淺談機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

淺談機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)于超（西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，機(jī)制1207）[摘要]機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指零件的結(jié)構(gòu)形狀及零件間的聯(lián)接關(guān)系的設(shè)計(jì)。是機(jī)械設(shè)計(jì)的主要組成部分，是涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。在這些具體化的過程中需要考慮材料的力學(xué)性能、零部件的功能、工作條件、加工工藝、裝配、使用、成本、安全、環(huán)保等各種因素的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單重復(fù)的操作性工作，而是創(chuàng)造性工作。豐富知識(shí)是從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的前提，巧妙構(gòu)形組合是結(jié)構(gòu)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的核心。[關(guān)鍵詞]機(jī)械；機(jī)構(gòu)；構(gòu)型；創(chuàng)新；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中所有零部件的形狀、尺寸、位置、數(shù)量、材料、熱處理方式和表面狀況所確定的結(jié)構(gòu)除應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)原理方案所規(guī)定的動(dòng)作要求外還應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、精度、穩(wěn)定性、工藝性、壽命、可靠性等方面的要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要特征之一是設(shè)計(jì)問題的多解性即滿足同一設(shè)計(jì)要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不是唯一的。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在眾多的可行結(jié)構(gòu)方案中尋求較好的或最好的方案。找出所有的局部最優(yōu)解并從中找出全局最優(yōu)解得到最好的設(shè)計(jì)方案。這就需要發(fā)揮創(chuàng)造性思維方法的作用。結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì)方法使設(shè)計(jì)者從一個(gè)已知的可行結(jié)構(gòu)方案出發(fā)通過變換得到大量的可行方案。通過對(duì)這些方案中參數(shù)的優(yōu)化可以使設(shè)計(jì)者得到多個(gè)局部最優(yōu)解再通過對(duì)這些局部最優(yōu)解的分析和比較就可以得到較優(yōu)解或全局最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計(jì)目的是尋求滿足設(shè)計(jì)要求的獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案以便對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)變異設(shè)計(jì)的基本方法是首先通過對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析得出一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中所包含的技術(shù)要素的構(gòu)成。然后再分析每一個(gè)技術(shù)要素的取值范圍通過對(duì)這些技術(shù)要素在各自的取值范圍內(nèi)的充分組合就可以得到足夠多的獨(dú)立的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)的技術(shù)要素包括零件的幾何形狀零件之間的聯(lián)接和零件的材料及熱處理方式。以下分別分析這幾個(gè)技術(shù)要素的變異設(shè)計(jì)方法。1.1功能面的變異機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機(jī)械零部件的幾何形狀及各個(gè)零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。零件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個(gè)零件通常有多個(gè)表面。在這些表面中與其他零部件相接觸的表面，與工作介質(zhì)或被加工物體相接觸的表面稱為功能表面。零件的功能表面是決定機(jī)械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計(jì)是零部件設(shè)計(jì)的核心問題。通過對(duì)功能表面的變異設(shè)計(jì)可以得到為實(shí)現(xiàn)同一技術(shù)功能的多種結(jié)構(gòu)方案。描述功能表面的主要幾何參數(shù)有表面的形狀、尺寸大小、表面數(shù)量、位置、順序等。通過對(duì)這幾個(gè)方面的變異可以得到多組構(gòu)型方案。下圖為螺釘頭工作表面變異設(shè)計(jì)1.2聯(lián)接的變異一個(gè)不與其他零部件相接觸的零件具有6個(gè)自由度。機(jī)械設(shè)計(jì)中通過規(guī)定零件之間適當(dāng)?shù)穆?lián)接方式限制零件的某些自由度，保留機(jī)器的功能所必需的自由度，使機(jī)器在工作中能夠?qū)崿F(xiàn)確定形式的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。聯(lián)接的作用是通過零件的工作表面與其他零件的相應(yīng)表面的接觸實(shí)現(xiàn)的。不同形式的聯(lián)接由于相接觸的工作表面形狀不同、表面間所施加的緊固力不同從而對(duì)零件的自由度形成不同的約束。以軸轂聯(lián)接為例。軸與輪轂的聯(lián)接對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度的限制可能有1固定聯(lián)接限制6個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。2滑動(dòng)聯(lián)接限制5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。3轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接限制5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。4移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接限制5個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度。按照聯(lián)接中形成鎖合力的條件可將固定式軸轂聯(lián)接分為形鎖合聯(lián)接和力鎖合聯(lián)接。力鎖合聯(lián)接依靠被聯(lián)接件表面間的壓力所派生的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩和軸向力，表面間壓力的產(chǎn)生可以依靠多種不同的結(jié)構(gòu)措施。過盈配合是一種常用的結(jié)構(gòu)措施，它以最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形狀獲得足夠的壓力。缺點(diǎn)是裝配和拆卸都很不方便并引起較大的應(yīng)力集中。常用的形鎖合聯(lián)接有銷聯(lián)接、平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、成形聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。為構(gòu)造裝拆方便的力鎖合聯(lián)接結(jié)構(gòu)必須使聯(lián)接裝配時(shí)表面間無過盈。裝配后通過其他調(diào)整措施使表面間產(chǎn)生過盈，拆在機(jī)械傳動(dòng)中有些做功的力必須使其沿傳動(dòng)鏈傳遞，有些不做功的力應(yīng)盡可能使其傳遞路線變短。如果使其在同一零件內(nèi)與其他同類載荷構(gòu)成平衡力系則其他零件不受這些載荷的影響利于提高結(jié)構(gòu)的承載能力。減小應(yīng)力集中應(yīng)力集中是影響承受交變應(yīng)力的結(jié)構(gòu)承載能力的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)法緩解應(yīng)力集中。在零件的截面形狀發(fā)生變化處力流會(huì)發(fā)生變化，局部力流密度的增加引起應(yīng)力集中。減小應(yīng)力集中零件截面形狀的變化越突然應(yīng)力集中就越嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡力避免使結(jié)構(gòu)受力較大處的零件形狀突然變化，以減小應(yīng)力集中對(duì)強(qiáng)度的影響。零件受力變形時(shí)不同位置的變形阻力(剛度)不相同也會(huì)引起應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)中通過降低應(yīng)力集中處附近的局部剛度可以有效地降低應(yīng)力集中。由于結(jié)構(gòu)定位等功能的需要在絕大部分結(jié)構(gòu)中不可避免地會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸及形狀的變化這些變化都會(huì)引起應(yīng)力集中。如果多種變化出現(xiàn)在同一結(jié)構(gòu)截面處將引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡力避免這種情況。2.2提高機(jī)械精度設(shè)計(jì)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減小由于制造、安裝等原因產(chǎn)生的原始誤差；減小由于溫度磨損、構(gòu)件變形等原因產(chǎn)生的工作誤差；減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)各項(xiàng)誤差的敏感程度從而提高產(chǎn)品的精度。制造和安裝過程中產(chǎn)生的誤差是不可避免的，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在原始誤差不變的情況下使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤差較小。試驗(yàn)證明螺旋傳動(dòng)的誤差可以小于螺桿本身的螺距誤差。千分尺的累積測(cè)量誤差千分尺螺桿的螺距累積誤差。誤差均化機(jī)械精度的均化原理在機(jī)構(gòu)中如果有多個(gè)聯(lián)接點(diǎn)同時(shí)對(duì)一種運(yùn)動(dòng)起限制作用則運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)誤差決定于各聯(lián)接點(diǎn)的綜合影響其運(yùn)動(dòng)精度高于一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)的限制作用。在一定條件下增加螺旋傳動(dòng)中起作用的螺紋圈數(shù)使多圈螺紋同時(shí)起作用。不但可以提高螺旋傳動(dòng)的承載能力和耐磨性，而且可以提高傳動(dòng)精度。2.3提高工藝性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)機(jī)械切削加工機(jī)床的設(shè)備特點(diǎn)，為裝卡過程提供必要的夾持面。夾持面的形狀和位置應(yīng)使零件在切削力的作用下具有足夠的剛度。零件上的被加工面應(yīng)能夠通過盡量少的裝卡次數(shù)得以完成。如果能夠通過一次裝卡對(duì)零件上的多個(gè)相關(guān)表面進(jìn)行加工，這將有效地提高加工效率。例如上圖只有兩個(gè)圓錐表面用，卡盤無法裝卡。增加了兩個(gè)圓柱形表面，這個(gè)表面在零件工作中不起作用，只是為了實(shí)現(xiàn)工藝過程而設(shè)的這種表面稱為工藝表面。方便加工切削加工所要形成的幾何表面的數(shù)量、種類越多加工所需的工作量就越大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量減加工表面的數(shù)量和種類是一條重要的設(shè)計(jì)原則。簡(jiǎn)化裝配、調(diào)整和拆卸加工好的零部件要經(jīng)過裝配才能成為完整的機(jī)器。裝配的質(zhì)量直接影響機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，設(shè)計(jì)中是否考慮裝配過程的需要也直接影響裝配工作的難度。結(jié)構(gòu)的宜人化設(shè)計(jì)宜人結(jié)構(gòu)是指機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)該適合人的生理和心理要求，使得操作安全、準(zhǔn)確省力、簡(jiǎn)便，減輕操作的疲勞，提高工作效率。3.1減少操作疲勞的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)型時(shí)應(yīng)該考慮操作者的施力情況，避免操作者長(zhǎng)期保持一種非自然狀態(tài)下的姿勢(shì).如圖下所示各種手工操作工具改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)形狀。改進(jìn)前結(jié)構(gòu)形狀呆板，操作者使用時(shí)長(zhǎng)期處于非自然狀態(tài)，容易疲勞；改進(jìn)后結(jié)構(gòu)形狀柔和，操作者在使用時(shí)基本處于自然狀態(tài)，長(zhǎng)期使用也不覺疲勞。3.2.提高操作能力的結(jié)構(gòu)操作者在操作機(jī)械設(shè)備或裝置時(shí)需要用力，人處于不同姿勢(shì)、不同方向、不同手段用力時(shí)發(fā)力能力差別很大。一般人的右手握力大于左手。腳力的大小也與姿勢(shì)有關(guān)，-般坐姿時(shí)腳的推力大，當(dāng)操作力超過50—150時(shí)宜選腳力控制。用手操作的手輪、手柄或杠桿外形應(yīng)設(shè)計(jì)得使手握舒服，不滑動(dòng)，用腳操作最好采用坐姿，座椅要有靠背，腳踏板應(yīng)設(shè)在座椅前正中位置。3.3減少操作錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)為減少操作錯(cuò)誤，操作零件的外形要簡(jiǎn)單，容易辨認(rèn)。操作位置要合適，應(yīng)力求使操作零件位于操作者的手或腳夠得著的位置。應(yīng)給操作者提供一個(gè)可減輕疲勞的座位，指示儀表在操作者視野范圍之內(nèi)。3.4外形與色彩零件的外形應(yīng)與零件的功能、零件的材料、載荷特點(diǎn)、加工方法相適應(yīng)，同時(shí)也要適應(yīng)人的反應(yīng)。除滿足使用功能、加工條件、材料特性外，還要考慮外形的和諧、均衡、穩(wěn)定。好的機(jī)器一定是漂亮的機(jī)器。方便制造與操作的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新在滿足使用功能的前提下，設(shè)計(jì)者應(yīng)力求使所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、消耗少、成本低、使用方便、操作容易、壽命長(zhǎng)。4.1加工工藝的結(jié)構(gòu)構(gòu)型對(duì)于機(jī)械加工的零件，在構(gòu)型上要考慮到使裝卡、加工與測(cè)量時(shí)間比較短，設(shè)備費(fèi)用低等因素。主要體現(xiàn)在加工面的形狀力求簡(jiǎn)單，尺寸力求小，位置應(yīng)方便裝卡與刀具的退出，避免在斜面上鉆孔，避免在內(nèi)表面上進(jìn)行復(fù)雜的加工等。對(duì)于復(fù)雜的零件，加工工序增加、材料浪費(fèi)、成本將增高。為改變這樣的結(jié)構(gòu)可采用組合件來實(shí)現(xiàn)同樣的功能。加工難度較大。但若將小軸改變?yōu)橛媒M合方式裝配上去，則既改善工藝性，又不失去原有功能。4.2簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)只有精煉的，簡(jiǎn)單的才是設(shè)計(jì)的進(jìn)步，也是設(shè)計(jì)者的愿望。聯(lián)接結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。例如塑料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較差，用螺紋聯(lián)接塑料零件很容易損壞，并且加工制造，安裝裝配都比較麻煩。若充分利用塑料零件彈性變形量大的特點(diǎn)，使搭鉤與凹槽實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，裝配過程簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、操作方便。鉸鏈結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。由金屬制成的鉸鏈結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)于常用的載荷很小的鉸鏈聯(lián)接結(jié)構(gòu)用塑料制作就可以將結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化?？偨Y(jié)機(jī)械創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在目前產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和建設(shè)當(dāng)中占據(jù)著十分重要的比例，因此研究其具有不菲的價(jià)值，但是研究機(jī)械創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并非一件簡(jiǎn)單的事情，對(duì)于設(shè)計(jì)者和研究者都提出了非常高的要求，不僅在專業(yè)知識(shí)方面要熟練甚至精通，還要有敏捷的分析能力和發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，創(chuàng)新的思想和技術(shù)知識(shí)。機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新不是漫無目的的空想，而是基于現(xiàn)有的技術(shù)的改進(jìn)或者創(chuàng)新以滿足生產(chǎn)生活中的新要求。我認(rèn)為，要進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)要有兩個(gè)必要條件：一是充分獲取適用的知識(shí)；二是要使用符合創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維并能激發(fā)創(chuàng)新思維的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程充滿了矛盾，所獲取的知識(shí)應(yīng)有助于矛盾的迅速解決。另外，人類的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維模式是在長(zhǎng)期的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)形成的。

從創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維的研究出發(fā)，融合知識(shí)獲取方法，研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論。【參考文獻(xiàn)】

姜加之，雍學(xué)智。技術(shù)革新原理及方法。武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1990。周昌忠。創(chuàng)造之謎：創(chuàng)造學(xué)