功能。例如,要設(shè)計(jì)一款能大范圍供暖的取暖器,可將其拆分為三個(gè)單元:第一個(gè)單元是發(fā)熱單元,其作用是產(chǎn)生熱量;第二個(gè)單元是操控原件,實(shí)現(xiàn)對取暖器的控制;第三個(gè)單元可設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)向模塊。前兩個(gè)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(shí)就要將其獨(dú)立出來,進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。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(diǎn),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(dòng)噴淋器等能轉(zhuǎn)向的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jì)的參考價(jià)值。電風(fēng)扇能改變方向是因?yàn)楹蟛康膫鲃?dòng)機(jī)構(gòu);空調(diào)運(yùn)用導(dǎo)流片的轉(zhuǎn)動(dòng)來改變風(fēng)向;園林綠化自動(dòng)噴淋器則是利用水的壓力來推動(dòng)噴淋器進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)動(dòng)。將這三個(gè)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(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)想中的效果。比如電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向動(dòng)力源自電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng),而在取暖器上并沒有電動(dòng)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(dòng)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(dòng)噴淋器的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)也無法應(yīng)用。按照以上四個(gè)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(jì)師只需要了解其功能特征和實(shí)現(xiàn)條件,就能將其進(jìn)行應(yīng)用,而這是很容易實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)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(shí)。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(shí)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(jì)實(shí)例
為了驗(yàn)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(jì)上。傳統(tǒng)課桌椅一般朝一個(gè)方向固定在地面上,不能同時(shí)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(gè)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(jì)方法,對這一設(shè)計(jì)項(xiàng)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(gè)功能模塊,一個(gè)是固定支架,一個(gè)是支撐臺(tái)面,僅依靠這兩個(gè)功能模塊并不能實(shí)現(xiàn)課桌椅的轉(zhuǎn)向,因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)新的功能結(jié)構(gòu)來達(dá)成這一目的?,F(xiàn)設(shè)想三種方式(圖1)來實(shí)現(xiàn)這一功能。方案一是將支撐臺(tái)面設(shè)計(jì)成能在豎直方向進(jìn)行滑動(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu),其不僅能夠滑動(dòng),在滑動(dòng)到兩端的位置時(shí)還要保持固定,這時(shí)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(shí)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(gè)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(dòng),故排除?,F(xiàn)要尋找到一種簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu),不需要額外的動(dòng)力來源,僅靠人力就能完成操作。要實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)動(dòng)并不難,難點(diǎn)在于兩個(gè)端點(diǎn)位置的固定,因此,這里將能夠在兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)固定的功能模塊分離出來,作為重點(diǎn)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(chǔ)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(gè)液壓缸。通過管道連接油箱,管道間配上特定的閥門,從而實(shí)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(gè)帶有斜齒的零件間歇式錯(cuò)位來實(shí)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(shí)際應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)難以調(diào)和的矛盾,因此放棄這種結(jié)構(gòu),將重點(diǎn)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(jì)必須采用縱向旋轉(zhuǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)。桌面和椅面將作為一個(gè)相對獨(dú)立的整體固定在支架上,通過轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)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(gè)狀態(tài)的固定。要想解決這個(gè)問題,一個(gè)鎖定結(jié)構(gòu)必不可少,其要求是在整體桌椅轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),鎖定部件能收起來,而到了兩個(gè)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(dòng)兩個(gè)動(dòng)作分開進(jìn)行,技術(shù)方面比較容易實(shí)現(xiàn),但會(huì)對用戶造成不便,因此需要將這兩個(gè)操作整合在一起,以實(shí)現(xiàn)只將整體桌椅轉(zhuǎn)動(dòng)到一定位置就能自動(dòng)卡住。要實(shí)現(xiàn)以上的設(shè)想,就需要在兩個(gè)操作之間建立起聯(lián)系,讓轉(zhuǎn)動(dòng)桌椅的動(dòng)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(gè)過程與按壓圓珠筆進(jìn)行類比,桌椅的兩個(gè)鎖定狀態(tài)剛好對應(yīng)圓珠筆筆芯彈出和收縮兩個(gè)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(shí)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(shí),可以直接用人力轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),這個(gè)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(shí)現(xiàn)。這個(gè)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(diǎn)它就會(huì)彈回來。這樣,在一款新產(chǎn)品上便實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的移植。結(jié)語模塊化不僅是一種設(shè)計(jì)方法,還是一種思維方式,如果設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)功能創(chuàng)新的重要方法,也是實(shí)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(jì)的方法,對功能性產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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)