產品結構設計

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什麼是產品結構設計

  產品結構設計是針對產品內部結構、機械部分的設計;一個好產品首先要實用,因此,產品設計首先是功能,其次才是形狀。產品實現其各項功能完全取決於一個優秀的結構設計。結構設計是機械設計的基本內容之一,也是整個產品設計過程中最複雜的一個工作環節,在產品形成過程中,起著至關重要的作用。

  設計者既要構想一系列關聯零件來實現各項功能,又要考慮產品結構緊湊、外形美觀;既要安全耐用、性能優良,又要易於製造、降低成本。所以說,結構設計師應具有全方位和多目標的空間想象力,並具有和跨領域的協調整合能力。根據各種要求與限制條件尋求對立中的統一。

改進產品結構設計的方法及案例[1]

一、改進產品結構設計方案

  用價值工程理論指導改進產品結構設計,即以最低的總成本可靠地實現產品的必要功能(主要功能和次要功能),去掉不必要功能(過剩功能)。減少不必要的材料消耗,在保證產品質量的前提下,儘量做到縮小體積,減輕重量,降低單位產品材料消耗量。不影響產品功能和使用性能等方面,應當考慮緊縮設計(減小、體積和重量)節約材料,縮小占地(或空間)面積,減少運輸費用。如現在的袖珍計算器,非常方便可裝在衣服口袋裡。電規機的體積比原來也縮小很多,一方面由於電視視元器件的小型化,由電子管-晶體管-集成電路-大規模集成電路。另外顯像管的電子槍也由長尾改為短尾,其軸助零件也可能地小型化了,因此電視機的外形尺寸大大縮小。

  例如,菜電真空設備廠生產的雙位立式氫氣爐,原來體積很大,占地面積也很大。現在生產的雙位立式氫氣爐修改了設計方案,機架高度增加了一些而占地面積縮小了一倍,效率照蕩略近一倍,使用壽命大大提高,性能好,節約了樹料,降低了產品成本

  有些物品在裝運前常常被壓縮,如氣態燃料和化學品用高壓氣瓶裝運,油漆用濃縮的形式裝運,這些都是編小體積節約包裝材料和節省運輸費用的方法。這些都是縮小體積節約包裝材料和節省運輸費用的方法。   

二、改進產品零件、部件結構

  零件、部件是組成產品的重要單元。零件、部件設計的如何直接關係到整個產品的性能,經濟指標和技術指標。為了提高產品性能,簡化裝配工作,在保證機械性能和某些特殊功能的情況下,儘可能地簡化結構,節約材料。

  (一)積木化,整體化

  如果某一部件可廣泛應用於不同的產品,則做成標準部件就比較經濟,如收音機中的調諧器,放大器和喇叭都是一個個[[標準部零件、部件]。計算器的鍵板等也是標準部件,同樣的鍵板可使用於各種不同的計算器。又如真空設備上的各種閥,水冷擋板,管路零部件,控制機櫃等,均可分離成獨立的標準或專用零件、部件。在新產品設計中除少部分具有特殊要求為專用零件、部件外,大部分可選用已經標準化通用化的零件、部件,就可大大縮短設計周期試製周期,保證產品質量,便於裝配,維修,又可組織專業化大批量生產,提高生產效率,節約材料,降低產品成本。

  整體化設計,可減少零件數量及各零件間的交界面,減少逐個零件裝配,減少了零件、部件的重量和複雜性;整體化構建由於連接件少,應力集中點也較少,既簡化了裝配又提高了證件的力學性能。由於結果連續強度高,可達到雖小體積,節約材料的木筆,有些整體化設計還可達到集中和程式控制的目的。例如真空機組上的真空組合閥,如下圖所示。

  image:产品结构设计图1.jpg

  圖示位置(手柄在第I位置上)為全關閉,機械汞停止工作。當手柄轉至第II位置時,全打開接通容器抽預真空。當手柄轉至第III位置上時,接通擴散汞前級,關閉預真空,抽低真空。該閥可代替預真空閥和低真空閥工作,一閥兩用。節省了一個部件,節約了材料和加工工時。

  (二)以焊接件代鍛件

  例1,φ50超高真空閥其漏率不大於5\times 10^{-11}托*升/秒,該閥的閥體是φ50超高真空閥的逐漸,原設計體位整體,材料1Cr13,如下圖所示

  image:产品结构设计图2.jpg

  改進前的閥體為整體鍛件,加工掏成空腔,浪費材料,大量的不鏽鋼變成切屑,加工工作量大而且較難加工,零件體厚笨重,同時需三方接真空管道,90度蜜蜂止口部便裝配,沒拆裝一次需要更換一次密封墊,也浪費密封墊材料紫銅。

  改進後的閥體,材料Cr18Ni9Ti,如下圖所示,將原來的整體分解成若幹個小零件,基本上時不鏽鋼管和法蘭組合焊接而成,採用焊接結構後,大大減輕了重量,節約材料達60%-70%。

  image:产品结构设计图3.jpg

  (三)簡化裝配工作的按扣配合件

  按扣配合是一種節省勞動力的裝配方法,它安裝快,省力,結構較為簡單且無零散小件,公差要求也不太嚴格,價廉,廣泛用於可拆和不可拆的裝配,如下圖所示。

  image:产品结构设计图4.jpg

  過盈量i(i=D-d),必須小於槽寬S。

  1.按扣配合的條件

  i/S<l

  2.按扣配合的特點

  (1)按扣配合零件較少,結構較簡單,節約材料和加工工時,裝配比其它所有連接方式(壓配合,螺紋連接,焊接等)都簡便得多。

  (2)按扣配合比壓配合更牢固可靠,壓入配合的抗撥出力是由摩擦而來的,且與壓入力大小差不多。按扣配合的配合力是由機械鎖紫及摩擦兩者產生的,其抗撥出力可比壓入力大幾百倍b在裝配過程中按扣配合伴隨“卡搭”聲是經歷一次能量轉換,一早裝配完成,部件就不再有載荷了。而壓入配合的部件,長期承受裝配過程中產生的應力,經過長時間後應力鬆弛和蠕變可能使壓入配合失效。按扣配合的強度卻不會隨時間而減弱。

  (3)用於可拆卸裝配時,按扣配合能與螺紋連接競爭,在振動情況下摩擦力降低,螺釘和螺母會鬆動。按扣配合的零件處於低勢能狀態,因此這種配合是防震的。用於刁;可拆卸裝配時,按扣配合可與壓入配合,焊接媲美。焊接要求兩種材料問要能匹配,最好是同樣的材料,而按扣配合可用於不同材料間的連接(如玻璃和金屬等)。

  (4)按扣配合的過盈量就是裝配過程中兩個配件變形量的總和。過盈量太大會造成裝配困難,而過盈量太小則使抗拔出力過低。

  (5)按扣配合也有失敗的可能,因彈性件的永久變形或斷裂。磨損或嚴重油污無摩

  (四)節約材料保證機械設能的結構設計

  既要節約材料,又要保證構件的機械性能(強度,剛度等),作到兩全其美。這樣首先要考慮的問題就是結構屈曲變形的問題,“屈曲”是由於剛度不足而產生的破壞,則度又叫剛性或回彈率c屈曲是薄殼,是常見的破壞方式,局部屈曲分:受壓屈曲,受彎屈曲和扭轉屈曲三種。如何強化薄殼,梁和柱是解決屈曲問題的主要方案。預防屈曲的措施如下:

  (1)採用加強方法,加筋,壓瓦楞,錶面網紋結構,均可提高構件的強度和剛度,以防止局部屈曲。

  (2)選用具有較高彈性模量B和較高剪切模量G的硬質材料。

  (3)梁和拄的設計,用管子代替實心棒承受的轉載荷大,因空心管其重量x、y、z:軸三座標的慣性矩較大,故在抗彎曲和抗扭轉方面比實心棒效果更好。

  (4)增加壁厚,選用令直徑厚壁管,承受彎曲時不致於屈曲。

  (5)薄壁管彎形時,可裝入填充物如砂子、蠟或樹脂等,彎形時這些填充鉤可加強管壁並產生流體靜壓力,彎形後將填充物熔化,回收以備再用。

  (五)節約樹料助產品(零件、部件)結構設計

  電子元器件中,有許多產品結構不單是為了確保其機械強度,而更多地考慮其電性能。如變壓器的功能,導磁率是它的主要質量指標和設計的主導思想,如何在保證質量的條件下縮小體積,減少材料消耗,就是改進產品結構設計的方向。

  例如變壓器阻流圈鐵;路的設計,有CD型和ED型兩種,其鐵芯均需用冷軋硅鋼帶(D310)製造。ED型採用衝壓片重疊裝配而成,CD型採用卷繞工藝製成。但CD型鐵芯比ED型鐵芯有顯著的優點;它質量穩定,損耗小,導磁串高,相同橫截面積的c型鐵芯導磁率B位為15000-17000高斯,而E型結構的鐵芯B值一般在9000—12000高斯;相同容量的C型鐵芯比E型欽芯重員可減輕三分之一左右,節約了鋼材。生產一臺250瓦的同功率的變壓器.按採用C型鐵芯耗用繼鋼片1.88公斤,而採用E型鐵芯需耗用硅鋼片3.04公斤;同時C型銀芯外形美觀,裝越簡便。因此,在各種變壓器和阻流圈的設計中均應儘量採用C型鐵芯結構,既提高了產品質量,每台又減少消耗硅鋼片1.16公斤(約38%)。

三、產品標準化

  產品標準化就是通過對產品發展規律的分析研究,和對國內、國外產品發展趨勢的預測,結合本單位的生產技術條件,經過全面地技術、經濟論證,將產品的結構、型式、主要參數、尺寸、技術要求、試驗方法和包裝運輸等作出統一規範,以減少產品與零、部件的品種,達到節約材料的目的。

  在產品設計中實行零、部件的標準化和通用化,為實行集中專業化生產創造了條件,從而有效地提高勞動生產率材料利用率,節約材料並降低產品的製造成本。零件以及部件實行標準化、通用化的範圍是極其廣泛的。那些用途相同.結構相似,參數和尺寸變化有規律的零、部件,可制定統一標準。有些零件不具備制訂標準的條件,但能夠在同類產品或不同類產品之間通用。例如,減速器,聯軸節,傳動零件、潤滑件,操作件,管道零件和閥門等,都是標準化,通用化的對象。

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參考文獻

  1. 《物資節約技術》編寫組,《物資節約技術》,1987.
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評論(共4條)

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117.41.160.* 在 2011年10月23日 22:51 發表

很給力

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219.139.151.* 在 2013年9月29日 11:13 發表

產品結構設計是一項複雜工程,材料、結構、安規、模具等等。設計札記網上面都有詳細的解釋。

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219.137.66.* 在 2016年10月10日 11:36 發表

錯別字連篇

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刘维燎 (討論 | 貢獻) 在 2016年10月10日 14:03 發表

219.137.66.* 在 2016年10月10日 11:36 發表

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