機械創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品“功能”的概念。他認為:“用戶購買的不是產品本身，而是產品具有的功能。”20世紀60年代以后，隨著歐美各國對設計學研究的逐步深入，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，更重要的是對產品的工作原理進行構思，而工作原理構思的核心就是確定產品的功能。
產品或技術系統的功能是基于各種基礎科學中的技術原理對產品或技術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品或技術系統在特定約束條件下輸入量與輸出量之間的因果關系。換言之，任何產品或技術系統的功能都可以通過運用各基礎科學(如物理學、化學、生物學等)中的技術原理(如摩擦原理、電解原理、光合作用原理等)來實現，以滿足產品或技術系統的輸入量與輸出量之間的特定要求。既然人們購買的是產品所具有的功能，那么任何一種產品在保證實現功能的前提下，可以采用任何原理、任何形式。功能是產品的本質，而具體的產品實體只是一種形式，只要本質不變，實現某種功能的產品形式可以是各種各樣的。例如，發動機的用途是作原動機，具體用途可能是驅動水泵或攪拌機，其功能是實現能量形式的轉化———電能(或化學能)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，它具有兩個基本功能，當然也可以認為它只有一個功能，即調節室溫。
對產品進行功能分析，把對產品具體結構的思考轉化為對產品功能的思考，從而可以撇開原有產品具體形式結構對思維的束縛，發散思維，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裝置———功能載體，并通過對功能載體的組合、優選，zui終找到實現功能要求的*設計方案。這種緊緊圍繞產品功能進行分析、分解、求解、組合、優選的方案設計方法稱為功能分析。功能分析法是實現產品功能創新的重要方法，也是實現產品創新的核心。這種方法的首要任務是確定產品或技術系統的功能，優點是設計步驟明確、規律性強，有利于采用計算機模擬，可提高設計品質和效率且容易掌握。因此，這種方法是機械創新設計過程中一個很有效的方法。
2、功能分析法的作用
(1)運用功能分析法，可以發現原有產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品有110V/220V的轉換裝置，其功能是實現采用不同電壓之間的切換，但是如果產品不外銷的話，這種轉換裝置就是多余的因為我國早已沒有用110V輸電的地區了，也就不需要進行電壓的轉換，在進行新的產品設計時*可以將其取消;如果外銷，則根據產品銷售國家的實際使用情況采用相應的電源電壓，從而簡化設計，節省成本。
(2)運用功能分析法，可以找到某些零部件的廉價替代品。比如汽車的前后保險杠采用的是鋼材，后來為了美觀需要給保險杠加一個外殼，其功能主要是裝飾，此時再使用鋼材就會增加生產成本，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。
(3)運用功能分析法有利于對原有設計進行改進。例如，礦燈的功能是礦工下礦井時隨身攜帶用于照明，這個功能就要求礦燈亮度要高、重量要輕，根據這個要求就可以指導礦燈的設計向高亮度、輕型化、小型化方向發展。再如，在設計旱地播種機時，考慮到種子發芽時需要一定的水分，而旱地環境可能無法在短時間內提供充足的水分，此時在播種機上增加補水裝置就成為該產品的重要創新。
(4)運用功能分析法進行分析，可以啟發工藝的改造。
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。
同一類型機件用于不同的目的，其制造公差也不同。例如，一個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生產成本的降低。
運用功能分析法，在對產品進行創新設計時，可以找到*的設計方案、zui省的制造工藝和流程等，從而提高產品功能和品質，也可以減少加工程序，節約生產成本。
3、在機械創新設計中功能分析法的運用
3．1功能定義描述要準確
大量的實踐表明，產品創新主要來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新，因此，應當十分重視對產品功能定義的抽象描述。任何新產品的開發過程總是一個由抽象到具體、由定性到定量的過程。功能的定義一定要有利于揭露功能中zui本質的東西，以利于拓寬創造思路，尋求更理想的解決問題的方。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的元件等。
在對產品功能的描述中，因為不同的功能定義會產生出*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。在設計一個臺式虎鉗時，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”，則設計思路就更寬了，設計人員可以聯想到液壓裝置、氣動裝置、電氣加緊裝置等，加上上述的夾緊方式，設計方案會增加許多。再如，定義鉆床的功能時，不同的功能定義會產生出不同的設計方案。如果將功能定義為“鉆孔”，就只能聯想到鉆床，其思路就很狹窄。如果表述為“打孔”，則可能聯想到激光打孔機、鉆床或沖床。如果再抽象一些，定義為“加工孔”，那么就有可能聯想到鉆床、激光打孔機、沖床、鏜床、車床、線切割機、鍛床、腐蝕設備等。因此，功能定義越抽象，它引發的構想就會越多，這就為下一步確定產品的工作原理和具體結構提供了更加廣闊的創新設計空間。
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行評估，作出正確的決策。例如，在給聯軸器的功能下定義時，用“傳遞扭矩”要比“傳遞轉矩”好，因為這樣的定義說明了轉動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品的功能進行量化，例如“傳遞1000N……m的扭矩”。有了這個數據，設計者在尋找新方案時就會考慮其結構的可能性、幾何尺寸、材料和加工方法等細節，使機械創新的過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，在給功能定義時一定要考慮盡可能地給產品的功能定義作出定量化的描述。
3．2區分產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，包括產品的基本功能和輔助功能。由于產品的使用功能和表觀功能是通過基本功能與輔助功能來實現的，因此，必要功能也包括使用功能和表觀功能。每個用戶對產品的需求不同，如果設計者忽視了用戶需求的多樣性，就會在產品中摻雜進一些用戶實際并不需要的功能，或是用戶無法享用的功能。例如，吉普車zui早用于戰場或在路況惡劣的條件下行駛，故被設計成四輪驅動，以增加驅動能力。如果主要在城市道路上行駛，吉普車的前驅動功能就純屬多余。北京BJ212吉普車就省去了前驅動，使每輛車的生產成本可下降2000多元。后來又出現了前驅車，驅動輪與發動機距離更近，就不再需要后驅車所必需的長距離傳動裝置，生產成本更低。有人在風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，又影響了風扇的排風效果，這種表觀功能的設計就*沒有必要。
創新者在設計過程中要弄清楚產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，從而確定創造或發明的具體方向。創新者也要找到關鍵要素，為產品的再創新拓寬思路，有利于確定改善產品功能的目標與方向。
3．3確?；竟δ?，兼顧輔助功能
基本功能是指產品具有的用來滿足用戶某種需求的效能，是產品的基本用途或存在的價值。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現基本功能而添加的功能。產品的基本功能和輔助功能隨著時代發展和技術進步也是不斷變化的。如早期手持的基本功能是通話功能，隨著電子技術的發展進步，后來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，隨著智能手機時代的來臨，上網也成為手機的基本功能之一。再如汽車的基本功能是載運人員和(或)貨物，汽車內的音響、空調、車載導航系統給車輛帶來的功能都屬于輔助功能。創新者在進行創造性構思時，在確保實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，以保證產品能更好地實現其基本功能。同時還要注意添加什么輔助功能，添加多少輔助功能應根據產品的具體要求來確定。比如，MP3音樂技術的出現就使得車載CD光盤音樂系統成為可以去掉的輔助功能。隨著手機導航功能的普及，因其更新及時、導航準確，車載導航就顯得可有可無。
3．4可以用簡單、廉價的復制品代替復雜、高價的系統
生物體經過長期的進化，可以通過簡單精巧的結構實現多種完善的功能。人類在構造人造技術系統時，可以模仿生物體通過簡單的功能原理實現給定的功能。例如，應用虛擬現實方法訓練汽車、飛機、航天器、核電站及其他大型設備的使用人員，比使用真實系統更廉價。使用虛擬制造系統模擬零件的制造過程，可以及早發現不利于制造的設計缺陷;使用虛擬裝配系統可以發現實際無法裝配的設計錯誤。在實驗室環境下進行地震實驗、水壩垮塌實驗等，通過廉價的模擬系統或實驗裝置研究災難性事件的過程和結果，可以用很小的代價得到有意義的成果。
此外，還可以用電動機調速取代機械變速、用電磁制動取代機械制動等，均可收到較好的效果。
4、結語
在過去的很長時間里，功能分析法的重要性被人們忽視。有人預言:一般機電產品的功能原理已經定型，今后關于這些產品設計的任務就是改進結構，改善工藝，提高性能。
事實證明，隨著消費者消費水平和消費觀念的進步，將會對已有的功能提出新的、更高的要求，科學技術的發展會為已經實現的功能提供新的、可供使用的新技術、新原理、新材料、新方法，使得已經實現的功能在新的技術背景下可以實現得更好，為滿足消費者要求更高、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，從產品或服務的本質(功能)出發進行設計開發，不拘泥于某一種或幾種功能的實現方式，結合對受眾文化層次、生活習慣、社會閱歷等方面的研究，綜合各種設計要素和創意方法，是創造市場定位準確的新產品、提高產品或服務差異性的重要手段。隨著功能分析法在創新設計中的應用，人們將會在機械制造、通信、計算機、網絡、生物、材料、電子工程等各個領域中，創造出更多更好的新產品、新系統、新行業和新的就業機會，并促使各行各業向智能化方向不斷發展，從而極大地促進社會經濟的持續發展，這對于提高國民經濟質量和效益，提升我國國家競爭力都具有重要意義。