機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的功能分析法

茍阿妮

(廈門華天涉外職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361102)

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的功能分析法

茍阿妮

(廈門華天涉外職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361102)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)各類產(chǎn)品或者各種技術(shù)系統(tǒng)服務(wù)的功能要求越來(lái)越高。中央提出的供給側(cè)改革就是從產(chǎn)品或服務(wù)入手，不斷推出新產(chǎn)品，新服務(wù)、新系統(tǒng)，以滿足人民日益增長(zhǎng)的各類需求。這就要求設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者不斷推出功能更新、設(shè)計(jì)更優(yōu)、價(jià)格更低的新產(chǎn)品，而功能分析法就是生產(chǎn)領(lǐng)域中產(chǎn)品創(chuàng)新和機(jī)械創(chuàng)新的重要方法?；诖耍榻B功能分析法的內(nèi)涵和作用，并論述產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械創(chuàng)新過(guò)程中功能分析法的應(yīng)用。功能分析法應(yīng)成為產(chǎn)品和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中必須遵循的原則。

功能分析；機(jī)械設(shè)計(jì)；創(chuàng)新

1 功能分析法

20世紀(jì)40年代，美國(guó)通用電氣公司工程師麥爾斯首先提出了產(chǎn)品“功能”的概念。他認(rèn)為：“用戶購(gòu)買的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品具有的功能。”20世紀(jì)60年代以后，隨著歐美各國(guó)對(duì)設(shè)計(jì)學(xué)研究的逐步深入，人們普遍認(rèn)識(shí)到，機(jī)械設(shè)計(jì)最重要的工作不只是選用某種機(jī)構(gòu)或設(shè)計(jì)某種結(jié)構(gòu)，更重要的是對(duì)產(chǎn)品的工作原理進(jìn)行構(gòu)思，而工作原理構(gòu)思的核心就是確定產(chǎn)品的功能。

產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)的功能是基于各種基礎(chǔ)科學(xué)中的技術(shù)原理對(duì)產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)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產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)在特定約束條件下輸入量與輸出量之間的因果關(guān)系。換言之，任何產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)的功能都可以通過(guò)運(yùn)用各基礎(chǔ)科學(xué)(如物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等)中的技術(shù)原理(如摩擦原理、電解原理、光合作用原理等)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以滿足產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間的特定要求。 既然人們購(gòu)買的是產(chǎn)品所具有的功能，那么任何一種產(chǎn)品在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，可以采用任何原理、任何形式。功能是產(chǎn)品的本質(zhì)，而具體的產(chǎn)品實(shí)體只是一種形式，只要本質(zhì)不變，實(shí)現(xiàn)某種功能的產(chǎn)品形式可以是各種各樣的。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)的用途是作原動(dòng)機(jī)，具體用途可能是驅(qū)動(dòng)水泵或攪拌機(jī)，其功能是實(shí)現(xiàn)能量形式的轉(zhuǎn)化——電能(或化學(xué)能)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。再如，鉆床加工孔，“加工孔”是鉆床的功能，“鉆床”是具有該功能的產(chǎn)品。還有冷暖空調(diào)既可降低室溫，也可升高室溫，因此，它具有兩個(gè)基本功能，當(dāng)然也可以認(rèn)為它只有一個(gè)功能，即調(diào)節(jié)室溫[1]。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，把對(duì)產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)的思考轉(zhuǎn)化為對(duì)產(chǎn)品功能的思考，從而可以撇開原有產(chǎn)品具體形式結(jié)構(gòu)對(duì)思維的束縛，發(fā)散思維，探尋一切可能滿足功能要求的工作原理以及滿足這些工作原理的技術(shù)裝置——功能載體，并通過(guò)對(duì)功能載體的組合、優(yōu)選，最終找到實(shí)現(xiàn)功能要求的最佳設(shè)計(jì)方案。這種緊緊圍繞產(chǎn)品功能進(jìn)行分析、分解、求解、組合、優(yōu)選的方案設(shè)計(jì)方法稱為功能分析法。功能分析法是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能創(chuàng)新的重要方法，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的核心。這種方法的首要任務(wù)是確定產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)的功能，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)步驟明確、規(guī)律性強(qiáng)，有利于采用計(jì)算機(jī)模擬，可提高設(shè)計(jì)品質(zhì)和效率且容易掌握。因此，這種方法是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)很有效的方法[2]。

2 功能分析法的作用

(1)運(yùn)用功能分析法，可以發(fā)現(xiàn)原有產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以省掉的不必要的零部件。例如，某些電氣用品和儀器等產(chǎn)品有110V/220V的轉(zhuǎn)換裝置，其功能是實(shí)現(xiàn)采用不同電壓之間的切換，但是如果產(chǎn)品不外銷的話，這種轉(zhuǎn)換裝置就是多余的，因?yàn)槲覈?guó)早已沒(méi)有用110V輸電的地區(qū)了，也就不需要進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)完全可以將其取消；如果外銷，則根據(jù)產(chǎn)品銷售國(guó)家的實(shí)際使用情況采用相應(yīng)的電源電壓，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，節(jié)省成本[3]。

(2)運(yùn)用功能分析法，可以找到某些零部件的廉價(jià)替代品。比如汽車的前后保險(xiǎn)杠采用的是鋼材，后來(lái)為了美觀需要給保險(xiǎn)杠加一個(gè)外殼，其功能主要是裝飾，此時(shí)再使用鋼材就會(huì)增加生產(chǎn)成本，如果以塑料代替鋼材，不僅可以降低成本，而且塑料既便宜又耐酸堿、耐銹蝕，還可以減輕車身重量，降低油耗[4]。

(3)運(yùn)用功能分析法有利于對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。例如，礦燈的功能是礦工下礦井時(shí)隨身攜帶用于照明，這個(gè)功能就要求礦燈亮度要高、重量要輕，根據(jù)這個(gè)要求就可以指導(dǎo)礦燈的設(shè)計(jì)向高亮度、輕型化、小型化方向發(fā)展。再如，在設(shè)計(jì)旱地播種機(jī)時(shí)，考慮到種子發(fā)芽時(shí)需要一定的水分，而旱地環(huán)境可能無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)提供充足的水分，此時(shí)在播種機(jī)上增加補(bǔ)水裝置就成為該產(chǎn)品的重要?jiǎng)?chuàng)新[3]。

(4)運(yùn)用功能分析法進(jìn)行分析，可以啟發(fā)工藝的改造。例如，某些部件在完成其基本功能的前提下，如果不需要考慮其外在美觀，此時(shí)就可以不必要求加工得很精細(xì)，表面粗糙度要求可以低一些，這樣可以省掉一道或幾道加工工序，從而節(jié)約加工成本[5]。

(5)運(yùn)用功能分析法還可以指導(dǎo)選擇合適的制造公差。同一類型機(jī)件用于不同的目的，其制造公差也不同。例如，一個(gè)機(jī)件如果用于航天航空，就需要采用極高的制造公差標(biāo)準(zhǔn)，而如果是用于民用，甚至是用于玩具，它的制造公差要求當(dāng)然就可以低得多，而公差等級(jí)降低就意味著生產(chǎn)成本的降低[6]。

運(yùn)用功能分析法，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，可以找到最佳的設(shè)計(jì)方案、最省的制造工藝和流程等，從而提高產(chǎn)品功能和品質(zhì)，也可以減少加工程序，節(jié)約生產(chǎn)成本。

3 在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中功能分析法的運(yùn)用

3.1 功能定義描述要準(zhǔn)確

大量的實(shí)踐表明，產(chǎn)品創(chuàng)新主要來(lái)自于方案設(shè)計(jì)階段所涉及的功能定義和工作原理等內(nèi)容的創(chuàng)新，因此，應(yīng)當(dāng)十分重視對(duì)產(chǎn)品功能定義的抽象描述。任何新產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程總是一個(gè)由抽象到具體、由定性到定量的過(guò)程。功能的定義一定要有利于揭露功能中最本質(zhì)的東西，以利于拓寬創(chuàng)造思路，尋求更理想的解決問(wèn)題的方法。功能定義要盡量選擇比較抽象的詞匯。例如，采礦機(jī)可以抽象為物料分離和移位的設(shè)備；載重汽車可以抽象為遠(yuǎn)距離運(yùn)輸物料的工具；迷宮式的密封可以抽象為不與軸接觸而將內(nèi)外物料隔開的元件等。在對(duì)產(chǎn)品功能的描述中，因?yàn)椴煌墓δ芏x會(huì)產(chǎn)生出完全不同的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，尋找不同的功能載體，可以得出完全不同的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)一個(gè)臺(tái)式虎鉗時(shí)，若設(shè)計(jì)人員將自己頭腦中已有的概念帶入其功能定義中，將其定義為“螺旋機(jī)構(gòu)夾緊”，則設(shè)計(jì)者除了選用螺旋機(jī)構(gòu)外，再?zèng)]有其他的功能載體可供選擇了。但如果將功能定義為“機(jī)械夾緊”，則可供選擇的功能載體將會(huì)大大增加，比如采用楔塊夾緊、偏心盤夾緊、彈簧夾緊等。如果將功能定義得更抽象，例如“施壓夾緊”，則設(shè)計(jì)思路就更寬了，設(shè)計(jì)人員可以聯(lián)想到液壓裝置、氣動(dòng)裝置、電氣加緊裝置等，加上上述的夾緊方式，設(shè)計(jì)方案會(huì)增加許多。再如，定義鉆床的功能時(shí)，不同的功能定義會(huì)產(chǎn)生出不同的設(shè)計(jì)方案。如果將功能定義為 “鉆孔”，就只能聯(lián)想到鉆床，其思路就很狹窄。如果表述為“打孔”，則可能聯(lián)想到激光打孔機(jī)、鉆床或沖床。如果再抽象一些，定義為“加工孔”，那么就有可能聯(lián)想到鉆床、激光打孔機(jī)、沖床、鏜床、車床、線切割機(jī)、鍛床、腐蝕設(shè)備等。因此，功能定義越抽象，它引發(fā)的構(gòu)想就會(huì)越多，這就為下一步確定產(chǎn)品的工作原理和具體結(jié)構(gòu)提供了更加廣闊的創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間[7]。

功能定義還應(yīng)盡可能表述出功能受到的約束條件，便于設(shè)計(jì)者對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估，作出正確的決策。例如，在給聯(lián)軸器的功能下定義時(shí)，用“傳遞扭矩”要比 “傳遞轉(zhuǎn)矩”好，因?yàn)檫@樣的定義說(shuō)明了轉(zhuǎn)動(dòng)是在一定扭矩的基礎(chǔ)上完成的。如果可能，還可以在“傳遞扭矩”前加上一定的數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行量化，例如“傳遞1000N……m的扭矩”。有了這個(gè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)者在尋找新方案時(shí)就會(huì)考慮其結(jié)構(gòu)的可能性、幾何尺寸、材料和加工方法等細(xì)節(jié)，使機(jī)械創(chuàng)新的過(guò)程由抽象逐漸變得具體。又如，變壓器的功能是“轉(zhuǎn)換電壓”。顯然，轉(zhuǎn)換30萬(wàn)千伏的變壓器和轉(zhuǎn)換220V電壓的變壓器是不相同的。因此，在給功能定義時(shí)一定要考慮盡可能地給產(chǎn)品的功能定義作出定量化的描述[1]。

3.2 區(qū)分產(chǎn)品的必要功能和不必要功能

必要功能是指用戶所需要的功能，包括產(chǎn)品的基本功能和輔助功能。由于產(chǎn)品的使用功能和表觀功能是通過(guò)基本功能與輔助功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，必要功能也包括使用功能和表觀功能。每個(gè)用戶對(duì)產(chǎn)品的需求不同，如果設(shè)計(jì)者忽視了用戶需求的多樣性，就會(huì)在產(chǎn)品中摻雜進(jìn)一些用戶實(shí)際并不需要的功能，或是用戶無(wú)法享用的功能。例如，吉普車最早用于戰(zhàn)場(chǎng)或在路況惡劣的條件下行駛，故被設(shè)計(jì)成四輪驅(qū)動(dòng)，以增加驅(qū)動(dòng)能力。如果主要在城市道路上行駛，吉普車的前驅(qū)動(dòng)功能就純屬多余。北京BJ212吉普車就省去了前驅(qū)動(dòng)，使每輛車的生產(chǎn)成本可下降2 000多元。后來(lái)又出現(xiàn)了前驅(qū)車，驅(qū)動(dòng)輪與發(fā)動(dòng)機(jī)距離更近，就不再需要后驅(qū)車所必需的長(zhǎng)距離傳動(dòng)裝置，生產(chǎn)成本更低。有人在風(fēng)扇的扇葉保護(hù)罩上設(shè)計(jì)了很多圖案，希望這種設(shè)計(jì)能增加風(fēng)扇的表觀功能，然而這些圖案飾物容易被灰塵污染，難以清潔，又影響了風(fēng)扇的排風(fēng)效果，這種表觀功能的設(shè)計(jì)就完全沒(méi)有必要[1]。

創(chuàng)新者在設(shè)計(jì)過(guò)程中要弄清楚產(chǎn)品應(yīng)具有的全部功能，明確哪些功能是必備的，哪些功能是多余的，從而確定創(chuàng)造或發(fā)明的具體方向。創(chuàng)新者也要找到關(guān)鍵要素，為產(chǎn)品的再創(chuàng)新拓寬思路，有利于確定改善產(chǎn)品功能的目標(biāo)與方向。

3.3 確保基本功能，兼顧輔助功能

基本功能是指產(chǎn)品具有的用來(lái)滿足用戶某種需求的效能，是產(chǎn)品的基本用途或存在的價(jià)值。輔助功能是與基本功能并存且處于次要地位的附加功能，它是為了更有效地實(shí)現(xiàn)基本功能而添加的功能。產(chǎn)品的基本功能和輔助功能隨著時(shí)代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步也是不斷變化的。如早期手持電話的基本功能是通話功能，隨著電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，后來(lái)出現(xiàn)的短信息也成為手機(jī)的基本功能，而手機(jī)中的游戲、計(jì)算器、收音機(jī)等功能則屬于輔助功能。而如今，隨著智能手機(jī)時(shí)代的來(lái)臨，上網(wǎng)也成為手機(jī)的基本功能之一。再如汽車的基本功能是載運(yùn)人員和(或)貨物，汽車內(nèi)的音響、空調(diào)、車載導(dǎo)航系統(tǒng)給車輛帶來(lái)的功能都屬于輔助功能。創(chuàng)新者在進(jìn)行創(chuàng)造性構(gòu)思時(shí)，在確保實(shí)現(xiàn)基本功能的前提下，可以根據(jù)設(shè)想和需要任意添加或舍去某種輔助功能，以保證產(chǎn)品能更好地實(shí)現(xiàn)其基本功能。同時(shí)還要注意添加什么輔助功能，添加多少輔助功能應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的具體要求來(lái)確定。比如，MP3音樂(lè)技術(shù)的出現(xiàn)就使得車載CD光盤音樂(lè)系統(tǒng)成為可以去掉的輔助功能。隨著手機(jī)導(dǎo)航功能的普及，因其更新及時(shí)、導(dǎo)航準(zhǔn)確，車載導(dǎo)航就顯得可有可無(wú)。

3.4 可以用簡(jiǎn)單、廉價(jià)的復(fù)制品代替復(fù)雜、高價(jià)的系統(tǒng)

生物體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化，可以通過(guò)簡(jiǎn)單精巧的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種完善的功能。人類在構(gòu)造人造技術(shù)系統(tǒng)時(shí)，可以模仿生物體通過(guò)簡(jiǎn)單的功能原理實(shí)現(xiàn)給定的功能。例如，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)方法訓(xùn)練汽車、飛機(jī)、航天器、核電站及其他大型設(shè)備的使用人員，比使用真實(shí)系統(tǒng)更廉價(jià)。使用虛擬制造系統(tǒng)模擬零件的制造過(guò)程，可以及早發(fā)現(xiàn)不利于制造的設(shè)計(jì)缺陷；使用虛擬裝配系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際無(wú)法裝配的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行地震實(shí)驗(yàn)、水壩垮塌實(shí)驗(yàn)等，通過(guò)廉價(jià)的模擬系統(tǒng)或?qū)嶒?yàn)裝置研究災(zāi)難性事件的過(guò)程和結(jié)果，可以用很小的代價(jià)得到有意義的成果[8]。

此外，還可以用電動(dòng)機(jī)調(diào)速取代機(jī)械變速、用電磁制動(dòng)取代機(jī)械制動(dòng)等，均可收到較好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在過(guò)去的很長(zhǎng)時(shí)間里，功能分析法的重要性被人們忽視。有人預(yù)言：一般機(jī)電產(chǎn)品的功能原理已經(jīng)定型，今后關(guān)于這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)的任務(wù)就是改進(jìn)結(jié)構(gòu)，改善工藝，提高性能。事實(shí)證明，隨著消費(fèi)者消費(fèi)水平和消費(fèi)觀念的進(jìn)步，將會(huì)對(duì)已有的功能提出新的、更高的要求，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會(huì)為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能提供新的、可供使用的新技術(shù)、新原理、新材料、新方法，使得已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能在新的技術(shù)背景下可以實(shí)現(xiàn)得更好，為滿足消費(fèi)者要求更高、更新、更快的功能需求提供了可能，奠定了基礎(chǔ)。功能分析法回歸設(shè)計(jì)的原點(diǎn)，從產(chǎn)品或服務(wù)的本質(zhì)(功能)出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，不拘泥于某一種或幾種功能的實(shí)現(xiàn)方式，結(jié)合對(duì)受眾文化層次、生活習(xí)慣、社會(huì)閱歷等方面的研究，綜合各種設(shè)計(jì)要素和創(chuàng)意方法，是創(chuàng)造市場(chǎng)定位準(zhǔn)確的新產(chǎn)品、提高產(chǎn)品或服務(wù)差異性的重要手段。隨著功能分析法在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，人們將會(huì)在機(jī)械制造、通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、生物、材料、電子工程等各個(gè)領(lǐng)域中，創(chuàng)造出更多更好的新產(chǎn)品、新系統(tǒng)、新行業(yè)和新的就業(yè)機(jī)會(huì)，并促使各行各業(yè)向智能化方向不斷發(fā)展，從而極大地促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，這對(duì)于提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)質(zhì)量和效益，提升我國(guó)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力都具有重要意義。

[1]汪哲能.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]鮑習(xí)銀.淺析機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù),2013(4):240—242.

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[4]熊璐，傅穩(wěn).基于前驅(qū)動(dòng)橋式后輪轂式分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車整車設(shè)計(jì)研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015(4):516—518.

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[8]高志，劉瑩.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

責(zé)任編輯：富春凱

Functional Analysis in the Innovative Machine Designs

GOU E-ni

(Xiamen Huatian International Vocation Institute, Xiamen 361102, China)

With the economical development and social progress, the requirements of people to the various products or services of technology system arehigher and higher. The purpose of the supply-side reform proposed by the central government is to provide the new products, new services and new system, and to satisfy the increasing requirements of the people. This demands the designers and producers provide continuously the new products with the more new functions, better designs and lower prices. The function analysis is the important method of product and machine innovations in the production field. Based on this,introducing the implications and effect of the function analysis method, and discusses the application of function analysis in the process of product design and machine innovation, the function analysis method should become the rule must be observed by the designers and producers in the product and machine design innovation.

Function analysis method; Machine design; Innovation

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.03.013

2017-03-14

茍阿妮(1977—)，女，陜西人，講師。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。

TH122

A

1674-6341(2017)03-0035-03