家庭用の駐車場の扉を設計することを想定して，次の問に答えなさい．
(1) 駐車した自動車の前に，図1で示すように，上にスウィングして開ける機構を有する扉を設計した．この機構は，図中に示すような部材で構成されているが，それぞれの部材の要求機能を記しなさい．なお，表1を答案用紙に写し，表の欄内に記しなさい．たとえば，部材Aは扉で，「外敵の侵入を阻止する」という要求機能を有している．また，部材Fは扉の回転運動に対するカウンターウェイトで，「人力で容易に扉を開閉する」という要求機能を満足するために設置してある．このようにA・F以外のBからIまでの7つの部材に対しても，要求機能を述べなさい．
(2) 図1の部材Fのカウンターウェイトは回転運動の慣性モーメントが大きくなるので，角加速度が生じる時，すなわち開け始めと終わりにはそれなりの力が必要になる．そこで部材Fと同じ要求機能を有する別の機構を設計したい．それも支柱の中に機構全体を収めて，スッキリとデザインしたい．そこでバネを使った機構を採用したいが，それを考案して図で説明せよ．
(3) 図1の左下図において，I：軸受けが左右の支柱にひとつずつ固定されているが，それぞれの中心軸が同軸になっていないと，扉を回転させたときに扉が歪むことになる．すなわち，扉を回転させるという要求機能が，E：回転軸だけでなく，I：軸受けの設計解に干渉していることを示している．これを回避する方法として，扉が容易に歪むように剛性を低くすることが考えられるが，それでは「外敵の侵入を阻止する」という扉自体の要求機能に干渉する．ここでは，施工・組立で同軸度を保証して，その干渉を防ぎたい．どのようにすればよいか，図を用いて説明せよ．
解答：
(1)
| 部材記号 | 部材名 | 要求機能 |
|---|---|---|
| A | 扉 | 外敵の侵入を阻止する |
| B | 主アーム | 扉を支持し，回転軸を中心とした開閉軌道を決定する |
| C | 補助アーム | 扉の下部を支持し，扉全体の剛性を高める |
| D | 高さ調節足 | 設置面の凹凸を吸収し，支柱を鉛直に立たせる |
| E | 回転軸 | 扉とアームの荷重を支え，支柱に対して回転可能とする |
| F | カウンターウェイト | 人力で容易に扉を開閉する |
| G | ストッパー | 扉の開状態時の過回転を阻止し，所定の位置で保持する |
| H | 支柱 | 機構全体を支持し，荷重を地面へ伝達する |
| I | 軸受け | 回転軸を滑らかに支持し，回転運動の摩擦を低減する |
(2)
【図の代替説明】
支柱の中空内部に鉛直方向に引張コイルばねを配置する。ばねの下端を支柱の底部に固定し、上端にワイヤを接続する。支柱の上部に滑車（プーリー）を設け、このワイヤを掛ける。ワイヤの他端を、回転軸（または主アームの回転中心付近）に設けた巻き取りドラムまたは偏心したピンに固定する。扉が閉まる動作に伴ってワイヤが引き出され、ばねが引き伸ばされて弾性エネルギーが蓄積される。扉を開ける際には、ばねの収縮する復元力がワイヤを介して扉を持ち上げる方向の補助トルクとして働き、人力での開閉を容易にする。この構成により、慣性モーメントの増加を防ぎつつ支柱内に機構を隠すことができる。
(3)
【図の代替説明】
施工・組立時の手順として、実際の扉や個別の回転軸を取り付ける前の状態を想定する。左右の支柱を所定の位置に立てる際、両側の軸受けに対して、両方の支柱間を跨ぐ長さを持ち、かつ剛性の高い「心出し用通し軸（ダミーシャフト）」を貫通させる。この通し軸によって左右の軸受けが強制的に幾何学的な同軸上に拘束された状態を作り出す。この同軸が保証された状態を維持したまま、高さ調節足を調整して支柱を垂直にし、アンカーボルト等で支柱を地面に完全に固定する。基礎の固定が完了した後、通し軸を引き抜き、実際の扉の回転軸を組み付ける。これにより、施工誤差による軸のズレを根本的に排除できる。
本题是一道非常典型的机械系统工程与面向装配设计（DFMA）的综合考题。第一问要求将机械装配体拆解为各个子零件，并使用功能性语言准确描述它们在系统中所承担的具体作用，这是价值工程中功能分析的标准步骤。第二问针对传统配重块会显著增加系统转动惯量导致启停吃力的问题，要求利用弹簧进行机构创新。利用拉伸弹簧配合滑轮与钢丝绳，不仅能提供克服重力所需的辅助力矩，还能将弹簧的弹性势能隐藏在空心立柱内，且弹簧本身的质量远小于配重铁块，极大地优化了系统的动态响应特性并提升了外观的美观度。第三问探讨了在分离的两个支撑结构中保证同轴度的经典工程难题。如果仅依靠单侧分别测量和调整，极易产生累积误差导致机构卡滞。最科学且高效率的工程实践是引入装配工艺基准，即在立柱地脚螺栓最终找平并拧紧固定之前，先使用一根刚性极好的整长“工艺通轴”（Dummy shaft）将左右两侧的轴承强制串联对齐。在通过这根通轴锁定同轴度几何关系的前提下，再进行地基固定。待固定完成后抽出工艺轴换上实际的工作轴，从而从根本上避免了因安装不同轴带来的运动干涉与内应力变形。