机械创新设计中的功能分析法

　　【第五篇】论文题目：机械创新设计中的功能分析法

　　摘要：随着经济发展和社会进步, 人们对各类产品或者各种技术系统服务的功能要求越来越高。中央提出的供给侧改革就是从产品或服务入手, 不断推出新产品, 新服务、新系统, 以满足人民日益增长的各类需求。这就要求设计者和生产者不断推出功能更新、设计更优、价格更低的新产品, 而功能分析法就是生产领域中产品创新和机械创新的重要方法。基于此, 介绍功能分析法的内涵和作用, 并论述产品设计、机械创新过程中功能分析法的应用。功能分析法应成为产品和机械创新设计中必须遵循的原则。

　　关键词：功能分析; 机械设计; 创新;

　　1 功能分析法

　　20世纪40年代, 美国通用电气公司工程师麦尔斯首先提出了产品“功能”的概念。他认为:“用户购买的不是产品本身, 而是产品具有的功能。”20世纪60年代以后, 随着欧美各国对设计学研究的逐步深入, 人们普遍认识到, 机械设计最重要的工作不只是选用某种机构或设计某种结构, 更重要的是对产品的工作原理进行构思, 而工作原理构思的核心就是确定产品的功能。

　　产品或技术系统的功能是基于各种基础科学中的技术原理对产品或技术系统的用途和特定能力的抽象描述。功能的抽象描述可以反映出产品或技术系统在特定约束条件下输入量与输出量之间的因果关系。换言之, 任何产品或技术系统的功能都可以通过运用各基础科学 (如物理学、化学、生物学等) 中的技术原理 (如摩擦原理、电解原理、光合作用原理等) 来实现, 以满足产品或技术系统的输入量与输出量之间的特定要求。既然人们购买的是产品所具有的功能, 那么任何一种产品在保证实现功能的前提下, 可以采用任何原理、任何形式。功能是产品的本质, 而具体的产品实体只是一种形式, 只要本质不变, 实现某种功能的产品形式可以是各种各样的。例如, 发动机的用途是作原动机, 具体用途可能是驱动水泵或搅拌机, 其功能是实现能量形式的转化———电能 (或化学能) 转化为机械能。再如, 钻床加工孔, “加工孔”是钻床的功能, “钻床”是具有该功能的产品。还有冷暖空调既可降低室温, 也可升高室温, 因此, 它具有两个基本功能, 当然也可以认为它只有一个功能, 即调节室温[1]。

　　对产品进行功能分析, 把对产品具体结构的思考转化为对产品功能的思考, 从而可以撇开原有产品具体形式结构对思维的束缚, 发散思维, 探寻一切可能满足功能要求的工作原理以及满足这些工作原理的技术装置———功能载体, 并通过对功能载体的组合、优选, 最终找到实现功能要求的最佳设计方案。这种紧紧围绕产品功能进行分析、分解、求解、组合、优选的方案设计方法称为功能分析法。功能分析法是实现产品功能创新的重要方法, 也是实现产品创新的核心。这种方法的首要任务是确定产品或技术系统的功能, 优点是设计步骤明确、规律性强, 有利于采用计算机模拟, 可提高设计品质和效率且容易掌握。因此, 这种方法是机械创新设计过程中一个很有效的方法[2]。

　　2 功能分析法的作用

　　(1) 运用功能分析法, 可以发现原有产品设计中可以省掉的不必要的零部件。例如, 某些电气用品和仪器等产品有110V/220V的转换装置, 其功能是实现采用不同电压之间的切换, 但是如果产品不外销的话, 这种转换装置就是多余的, 因为我国早已没有用110V输电的地区了, 也就不需要进行电压的转换, 在进行新的产品设计时完全可以将其取消;如果外销, 则根据产品销售国家的实际使用情况采用相应的电源电压, 从而简化设计, 节省成本[3]。

　　(2) 运用功能分析法, 可以找到某些零部件的廉价替代品。比如汽车的前后保险杠采用的是钢材, 后来为了美观需要给保险杠加一个外壳, 其功能主要是装饰, 此时再使用钢材就会增加生产成本, 如果以塑料代替钢材, 不仅可以降低成本, 而且塑料既便宜又耐酸碱、耐锈蚀, 还可以减轻车身重量, 降低油耗[4]。

　　(3) 运用功能分析法有利于对原有设计进行改进。例如, 矿灯的功能是矿工下矿井时随身携带用于照明, 这个功能就要求矿灯亮度要高、重量要轻, 根据这个要求就可以指导矿灯的设计向高亮度、轻型化、小型化方向发展。再如, 在设计旱地播种机时, 考虑到种子发芽时需要一定的水分, 而旱地环境可能无法在短时间内提供充足的水分, 此时在播种机上增加补水装置就成为该产品的重要创新[3]。

　　(4) 运用功能分析法进行分析, 可以启发工艺的改造。例如, 某些部件在完成其基本功能的前提下, 如果不需要考虑其外在美观, 此时就可以不必要求加工得很精细, 表面粗糙度要求可以低一些, 这样可以省掉一道或几道加工工序, 从而节约加工成本[5]。

　　(5) 运用功能分析法还可以指导选择合适的制造公差。同一类型机件用于不同的目的, 其制造公差也不同。例如, 一个机件如果用于航天航空, 就需要采用极高的制造公差标准, 而如果是用于民用, 甚至是用于玩具, 它的制造公差要求当然就可以低得多, 而公差等级降低就意味着生产成本的降低[6]。

　　运用功能分析法, 在对产品进行创新设计时, 可以找到最佳的设计方案、最省的制造工艺和流程等, 从而提高产品功能和品质, 也可以减少加工程序, 节约生产成本。

　　3 在机械创新设计中功能分析法的运用

　　3.1 功能定义描述要准确

　　大量的实践表明, 产品创新主要来自于方案设计阶段所涉及的功能定义和工作原理等内容的创新, 因此, 应当十分重视对产品功能定义的抽象描述。任何新产品的开发过程总是一个由抽象到具体、由定性到定量的过程。功能的定义一定要有利于揭露功能中最本质的东西, 以利于拓宽创造思路, 寻求更理想的解决问题的方法。功能定义要尽量选择比较抽象的词汇。例如, 采矿机可以抽象为物料分离和移位的设备;载重汽车可以抽象为远距离运输物料的工具;迷宫式的密封可以抽象为不与轴接触而将内外物料隔开的元件等。在对产品功能的描述中, 因为不同的功能定义会产生出完全不同的设计思想和设计方法, 寻找不同的功能载体, 可以得出完全不同的设计方案。在设计一个台式虎钳时, 若设计人员将自己头脑中已有的概念带入其功能定义中, 将其定义为“螺旋机构夹紧”, 则设计者除了选用螺旋机构外, 再没有其他的功能载体可供选择了。但如果将功能定义为“机械夹紧”, 则可供选择的功能载体将会大大增加, 比如采用楔块夹紧、偏心盘夹紧、弹簧夹紧等。如果将功能定义得更抽象, 例如“施压夹紧”, 则设计思路就更宽了, 设计人员可以联想到液压装置、气动装置、电气加紧装置等, 加上上述的夹紧方式, 设计方案会增加许多。再如, 定义钻床的功能时, 不同的功能定义会产生出不同的设计方案。如果将功能定义为“钻孔”, 就只能联想到钻床, 其思路就很狭窄。如果表述为“打孔”, 则可能联想到激光打孔机、钻床或冲床。如果再抽象一些, 定义为“加工孔”, 那么就有可能联想到钻床、激光打孔机、冲床、镗床、车床、线切割机、锻床、腐蚀设备等。因此, 功能定义越抽象, 它引发的构想就会越多, 这就为下一步确定产品的工作原理和具体结构提供了更加广阔的创新设计空间[7]。

　　功能定义还应尽可能表述出功能受到的约束条件, 便于设计者对方案进行评估, 作出正确的决策。例如, 在给联轴器的功能下定义时, 用“传递扭矩”要比“传递转矩”好, 因为这样的定义说明了转动是在一定扭矩的基础上完成的。如果可能, 还可以在“传递扭矩”前加上一定的数据对产品的功能进行量化, 例如“传递1000N……m的扭矩”。有了这个数据, 设计者在寻找新方案时就会考虑其结构的可能性、几何尺寸、材料和加工方法等细节, 使机械创新的过程由抽象逐渐变得具体。又如, 变压器的功能是“转换电压”。显然, 转换30万千伏的变压器和转换220V电压的变压器是不相同的。因此, 在给功能定义时一定要考虑尽可能地给产品的功能定义作出定量化的描述[1]。

　　3.2 区分产品的必要功能和不必要功能

　　必要功能是指用户所需要的功能, 包括产品的基本功能和辅助功能。由于产品的使用功能和表观功能是通过基本功能与辅助功能来实现的, 因此, 必要功能也包括使用功能和表观功能。每个用户对产品的需求不同, 如果设计者忽视了用户需求的多样性, 就会在产品中掺杂进一些用户实际并不需要的功能, 或是用户无法享用的功能。例如, 吉普车最早用于战场或在路况恶劣的条件下行驶, 故被设计成四轮驱动, 以增加驱动能力。如果主要在城市道路上行驶, 吉普车的前驱动功能就纯属多余。北京BJ212吉普车就省去了前驱动, 使每辆车的生产成本可下降2 000多元。后来又出现了前驱车, 驱动轮与发动机距离更近, 就不再需要后驱车所必需的长距离传动装置, 生产成本更低。有人在风扇的扇叶保护罩上设计了很多图案, 希望这种设计能增加风扇的表观功能, 然而这些图案饰物容易被灰尘污染, 难以清洁, 又影响了风扇的排风效果, 这种表观功能的设计就完全没有必要[1]。

　　创新者在设计过程中要弄清楚产品应具有的全部功能, 明确哪些功能是必备的, 哪些功能是多余的, 从而确定创造或发明的具体方向。创新者也要找到关键要素, 为产品的再创新拓宽思路, 有利于确定改善产品功能的目标与方向。

　　3.3 确保基本功能, 兼顾辅助功能

　　基本功能是指产品具有的用来满足用户某种需求的效能, 是产品的基本用途或存在的价值。辅助功能是与基本功能并存且处于次要地位的附加功能, 它是为了更有效地实现基本功能而添加的功能。产品的基本功能和辅助功能随着时代发展和技术进步也是不断变化的。如早期手持电话的基本功能是通话功能, 随着电子技术的发展进步, 后来出现的短信息也成为手机的基本功能, 而手机中的游戏、计算器、收音机等功能则属于辅助功能。而如今, 随着智能手机时代的来临, 上网也成为手机的基本功能之一。再如汽车的基本功能是载运人员和 (或) 货物, 汽车内的音响、空调、车载导航系统给车辆带来的功能都属于辅助功能。创新者在进行创造性构思时, 在确保实现基本功能的前提下, 可以根据设想和需要任意添加或舍去某种辅助功能, 以保证产品能更好地实现其基本功能。同时还要注意添加什么辅助功能, 添加多少辅助功能应根据产品的具体要求来确定。比如, MP3音乐技术的出现就使得车载CD光盘音乐系统成为可以去掉的辅助功能。随着手机导航功能的普及, 因其更新及时、导航准确, 车载导航就显得可有可无。

　　3.4 可以用简单、廉价的复制品代替复杂、高价的系统

　　生物体经过长期的进化, 可以通过简单精巧的结构实现多种完善的功能。人类在构造人造技术系统时, 可以模仿生物体通过简单的功能原理实现给定的功能。例如, 应用虚拟现实方法训练汽车、飞机、航天器、核电站及其他大型设备的使用人员, 比使用真实系统更廉价。使用虚拟制造系统模拟零件的制造过程, 可以及早发现不利于制造的设计缺陷;使用虚拟装配系统可以发现实际无法装配的设计错误。在实验室环境下进行地震实验、水坝垮塌实验等, 通过廉价的模拟系统或实验装置研究灾难性事件的过程和结果, 可以用很小的代价得到有意义的成果[8]。

　　此外, 还可以用电动机调速取代机械变速、用电磁制动取代机械制动等, 均可收到较好的效果。

　　4 结语

　　在过去的很长时间里, 功能分析法的重要性被人们忽视。有人预言:一般机电产品的功能原理已经定型, 今后关于这些产品设计的任务就是改进结构, 改善工艺, 提高性能。事实证明, 随着消费者消费水平和消费观念的进步, 将会对已有的功能提出新的、更高的要求, 科学技术的发展会为已经实现的功能提供新的、可供使用的新技术、新原理、新材料、新方法, 使得已经实现的功能在新的技术背景下可以实现得更好, 为满足消费者要求更高、更新、更快的功能需求提供了可能, 奠定了基础。功能分析法回归设计的原点, 从产品或服务的本质 (功能) 出发进行设计开发, 不拘泥于某一种或几种功能的实现方式, 结合对受众文化层次、生活习惯、社会阅历等方面的研究, 综合各种设计要素和创意方法, 是创造市场定位准确的新产品、提高产品或服务差异性的重要手段。随着功能分析法在创新设计中的应用, 人们将会在机械制造、通信、计算机、网络、生物、材料、电子工程等各个领域中, 创造出更多更好的新产品、新系统、新行业和新的就业机会, 并促使各行各业向智能化方向不断发展, 从而极大地促进社会经济的持续发展, 这对于提高国民经济质量和效益, 提升我国国家竞争力都具有重要意义。

　　参考文献

　　[1]汪哲能.机械创新设计[M].北京:清华大学出版社, 2011.

　　[2]鲍习银.浅析机械创新设计[J].装备制造技术, 2013 (4) :240—242.

　　[3]吕仲文.机械创新设计[M].北京:机械工业出版社, 2013.

　　[4]熊璐, 傅稳.基于前驱动桥式后轮毂式分布式驱动电动汽车整车设计研究[J].佳木斯大学学报:自然科学版, 2015 (4) :516—518.

　　[5]丁立军, 戴曙光, 孟青云, 沈力行.基于产品功能分析与结构优化的机械设计方法[J].机电工程技术, 2014 (5) :57—60.

　　[6]赵月根.功能分析法在设备运行状态监测中的应用[J].设备管理与维修, 2015 (8) :13—14.

 

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