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2014.05.25—2014.06.5
健身器械的创新设计
摘要：
本文对设计学的发展状况进行了介绍，并对德国VDI2222新产品设计模式、三段式设计法、美国R.C.Johnson教授提出的设计模式的介绍，分析、比较几种产品
开发设计模式的优缺点。
重点介绍了几种创造技法，如功能分析法、反求工程、智力激励法、形态分析法、模块化设计等设计方法，并举了一些实例，阐述如何应用。
分析了几种设计类型，结合几种设计方法，提出了产品的合理开发模式，即运用形态分析法和模块化设计方法相结合的开发模式，并以运用设计方法学开发新型健身器为例进行说明。
关键词：
开发模式，设计方法学，创新方法，形态分析法，模块化设计
Theinnovativedesignoffitnessequipment
Abstract：
Basedonthedevelopmentofdesignareintroduced,andthedesignmethod,theGermanVDI2222tastingnewproductdesignpatterns,AmericanprofessorR.C.Johnsonmodeofdesign,analysisandcomparisonofseveralproductdevelopmentdesignpattern.Thepaperintroducessomecreatetechniques,suchasintelligenceexcitationmethod,functionalanalysismethod,form,reverseengineering,modulardesignmethod,andthedesignofsomeexamples,expoundshowtoapply.Severaltypesofdesign,combinedwithseveraldesignmethods,theauthorputsforwardthereasonabledevelopmentpattern,theproductthatusingmodularizationdesignmethod,themethodandcombiningwiththedevelopmentmode,andthedevelopmentofnewmachinesusingdesignmethodologyforexample.
Keywords:
Developmentmode,Thedesignmethodology,Innovativemethodsandform,Modulardesignmethod
目 录
1前言 1
2开发模式的发展状况 2
2.1发展历程 2
2.2各国设计学发展概况 2
2.3开发模式的比较 3
3设计方法 5
3.1智力激励法 5
3.2形态分析法 6
3.3功能分析法 9
3.3.1功能分类 10
3.3.2功能分解 11
3.3.3功能元求解 13
3.3.4系统原理解 13
3.4反求工程 15
3.4.1反求工程的时代背景 15
3.4.2反求工程的含义 15
3.4.3反求设计的过程 17
3.5模块化设计 19
3.5.1国外模块化发展与研究状况 20
3.5.2模块化的概念及特点 21
3.5.3模块化过程特点 21
4产品的开发设计合理模式构思 23
4.1各种设计类型的概述 23
4.2产品系列设计特点 23
4.3对产品的系列开发设计模式的要求 24
4.4产品合理模式构思 24
4.4.1合理模式的几个阶段说明 26
4.4.2合理模式的特点 26
4.5实例分析 26
5常见健身器材及其作用 36
5.1扭腰按摩器 36
5.1.1草图说明 36
5.1.2扭腰器 37
5.2踏步器 38
5.3臂力锻炼器 39
5.3.1弹簧拉力器 39
5.3.2双向推胸训练器 40
5.3.3弹簧推力器 42
5.3.4圆柱螺旋弹簧 42
5.3.5拉伸弹簧弹性线图 43
5.3.6弹簧强度计算 44
5.3.7弹簧刚度计算 44
5.3.8弹簧的选择 45
5.3.9选择结果 46
6扭转盘力的校核 48
7健身器表面涂料的选择 50
7.1健身器表面涂料的作用 50
7.2表面喷漆的选择 50
8多功能健身器 52
结论 54
参考文献 55
致谢 56
太原工业学院毕业设计
1前言
近几年，随着国家对全民健身的大力推动，以及广大群众健身意识的普遍提高，健身已经成为了普通民众一种新的生活方式。
为纪念北京奥运会成功举办，国务院批准从2009年起，将每年8月8日设置为“全民健身日”。
由此可见，全民健身已经被提升到了国家战略的层面，健身能使全体人民增强力量，柔韧性，增加耐力，提高协调，控制身体各部分的能力，旨在全面提高国民体质和健康水平。
产品开发模式的研究，从60年代开始至今，研究理论已进入应用阶段。
国标工程设计界对美国、瑞士及和德国的研究结果给予了承认，尤其以德国VDI2222（VereinDeutscherIngenieure德国工程师协会）新产品设计模式最为典型，主张创造性设计的英美学派对此也作了充分肯定。
我国工程设计界长期沿用的是
“三段式”设计方法，改革开放后获取了国外关于“设计模式”的研究信息。
机械工业部在机械工业新产品研制管理办法中提取了新产品研究与发展的模式，力图改进我国长期沿用的“三段式”设计法。
为了更好的研究产品开发的模式，本人查找了一些文献资料、学术论文等，如学术期刊有太原重型机械学院学报、机械设计等,著作有机械创新设计、机械设计方法学等，在学术论文网站查阅有关资料。
重点在于收集有关产品开发模式的新思路、新观点，为提出自己的观点开拓思路。
查阅资料的同时，对一些产品的设计方法进行了学习，同时理清了自己的设计思路。
本次设计的创新点是在以往设计的基础上对常见的健身器如：
扭腰器，上肢牵引器，举推器等进行某些部位的优化及改进，使其更加接近锻炼者的身体特点，并能对锻炼中可能出现的某些事故进行有效的避免。
2开发模式的发展状况
设计方法学是研究产品设计的过程、规律及设计思维和工作方法的一门综合性学科。
1962年9月在英国伦敦召开的国际设计方法会议被认为是设计方法学作为一个研究领域的开始。
若以这个时间点为界，可将设计方法划分为传统设计方法和现代设计方法。
传统设计方法是一种经历了直觉设计、经验设计、半理论半经验设计3个发展阶段，并于20世纪50年代后期形成的至今仍被广泛采用的设计方法。
而现代设计方法是具有程式性、创造性、系统性、优化性、综合性以及能与CAD结合等特点的科学方法。
2.1发展历程
传统设计阶段：
设计方法学的发展应从古代人类发明工具开始算起，早在中国的先秦时期就有记录机械设计方法与思想的著作。
在工业化时代之前，设计依靠的是直觉和经验。
如早期的制陶者根据经验与构思直接操作黏土，做出所需要形状的陶器，并没有事先绘制陶器的形状，经验来自师傅对徒弟的培训及徒弟自身实践的积累。
在工业化开始后，设计方法学进入了半理论半经验设计阶段。
这一时期的代表有：
F.Redtenbacher提出的机械设计基本原则,可认为是最早的机械设计理论基础；
A．Erkens提出了今天意义上的方法学观点；
H．WSgerbauer的贡献被认为是方法学设计的起点;
以及C.Bach、A．Riedler、F．RStscher、K．Laudien和R．Franke等。
现代设计阶段：
20世纪60年代初，国际市场竞争日趋激化，为了在市场中占有一席之地，一些工业发达国家大力开展设计理论与方法学研究 。
1962年9月，在英国伦敦召开的国际设计方法会议（TheConferenceonDesignMethods）被认为是设计方法学作为一个研究领域的开始。
经过德国、英国、美国、日本、苏联等国学者的探索、研究和实践，已形成具有程式性、创造性、系统性、优化性、综合性以及能与
CAD结合等特点的科学方法。
它与传统设计存在着继承—共存—突破的关系。
2.2各国设计学发展概况
（1）德国概况
德国学者F.Kesselring、G.Niemann和JA.Leyer等，是现代设计方法的先行者。
之后德国工科大学的教授
F.Hansen、J．Muller、W．G．Rodenacker、K．Roth、K．Koller、R．W~chtler、
55
G.Pahl、W．Beitz、K．Ehrlenspiel等人开始了一场全力以赴的方法开发。
其中，
Rodenacker是世界上第一个被任命为从事设计方法学研究的正教授。
Pahl和Beitz的系统化设计方法和Grabowski的泛设计理论（UniversalDesignTheory，UDT），是德国设计方法学的代表。
（2）英国概况
英国成立了多个机构组织来促进设计方法学的发展，如组建于1944年的“工业设计委员会”（1972年，更名为“设计委员会”一Design Council），1966年成立了
“设计研究学会”（DesignResearchSociety），1994年组建了“工程与物理科学研究委员会”（EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil）等。
英国设计方法发展的转折点是1963年Fialden的报告，而J．C.Jones于1970年出版的《设计方法（Design
Methods）》被认为是英国“设计方法运动”的代表作。
（3）美国概况
美国在创造性开发和计算机技术应用方面的工作特别突出⋯：
1952年，美国麻省理工学院提供了第一台数控铣床；
1963年，I．Sutherland研制了第一个计算机辅助设计（CAD）系统——Sketchpad；
20世纪7O年代，H．A．Simon的研究[作产生了一个全新的领域——人工智能（ArtificialIntel1igence）。
这一时期美国的几个组织机构，美国国家科学基金委员会（NSF）、美国国家研究委员会（NRC）和美国机械工程师协会（ASME），指导推动了美国设计方法领域的发展。
美国80年代后期提出的“并行工程”和N．P．Suh提出的“公理设计”如今以得到广泛应用。
（4）日本概况
日本研究设计方法学具有标志性意义的起点也是1963年，这一时期许多外国文献介绍到了日本，其中对日本冲击最大的是美国的自动化设计和CAD技术“。
重要成果有：
东京大学K．Hongo编辑出版了设计理论丛
；
N．Okino、Y．Kakazu、H．Kubo等人开发的TIPS—I和II系统；
T．Mifune开发的订货自动整台电动机设计的系统——OrderEntrySystem。
日本也在这一时期产生了几个重要的设计理论：
ShigeruMizuno和YojiAkao提出的“质量功能配置”（QualityFunctionDeployment，QFD）；
Yoshikawa提出的“通用设计理论”（GeneralDesignTheory，GDT）；
GenichiTaguchi提出的口田方法（TaguchiMethods）。
2.3开发模式的比较
下面将“三段式”设计方法，我国“机械产品设计进程模式”（1980年），美国
R.C.Johnson教授提出的设计模式，德国VDI2222新产品设计模式比较分析中表2.1
所示。
表2.1
名称
三段式设技法
我国机械产品设计进程模式
模式优点
1步骤简单，易理解掌握
2设计周期短
3对有设计经验者，可少走弯路，易获成功
1考虑不同类型设计
2把设计过程看成设计—制造—销售的整个过程利用市场信息反馈不断完善设计
模式不足
1创造性体现较差
2设计过程缺乏科学性、系统性，客观依据少，主观意识多
3对现代科技方法应用、体现
不够
1创造性不多
2反映现在设计、理论、方法较少
3设计阶段笼统、步骤繁琐，较难适用推广
德国VDI2222新产品设计模
式
美国R.C.Johnson教授提出的设计模式
1把设计过程看作一个系统，从功能出发，寻求技术物理效应，从简单到复杂，符合思维规律
2运用了优化，价值分析，技
术经济评价等现代设计理论
1运用了现代设计理论、方法，体现了创造性设计
2把设计看成一个循环的过程，考
虑了生产、分配、销售，回收循环以及再利用
1步骤繁琐，灵活性差
2创造激发体现缺欠
3没有考虑不同的设计类型
1太笼统、难理解、难掌握
2没有考虑不同设计类型
从表1中可以看出：
现有的典型设计模式都有其自身的优点和不足，作者在吸取了以往学者的研究成果及这些典型模式优点的基础上，结合国情，结合产品的细类开发设计的特点，提出科学、实用、合理的系列开发设计模式，以填补国内研究空白，加速设计速度，提高设计质量，推动产品系列开发创新，使产品有更强的市场
竞争力
。
3设计方法
下面主要针对在设计过程中运用到的设计方法进行探讨与研究
任何创新都是在传统知识和成果基础上产生的，没有坚实的知识基础，就不可能在已有的技术水平上发展、创新。
人类创造出来的每一件“新作品”，在当时的环境中看来是最好的，但随着时间的推移核技术的进步，人们就会发现他的不足，发现他需改进、需要完善，甚至需要用其他东西来取代。
从这个意义上看：
创新只有起点而永无终点。
传统的学习与研究是一种尊重已有知识、遵循已有方法、高度浓缩的思维活动。
然而学习与研究的目的不仅仅是对已有知识的准确把握，学习的真正目的在于创新。
学习与研究只有牢牢的扎根于传统科学之中，才有可能打破旧的传统而获得创新。
科学家必须依附于一种传统，但突破性的成功又在于与之决裂。
在一个根深蒂固的传统领域中进行深入的研究，比那些没有收敛标准的研究更能打破传统，因为任何泛泛的研究绝对没有比长期集中而更容易发现传统中的疑点和深度。
因此，一切创新活动都应当从学习大量的传统知识开始。
3.1智力激励法
智力激励法又称智暴法。
它的英文原文是Brain Storming，故又称为头脑风暴法或BS法，是创造学的奠基人—美国学者奥斯本于1939年创立的。
智爆法是运用群体创造原理，充分发挥集体创造力来解决问题的一种创新设计方法。
这种方法的操作过程是：
针对一个设计问题，八五六个人召集到一起进行讨论，与会者可以敞开思想，畅所欲言，充分表明自己对解决该问题的意见，供设计者参考研究。
智暴法的中心思想是：
激发每个人的直觉、灵感和想象力，让大家在和睦、融洽的气氛中自由思考。
不论什么想法，都可以原原本本的讲出来，不必考虑这个想法是否“荒唐可笑”。
为此，组织者对与会者提出四条原则规定：
1）不许对他人意见进行反驳，不做批评，不下结论，力求避免在会上使用“这根本行不通”、“这种思想体荒唐”和“棒杀”他人意见的话。
2）欢迎自由奔放的思考、鼓励海阔天空的议论，努力营造一种相互激励的气氛，借与会者之间的知识互补、信息交流、情绪鼓励，提出大量有价值的设想。
3）提出的设想越多越好。
4）允许综合的改进他人的设想。
例如，美国北部冬季气候严寒，大跨度的输电线常被线上的积雪压断造成事故。
如何避免这类事故，过去一直未能找到好的解决方案。
后来，电力公司决定采用智爆法来解决这问题。
会上有人提出设计一种专用电线扫雪机；
有人提出用电热来化雪；
也有人提出用振荡技术来清除积雪。
其中有人提出一个几乎十分滑稽可笑的方案：
乘坐直升飞机去扫除电线上的积雪。
一位工程师在听到这个想法后，思维受到激励，马上提出利用直升飞机螺旋桨产生的高速下降气流扇扫积雪的方案。
方案提出后，顿时又引起其他与会者的联想，进一步提出制造专用的“除雪飞机”和“特殊扇雪螺旋桨”等创意。
会后，公司组织专家对各种设想进行论证，最终选择了用改进直升飞机扇雪的方案。
于是一种专门用于清除电线上积雪的小型直升飞机就这样诞生了。
3.2形态分析法
形态分析法又称形态方格法、棋盘格法或形态综合法。
其出发点是：
创新并不一定要创造一种完全新的东西，也可能是陈旧东西的重新组合（组合创造原理）。
这种方法以建立形态学矩阵为基础，通过对创造对象进行因素分解，找出因素可能的全部形态（技术手段），再通过形态学矩阵进行方案综合得到方案的多种可行解，从中筛选出最佳方案。
所谓因素，指构成事物的特性，如产品的用途，产品的功能等。
形态指实现相应功能或用途的技术手段，如“时间控制”功能作为产品的一个因子，那么“手动控制”“机械定时器控制”“电脑控制”则为相应因子的表现形态。
形态分析法的具体过程如下：
（1）因素分析因素分析就是确定创造对象的构成因素。
在确定因素时应确保个因素在逻辑上彼此独立，本质上十分重要，属灵上充分全面。
这就要求设计者必须预先感觉到经过组合形式的各种方案的粗略结构，从而才有可能认识到哪些因素是重要的和对立的，也才有可能寻求到更多的相关因素。
这是整个方案创新的关键，他需要设计者具有丰富的经验和创造新产品的极大欲望。
（2）形态分析形态分析即按照因素的功能属性尽可能多的列出满足功能要求
的各种技术手段（即形态）。
显然，要尽可能多的列出实现某种功能的个专业领域的各种技术手段，收集情报和查阅资料十分重要的。
（3）方案综合方案综合包括方案形成与方案优选。
假如创新对象由n个因素构成，而每个因素又有m种形态，从每种因素中取出任意一种形态进行组合就可以
K ù
构成一个方案。
设tij表示第i个因素的第j种形态，将所有因素的全部形态构成形
ê
态矩阵表可表示为：
é
t11
t12
t1mú
t
ê
21
K ú
t22
t2nú
ú
L tijLú
ú
ë
û
每一行的一种形态于其它行的任ê
t意n1一tn2种K形t态nmú
组合就组成一个方案，因此，可组
成供选择的方案数N为
m
N=n
当然，这N个方案中并不是每一种方案都成立，有些可能是重复的，有些可能是无效的，但无论如何，他为设计者提供了一个能系统而全面的搜索形成创造性方案的程式化方法，为用计算机自动生成方案提供了可能性，也为设计者提供了一个能系统而全面地搜索形成创造性方案的程序化方法，为计算机自动生成设计方案提供了可能性，也为设计者优选方案提供了评选的基础。
例如，在研究挖掘机的设计方案是可以做如下的分析：
挖掘机必须具备五个独立的功能因素，即动力、移动、挖掘和分别给移动、挖掘传递动力共五个功能因素。
列出能满足上述五个功能因素采用的技术措施（形态），组成挖掘机设计方案的形态学矩阵见表3.1.
表3.1挖掘机设计方案形态学矩阵
功能因素
技术措施（形态）
6
A
动力
电动机
汽油机
柴油机
蒸汽透平
液压机
马达
B
移动动力传动
齿轮传动
涡轮传动
带传动
链传动
液力耦合器
—
C
移动
轨道及车轮
轮胎
履带
气垫
D
挖掘动力传动
拉杆
绳传动
汽缸传动
液压缸传动
E
挖掘
挖斗
抓斗
钳式斗
根据上表进行组合可得6×
5×
4×
3=1440种设计方案。
其中，根据选优比较采用A1+B5+C2+D4+E2组合得到履带式挖掘机；
采用A5+C2+D4+E2组合得到履带式挖掘机。
由于上述两种挖掘方案具有合理的结构形式和对特殊工况的适应能力，已在挖掘机的生产制造中被广泛的采用。
又如，在研究新型单缸洗衣机的设计方案是可以做出如下分析：
洗衣机必须盛装衣物、污分离物、控制洗涤三个功能因素。
三个功能因素中“分离污物”是最关键的功能因素，在考虑如何将污物从衣物上“分离”时，应从各个技术领域去深入思考，采用可能应用的一切技术措施，包括现有的和先进的，甚至暂时没有但有可能通过努力而实现的。
根据上述分析可得表3.2所示洗衣机方案设计形态学矩阵。
表3.2洗衣机方案设计的形态学矩阵
功能解（形态）
盛装衣物
铝桶
塑料桶
玻璃桶
陶瓷桶
污分离物
机械摩擦
电磁振荡
热胀
超声波
控制洗涤
人工控制
机械定时
电脑控制
根据上表进行组合，可得4´
4´
3=48中方案，其中：
A1+B1+C1是最原始的洗衣机；
A1+B1+C2是目前市场销售的普通型单缸洗衣机；
A2+B3+C1是一种简单的热张增压式洗衣机，其工作原理是用热水加洗涤剂，用手摇的方式使洗涤桶旋
转加压，达到分离衣物上污物的目的；
A1+B2+C2是一种新型的，用电磁震荡除去衣物上污物的的洗衣机；
A1+B4+C2是一种应用超声波
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