机械设计中模块化设计方法的应用

摘要：模块化设计方法可直接提升机械设计的设计效率，并可在一定程度上降低机械设计的设计成本，减轻设计部门的设计压力。另外，模块化设计方法可在一定程度上优化机械结构内部的机构特性，促使其更具整體性，有利于节省机械零部件设计的预留空间，并可提升一些特殊机械结构的防水、防尘性能。基于此，首先，本文分析了在机械设计中，模块化设计的基本内涵;其次，本文进一步分析了机械设计中模块化设计技术的应用办法，希望可为广大从业技术人员提供有效借鉴和参考。

Abstract： Modular design method can directly improve the design efficiency of mechanical design， and to a certain extent， reduce the design cost of mechanical design， reduce the design pressure of the design department. In addition， the modular design method can optimize the internal mechanism characteristics of the mechanical structure to a certain extent， making it more integrated， which is conducive to saving the reserved space for the design of mechanical parts， and can improve the waterproof and dustproof performance of some special mechanical structures. Based on this， firstly， this paper analyzes the basic connotation of modular design in mechanical design; Secondly， this paper further analyzes the application of modular design technology in mechanical design， hoping to provide effective reference and reference for the majority of technical personnel in the industry.

关键词：机械设计;模块化设计;基本内涵;应用方法

Key words： mechanical design;modular design;basic connotation;application methods

中图分类号：TD402                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）09-0220-02

0  引言

在新时代发展背景下，人们对产品质量的要求越来越高，对产品个性化的需求也逐渐增长，这就要求产品设计人员在设计产品或者生产产品时，不仅要注意产品的性能或者结构特点，还要注意控制产品的研发以及生产周期，不能为了丰富产品的功能，而延缓产品上市的周期，错过产品升级和企业扩展的风口。模块化设计技术可为企业提高生产效率提供有效途径，可促使企业在构思产品、设计产品以及生产产品时，各部门之间的沟通效能更高，使各部门设计人员的设计思路更清晰，从而在保障企业机械加工产品质量和性能的基础上，促使企业可更快地完成产品的生产和产出工作，为企业整体经济效益的增长提供有力支持。

1  机械设计中模块化设计方法的基本内涵分析

1.1 基本概念分析  在机械设计中，模块化设计的基本概念可概括为依据产品的功能定位以及性能要求，在选择了规格参数合理的机械零部件后，使用合理的办法将机械零部件集成为不同的功能实现单元，并通过合理的连接结构将不同的功能单元连接起来，从而实现产品的整体功能。在模块化设计的过程中，设计人员需以产品的功能作为设计基础，对产品内部结构的模块进行科学划分，同时依据不同模块的体积、功能和性能要求，选择合适的模块连接形式。在此基础上，技术人员还应为不同模块预留充足的后续改造和更换空间，尤其在模块发生损坏时，设计人员应确保技术人员可非常方便地更换产品中受损伤的模块，从而在确保其他零部件可继续使用的基础上，提高机械产品整体的应用效能，发挥模块化产品的升级和维护优势，将其产品后续维护和保养的成本，同时也在一定程度上提高产品结构的安全性，并为产品功能的进一步完善提供合理有效的结构化空间。

1.2 设计方式分析  模块化设计方式可简单分为横向模块设计、纵向模块设计以及综合类型的模块化设计。在横向模块化设计的过程中，设计人员需根据产品的基础功能，选择合适的模块数量和模块排布形式，从模块与模块之间的关系层面优化模块设计工作，提升模块化设计工作的整体性。此种模块化设计的形式比较简单，实现难度不高，对产品形态变化的过程比较友好，同时也具有较好的可操作性;在纵向模块化设计的过程中，设计人员更多考虑地是具体模块的具体功能。通过纵向模块设计方法，技术人员可针对同一产品中不同的模块进行功能性设计，使产品在外观等形态不发生改变的情况下，发生功能方面的改变。此种模块化设计工作的技术要求较高，对设计人员的能力要求也比较高。但此种模块化设计的功能适应性好，可有利于机械产品快速实现功能升级。另外，在一些特殊要求下，设计人员可能需要同时使用横向以及纵向模块化设计方法，从而使机械产品在跨系别、跨形态的设计过程中，在物理形态和功能内涵方面，均可实现一定的升级，进而使机械产品完成产品层面的革新。

2  机械设计中模块化设计技术的应用办法分析

2.1 明确机械设计理念  明确机械设计理念是开展模块化设计工作的第一步，也是开展机械设计工作的基础环节。此间，設计人员应结合新时期企业产品设计的具体要求和用户对产品形态、功能的期待，合理选择机械设计的系统性分析方法。例如，在设计内燃机中曲柄连杆机构时，设计人员应结合同类型产品的市场定位以及功能性定位，合理选择设计此类产品的原始资源，包括结构形式、材料物理性质以及产品整体功能实现形式和后期维护保养要求等，从而在选择机体组、活塞连杆组好曲轴飞轮组时，可在适应内燃机功能的基础上，进一步保障内燃机能量转化过程的安全性。在此基础上，设计人员应站在用户的角度思考机械产品应用的便捷性，以用户的实际需求为基础，并结合用户的产品使用能力，合理选择内燃机燃料供给功能和润滑功能的具体实现形式，避免出现产品应用门槛过高的情况。此外，设计人员务必要注意机械产品设计过程的特点，包括产品设计综合性特点、产品功能实现形式相似性特点以及产品结构设计多层次特点等。更为关键的是，设计人员应依据机械设计过程尽量简洁、功能实现方式尽量简洁的理念，合理控制内燃机产品设计的成本，使内燃机各部分组件可具有较好的功能性表现以及质量表现的同时，也更符合消费者的消费需求。

2.2 合理划分产品模块，细化模块功能  设计人员在应用模块化设计方法时，首先，应结合机械产品的功能要求，合理选择其内部结构的模块化数量和不同功能模块之间的组合以及连接形式，利用横向模块设计的办法，促使机械结构内部的空间可得到有效利用;其次，在设计模块的功能时，设计人员应以实现产品的主体功能为基础，利用分层设计法设计机械产品功能实现体系，针对不同的产品功能层级，选择不同的模块化功能，进而将产品的功能以模块化的形式落实到具体的模块中;再者，在设计具体模块的物理结构时，设计人员也应注意模块本身的结构特点，利用纵向化的模块设计方法，为模块选择合理的物理结构和功能实现方式。为了满足模块的升级和更换要求，设计人员应为产品预留模块升级的空间，从物理空间和功能空间两个层面对模块进行设计;最后，设计人员在利用模块化设计方法设计产品时，还应及时关注市场环境变化的大趋势，适应人们的新要求，并结合产品的特性，选择合适的时机，并利用合理的形式升级模块的功能。

2.3 结合模块化结构形式，对模块进行编码  设计人员在制定了模块设计的物理形式和功能特性之后，应结合产品的设计要求和后期维护以及保养的要求，按照一定的规律将产品内部的模块进行编码。具体而言，产品的功能实现方式越复杂，产品内部零件结构的集成程度就越高，但集成程度高，并不代表产品各模块之间“没有距离”，而是表现为距离更小、层次结构更紧密。因此，设计人员在按照设计要求完成产品模块化结构的设计之后，应结合模块的功能特性和产品结构的特点，对模块进行编码标记，使用激光刻印技术对不同的模块进行编码。此间，为了使模块编码安全高效，技术人员可以功能实现方式为模块编码的依据，使用相同的英文字母作为类别标记字母对同一功能实现模组进行标记，并做好标记记录，编制模组编码手册，以便于维修人员对模块进行维修和更换。另外，对于一些比较精密、价格比较昂贵的模块组件，设计人员可使用不同色彩对其进行标记，将此类零部件的编码标记在比较显眼的位置，从而确保在模块组合的过程中，此类零部件不会受到损坏。

2.4 装配过程模块化，优化模块连接形式  模块化设计工作主要包括模块功能结构设计工作和模块组装形式设计工作，其中，模块组装形式对模块功能实现的具体效果具有较为关键的影响。在模块化设计的过程中，设计人员在完成模块内部结构形式和功能的设计工作后，需结合模块的实际物理形态，合理选择模块之间的连接形式，并优化模块之间的连接强度。在一些电路板应用面积较大的模块基础组织中，设计人员还需结合电路板的实际位置，为模块选择合理的分层排布方式，确保模块可在横向和纵向均可获得较好的排布空间，进而严格控制产品的功耗。在组装模块的过程中，设计人员应注意模块的整体布置，确保其可在实现具体功能的基础上，也应具有一定的美观特性。如果在组装的过程中，模块的大小对机械结构整体的空间利用率产生了影响，则此时，设计人员应结合模块的功能实现要求，对模块的物理形态进行再设计，或者依据产品的功能实现要求，对模块进行更换，切不可为了美观或者提升产品内部机械结构的集成度而在产品功能或者安全性上采取让步或者妥协的办法。

2.5 机械结构的模块化设计要符合结构应力强度要求  在机械设计的过程中，机械结构内部组件之间除了功能性的连接，还存在应力应变方面的连接。具体而言，由于不同模块之间存在横向和纵向的排布形式，导致机械结构内部传统组件、执行组件以及各类辅助组件之间存在应力应变上的制约关系。设计人员在利用模块化设计方法设计机械组件时，首先，应合理选择组件材料;其次，应结合组件物理结构的具体形式，合理选择机械组件的模块化封装形式，并使机械组件可在合理有效的封装形式下，满足一定的防尘、防风以及防水要求。另外，为了确保产品的性能，降低产品应用的故障率，设计人员还应使用应力应变测试仪等仪器对关键模组进行应力应变测试，检测此部分接机械组件的应力承载能力是否满足技术要求。在此基础上，设计人员可结合机械组件应力承载能力的具体表现，进一步优化组件之间的连接形式以及不同模块之间的组合形式，进而从材料和结构形式两方面强化机械结构不同组件的抗应力应变能力。

3  结束语

总之，本文在分析了机械设计中模块化设计方法基本内涵的基础上，进一步分析了机械设计中模块化设计技术的应用办法，主要包括明确机械设计理念、合理划分产品模块，细化模块功能、结合模块化结构形式，对模块进行编码以及提升机械结构模块的应力强度。希望广大从业技术人员可结合机械设计的具体要求和产品功能实现的具体形式，合理选择模块化设计技术的应用办法，进而切实提高机械设计的实际效能，优化模块化产品质量。

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作者简介：苏琦（1984-），男，山东寿光人，硕士，助教，研究方向为机械设计、机械加工、3D打印。