淺談機(jī)械設(shè)計的三種類型

華北電力大學(xué)機(jī)械工程系 趙愛林

機(jī)械設(shè)計(machine design)，即根據(jù)目標(biāo)功能，對機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方式、能量的傳遞方式、零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。

Pahl和Beitz最早將設(shè)計分為開發(fā)性設(shè)計(original design)、適應(yīng)設(shè)計(adaptive design)、變型設(shè)計(variant design)，并指出在實際的設(shè)計工作中大約70%屬于適應(yīng)性設(shè)計和變型設(shè)計。下面，我將就這三種設(shè)計類型談?wù)剛€人理解。

一、開發(fā)性設(shè)計：零—原型的創(chuàng)新開發(fā)

一般要提出新的模式概念，或者新的原理方案。往往使用一種新的物理效應(yīng)來代替舊的物理效應(yīng)，使機(jī)器的工作原理發(fā)生根本的變化，設(shè)計中要引入某種新技術(shù)（新材料、工藝），要求設(shè)計人員有一種新的想法和構(gòu)思，開發(fā)型設(shè)計能使機(jī)器品質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變化。

產(chǎn)品的工作原理，主體結(jié)構(gòu)，所實現(xiàn)的功能，這三者中至少有一項是首創(chuàng)的才可以認(rèn)定為開發(fā)性設(shè)計。開發(fā)性設(shè)計的過程最復(fù)雜，創(chuàng)新性強(qiáng)，通常需要一個比較漫長的過程，因此，這種設(shè)計往往耗時很長并且需要投資較大。

在我們的日常生活中，大家熟知的電話的發(fā)明、蒸汽機(jī)的發(fā)明、飛機(jī)的發(fā)明等等從無到有的創(chuàng)造性發(fā)明，都是開發(fā)性的設(shè)計結(jié)果。

在當(dāng)今社會中，隨著機(jī)械業(yè)的逐漸發(fā)展，社會需求的不斷增加，創(chuàng)新的作用已經(jīng)超過了運(yùn)作和經(jīng)營，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重頭。除了經(jīng)濟(jì)方面，就科技發(fā)展來說，勢必會向著更高端的目標(biāo)前進(jìn)，機(jī)械工業(yè)作為科技發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè)，是否能夠創(chuàng)新和發(fā)展，對整個工業(yè)和社會的發(fā)展都有著舉足輕重的意義和影響。因此，機(jī)械設(shè)計人員在開發(fā)型設(shè)計這一方面應(yīng)該多加努力。一個好的創(chuàng)造性觀點不是輕易就能提出的，這需要我們在平時的生活和學(xué)習(xí)中不斷積累素材，對生活現(xiàn)象不斷提出自己的質(zhì)疑和見解，才能有好的創(chuàng)意出現(xiàn)。

開發(fā)性設(shè)計可以著眼于社會生活的各個方面。在日常生活方面，可以從方便人們的衣、食、住、行以及提高人們的生活質(zhì)量方面考慮。

比如方便殘疾人出行用的拐杖，行走時是拐杖，休息時能拼成椅子。再比如現(xiàn)在市面上已經(jīng)有的USB分線器，一頭插在電腦上，另一頭可以分出幾個USB插口來，可以方便地同時給多個移動設(shè)備充電。還有能在面包片上印出文字來的烤面包機(jī)，以及適合孩子使用的各種趣味型健身器材。這些大都是利用已有的各種機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合和創(chuàng)新從而達(dá)到產(chǎn)品的創(chuàng)新?？梢钥吹?，這樣的創(chuàng)意產(chǎn)品在當(dāng)今社會層出不窮。

近年來，我國申報專利的人數(shù)在不斷上升，各個高校也更加重視學(xué)生創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)，可見，創(chuàng)新已經(jīng)被越來越多的人所重視。相信隨著科技的不斷發(fā)展，我國的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計定會更上一層樓。

二、適應(yīng)性設(shè)計

指的是在總的方案原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)或為了進(jìn)行微電子控制對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部適應(yīng)性設(shè)計，以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量增加某些附加值。由于適應(yīng)性設(shè)計既有一定的創(chuàng)新性，又不用進(jìn)行功能原理設(shè)計，很好的綜合了變型設(shè)計和開發(fā)型設(shè)計的優(yōu)點，具有很大的靈活性和設(shè)計潛力。

比如老式的黑白電視機(jī)，因為當(dāng)時技術(shù)的局限性，是用旋鈕的方式來換臺的。而現(xiàn)在用遙控器來控制。電視機(jī)成像基本原理沒變，控制方式變得更加方便，適應(yīng)了社會的發(fā)展。再比如從早期的自行車到摩托車，只是改變了能量的來源和轉(zhuǎn)換，將產(chǎn)品變得更加適應(yīng)社會的需求。還有數(shù)控車床等傳統(tǒng)機(jī)械加工業(yè)中，在原有的機(jī)械產(chǎn)品中加入微機(jī)或電子控制，提高了機(jī)器的質(zhì)量和效率，解放了勞動力。

適應(yīng)性設(shè)計不用提出新的原理，不用改變原有的基本功能，只是局部提高或增強(qiáng)產(chǎn)品的功能性，所需的時間和投資不大。因此，在當(dāng)今設(shè)計領(lǐng)域中是有很大發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>

因此，對于機(jī)械設(shè)計者來說，適應(yīng)性設(shè)計是值得研究的一個領(lǐng)域。一個好的產(chǎn)品必然是能順應(yīng)社會發(fā)展的，能適應(yīng)社會和人文環(huán)境的。因此，在設(shè)計過程中可以選擇改良已有的產(chǎn)品，根據(jù)人們的需要來增添或是變換功能等等。

三、變型設(shè)計

變更產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)配置和尺寸由于需要傳遞的轉(zhuǎn)矩或速比改變而重新。這種修改一般不破壞原設(shè)計的基本原理和基本結(jié)構(gòu)特征，是一種參數(shù)的修改或結(jié)構(gòu)的局部調(diào)整或兩者兼而有之，其目的是快速、高質(zhì)量、低成本地生產(chǎn)新產(chǎn)品以滿足不斷變化的市場的要求。為了快速響應(yīng)市場的要求和達(dá)到利益最大化，變型設(shè)計是當(dāng)今使用較為廣泛的一種重要設(shè)計方式。

例如，北方使用的收割機(jī)不適合在田地較小，分布不集中的南方使用，此時，只需改變機(jī)器尺寸就可以。

再比如，早期手機(jī)鍵盤是九個數(shù)字鍵型的，有的廠家推出電腦鍵盤型的，再到現(xiàn)在的全觸屏，輸入方式的改變適應(yīng)了不斷變化的市場。還有同種產(chǎn)品不同材質(zhì)的變換，以及為了便利將尺寸變得更小等等。都是通過變型設(shè)計來提高產(chǎn)品的質(zhì)量和市場競爭力的。

在變型設(shè)計中，設(shè)計者主要考慮的應(yīng)該是一個現(xiàn)有的產(chǎn)品中不方便的一面，努力的方向是如何采取措施來改變這一弱勢，或者是，采用某些新的成果或者新的材料來改進(jìn)產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，在短期內(nèi)完成更新?lián)Q代，使產(chǎn)品擁有更大的市場和競爭力。

總之，在當(dāng)今的設(shè)計領(lǐng)域里，機(jī)械設(shè)計的三種類型有利有弊，看似獨(dú)立卻是相輔相成，融會貫通的。創(chuàng)新設(shè)計里可能會有其它產(chǎn)品功能的變型設(shè)計，適應(yīng)性設(shè)計里也會有設(shè)計者獨(dú)特的創(chuàng)意設(shè)計，變型設(shè)計也可能會設(shè)計適應(yīng)性設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計。因此，作為一個機(jī)械設(shè)計者，我們在設(shè)計過程中要靈活運(yùn)用這三種設(shè)計方法，以求達(dá)到順應(yīng)時代的發(fā)展和社會的需求。

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