1.2 产品结构解读

1.2.1 产品结构与材料关系的理解

产品结构是产品各部分要素的联系，是功能与形式的承担者，产品的结构设计受到材料、工艺、技术、环境、使用等相关因素的影响，在进行产品结构设计前，必须根据产品特性充分考虑产品材料和工艺的要求，重点包括以下3点。（1）产品应用领域。不同行业对应的客户不同、消费需求不同、行业要求不同，加上成本的考虑，使得产品生产使用的材料局限性较大，比如消费电子产品如果用塑料材质作为机壳通常选用PC、ABS或PC+ABS，以获得较好的强度、耐磨性及表面处理效果，如果用金属材料作为外壳通常选用不锈钢、铝合金等材料。（2）材料与加工的成本。不同材料的价格有差异，加工工艺成本也不尽相同。比如目前中低端手机通常采用PC+ABS作为机壳材料，主要因为模具和材料成本低，而高端手机一般采用金属材料、玻璃材料甚至陶瓷材料，带来良好的视觉效果和手感的同时加工成本必然高企。（3）产品功能要求。产品很多零部件的功能实现都有材料性能上的要求，有些产品的零部件要求耐磨，比如滚轮常常用尼龙（PA）材料制作，而密封圈常常用橡胶材料制作。

1.2.2 与产品造型相关的结构基本形式

一般而言产品结构可分为外部结构、核心结构和空间结构三大类。外部结构，它是指通过材料和形式来体现产品的整体结构，产品的外部结构通常会与使用者发生直接的关系，它是产品功能的外部体现，是形式的承担者；核心结构，它是指由某项技术原理系统形成的具有核心功能的产品结构；空间结构，它是指产品与周围环境相互联系、相互作用的关系。对于产品而言，功能不仅在于产品的外部结构、核心结构，还在于其空间结构本身，它们都属于产品的结构形式。

具体到与产品造型相关的产品结构形式包括壳体、箱体结构，连接与固定结构，加强结构；运动机构包括旋转、直线运动机构，曲线运动机构，往复运动、间歇运动机构；具有特殊用途的特殊结构等。在工业设计的范畴中，结构设计主要偏“静态”设计，比如壳体、箱体结构，连接与固定结构，加强结构等。“动态”设计也有涉及但相对较少，比如旋转机构、直线运动机构等。

1．壳体、箱体结构

壳体、箱体结构在产品中主要起对内部元器件防护、保护的作用，是内部元器件安装、依附的对象，也是产品造型的主要表达对象。壳体与箱体并没有什么本质区别，我们通常可以这么理解：一般壳体的壁偏薄，而箱体更加强调封闭特性。生活中大部分塑料产品和钣金产品都是壳体结构，比如各类电器的机壳，如图1-2-1、图1-2-2所示。箱体结构通常用于一些专业的产品，比如减速箱、变速箱，如图1-2-3、图1-2-4所示。壳体结构一般可以反映产品外观的主要特征，通常是重要的造型设计对象，比如各类机柜、电器产品设计时基本都将外观与壳体结构一并考虑。箱体通常用于专业用途或其他产品内部，比如驾乘人员只能直观感受汽车的外观和内饰，基本看不见汽车变速箱，这类箱体的设计主要考虑空间的尺度、功能要求等，外观不作重点考虑。

2．连接与固定结构

连接与固定结构在工业产品中处处可见，产品的各个零部件通过连接与固定结构整合在一起，形成完整的产品功能，如图1-2-5所示。在产品结构设计中，连接与固定结构最常见的有螺纹连接、销连接、键连接、卡扣连接、铆接、粘接这6种形式。

（1）螺纹连接

螺纹连接是一种应用广泛的可拆卸的固定连接结构，螺纹连接具有拆装便捷、连接可靠、成本低廉等优点，大部分产品的机体都是由各个零件、组件通过螺纹连接组合在一起的，如图1-2-6所示为戴森吸尘器的过滤集尘盒爆炸图。螺纹连接主要用于壳体连接、电路板固定、零件固定等，如图1-2-7所示，主要表现形式为各类螺钉、螺母。简单来说，螺钉通常有一般螺钉和自攻螺钉两种，一般螺钉需要与螺母或具有内螺纹的孔配合，旋入孔中；自攻螺钉是通过外力将螺钉旋转钻入对象或对象上的孔（无内螺纹）中，对象一般为非金属材质，如木材、塑料等。螺纹连接在产品中还常常用于加长结构，如各类管状零件的连接（见图1-2-8）。

（2）销连接

销的作用通常为定位、限位、止动。根据功能不同，销的分类、样式也有区别。定位销（见图1-2-9）通常外表光洁度高，尺寸精度高，并且与要定位的工件上的孔能够配合；限位和止动用的销有很多种类型，例如开口销（见图1-2-10）、止动销。

（3）键连接

键连接通过键实现轴和轴上零件间的周向固定以传递旋转运动和扭矩，是力传递的工具，如图1-2-11、图1-2-12所示。有些类型的键还可以实现轴向固定并传递轴向力，甚至可以实现轴向动连接。

（4）卡扣连接

卡扣连接是确定产品各零件间结合的最有效的连接方式之一。卡扣连接主要用于两个零件的连接，连接方式主要是嵌入或整体闭锁，通常用于塑料件的连接，其材料通常由具有一定柔韧性的塑料材料构成。卡扣连接最大的特点是安装拆卸方便，可以做到免工具拆卸。

一般来说，卡扣由定位件、紧固件组成（见图1-2-13）。定位件的作用是在安装时，引导卡扣顺利、正确、快速地到达安装位置。紧固件的作用是将卡扣定位件与紧固件锁紧，并保证一定的连接强度。根据使用场合和要求的不同，卡扣紧固件又分可拆卸紧固件和不可拆卸紧固件。可拆卸紧固件通常在施加一定的分离力后，卡扣会脱开。可拆卸紧固件和典型可拆卸卡扣结构如图1-2-14、图1-2-15所示，常用于连接两个需要经常拆开的零件，如遥控器与电池盖。不可拆卸紧固件指需要将定位件和紧固件进行强行错位才可以将两个零件分开，多用于使用过程中不拆开零件的连接固定，比如一些低成本的或一次性使用的产品的壳体结构就会采用没有施力分离结构的卡扣，一旦两个壳体卡接就不可拆卸或很难拆卸。

卡扣的连接方式比较常见，一般在一些产品局部的打开、闭合时使用，如电池盖、接口盖的边缘就有这样的结构，如图1-2-16、图1-2-17所示。另外，如果卡扣定位件是比较软的材料，也可以通过过盈配合利用材料的形变达到卡接的目的，通常这样的设计用在一些卡接要求不高的地方，比如各类防尘、防水塞的结构设计，如图1-2-18所示。

（5）铆接

铆接是在被连接件上打适当的孔，穿上铆钉，将铆钉（见图1-1-19、图1-2-20）通过打击、挤压、抽拉等外力压紧端面，从而将被连接件固定在一起的连接方法，如图1-2-21所示。铆接工艺简单、成本低、抗震、耐冲击、可靠性高，可用于金属、非金属件连接。在产品设计中被铆接的零件一般为平形薄板件，除了能够提升连接的效率，也能够避免焊接带来的变形，比如台式计算机机箱、各类配电盒都采用了铆接的工艺。

（6）粘接

粘接是借助胶粘剂（见图1-2-22）在固体表面上所产生的粘合力，将同种或不同种材料牢固地连接在一起的方法。塑料和塑料间可以粘接，塑料和金属间可以粘接，金属与金属间也可以粘接。通常粘接用于其他连接方法不容易实现或用胶作业效果更佳的情况，如CPU散热器的安装（见图1-2-23）、电路板局部封胶等，但粘接操作除非流水线作业，否则生产效率比较低。

3．加强结构

理论上来说，加强结构是一个类别没有明确的研究主体，把加强结构列出来，主要目的是体现它的重要性。产品的各类结构都要能够确保足够的强度和耐冲击性能或确保结构零部件稳定不变形，不管是塑胶产品还是钣金产品，想要保持一定的强度最简单、直接的方式就是将壳体厚度加厚，但这样会导致产品材料的大幅增加以及产品质量的增大，只有通过设计合理的加强结构才可以达到既能提高产品结构强度又不用过多增加材料用量的目的。

在产品中，加强结构的实现方法主要是合理地进行主体框架设计和加强筋的设计。在结构设计过程中，可能出现产品结构体悬出面过大或跨度过大而结构件本身的连接面能承受的负荷有限的状况，在这种情况下可以采用框架结构承受主要负荷或者在两结合体的公共垂直面上增加一块加强板，俗称加强筋，以增加结合面的强度，有时在产品壳体上设计的凹、凸槽也可以算是加强筋的一种，如图1-2-24、图1-2-25所示。产品涉及的大部分结构，不论金属、塑料还是木材，都可以用上述方法进行加强设计，比如金属机柜产品，如果体量比较大，就应该考虑使用框架结构，先形成高强度的支撑结构，再在其他各面安装金属薄板围合；如果体量不大，可以直接用金属薄板围合而成，利用金属的特性，通过折弯和加强筋形成的强度支撑整个柜体。

4．旋转机构

产品中的旋转机构比较常见，通常旋转机构的位置在需要调整角度的两个部件之间，通过轴将两个部件连接起来，同时可以产生相对旋转运动，比如笔记本电脑的显示屏幕和键盘之间的旋转就是依靠阻尼铰链实现的，如图1-2-26、图1-2-27所示，一些产品上的盖板结构也用到了旋转机构。还有需要旋转调节的旋钮，里面也设计有旋转机构，比如调节音量大小的旋钮、功能调节选择的旋钮。奥迪汽车的多媒体交互系统（见图1-2-28）、宝马的iDrive调节旋钮（见图1-2-29）就使用了旋转机构。

5．滑动机构

滑动机构是直线运动机构的一种，从滑动机构中可以很容易理解其操作的方式，例如各类遥控器电池盖基本都采用滑动机构，如图1-2-30所示，部分开关也采用滑动机构，如图1-2-31所示。

1.2.3 产品结构设计的基本原则

在进行产品结构设计前，也要充分考虑产品结构的合理性，遵循产品结构设计的基本原则。

（1）合理选择材料

产品材料的选择首先要满足功能的要求，比如电子产品要选用强度高、表面易处理、易成型材料；其次，要根据产品的定位和档次来选择。

（2）合理选择结构设计方案，尽量采用成熟结构

很多产品的结构经过长时间发展与优化，已经形成了很多经典结构和专用结构，在进行产品结构设计时要尽可能使用，这样不仅可以大大提升设计效率，还可以提升结构设计的可靠性。一般来说，产品结构在满足功能的前提下越简单越好。

（3）优化设计，控制成本

产品结构设计的优劣直接影响后续工艺的复杂程度、加工难度、生产效率、良品率等问题，这些问题最终将体现在产品生产的成本中。