淺談機械設計的三種類型

華北電力大學機械工程系 趙愛林

機械設計(machine design)，即根據目標功能，對機械的工作原理、結構、運動方式、能量的傳遞方式、零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。

Pahl和Beitz最早將設計分為開發性設計(original design)、適應設計(adaptive design)、變型設計(variant design)，并指出在實際的設計工作中大約70%屬于適應性設計和變型設計。下面，我將就這三種設計類型談談個人理解。

一、開發性設計：零—原型的創新開發

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來代替舊的物理效應，使機器的工作原理發生根本的變化，設計中要引入某種新技術（新材料、工藝），要求設計人員有一種新的想法和構思，開發型設計能使機器品質發生質的變化。

產品的工作原理，主體結構，所實現的功能，這三者中至少有一項是首創的才可以認定為開發性設計。開發性設計的過程最復雜，創新性強，通常需要一個比較漫長的過程，因此，這種設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明、蒸汽機的發明、飛機的發明等等從無到有的創造性發明，都是開發性的設計結果。

在當今社會中，隨著機械業的逐漸發展，社會需求的不斷增加，創新的作用已經超過了運作和經營，是經濟發展的重頭。除了經濟方面，就科技發展來說，勢必會向著更高端的目標前進，機械工業作為科技發展的基礎工業，是否能夠創新和發展，對整個工業和社會的發展都有著舉足輕重的意義和影響。因此，機械設計人員在開發型設計這一方面應該多加努力。一個好的創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習中不斷積累素材，對生活現象不斷提出自己的質疑和見解，才能有好的創意出現。

開發性設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。再比如現在市面上已經有的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備充電。還有能在面包片上印出文字來的烤面包機，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械機構進行組合和創新從而達到產品的創新?？梢钥吹剑@樣的創意產品在當今社會層出不窮。

近年來，我國申報專利的人數在不斷上升，各個高校也更加重視學生創新性能力的培養，可見，創新已經被越來越多的人所重視。相信隨著科技的不斷發展，我國的機械創新設計定會更上一層樓。

二、適應性設計

指的是在總的方案原理基本保持不變的情況下，對現有產品進行局部更改，或用微電子技術代替原有的機械結構或為了進行微電子控制對機械結構進行局部適應性設計，以使產品的性能和質量增加某些附加值。由于適應性設計既有一定的創新性，又不用進行功能原理設計，很好的綜合了變型設計和開發型設計的優點，具有很大的靈活性和設計潛力。

比如老式的黑白電視機，因為當時技術的局限性，是用旋鈕的方式來換臺的。而現在用遙控器來控制。電視機成像基本原理沒變，控制方式變得更加方便，適應了社會的發展。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換，將產品變得更加適應社會的需求。還有數控車床等傳統機械加工業中，在原有的機械產品中加入微機或電子控制，提高了機器的質量和效率，解放了勞動力。

適應性設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產品的功能性，所需的時間和投資不大。因此，在當今設計領域中是有很大發展潛力的。

因此，對于機械設計者來說，適應性設計是值得研究的一個領域。一個好的產品必然是能順應社會發展的，能適應社會和人文環境的。因此，在設計過程中可以選擇改良已有的產品，根據人們的需要來增添或是變換功能等等。

三、變型設計

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

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

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

在變型設計中，設計者主要考慮的應該是一個現有的產品中不方便的一面，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產品的功能和質量，在短期內完成更新換代，使產品擁有更大的市場和競爭力。

總之，在當今的設計領域里，機械設計的三種類型有利有弊，看似獨立卻是相輔相成，融會貫通的。創新設計里可能會有其它產品功能的變型設計，適應性設計里也會有設計者獨特的創意設計，變型設計也可能會設計適應性設計和創新設計。因此，作為一個機械設計者，我們在設計過程中要靈活運用這三種設計方法，以求達到順應時代的發展和社會的需求。

[1]黃靖遠,高志,陳祝林.機械設計學[M].機械工業出版社,2006.

[2]黃純穎,高志,于曉紅.機械創新設計[M].高等教育出版,2000.

[3]周堃敏.機械系統設計[M].高等教育出版社,2009.

[4]濮良貴,紀名剛.機械設計[M].高等教育出版社,2006.

[5]李繼慶,李育錫.機械設計基礎[M].高等教育出版社,2006.

[6]高志,劉瑩.機械創新設計[M].清華大學出版社,2009.

[7]張美麟.機械創新設計[M].化學工業出版社,2007.

[8]張有忱,張莉彥,張美麟.機械創新設計[M].清華大學出版社,2011.