机械创新设计中的功能分析法
机械创新设计中的功能分析法
来摘要：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
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机械创新设计中的功能分析法来摘要：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...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
价格：免费
属性：4 页
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格式：DOCX
时间：2023-03-11
