工业设计口头禅-这个怎么固定?(1)

60|9评论|3992人气|26收藏|2021-07-31 09:24:34


最近我才想到,对于“固定”这个概念,好像很多同学不是很熟悉。也许因为它太过平常,也没有一本书或者一门课专门讲这个话题。


想来也不奇怪,因为“固定”这类知识,身边到处都是,很容易被我们忽略,或者看作是习以为常的事情。但是需要用到时,又一下子想不出什么好主意。


这类知识,又是比较反常识的。因为在自然界中很少存在“固定”这种行为。


我们反而更习惯一些反“固定”的行为。比如摘果子,挖根茎,坎树木,砸碎果壳,肢解动物等。


所以我想,要不就写点这方面的内容。


生活中,我们从小就会遇到一些小意外,比如玩具坏了,怎么办?如果机器人腿断了,从大人那里我们可以知道用胶水粘。本子撕坏了,我们又知道可以用透明胶贴。娃娃破了,可以用针线缝上,等等。


不过这都是一些零时补救措施,它们不是产品在设计中确定下来的零件固定方式。所以“固定”这个事,我们要从头说起。


你可能知道猩猩和我们人类一样,会使用工具。



但是使用工具是一回事,制造工具则是另一回事。它们的工具主要是随手捡来的。


那么什么样的工具算是制造出来的?而不是随便捡来的呢?


这个其实说法不一,但我觉得最清晰的边界,就是人类把两个不同的物体固定在一起的时候,那么这个过程才算是制造。


所以算得上制造的“固定”,可以追溯到石器时代。



不过石器时代跨度很长,也有细分,这里不做展开。我们仅从那时的石斧说起。



你看这石斧的图片,我们先不讨论石材打磨的问题,这一节只说固定。


虽然你不是原始人,但如果让你制作一把石斧,你打算怎么做呢?


你可能想到了需要用一块石头和一根木棍,但是两者怎么固定呢?


没错,你所要面临的问题和原始人人一模一样。


在技术落后的情况下,人类所能掌握的第一种固定方式就是捆绑。这种固定方式是很容易能理解,你一看就能懂,也许你自己也能想到。


那时候的捆绑,所用的材料粗陋,缠绕方式杂乱,只能说勉强过关。这是最原始的技术,却也是人类独有的技术。依靠我们特有的手指形式,才能做到。所以,困扎,打结,是人类区别于其他灵长类的重要能力之一。


这种方式一直没有被淘汰,即使我们今天日常把塑料袋打个结,也是一样的方式。


只是这种固定方法还不够牢固,两个部件之间接触面积小,固定的紧不紧全靠捆绑材料的涨紧度。


但并不是所有捆绑都那么low,捆绑的好,也能保证质量和强度。


比如长安十二时辰里面,那个巨大灯塔的内部结构。竹子之间的连接和固定方式也有很多捆绑。



即使今天,很多建筑工地还能看到这种竹竿捆绑成的脚手架在使用。



你有没有发现,它不牢固的缺陷是依靠什么克服的?


就是靠大量重复使用。



就连钢筋混凝土结构中,钢筋之间依然使用这种捆绑方式。


但是在武器上,并没有足够的空间用来反复捆绑地固定。


直到另一种技术的出现。。。


那就是打孔技术,虽然还是石器时代,但打了一个孔之后,固定效果就会大大提升。



你看上图中左下角那个工具。在石材上有了一个洞之后,“固定”这件事,就不再是仅仅依靠摩擦力来完成的了。


为什么石器时代钻出来的孔就那么圆那么标准呢?因为旋转运动自然就能产生非常标准的圆形,如同钻木取火的动作一样。


而打孔技术的出现,则在“固定”这件事情上,走上了另一个台阶。


打孔虽然不是一个固定方式,却是一个底层基础。在打孔的基础上,加上捆绑,就能得到我们熟悉的“缝纫”这种方式。你想想,缝纫,是不是就是在材料上打孔之后把线绳穿过孔洞的方式?只不过我们使用穿针引线的动作把它一次性完成了。


所以在甲胄的制作方式上一直使用的是打孔和捆绑的方式。



即使到了铁甲上也是这样,如长安十二时辰中的铠甲。



在现代,我们熟悉的螺丝固定方式,底层基础依然是孔,而不是螺丝。如果没有孔,那么螺丝则毫无用武之地。



只是在石器时代,钻孔需要的时间比较长,不过原始人有的是时间。


不过虽然有了钻孔,绳子终究只是绳子,捆绑依然是靠人手的力量。所以固定效果提升并不那么明显。


直到另一种物体之间的组合形式出现,它可以被叫做“卡位”。


其实这个没有准确唯一的说法。但你应该可以明白我的意思。


我们来看看战国时期的远距离攻击武器“戈”的固定方式。



戈头,是青铜材质,它需要安装在一根很长的木杆上。所以,除了打孔加捆绑的方式之外,古人还在木杆上增加了戈头的落位孔。


也就是让青铜部件穿过或者嵌入到木杆内部。这样就可以牢牢限制住戈头在两个维度上自由移动的可能。然后在戈头腰部,也就是贴近木杆的位置,做出(铸造时直接预留)三个细条的穿孔,用于捆绑。


这样,同样是打孔加捆绑,因为改变了零件之间的接触方式,从而大大提升了固定效果。



但是短剑就没有这类固定的问题,因为青铜的铸造技术可以让它一体成型,因为它足够短。



所以“固定”这个问题主要集中在拼接而成的武器上。


那么说到春秋战国时代,所有关于“固定”的最高技术,可以说都集中在一种战争武器之上,那就是战车。



虽然在绘画上,只不过是寥寥几笔。但是如果你细细想来,它制造中所遇到的所有“固定”问题,你可不一定都能想明白的。


如果说,捆绑,打孔,卡位,这些方式你还容易理解的话。那么单就战车车轮的制作就开始让人蒙圈了。



更不要说,车轮如何与车轴相连接,并实现高速且稳定的旋转运动了。




是不是一下子跳跃的有点快,刚才还一直在讲静态固定,怎么突然就讲到了动态固定了?


不急,我们慢慢来。你先想想,和戈类似的一种远距离武器“长矛”,它在组装的时候,矛头是怎么固定在木杆子上的?



上图是比较常用的矛头安装方式,有捆绑和插接两种方式。接不但在牢固程度上要高一些,另外在安装效率上也比捆绑要高出许多。


可是上去的矛头,依然很容易掉,那该怎么处理呢?



除了增加接深度之外,我们看到,在矛头接木杆的位置上都有一个小孔,有了这个小孔就可以在两者之间横向打上一个销子。




上图中,是原本矛头和木杆接的样子。可以看出在左右方向上,很容易滑出。所以可以在垂直于可能滑出的方向上打上一个销子。就起到了很强的左右固定作用。


你可能注意到,销子所在的位置,其实是可以穿绳子的。这就是之前说的孔位加上捆绑,但是,在我们掌握了青铜加工技术之后,就可以制作销钉,不但强度增加,而且组装更快。节省了不少时间,从而可以生产更多的数量。


销子这种零件和固定方式到今天一直都有,在淘宝上你可以搜索到各式各样的销钉。



从名称上,你可能发现了,销子和钉子其实是一回事。那怎么区分呢?


一般可以插拔的,是销子。钉进去不用拔出来的,叫钉子。


你可能会说,钉子不是也可以拔出来吗?只是比较费劲。确实,还有一种钉进去不让你拔出来的,叫作铆钉,如下图。




这种铆钉自然更加牢固,成本也高些。


有了销钉,那么春秋战车轮子的制作就容易理解了。


我们直接来看一个破轮子的图。



破的产品,结构被暴露出来,就比较容易理解,这也类似于通过拆解产品来了解结构的方式。可以看到,轮辐两头是分别以插接的方式固定在轮毂和外轮圈上的。


这里出现了我们之前说到的落位,或者叫卡位。就是在轮毂和外圈上给轮辐预留好插接的槽。


不过之前说,插接容易脱落,该怎么解决呢?当然就可以打钉子,像固定矛头那样。



你可以看到古代车轮的外圈侧面有很多的钉子,但仔细看,你会发现它们不是用来固定插接的轮辐用的。因为位置不对,反而避开了。


它们其实是用于外圈的制作所需要的钉子。那轮辐的插接怎么不用钉子固定呢?因为这是个轮子,当外圈完成之后,自然地把内部的轮辐固定得死死的,不可能脱落,除非外圈发生断裂。所以更重要的反而是保证轮子外圈的结构强度。这里不做展开,你有兴趣可以自己去了解。


那接下来,就是怎么把车轮固定在车轴上的问题了。这里就生出了一个新的话题,动态固定。


也就是要把一个东西固定在另一个东西上,而且它还能自由旋转。


你知道轮子的发明是很伟大的,但是轮子的发明其实是伴随着轮轴发明一起出现的。轮轴静止,轮子转动,这才实现了伟大的意义,否则轮子不过是一个呼啦圈罢了。


轮子装在轴上并不难理解,它的安装就类似于你用筷子插起一块水果,水果在筷子上是可以自由转动的。



所以轮子就直接从外侧套在车轴上,就能实现转动了。不过,你也看得出来,套上去之后,轮子依然会从右侧滑出去。就是类似车开着开着,轮子飞出去的情况。


所以轮子的转动虽然实现了,但“固定”还谈不上。


不过固定不难,它用的就是刚才固定矛头的方式,加一个销子。但不同的是,销子加在轮毂的外侧,它并不会固定住轮毂本身,只是让它不会左右移动,这样轮子就不会飞出去了,又不妨碍它的旋转运动。



当然实际的战车,这部分的结构要再复杂一些,因为还有润滑问题和青铜套的安装,以防止木材干燥而开裂。


那个销子还有一个兽头的造型,插进去后,还用绳子进行捆绑。可见,这是一个方便插拔的销子,而不是钉子。因为车轮是需要更换的。


同样的技术,也用在当时比较出名的手持武器“秦弩”上使用。


这种秦弩机的扳机结构就比较复杂了,它由多个旋转轴结构组成,自然,有轴就有销。


其实你可能想到,销钉就是螺丝的前身了。但是我们国家开始使用螺丝一直要到清末的洋务运动。


螺纹的出现,不但需要有数学中螺旋线的知识基础,并且需要使用旋转切削的加工方法。


所以中国古代的基础固定方式在春秋战国时期都已经出现,只不过后来随着其他方面的技术进步,效果有所改善。


也正由于螺丝的固定方式一直没有出现,而且铁钉容易生锈,固定效果不持久,伟大的工匠们把他们的智慧发挥到了极致。这才有了我们熟悉的榫卯结构。



但在古代,这种结构并不容易加工,生产效率相对较低。


但它在外观上没有螺丝孔位是一种优势,所以今天,在对外观要求比较高的家具零件固定中,它又得到了推崇。


然后我们就直接跨越到了工业革命时期,螺丝作为固定件广泛使用的时代来临了。



螺丝这就不用多说了。大学课程中的机械设计基础,螺丝是基础的基础。


自攻螺丝还自带了打孔功能,它可以集合打孔,销,钉,轴,等各种用途。它大大提高了“固定”这件事的效果和速度,并降低了成本。关键它还可以反复使用,在固定和取消固定之间自由变换,比如我们熟悉的瓶盖螺旋结构。这让我们便于拆卸和更换它所固定的零件。



在现代,比较复杂的产品结构中,螺丝依靠它的小巧和精密性,在结构上发挥着重要作用。




讲到这里,你可能隐约感觉到这个话题会越说越大,现代工业的内容范围可比古代兵器大太多。而且“固定”这个话题,难免把我们引入到结构设计的主题里面。


讲这么多,主要是希望能够提起你的好奇心,对于你所看到的一切,心里抱着一个问题,它们是怎么固定在一起的?


好,这一期先讲到这里,下一期我们继续讨论这个问题。


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想哥

医疗器械 · 上海市 浦东新区 花木 

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    我是傻仔 2021-08-20
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    suifeng 2021-08-12
    举报 收起回复

    想哥,彻底放弃站酷了啊

    想哥作者 2021-08-12
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    是的是的
    我也说一句
    Mango Lam 2021-07-31
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    系统的说明

    VK 2021-07-31
    举报 回复

    想哥太棒了,这就是设计者的思考

    可爱多 2021-07-31
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    固定大师

    林下叶层 2021-07-31
    举报 回复 1

    除了牛,没什么想说的了

    Redamancy 2021-07-31
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    膜拜

    MoliliS 2021-07-31
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    看想哥文章是享受,我想打印出来哈哈

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