产品设计方案撰写指南(一):结构设计

产品老司机手把手教写文档,10天线上课程,零基础掌握产品经理必备7大文档撰写法。了解一下>

作者打算用一系列文章来有重点的介绍产品设计方案的几大板块,不只是和大家探讨应该套用怎样的模板,更重要的是帮助大家理解产品设计时应该注意的要点。需要时刻记住,文档是为产品服务的,我们是产品经理而不是文档经理。今天所讲主要围绕“结构设计”进行~

又到年底啦,年度总结你准备好了没?复盘2019年,你的收获有多少,成长有多少?

今年的职业生涯里,我发现了一个很容易被忽视的东西,很多产品朋友对其的态度都是又爱又恨,那就是“文档”。产品开发时间紧张的情况下,很多人就选择敷衍了事,因为“内容都装在脑子里嘛”,等到项目复盘,或者产品出问题了,再想要回过头来看看当时是收到怎样的需求,又是怎么定的方案,就经常是抓瞎,只好回溯不靠谱的记忆,结果也往往是项目的进展偏离最开始的目标,不出问题还好,一出问题项目组成员互相扯皮。

文档的有无是一方面(产品生命周期里具体涉及哪些文档,可以参考下我之前的文章《我的PM进阶之路》),文档的内容充实程度决定了它能否真的具有帮你查缺补漏的作用。很多的产品经理都是入行没多久,大学以及工作中也没有受到良好的文档撰写相关的培训,写出的文档良莠不齐:基础好些愿意思考的产品经理,写出的内容还算切实有物;刚刚接触所处行业、基础差的的产品经理,写出的文档经常是丢三落四,抓不住重点。

其实文档的撰写是一门大学问,我也说不上精通,不过产品生涯里也在不停的磨砺这方面的能力,多少有了点积累。回顾19年,对我工作影响最大的,还是“产品设计方案”,数次救我于水火,也数次陷我于难堪。

对于硬件产品而言,产品设计方案的撰写是一个系统性工程,概因硬件产品本身涉及面很广,从硬件设计、软件设计、结构设计到工业设计,方方面面都包含在内。若要写出一份合格的文档,能起到提纲挈领和忠实记录的作用,就必须要做到八个字——“细致深入,清晰易懂”。

我计划用一系列文章来有重点的介绍产品设计方案的几大板块,不只是和大家探讨应该套用怎样的模板,更重要的是帮助大家理解产品设计时应该注意的要点。需要时刻记住,文档是为产品服务的,我们是产品经理而不是文档经理。

今天所讲主要围绕“结构设计”进行,后续还有“硬件设计”和“软件设计”,敬请期待,欢迎来踩。

一、设计概述

通过结构设计概述,文档阅读者能快速产生直观印象,把握产品的设计理念。因此在进行详细设计说明前,需要对基本结构设计思想做出阐述:

  • 分析该产品的结构需求,以及硬件、工业设计对结构设计的限制和定位;
  • 说明结构的基本设计思路和环保要求,包括可拆卸性、可回收性和节能要求;
  • 简要说明通过何种结构形式实现硬件、工业设计等方面的基本需求。

二、性能设计

1. 热设计

硬件产品在使用时总是会发热的,热量主要来自于电流。通电器件上的导体,其内阻虽然很小但总是客观存在的。因此,电流通过导体时会消耗一部分的电能,转化为热能使导体温度升高,并加热周围的其余物质。

产品正常的发热是允许的,但即便是正常运行的设备,如果没有做好热设计,使得热量累集不散,温度持续升高,一定条件下会导致过热,影响产品性能,甚至导致产品损坏。

主要有以下影响:

  • 电子元器件:高温可使半导体元件热击穿,可使电子元器件的性能变劣;
  • 绝缘材料:温度过高,有机绝缘材料将会变脆老化,绝缘性能下降,材料的使用寿命也将缩短;
  • 电接触:温度过高,电接触两导体间接触电阻明显增加,温度迅速升高,甚至会使触头发生熔焊。

不过,设计正确、生产正确、正常运行的设备,其最高温度和周围环境温度之差(即最高温升)总是处于允许范围内的。系统内不同模块的允许温升有一定差别,产品热设计的最终目的就是保障系统的温升始终处于合理范围内。而这需要做到两点,模块级别的散热和系统级别的散热。

所以在撰写热设计方案时,需要从以下三点着手:

  1. 模块的散热要求:明确模块对散热流量/流速及散热环境的要求。特别是对于外购模块,若其本身不具备散热能力,需系统为其提供散热,则需要将该项作为鉴别验证项目,必要时可以要求供应商提供分析测试报告(用于对该模块散热需求的合理性和正确性进行分析);
  2. 系统的散热或加热方式:给出系统应采用的散热方式和保证低温启动的加热方式,散热方式有自然散热、强迫风冷、热交换器等;加热方式主要有薄膜加热片;
  3. 系统散热保障性要求:包含冗余设计和维护安全性设计两点说明。冗余设计是指散热系统在局部性故障时,其余部分仍能保证产品的散热安全;维护安全性设计,是指散热系统整体或部分失效时,在允许的维护时间内保证产品安全运行的措施。

2. 噪声控制设计

部分硬件产品因其内部包含噪声源,运行时并不总是安安静静的。机械手表的齿轮啮合音,无人机的风翼呼啸音,AGV的电机旋转音等,大小不一。有的噪音在使用时很难察觉,完全融入环境底噪;而有的产品,因为没有做好噪声控制,时常给用户体验带来负面影响。

机械噪声按机理的不同分为以下三类:

  • 空气动力性噪声:由气体振动产生,主要来源是风扇;
  • 机械性噪声:由固体振动产生,主要来源是齿轮、轴承和壳体振动;
  • 电磁性噪声:由电磁振动产生,主要来源是电动机、发电机和变压器。

对于一般消费级产品而言,风扇是主要噪声源。噪声常以分贝(dB)来作为评价标准,每升3dB噪声就约扩大一倍,超过50dB就会使人心烦意乱。噪声控制设计的最终目的就是保障产品的噪声始终处于能被用户接受的门限值以下。

而这需要重点说明以下三点:

  • 噪声上限标定:参考《噪声控制设计规范》,并根据产品使用环境、相关噪声标准(如ISO7779)及国内外竞品的综合分析,来确定产品的噪声上限;
  • 噪声源的控制:从风扇选型、风扇转速控制和风扇本身噪声等方面进行设计与分析(以空气动力性噪声为主进行分析);
  • 噪声传播的控制:主要是从风道的设计出发进行分析,风道的优劣直接决定了风阻的大小。风阻极大影响了风扇叶片的振动及其产生的噪音,同时影响了空气流经阻碍物表面时气流分离引起压力变化而产生的噪音。

3. 三防(防霉、防潮、防盐雾)设计

严酷的环境条件会引起硬件产品中金属和非金属材料发生腐蚀、老化、性能显著下降等各方面的破坏。现在的“三防”是以提高产品的环境可靠性为目标,包括防霉、防潮、防盐雾、防老化等各种内容,其最终目的是防止腐蚀。

霉菌、潮湿和盐雾对于产品的影响存在一定的区别:

  • 霉菌:对于绝缘材料和工程塑料结构件的影响最大,易损坏底材,改变材料绝缘性能;
  • 潮湿:对于产品整体的影响都很大,易全面提高各种腐蚀的强度;
  • 盐雾:对于金属电镀结构件的影响最大,易产生电化学腐蚀,导致锈蚀。

结构件根据应用环境不同可分为Ⅰ型和Ⅱ型,前者是指直接暴露在自然环境中并受到雨、雪、日光和风沙直接作用,后者恰好相反。产品可能包含一种或两种结构件,三防设计需要完成各结构件材料及其表面防护层的设计选用方案,并对其可行性进行分析。三防设计的最终目的是提高产品的可靠性并延长产品使用寿命。

总的来说需要涵盖以下两个方面:

  • 材料及加工工艺选用:需分别说明各型结构件所要求使用的材料种类,对于非金属材料应注意选用防霉型材料,不了解材料防霉性能时应要求提供厂家防霉实验报告。一般来说,不锈钢材料较铁合金材料有较高的耐候性;防锈铝LF6较一般的硬铝有更高的耐腐蚀性;FR-4型覆铜板性能优于一般PCB印刷板材;硅橡胶比丁晴橡胶耐候性更好……
  • 各材料的表面防护措施:分别说明不同材料的Ⅰ型和Ⅱ型结构件应采用的表面处理方式;同时应提供各种表面防护方法所应达到的防护性能指标。一般来说,金属材料有阳极氧化、表面发黑等转化膜防护方法,也有电镀金属、喷涂金属、搪瓷、喷漆等覆层防护方法;PCB需要印制阻焊膜,组装调试完成后两面喷涂“三防漆”;电缆在连接处灌胶或套上热缩套管……

4. IP防护设计

某些硬件产品在使用时会碰到较为苛刻的环境,如雨水天气、浴室及沙漠环境,常见的就是智能手机。这是苹果官方的说明:

iPhone XS和iPhone XS Max可防溅、抗水、防尘,在受控实验室条件下经测试,其效果在IEC 60529标准下达到IP68级别(在最深2米的水下停留时间最长可达30分钟)。防溅、抗水、防尘功能并非永久有效,防护性能可能会因日常磨损而下降。

IP防护等级即为防水防尘等级,以IP67为例,根据GB4208-2008,这一等级有两层含义:

  • IP6X表示,外壳在对固体异物进入的防护等级上可达到“尘密”级,即设备能完全防止尘埃进入,设备在扬尘环境下可正常工作;
  • IPX7表示,外壳在防止水进入的防护等级上可达到“防短时间浸水影响”级,即设备在浸入深1m的水下30min后,仍可正常工作。

当然防水防尘等级也并非越高越好,毕竟等级越高,所需要的成本越高。一般来说IP5X等级的防尘就不会引起电气间隙、电弧等问题(会影响连接器等的接触);IPX6等级的防水即可防滴漏、防水喷溅。IP56级别的消费级产品可以满足绝大多数人的需求IP防护设计的最终目的是在控制成本的前提下尽可能提高产品的可靠性及耐用性。

因此需要撰写以下三个方面内容:

  • 防尘:根据IPXX的总体要求,给出密封结构设计方案;同时根据结构设计和热设计,说明在非密封处(如通风口)加装防尘物的措施。另外,对于危害较大的“细尘”,通过常规手段进行防护的效果有限,所以需要说明如何通过产品内模组的布局和热设计综合考虑进行防尘;
  • 防水:根据IPXX的总体要求,说明防滴漏、防水喷溅的结构设计方案,以及密封、结构排水等措施。综合考虑产品各种接口的结构形式,防水密封材料的选择,防水接插件的选用,材料的抗老化性等各种因素;
  • 防异物:对于室外产品,需要说明如何防止人为或自然性的破坏。

5. 屏蔽设计

硬件产品受强电设备干扰或系统内部的电磁影响(含射频器件的硬件)造成性能下降或不能工作,是电磁干扰最为常见的危害,损坏效应归纳起来主要为:

  • 高压击穿:当器件接收电磁能量后可转化为大电流,在高阻处也可转化为高电压,可能引起接电、部件或回路间的电击穿,导致器件损坏或瞬间失效;
  • 受瞬变干扰:器件可能因功率过大的瞬变电压造成短路损坏;若能量不足,瞬变电压不足以立刻损坏部件,但会使其性能下降、影响功能、丢失数据;反复的瞬变电压还会造成器件潜伏性的损坏现象;
  • 浪涌冲击:微波能量在金属壳体上感应产生脉冲大电流,像浪涌一样在壳体上流动。壳体上的缝隙、孔洞及外露引线会将一部分浪涌电流引入壳内电路,就足以使内部的敏感器件损坏;
  • 影响电路正常工作:电磁干扰对模拟电路的影响随干扰强度的增大而增大,直接影响工作性能;对数字电路,电磁干扰容易导致信号电平的变化,从而影响数据传输的准确性。

电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的影响。金属屏蔽体一般采用铁、铜(洋白铜)等高磁导率的材料,同时设计成盒、壳等封闭壳体。屏蔽设计的最终目的是保护产品内部敏感器件,同时降低内部电磁干扰源对系统内外的影响。

因此需要撰写以下三个方面内容:

  • 确定屏蔽需求:根据产品EMC设计方案要求,提出整机结构屏蔽需求;
  • 描述屏蔽方案:说明屏蔽的级别(机柜级屏蔽、模块级屏蔽等),屏蔽体的方案(或者说明采用哪种标准模块)。金属屏蔽体的焊接形式(单件式、两件可拆卸式、卡扣式等),是否预留散热孔(孔径及孔间距等参数)需要明确说明。

6. 安全设计

结构安全是经常被忽略的一点,但是一旦产品出现问题,往往就能追溯到安全设计不合规范的地方,因此还是要加以关注:

根据产品所在行业的安全标准(如IEC60950、EN60950、UL1950、GB4943-2000等),说明产品的结构防火外壳、非金属材料的阻燃等级、产品的稳定性和强度、电连续性能以及电气间隙、警示标签方案等特性应符合这些标准中的规定。

三、交互设计

产品在其整个生命周期中时刻在与人产生联系。对于设计、生产、包装、运输,使用、售后、丢弃、回收中的任一阶段而言,产品总因其自身的特性,与人产生或好或坏的交互。因此我们不仅需要关注产品的设计属性,还要关注产品的“交互属性”。当然对于不同产品,可以有选择有重点的就以下几点进行阐述。

1. 整机可装配性设计

在这里先给大家介绍一下“面向制造的设计”(Design for Manufacturing, DFM)。DFM是产品全生命周期设计的重要内容,是世界上比较先进的新产品开发可制造性分析技术。实行DFM的目的是使设计的产品易于制造,易于装配,在满足用户需求的前提下降低成本,缩短开发周期。

DFM内容很深很广,我们在这里可以重点关注整机可装配性设计,具体如下:

  • 整机装配过程分析:确定重要的装配点,并给出指标要求(如尺寸、重量、公差等);
  • 走线和走纤分析:说明布线要求;提出走线走纤路径和空间要求(如走线空间要求,信号线之间是否相互干扰以及如何防干扰的要求);提出外露线缆的保护材料要求;确定线缆的固定措施。

2. 包装运输设计

这里包含两层概念,包装和运输。很多产品如索尼PS4主机,一般在家中固定位置摆放使用后基本不需要携带外出,故厂家仅提供包装盒作为运输时的收纳保护;而对于如大疆Mavic Mini无人机此类产品,因用户对于便携性和易携带性的重要需求,还准备了一个定制的包装盒,能够妥善收纳各大小配件并提供一定的保护。

总的来说,产品受众、使用方式的不同,决定了包装运输设计的简易程度。

进行包装运输设计的说明时,需要关注以下两点:

明确产品的基本特征,明细如下:

  1. 产品化学易损性:有机/无机材料、有/无表面防护要求;
  2. 产品物理易损性:产品形状、最大外形尺寸、重量、重心位置、可承压位置、可固定位置等;
  3. 产品强度及易损性:易碎品、精密品、坚固品;
  4. 包装形式:工业包装(运输包装)和商业包装(销售包装)均要说明,含包装材料、包装数量说明。

说明产品包装防护要求:包括防水、防潮、防静电、防震、防霉、防虫、防尘、防辐射、防盗、危险品、军品等。

3. 可维护性设计

大家都不希望自己买的硬件产品是一次性用品,所以必须要对产品的可维护性加以关注,不仅是提升产品寿命提高用户粘性,也能减少产品的售后成本。

主要有以下两个层面:

(1)说明状态指示:说明产品的告警灯(如果有的话)或其他告警方式所表明的产品状态,提供简易维护措施清单;

(2)指明需维护的部分(包含两个方面):

  1. 需定期更换(清洁)的部分:说明防尘单元/易损器件的清洗/更换方式,最小的清洗/更换间隔期,清洗/更换方式及其要求;
  2. 需维护的部分:说明风扇、单板、易损坏器件线缆等的维护,说明这些模块的维护需求和要求、限制条件等。

理解背后的道理,借助框架模板,通过反复的训练才可以提高产品设计方案的撰写水平。

希望本篇指南能帮助你稍加深入了解结构设计时需注意的要点,进而提升文档水平。共勉。

 

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题图来自 Unsplash ,基于 CC0 协议

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