李克勤

摘 要 機(jī)械設(shè)計學(xué)是機(jī)械設(shè)計類專業(yè)方向的一門重要的專業(yè)必修課程，對于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維、激發(fā)創(chuàng)新潛能意義重大。精選若干案例組織教學(xué)，從功能原理設(shè)計、實用化設(shè)計、商品化設(shè)計等論述機(jī)械設(shè)計學(xué)課程的教與學(xué)。

關(guān)鍵詞 案例教學(xué) 功能原理設(shè)計 商品化設(shè)計 創(chuàng)新設(shè)計

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.10.040

Teaching Research of Machine Design Science Based on Cases

LI Keqin

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Machine design science is an important major course of machine design and automation specialty. This course enlightens student's innovation design thought and potential， improves their practice ability. Many cases are selected. Teaching and methodology is discussed， included function principle design， practical design and commodity design.

Key words case-based teaching; function principle design; commodity design; innovation design

21世紀(jì)的世界，國際間的經(jīng)濟(jì)競爭日益激烈突出，主要的表現(xiàn)為世界市場的商品競爭。每一個國家的生存與發(fā)展都不可能離開這個全球市場。市場競爭的生命力源自產(chǎn)品的創(chuàng)新。任何先進(jìn)的高科技成果要想轉(zhuǎn)化為有競爭力的商品，這其中設(shè)計起著至關(guān)重要的決定作用。

然而，設(shè)計與科學(xué)研究又有很大的區(qū)別。設(shè)計區(qū)別于科學(xué)研究的本質(zhì)是更加需要人們的創(chuàng)造力，創(chuàng)造出世界上還沒有的東西，實現(xiàn)人們的構(gòu)思，實現(xiàn)人們希望實現(xiàn)的的功能的產(chǎn)品;設(shè)計的結(jié)果是創(chuàng)造一個更好的新世界，永不停歇。

1 功能原理設(shè)計之教學(xué)實踐

“功能”是機(jī)器的靈魂。①功能原理設(shè)計的重點(diǎn)在于提出有創(chuàng)新的構(gòu)思，是對后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計起著決定性作用的工作，使機(jī)器的品質(zhì)發(fā)生根本性和革命性的變化。

好的功能原理設(shè)計既應(yīng)該有創(chuàng)新構(gòu)思，同時，又應(yīng)周全考慮其市場的競爭潛力，脫離國際國內(nèi)市場需求的盲目創(chuàng)新是死路一條、沒有任何意義的。

“綜合”是功能原理設(shè)計的良策。“綜合”是不可能有現(xiàn)存的、任何約定方法的;即：不可能只需按某種“方法”去做，就可以尋找到好的解法;功能原理設(shè)計的問題往往是有多解的問題，既不可能只有唯一解，也不可能絕對無解。這是如何教與如何學(xué)的難點(diǎn)所在。

廣義功能原理設(shè)計的思想引入學(xué)習(xí)中。千百年來人們洗衣都是靠手工搓，擦板擦、刷子刷，更原始的方法是用棒打或腳踩。洗衣的目的是解決附著在衣物表面的污垢脫落問題。為了分離污垢和衣物物料，可以設(shè)計多種功能原理來實現(xiàn)，攪拌式洗衣機(jī)就是常見的解決方案：即在洗衣筒中心裝上一豎直的立軸，在其軸上部靠筒底處安置擺動翼，由傳動機(jī)構(gòu)帶動，使它周期地正反向轉(zhuǎn)動，使水流和皂液能與衣物不斷相互摩擦、碰撞沖擊、翻攪等，這樣就能達(dá)到洗滌的目的。人們總希望洗衣機(jī)的功能越全越好，后來又出現(xiàn)了集洗滌、漂洗和脫水功能于一身的全自動洗衣機(jī)。近年來，洗衣機(jī)家族越來越龐大，種類越來越多，新出現(xiàn)的洗衣機(jī)有：冷沸騰洗衣機(jī)（綠色環(huán)保，不需要洗滌劑）、烘干洗衣機(jī)、電磁洗衣機(jī)、氣流洗衣機(jī)、仿生搓板式洗衣機(jī)、模糊邏輯洗衣機(jī)等。這些都是廣義功能原理的設(shè)計成果。

在打印機(jī)的打字功能發(fā)展的歷史上，原來的純機(jī)械式打字機(jī)由于受慣性作用的約束而難以提高打字速度，一開始人們只從純機(jī)械的角度來解決問題，于是出現(xiàn)了字球式打字功能原理和菊花瓣式字盤打字功能原理的打字機(jī);這兩種純機(jī)械式的打字功能原理在提高打字速度方面的潛力是很有限的。其后出現(xiàn)了針式打印功能原理的打字機(jī)，這種針式打印功能原理引進(jìn)了電磁對針的控制，基本還是純機(jī)械的，但是它卻是作為一種純機(jī)械向廣義物理效應(yīng)過渡的類型，因為它打破了字頭打印方式的局限而采用了點(diǎn)陣方式，這就為隨后的噴墨打印和激光打印開辟了成功的途徑。噴墨打印和激光打印則是典型的廣義物理效應(yīng)的應(yīng)用。打印機(jī)的發(fā)展歷史很好地證明了廣義功能原理以及廣義設(shè)計學(xué)思想的成功運(yùn)用。

2 案例教學(xué)實踐

案例教學(xué)法②起源于美國。案例教學(xué)有助于培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生主動參與課堂討論，頗具績效。

在機(jī)械設(shè)計過程中，實用化設(shè)計是在功能原理的基礎(chǔ)上，將原理方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、轉(zhuǎn)化為實體，使原理構(gòu)思一步一步地轉(zhuǎn)化為有實用價值的實體機(jī)械產(chǎn)品，達(dá)到實用的目的要求。對于機(jī)械產(chǎn)品來說，工作原理確定后，首先要進(jìn)行工藝動作構(gòu)思和分解，初步擬定各執(zhí)行構(gòu)件大動作和各動作的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，即進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動方案設(shè)計和機(jī)械簡圖設(shè)計。

總體布局的原則主要有：（1）有利于功能的實現(xiàn);（2）結(jié)構(gòu)緊湊;（3）動力傳遞路線力求簡短、直接、提高傳動效率;（4）各零、部件的位置安排布局應(yīng)該方便拆卸、裝配、調(diào)整、維修等，提供高度可靠的安全保護(hù)。

總體布局此時引入案例教學(xué)恰到好處。如輪式裝載機(jī)、開式壓力機(jī)的案例。輪式裝載機(jī)（見圖1）的總體布局為水平方向，工作頭在前部、發(fā)動機(jī)在后部、中間是司機(jī)室，布局非常合理，有利于提高作業(yè)穩(wěn)定性、有利于作業(yè)準(zhǔn)確、有利于安全生產(chǎn)。而開式壓力機(jī)（見圖2）則為垂直上下的總體布局形式，該機(jī)的動力布置在上部，下部有機(jī)身和工作臺，便于操作，整機(jī)的穩(wěn)定性好，方便沖壓成型作業(yè)。endprint

在機(jī)械運(yùn)動協(xié)調(diào)設(shè)計方面，不同行業(yè)的作業(yè)機(jī)械大有不同。如起重機(jī)械廣泛應(yīng)用于企業(yè)、港口碼頭、建筑工地等;起重機(jī)械不僅可以作為典型的輔助生產(chǎn)設(shè)備，完成原料、半成品、制成品的裝卸搬運(yùn)作業(yè)，還可以完成機(jī)電設(shè)備的安裝、維修等，而且也是一些流程作業(yè)（如鋼鐵冶金生產(chǎn)）中的必需關(guān)鍵重點(diǎn)設(shè)備;而起重機(jī)械一般由四大機(jī)構(gòu)（起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）、金屬結(jié)構(gòu)、動力設(shè)備等組成;四個獨(dú)立的機(jī)構(gòu)只能采用“集中控制、分散驅(qū)動”的設(shè)計。而在比較小型的機(jī)器設(shè)備中，如點(diǎn)鈔機(jī)、家用縫紉機(jī)、蜂窩煤成型機(jī)等，一般均采用“集中驅(qū)動、分散控制”的設(shè)計，設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是分配軸設(shè)計。

3 商品化設(shè)計教學(xué)實踐

競爭是商品經(jīng)濟(jì)和市場經(jīng)濟(jì)的客觀規(guī)律，也是促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的動力和源泉，機(jī)械設(shè)計要提出創(chuàng)新構(gòu)思并使之迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橛懈偁幜Φ漠a(chǎn)品，要在市場競爭中具有強(qiáng)大的競爭能力和生命力。檢驗設(shè)計成功的唯一標(biāo)準(zhǔn)是市場。

設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)入商品市場：（1）首先給人以直覺印象的就是其外觀造型和色調(diào)。普遍心理選擇是先入為主。在市場經(jīng)濟(jì)的競爭背景下，某商品的外觀一旦被看得“入眼”，極大可能地通過“預(yù)選”、獲得參加“決賽”的資格。如林林種種的各色轎車和城市SUV，均有各自的擁磅者和消費(fèi)群。（2）要使設(shè)計的產(chǎn)品勝于其它，獲得較高的市場占有率，就要力求做到“價廉、物美”。價廉必須降低成本;物美必須保證質(zhì)量和優(yōu)越的性能，就要運(yùn)用“價值工程原理”進(jìn)行價值優(yōu)化設(shè)計。（3）產(chǎn)品的通用性是現(xiàn)代產(chǎn)品不可忽視的問題。為縮短設(shè)計周期，使設(shè)計的產(chǎn)品以高速度、高質(zhì)量、多品種去參與競爭，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件和組合件要實現(xiàn)三化：標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化。（4）適用性是爭取用戶的重要手段，可以拓寬面向，考慮一機(jī)多用和具備多功能，更新產(chǎn)品以滿足市場不同需求。（5）綠色環(huán)保的要求、可回收設(shè)計，資源利用率最高，能源消耗最低的機(jī)械產(chǎn)品。

以前的機(jī)械設(shè)計教學(xué)不太重視機(jī)械產(chǎn)品的實用化、商品化，現(xiàn)在尤其應(yīng)該改變這種固有的觀念，要讓學(xué)生懂得功能原理設(shè)計、實用化設(shè)計、商品化設(shè)計都是同樣重要的。

4 結(jié)束語

工程教育本質(zhì)上是一種創(chuàng)造性教育，③設(shè)計和科學(xué)研究這兩者的基本區(qū)別在于設(shè)計是“創(chuàng)造（Innovation）”，而科學(xué)研究則是“發(fā)現(xiàn)（Discovery）”，設(shè)計教育是貫徹創(chuàng)造性教育的最理想的陣地，過去的設(shè)計教育在創(chuàng)造性培養(yǎng)方面幾乎沒有注意，以至使我國目前很多企業(yè)幾乎難以適應(yīng)當(dāng)前急需研發(fā)有市場競爭力產(chǎn)品的任務(wù)。

機(jī)械設(shè)計學(xué)結(jié)合案例教學(xué)，極大地調(diào)動和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和創(chuàng)造性，從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，全局觀念逐漸得到鍛煉和升華，為未來的機(jī)械設(shè)計工程師打下了堅實的基礎(chǔ)。

注釋

① 黃靖遠(yuǎn)，高志，陳祝林.機(jī)械設(shè)計學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

② 鄭淑芬.案例教學(xué)法的作用、實施環(huán)節(jié)及需要注意的問題[J].教育探索，2008（4）：56-57.

③ 張春林.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2007.endprint