機械創(chuàng )新設計中的功能分析法

1、功能分析法
20世紀40年代，美國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。他認為:“用戶(hù)購買(mǎi)的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品具有的功能。”20世紀60年代以后，隨著(zhù)歐美各國對設計學(xué)研究的逐步深入，人們普遍認識到，機械設計zui重要的工作不只是選用某種機構或設計某種結構，更重要的是對產(chǎn)品的工作原理進(jìn)行構思，而工作原理構思的核心就是確定產(chǎn)品的功能。
產(chǎn)品或技術(shù)系統的功能是基于各種基礎科學(xué)中的技術(shù)原理對產(chǎn)品或技術(shù)系統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)系統的功能都可以通過(guò)運用各基礎科學(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，以滿(mǎn)足產(chǎn)品或技術(shù)系統的輸入量與輸出量之間的特定要求。既然人們購買(mǎi)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)機的用途是作原動(dòng)機，具體用途可能是驅動(dòng)水泵或攪拌機，其功能是實(shí)現能量形式的轉化———電能(或化學(xué)能)轉化為機械能。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，當然也可以認為它只有一個(gè)功能，即調節室溫。
對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，把對產(chǎn)品具體結構的思考轉化為對產(chǎn)品功能的思考，從而可以撇開(kāi)原有產(chǎn)品具體形式結構對思維的束縛，發(fā)散思維，探尋一切可能滿(mǎn)足功能要求的工作原理以及滿(mǎn)足這些工作原理的技術(shù)裝置———功能載體，并通過(guò)對功能載體的組合、優(yōu)選，zui終找到實(shí)現功能要求的*設計方案。這種緊緊圍繞產(chǎn)品功能進(jìn)行分析、分解、求解、組合、優(yōu)選的方案設計方法稱(chēng)為功能分析。功能分析法是實(shí)現產(chǎn)品功能創(chuàng )新的重要方法，也是實(shí)現產(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)系統的功能，優(yōu)點(diǎn)是設計步驟明確、規律性強，有利于采用計算機模擬，可提高設計品質(zhì)和效率且容易掌握。因此，這種方法是機械創(chuàng )新設計過(guò)程中一個(gè)很有效的方法。
2、功能分析法的作用
(1)運用功能分析法，可以發(fā)現原有產(chǎn)品設計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的轉換裝置，其功能是實(shí)現采用不同電壓之間的切換，但是如果產(chǎn)品不外銷(xiāo)的話(huà)，這種轉換裝置就是多余的因為我國早已沒(méi)有用110V輸電的地區了，也就不需要進(jìn)行電壓的轉換，在進(jìn)行新的產(chǎn)品設計時(shí)*可以將其取消;如果外銷(xiāo)，則根據產(chǎn)品銷(xiāo)售國家的實(shí)際使用情況采用相應的電源電壓，從而簡(jiǎn)化設計，節省成本。
(2)運用功能分析法，可以找到某些零部件的廉價(jià)替代品。比如汽車(chē)的前后保險杠采用的是鋼材，后來(lái)為了美觀(guān)需要給保險杠加一個(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(chē)身重量，降低油耗。
(3)運用功能分析法有利于對原有設計進(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，根據這個(gè)要求就可以指導礦燈的設計向高亮度、輕型化、小型化方向發(fā)展。再如，在設計旱地播種機時(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)間內提供充足的水分，此時(shí)在播種機上增加補水裝置就成為該產(chǎn)品的重要創(chuàng )新。
(4)運用功能分析法進(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(guān)，此時(shí)就可以不必要求加工得很精細，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，從而節約加工成本。
(5)運用功能分析法還可以指導選擇合適的制造公差。
同一類(lèi)型機件用于不同的目的，其制造公差也不同。例如，一個(gè)機件如果用于航天航空，就需要采用*的制造公差標準，而如果是用于民用，甚至是用于玩具，它的制造公差要求當然就可以低得多，而公差等級降低就意味著(zhù)生產(chǎn)成本的降低。
運用功能分析法，在對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng )新設計時(shí)，可以找到*的設計方案、zui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，節約生產(chǎn)成本。
3、在機械創(chuàng )新設計中功能分析法的運用
3．1功能定義描述要準確
大量的實(shí)踐表明，產(chǎn)品創(chuàng )新主要來(lái)自于方案設計階段所涉及的功能定義和工作原理等內容的創(chuàng )新，因此，應當十分重視對產(chǎn)品功能定義的抽象描述。任何新產(chǎn)品的開(kāi)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zui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。功能定義要盡量選擇比較抽象的詞匯。例如，采礦機可以抽象為物料分離和移位的設備;載重汽車(chē)可以抽象為遠距離運輸物料的工具;迷宮式的密封可以抽象為不與軸接觸而將內外物料隔開(kāi)的元件等。
在對產(chǎn)品功能的描述中，因為不同的功能定義會(huì )產(chǎn)生出*不同的設計思想和設計方法，尋找不同的功能載體，可以得出*不同的設計方案。在設計一個(gè)臺式虎鉗時(shí)，若設計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“螺旋機構夾緊”，則設計者除了選用螺旋機構外，再沒(méi)有其他的功能載體可供選擇了。但如果將功能定義為“機械夾緊”，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(pán)夾緊、彈簧夾緊等。如果將功能定義得更抽象，例如“施壓夾緊”，則設計思路就更寬了，設計人員可以聯(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，設計方案會(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)生出不同的設計方案。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、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、沖床、鏜床、車(chē)床、線(xiàn)切割機、鍛床、腐蝕設備等。因此，功能定義越抽象，它引發(fā)的構想就會(huì )越多，這就為下一步確定產(chǎn)品的工作原理和具體結構提供了更加廣闊的創(chuàng )新設計空間。
功能定義還應盡可能表述出功能受到的約束條件，便于設計者對方案進(jìn)行評估，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“傳遞轉矩”好，因為這樣的定義說(shuō)明了轉動(dòng)是在一定扭矩的基礎上完成的。如果可能，還可以在“傳遞扭矩”前加上一定的數據對產(chǎn)品的功能進(jìn)行量化，例如“傳遞1000N……m的扭矩”。有了這個(gè)數據，設計者在尋找新方案時(shí)就會(huì )考慮其結構的可能性、幾何尺寸、材料和加工方法等細節，使機械創(chuàng )新的過(guò)程由抽象逐漸變得具體。又如，變壓器的功能是“轉換電壓”。顯然，轉換30萬(wàn)千伏的變壓器和轉換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。
3．2區分產(chǎn)品的必要功能和不必要功能
必要功能是指用戶(hù)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(guān)功能是通過(guò)基本功能與輔助功能來(lái)實(shí)現的，因此，必要功能也包括使用功能和表觀(guān)功能。每個(gè)用戶(hù)對產(chǎn)品的需求不同，如果設計者忽視了用戶(hù)需求的多樣性，就會(huì )在產(chǎn)品中摻雜進(jìn)一些用戶(hù)實(shí)際并不需要的功能，或是用戶(hù)無(wú)法享用的功能。例如，吉普車(chē)zui早用于戰場(chǎng)或在路況惡劣的條件下行駛，故被設計成四輪驅動(dòng)，以增加驅動(dòng)能力。如果主要在城市道路上行駛，吉普車(chē)的前驅動(dòng)功能就純屬多余。北京BJ212吉普車(chē)就省去了前驅動(dòng)，使每輛車(chē)的生產(chǎn)成本可下降2000多元。后來(lái)又出現了前驅車(chē)，驅動(dòng)輪與發(fā)動(dòng)機距離更近，就不再需要后驅車(chē)所必需的長(cháng)距離傳動(dòng)裝置，生產(chǎn)成本更低。有人在風(fēng)扇的扇葉保護罩上設計了很多圖案，希望這種設計能增加風(fēng)扇的表觀(guān)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(guān)功能的設計就*沒(méi)有必要。
創(chuàng )新者在設計過(guò)程中要弄清楚產(chǎn)品應具有的全部功能，明確哪些功能是*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)品功能的目標與方向。
3．3確?；竟δ?，兼顧輔助功能
基本功能是指產(chǎn)品具有的用來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)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(zhù)時(shí)代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步也是不斷變化的。如早期手持的基本功能是通話(huà)功能，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，后來(lái)出現的短信息也成為手機的基本功能，而手機中的游戲、計算器、收音機等功能則屬于輔助功能。而如今，隨著(zhù)智能手機時(shí)代的來(lái)臨，上網(wǎng)也成為手機的基本功能之一。再如汽車(chē)的基本功能是載運人員和(或)貨物，汽車(chē)內的音響、空調、車(chē)載導航系統給車(chē)輛帶來(lái)的功能都屬于輔助功能。創(chuàng )新者在進(jìn)行創(chuàng )造性構思時(shí)，在確保實(shí)現基本功能的前提下，可以根據設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根據產(chǎn)品的具體要求來(lái)確定。比如，MP3音樂(lè )技術(shù)的出現就使得車(chē)載CD光盤(pán)音樂(lè )系統成為可以去掉的輔助功能。隨著(zhù)手機導航功能的普及，因其更新及時(shí)、導航準確，車(chē)載導航就顯得可有可無(wú)。
3．4可以用簡(jiǎn)單、廉價(jià)的復制品代替復雜、高價(jià)的系統
生物體經(jīng)過(guò)長(cháng)期的進(jìn)化，可以通過(guò)簡(jiǎn)單精巧的結構實(shí)現多種完善的功能。人類(lèi)在構造人造技術(shù)系統時(shí)，可以模仿生物體通過(guò)簡(jiǎn)單的功能原理實(shí)現給定的功能。例如，應用虛擬現實(shí)方法訓練汽車(chē)、飛機、航天器、核電站及其他大型設備的使用人員，比使用真實(shí)系統更廉價(jià)。使用虛擬制造系統模擬零件的制造過(guò)程，可以及早發(fā)現不利于制造的設計缺陷;使用虛擬裝配系統可以發(fā)現實(shí)際無(wú)法裝配的設計錯誤。在實(shí)驗室環(huán)境下進(jìn)行地震實(shí)驗、水壩垮塌實(shí)驗等，通過(guò)廉價(jià)的模擬系統或實(shí)驗裝置研究災難性事件的過(guò)程和結果，可以用很小的代價(jià)得到有意義的成果。
此外，還可以用電動(dòng)機調速取代機械變速、用電磁制動(dòng)取代機械制動(dòng)等，均可收到較好的效果。
4、結語(yǔ)
在過(guò)去的很長(cháng)時(shí)間里，功能分析法的重要性被人們忽視。有人預言:一般機電產(chǎn)品的功能原理已經(jīng)定型，今后關(guān)于這些產(chǎn)品設計的任務(wù)就是改進(jìn)結構，改善工藝，提高性能。
事實(shí)證明，隨著(zhù)消費者消費水平和消費觀(guān)念的進(jìn)步，將會(huì )對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)現的功能在新的技術(shù)背景下可以實(shí)現得更好，為滿(mǎn)足消費者要求更高、更新、更快的功能需求提供了可能，奠定了基礎。功能分析法回歸設計的原點(diǎn)，從產(chǎn)品或服務(wù)的本質(zhì)(功能)出發(fā)進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)，不拘泥于某一種或幾種功能的實(shí)現方式，結合對受眾文化層次、生活習慣、社會(huì )閱歷等方面的研究，綜合各種設計要素和創(chuàng )意方法，是創(chuàng )造市場(chǎng)定位準確的新產(chǎn)品、提高產(chǎn)品或服務(wù)差異性的重要手段。隨著(zhù)功能分析法在創(chuàng )新設計中的應用，人們將會(huì )在機械制造、通信、計算機、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、新行業(yè)和新的就業(yè)機會(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)濟的持續發(fā)展，這對于提高國民經(jīng)濟質(zhì)量和效益，提升我國國家競爭力都具有重要意義。