对标准机柜的结构创新及设计

崔文龙王锋

摘要：本文主要探讨机柜类产品的工业设计特点，结合LY-J4286型标准机柜项目的实际设计过程，论述了这类产品的工业设计方法：从结构创新入手，进而到整体外观设计、人机交互操作界面设计等，作为电子设备类产品，其产品的结构主要体现在外部箱体的构造上，所以机柜、控制箱等电子产品的创新设计应以结构创新为主。

关键词：工业设计；电子设备；结构创新；

1了解原有结构从而创新的机柜造型设计

设计的前期工作是要进行大量的机柜资料收集与分析，弄清机柜的结构特点、构造特点，掌握影响机柜整体品质的要素以及要素之间的内在关系，了解市场对机柜高中档的评价依据，以此为基础正式展开结构造型构思设计。

2前期研究分析

2.1机柜的结构造型特点分析

机柜产品是以框架为核心的系统构造体，机柜的整体结构是由其框架系统所决定的，框架系统是由紧固件（角件）和立柱、横梁等组成，框架系统的结构设计直接决定机柜的整体品质，既包括力学性能也包括外观效果，因为许多机柜的框架本身就是外形的一部分，19英寸标准电子设备机柜包括五大组装模块：立柱模块、横框模块、联接件模块、门板模块以及其他附件模块。

2.2机柜创新设计目标

设计之前，必须首先对影响框架机柜的品质要素进行调查研究，了解高中档机柜应该具备什么条件，这些条件将成为设计上需要合理分析和改进的基础。以下是调查研究结果。

(1)中高档机柜在结构上需要巧妙而合理的模块化组装方式，尽量少用螺钉，最好采用铸铝紧固角件插接，降低制造成本；

(2)在不影响装配的情况下使用材料上应是高强度的多次折弯板材或者铝型材；

(3)在不影响使用性能下要求有人性化操作界面和视觉化外观造型及配色效果。

独立的创新开发产品项目，需要制定有效合理的设计开发步骤，要明确设计攻关的重点与难点，本项目的重点难点就是机柜的框架结构构思。

机柜的档次高低决定于其柜体强度与整体外观，而柜体强度主要取决于机柜框架的强度，其次是门与内支架层板的强度；框架强度又决定于立柱的机械性能与联接四根立柱的联接件的机械性能；立柱的强度通常取决于钢板的折弯次数及钢板的厚度，折弯次数越多或者钢板越厚则强度越好，而联接角件的性能则取决于其使用的材料与结构方式。该LY-J4286型19英寸标准电子设备机柜立柱采用九次折钢材使立柱有足够的强度；联接角件材料采用强度较高的高压铸铝件，结构方式设计依据斜面分力转换的力学原理，使得在轴向旋紧联接件螺钉时在径向产生很大的膨胀力而将立柱与横框拉紧联接，这样通过八组联接角件将四根立柱与上下横框联接成具有很高强度的机柜框架。该LY-J4286型19英寸标准电子设备机柜的前门采用组合式结构，由内框、衬板、玻璃及门板经螺柱连接组合而成，内框结构保证了门有足够的强度，同时又巧妙的对玻璃进行压紧式固定。

机柜价值要素中最重要的一条是能否方便快速组装与运输。该LY-J4286型19英寸标准电子设备机柜采用分区模块式设计，分为六大通用部分：立柱、上下横框、前门、后门、侧门、联接件；组装通过简单的工装工具既可快速的完成。

3LY-J4286型机柜结构创意的构思演变过程

3.1框架结构整体构思

机柜框架设计是机柜设计的核心。框架结构设计要同时考虑连接件（角件）、立柱、横框三者的结构、形态以及连接关系，因为机柜的品质主要决定于高强度立柱与横框的巧妙连接关。其中，机柜立柱是最关键的部分，它不仅影响机柜结构强度、刚性甚至外观，还为机柜提供了必不可少的安装面，所提供的安装面越多，使用时也就越方便，但也增加了工艺上的复杂程度。

所以本次创新设计主要在充分调查机柜的功能效用和基本结构之后，决定不走常规结构形式另立构思，联系生活中常见的各种连接方式。最终沿着这种方案进行下去，这个构思来源于家具中的榫接套卯启发。该方案是：将四角开孔的U型横框与棱角开方孔的角钢垂直插接再用方钢栓连接，这里方钢栓就充当了紧固件（角件）的角色，然后方栓在与立柱折弯形成的方孔联接，形成整体的框架模式。

3.2紧固角件的结构创新设计

在相对合理的横梁框与立柱的套接关系确定之后，紧固角件的结构设计变成了整个机柜框架设计的重点和难点，而这款机柜设计的创新点和巧妙之处也在于此。在连接关系确定之后，紧固件设计的功能目标也就很明确，甚至作用力的方式都是很明确的，设计目的的明确使得设计重点具体化。

现在设计对象的内容很具体，如何设计出相应的联结件的联接方式，就是创新思维的主要内容，可解决的技术途径虽然貌似很多，但这是一个横向发散思维的过程，所以需要从众多方案中寻找最合理的方案，本方案的思路来自膨胀螺钉的原理启发，并在此基础上进行了深入有效的纵向思维，以下方案的纵向延伸过程其基本思路是：在角件体中间嵌入梯形滑块，当螺钉拉动梯形滑块运动时，角件体就会整体膨胀开，从而起到紧固联接功能。而拆卸时随着螺钉松动弹簧将梯形块慢慢顶起，然后可以顺利取出角件。从而达到迅速拆装的目的。

3.3立柱结构的设计构思

在进行紧固角件设计时必须同时考虑与之相配的立柱设计，立柱设计除了考虑其与角件、横梁的安装关系外，还要考虑强度的关系，厚度一定的情况下立柱的强度决定于折弯次数，一般来讲折弯数越多强度也越好。其次，立柱设计还受宽度的制约，标准机柜的立柱宽度为50mm左右，所以同时满足诸多条件的立柱设计也是很难的，一个要素的改变往往是诸多要素都随之改变，从开始的五次折弯钢材，经计算和样机试验后强度略低，改为采用七次折弯与五次折弯钢材组合的方式，这种方式大大提高了机柜框架整体强度，特别有利于机柜内支架的安装，对于门的整体性设计也提供了有利的条件，使立柱宽度、门的宽度与高度之间形成了一种较为和谐的外观视觉比例关系，样机制作的后的效果也能达到预期目标，然而其缺点是材料及工艺成本略高，所以不得不继续改进。最终拟定成九折钢材，保证了第二种方案的优点。由于是九折钢材刚度更好，而且形体简练利于加工和组装，最重要的是降低了成本。

4整体造型设计

机柜框架对于整体造型至关重要，结构形式是构成产品外观形态的基础，当结构确定，造型就成为设计工作的重点，机柜产品的造型设计主要体现在与框架装配的六个面的造型设计上，其中前后门与顶盖造型设计占主导地位，因为它们属于人机交互过程中最直接面对的部分，特别是前门承担着人机操作和交互功能，所以前门的造型设计是机柜全部设计的核心。前门结构较复杂，它由门板、玻璃、加强框、铰链、门锁及把手等组成。前门造型设计包括整体设计和配件设计，整体设计可以根据所采用板材的折弯类型及所需的通风散热功能，做平面分割处理，平面分割设计中应特别注意线条的视觉效果及区域的划分，应考虑线条的心理效应和线条的疏密对比等，要符合美学规律。本方案的框架结构使得机柜的四个棱角区域产生了丰富而挺拔的竖直线条，这些线条与大面积的平直门板形成了很好的线条疏密对比效果。另一种方案也可以将门设计成更有立体感的凹凸形状。前者可以留出更多的元器件安装空间，后者则可以提供更好的强度以及柜体的立体感。门板的附件设计要求也要与门整体造型统一化，设计上应注意与门板的安装方式以及整体布局上的位置，达到视觉上的美观与实用相结合。

参考文献

1简召全.工业设计方法学.北京：北京理工大学出版社，2000.

2曾伟.电子设备机械结构标准化现状及动态#电子机械工程2003(2).

3孟庆龙主编.电器结构.工艺及计算机辅助工艺规程设计.北京：机工出版社，1993第506页.