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1第三章机械产品的造型设计本章讨论机械产品的造型设计，包括产品造型设计和零件构形设计，其主要任务是按照总体设计的要求进行产品造型和零件构形及结构设计，使其满足功能、性能、工艺性和人机工程要求。对机械产品的系统设计和结构设计需要涉及到机构的运动学、动力学和机械的结构强度、刚度，这些内容将在后续的机械原理和机械设计课程中详细讨论。§3-1产品造型设计一．产品造型设计要求设计是一种艺术的造物活动,其本质是“按照美的规律为人造物”,这就决定了对设计的研究不能脱离审美和人机工程的范畴。虽然“美”不是设计的惟一属性和最终目的,但就设计成果而言,美的因素却成为考虑其优劣程度的标准之一。机械产品造型设计是应用工程技术和艺术手段确定产品的形态、色彩、尺度关系以及材质，以塑造产品的形象，并将产品的功能、结构、工艺、宜人性、视觉传达、市场关系与其统一在一起，以取得人——机——环境和谐的一项创造性设计。现代机械产品造型设计的主要依据和出发点是满足人和社会的需要，为人们生活生产活动提供美观大方、精巧宜人的产品，提高整个社会物质文明和精神文明水平。对于机械产品造型设计,最早可以追溯到19世纪。英国著名的建筑师、工艺美术家威廉·莫里斯要求艺术能为大多数人服务,为整个社会服务。1907年,在莫里斯等人的影响下,德国一些工程师和工业设计师创办了“德意志艺术工业联盟”。这个组织在大工业机器生产的基础上将艺术和劳动结合在一起,在提高机械产品的质量,特别是在改进产品外观造型上作出显著成效。因此,德国的工业机械产品立即在国际市场上畅销,从而促进了世界各国对机械产品造型的重视。图3-1为意大利“米瑞拉”缝纫机的造型设计，对所有的细节都给以了关注，其中包括操纵装置的精确布置及表面元件的位置。这种光滑的外壳是用压铸技术制造的，压踌技术在当时意大利机械制造中已得到应用。图3-1“米瑞拉”缝纫机的造型设计机械产品造型设计具有时代性，人们处在不同的时代，有着不同的精神向往，并具体反2映在产品的“形”、“色”、“质”上，当机械产品造型的形象具有时代精神意义，就会体现产品的时代科学水平与当代审美观念的时代特征，这就是产品的时代性。40年代，二战结束前后，由于战争带来的动荡和苦难，人们的心情沉重，希望有一个和平、安全的环境，所以，当时的机械产品，多采用具有柔和感的弧线形，出现了对“流线型”产品为时尚，喜欢较为深暗、沉静的蓝、绿色冷色调作为工业产品造型的色彩。并由此而形成该时代工业造型的特点。50年代，工业产品造型顺应大多数人在视觉心理上渴望得到一些平复和舒展的理念，而逐渐地将曲线拉直，于是出现了一种具有直线和加大曲率特点的时代造型。60年代～70年代，由于科技的进一步发展，特别是大批新材料、新工艺的出现，使得产品造型在制作工艺上又具有了精炼，简洁、肯定和变化方直的可能。于是出现了方直的矩形及其后以斜破直、以动破静，打破方直一统的梯形造型，活跃了视觉艺术的气氛。色调也逐渐由暗而明、由冷而暖，变单调为多彩。80年代后，由于大规模集成电路、数控、微机、机电一体化等技术形式日新月异，塑料电镀、工程注塑等新材料、新工艺层出不穷，产品造型的布局和构成更加简洁明快、理智抽象、充满几何美和数理美意味的多样化表现，喜欢含有金属光泽意味的铁灰、银灰、银黑等“宇宙色”，而且自然而然地成为了现代产品造型的时尚。今后相当长的一段时间里，更单纯化、更简洁、更明快、结构更严谨，工艺更精巧，追求理性美是机械产品造型的主要标志。在线型上将更多地使用直线或大曲率圆弧面加小圆转角的造型。在色彩上将以浅淡、明快的高明低彩冷、暖色调为主。就一台机器来说，其主调色将以“二套色”或“三套色”为主，一破过去一片灰暗或“万花筒”式的色彩风格。二．产品造型设计方法1．形态设计“形态”包含了两个内容，所谓“形”通常是指一个物体的外形或形状。如我们常把一个物体称作为圆形、方形或三角形。而“态”则是指蕴涵在物体内的“神态”或“精神势态”。形态就是指物体的“外形”与“神态”的结合。从设计的角度看，形态离不开一定物质形式的体现。以一辆自行车为例，当我们看到两个车轮时，就能感受到它是一种能运动的产品，脚蹬和链条揭示了产品的基本传动方式利功能内涵，而车架的材料、连接形式等不仅反映出了产品的基本构造，同时也强调了产品的外形势态。因此，在设计领域中产品的形态总是与它的功能、材料、机构、构造等要素分不开的。人们在评判产品形态时，也总是与这些基本要素联系起来。因而可以说，产品形态是功能、材料、机构、构造等要素所构成的“特有势态”给人的一种整体视觉形式。1）形态与功能产品形态不同于一般物体的形态，产品存在的目的是供人们使用的。为了达到满足人们使用的要求，产品的形态设计必定要依附于对某种功能的发挥和符合人们实际操作等要求。形态反映功能，功能决定形态，机械产品造型设计要严格控制“附加装饰”。工业化生产中过度装饰会增加工艺制作难度和复杂程度，导致成本的提高。好形态的产品能提升功能，提升产品的使用价值。如图3-2所示是一个修剪树枝的钳子，把柄的设计要使手握起来既能最大限度用力，又很舒适，故其产品形态与使用功能和人的操作有着密切关系。3图3-2修剪钳形态与功能和操作的关系2）形态与材料新的不断出现，促使了传统产品形态的根本性变革。如塑料的出现，使传统的木结构椅子变成一次成型的塑料椅，不仅减少了加工工序、降低了成本，同时也开创了家具革命的新世纪。在家用电器的形态设计上，运用塑料可谓是“如鱼得水”。设计使一些原来机械、呆板、冷漠的产品变得轻巧活泼、富有生气而带有人情味。如图3-3所示为1992年英国自行车赛车运动员克莱斯在巴塞罗那奥运会夺得金牌的LotusSport赛车。该车的车架设计采用玻璃钢加碳纤维的复合材料，具有质轻、强度高、成型方便的特点，创造了一种整体车架的全新结构。整车外观简洁、车轮薄、重量轻、空气阻力小，赛车技术性能得到最大发挥。图3-3夺得巴塞罗那奥运会金牌的LotusSport赛车形态与材料的关系3）形态与结构结构是构成产品形态的一个重要要素。即使是最简的产品，也有它一定的结构形式。例如—个台灯，就包含了一个非常复杂的构造内容。如台灯如何平稳地放在桌上?灯座与灯架如何进行连接?灯罩怎样固定?如何更换灯泡？如何连接电源、开关?等等。人们通过对于这些灯的部件之间的连接、组合，就构成了一个产品员基本的结构形式。产品功能必定要借助某种结构形式才能得到实现，而结构形式又取决于材料选择、所承受载荷和强度、刚度的要求。因此，不同的产品功能或产品功能的延伸与发展必然导致不同结构形式的产生。形态设计中的材料要求，历来和结构紧密相连。不同的材料特性，使人们在长期的社会实践中学会了用不同的方法去加工、去连接和组合材料。因此，不少新的结构正是在伴随着人们对材料特性逐步认识和不断加以应用的基础上发展起来的。形态和结构还必须考虑受力状态下的强度和稳定性，例如四边形结构稳定性差，而三角形结构是一种最稳定的结构形式。在机械产品造型设计中，我们可以发现很多产品都采用了这一结构原理，如图3-4中摩托车车架和汽车车身骨架都采用了这一结构。4图3-4三角形结构及在产品形态设计中的应用4）形态与机构机构是实现某种产品功能的重要条件。通过一定的机构作用，某些产品的功能效用才能获得充分的发挥和利用。无论是一辆汽车还是一辆自行车，离开厂它们的传动机构也就失去了作为“交通工具”这一主要的功能目的。科学技术的迅猛发展极大地推动了机构的新发展。从一块机械手表到一块石英电子手表；从老式的机械缝纫机到现代的电动电子缝纫机，产品的机构都发生了重大的变革，从而也影响和促使了整个产品形态的发展与变化。当今，随着人们对认识自然的不断深化，加强了人们对保护自然环境，节约能源、资源等方面的意识。因此，如何设计出更加科学合理的产品结构，井使产品的机构与产品的形态更趋贴切，是摆在当今设计师面前的一个重要课题。图3-5所示为“太空”扶手椅，弹性网用在了椅座和靠背上，可以根据乘坐者所造成的各部位压力不均而改变自身形状，而椅子一空，它又会复原。椅座下面看起来很奇异的悬吊系统是由杆机构组成，可根据工作条件的不同而调整椅子的高度、扶手及椅背的倾斜角度。不仅限于坐在桌子或电脑前，几乎可以满足所有体型及各种尺码的人。与一辆赛车一样，“太空”是一件高性能的机械。图3-5“太空”扶手椅造型设计55）产品造型设计中形态创造的方法在机械产品造型设计中，产品立体形态的创造是有一定的规律可循的，这一创造规律和自然界中的形态构成规律有着相似之处。总的来说，无论何种形态，它们的构成基本上按照“分割”和“积聚”这两个基本规律进行的。它与我们在工程图学基础中讨论的组合体的形体分析方法的“叠加”和“切割”极为相似，“分割”在形态表现上可以认为是“失去”或“分离”，在体量上表现为“减少”。“积聚”在形态表现上可以认为是“组合”或“合成”，在体量上则表现为“增加”。如图3-6所示是通过对同一立方体的不同积聚方式产生出不同的立体形态。图3-6同一立方体不同积聚方式产生出不同的立体形态图3-7是通过对四棱柱和圆柱体用不同的切割方式而获得新的形态。图3-7通过对四棱柱和圆柱体不同的切割方式而获得新的形态对机械产品形态的创造，同样符合形态的“分割”和“积聚”这两个基本规律。如我们机床、汽车、摩托车等交通工具、各种仪器设备等，在这些干变万化的形态形成过程中，—些形态的形成以分割为主；而另一些形态的形成可能以极聚为主；还有些较为复杂的形态，其构成规律可能是这两种形式的结合应用。几何形态是各种形态中最基本、最单纯的形态。通过对一些形态的分割或积聚等手段更容易创造新的立体形态。因而，掌握立体几何形态的创造规律．对开拓立体形态的思维能力有着十分重要的作用。2.比例尺度设计正确的比例和尺度是完美造型的基础和框架。通常情况下，只要不违背产品功能和物质技术条件，比例就可呈多种变化组合形式，展现整机造型与其局部，或局部与局部之间，诸6如大小粗细长短的量变关系。尺度则比较固定，它是专指整机尺寸与人体尺寸或是某种标准之间适应的程度和范围。整机造型若只有良好的比例而无正确的固定的尺度去约束，则该设计肯定会归于失败。所以，正确造型设计的次序应该首先确定尺度，然后根据尺度确定和调整整机及其零部件的比例。比如：桥的护拦、机床的护罩、汽车的车箱、自行车的车座、自来水笔的笔杆，都是首先要考虑到该零部件的尺度，即人体尺寸适应的长、宽、高、直径等，然后才是它们的比例和细部调整。整机的比例尺度应根据影响组合的各方面因素，作出合理的安排与协调。这些因素基本包括功能、物质技术条件、审美时尚等三个方面的因素。比例协调的整机及零部件造型不仅美观，而且使用合理，能给人们以舒适、亲切的感觉。机械产品造型常用的几种比例关系有：(1)黄金分割黄金分割从古到今，一直被公认为最美的尺度，大自然中许多美景的构成，均有黄金分割比例的反映。我国数学家华罗庚推广的优选法，其优选数值也是0.618。黄金分割比例是采用优选数0.618为基数，使得构成比例的两线段其比率为0.618。这种比率具有符合人的视觉特点及人体内在尺度。它的比例优美调和、富于变化而又有一定的规律和安定感。(2)均方根比例均方根比例又称直角比例，是以正方形的一条边长与此边长一端所画出的对角线长所形成的长方形比例关系为基础，逐渐以其对角线与正方形一条边形成无理数的比例系统。其比例关系如图3-8所示。图3-8长方形边长的均方根比例由于均方根长方形的周边受到一定数值关系的制约而具有明确的肯定性，其比率又为无理数，它们之间有着和谐的比例关系，反映在几何图形上就会出现一种非常严格而自然、非常有规律的重复，这种比例关系之间有着和谐、协调的动态均衡美感，在积木式造型及机箱机柜组合与形体堆砌中应用广泛。(3)模度理论模度理论是艺术造型中一个学派的观点。他们认为美的造型从整体到局部、从局部到细部，都是由一种或若干种模数推衍而成，含有共同比例因子的尺寸系列，是一个内在的规律。它是从人体绝对尺度出发，选定人的举手高、头高、肚脐高、垂手高为4个基本点(它们分别是226cm、183cm