1、淺談機械結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計于超（西京學院機械工程學院，機制1207）摘要 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計指零件的結(jié)構(gòu)形狀及零件間的聯(lián)接關(guān)系的設(shè)計。是機械設(shè)計的主要組成部分，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)計不是簡單重復的操作性工作，而是創(chuàng)造性工作。豐富知識是從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的前提，巧妙構(gòu)形組合是結(jié)構(gòu)創(chuàng)造性設(shè)計的核心。關(guān)鍵詞 機械；機構(gòu)；構(gòu)型；創(chuàng)新；設(shè)計 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)除應能夠?qū)崿F(xiàn)原理方案所規(guī)定的動作要求外

2、還應能滿足設(shè)計對結(jié)構(gòu)的強度、剛度、精度、穩(wěn)定性、工藝性、壽命、可靠性等方面的要求。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要特征之一是設(shè)計問題的多解性即滿足同一設(shè)計要求的機械結(jié)構(gòu)并不是唯一的。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務是在眾多的可行結(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)計方法使設(shè)計者從一個已知的可行結(jié)構(gòu)方案出發(fā)通過變換得到大量的可行方案。通過對這些方案中參數(shù)的優(yōu)化可以使設(shè)計者得到多個局部最優(yōu)解再通過對這些局部最優(yōu)解的分析和比較就可以得到較優(yōu)解或全局最優(yōu)解。1 結(jié)構(gòu)方案的變異設(shè)計目的是尋求滿足設(shè)計要求的獨立的設(shè)計方案以便對

3、其進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計變異設(shè)計的基本方法是首先通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的分析得出一般結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中所包含的技術(shù)要素的構(gòu)成。然后再分析每一個技術(shù)要素的取值范圍通過對這些技術(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立的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。一般機械結(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技術(shù)要素的變異設(shè)計方法。1.1功能面的變異機械結(jié)構(gòu)的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關(guān)系實現(xiàn)的。零件的幾何形狀由它的表面所構(gòu)成，一個零件通常有多個表面。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

4、能表面是決定機械功能的重要因素，功能表面的設(shè)計是零部件設(shè)計的核心問題。通過對功能表面的變異設(shè)計可以得到為實現(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。通過對這幾個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1.2聯(lián)接的變異一個不與其他零部件相接觸的零件具有6個自由度。機械設(shè)計中通過規(guī)定零件之間適當?shù)穆?lián)接方式限制零件的某些自由度，保留機器的功能所必需的自由度，使機器在工作中能夠?qū)崿F(xiàn)確定形式的運動關(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表面的接觸實現(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

5、緊固力不同從而對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)接對相對運動自由度的限制可能有1固定聯(lián)接限制6個相對運動自由度。2滑動聯(lián)接限制5個相對運動自由度。3轉(zhuǎn)動聯(lián)接限制5個相對運動自由度。4移動、轉(zhuǎn)動聯(lián)接限制5個相對運動自由度。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，它以最簡單的結(jié)構(gòu)形狀獲得足夠的壓力。缺點是裝配和拆卸都很不方便并引起較大的應力集中。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

6、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，拆卸過程則相反。常用的力鎖合聯(lián)接有楔鍵聯(lián)接、彈性環(huán)聯(lián)接、圓柱面過盈聯(lián)接、圓錐面過盈聯(lián)接、頂絲聯(lián)接、容差環(huán)聯(lián)接、星盤聯(lián)接、壓套聯(lián)接和液壓漲套聯(lián)接等常用的力鎖合聯(lián)接軸系的工作性能與它的支承設(shè)計的狀況和質(zhì)量密切相關(guān)。下圖為常用的力鎖合連接1.3材料的變異機械設(shè)計中可以選擇的材料種類眾多，不同的材料具有不同的性能，不同的材料對應不同的加工工藝。結(jié)構(gòu)設(shè)計中既要根據(jù)功能的要求合理地選擇適當?shù)牟牧希忠鶕?jù)材料的種類確定適當?shù)募庸すに嚕⒏鶕?jù)加工工藝的要求確定適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)。只有通過適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)

7、設(shè)計才能使所選擇的材料最充分地發(fā)揮優(yōu)勢。要做到正確地選擇結(jié)構(gòu)材料就必須充分地了解所選材料的力學性能、加工性能、使用成本等信息。例如彈性聯(lián)軸器的設(shè)計中需要選擇彈性元件的材料有金屬、橡膠、尼龍、膠木等。由于所選彈性元件材料的不同，使得聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)變化很大。由于彈性元件的壽命短，使用中需多次更換。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應為更換彈性元件提供可能和方便，為更換彈性元件留有必要的操作空間使更換彈性元件所必須拆卸、移動的零件盡量少。結(jié)構(gòu)設(shè)計中應根據(jù)所選材料的特性及其所對應的加工工藝而遵循不同的設(shè)計原則。鋼材受拉和受壓時的力學特性基本相同，因此鋼梁結(jié)構(gòu)多為對稱結(jié)構(gòu)。鑄鐵材料的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此承受彎矩的鑄鐵結(jié)

8、構(gòu)截面多為非對稱形狀，以使承載時最大壓應力大于最大拉應力。塑料結(jié)構(gòu)的強度較差，螺紋聯(lián)接件產(chǎn)生的裝配力很容易使塑料零件損壞。在兩個被聯(lián)接件上分別做出形狀簡單的搭鉤和凹槽，裝配時利用塑料零件彈性變形量大的特點使搭鉤與凹槽互相咬合實現(xiàn)聯(lián)接，裝配過程簡單準確、便于操作。設(shè)計的結(jié)果要通過制造和裝配實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計中如果能根據(jù)所選材料的工藝特點合理地確定結(jié)構(gòu)形式則會為制造過程帶來方便。在結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計時，還要考慮到工作條件與外界因素對零件功熊效果的影響。例如對于高速帶傳動，為增加帶的撓曲性，在帶的非工作面上一般均開有橫向溝槽；帶輪一般制成鼓形，運轉(zhuǎn)時保持帶位于帶輪的中部，以防止脫落；為避免帶與帶輪之間生成氣墊

9、，影響傳力的可靠性,在小帶輪的輪緣上開有環(huán)形槽。揚長避短、性能互補結(jié)構(gòu)形狀要有利于材料性能的發(fā)揮。如鑄鐵的抗壓強度比抗拉強度高，因此鑄鐵就要設(shè)計成承受抗壓狀態(tài)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。陶瓷材料承受局部集中載荷的能力差,在與金屬件的連接中，應避免其弱點。塑料是常用的加工材料之一，質(zhì)量輕，成本低，能制成很復雜的形狀，但強度、剛度低，易老化。將剛性與柔性材料合理搭配，在剛性部件中對某些零件賦予柔性，使其能用接觸時的變形來補償工作表面幾何形狀的誤差。2 提高性能的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法機械產(chǎn)品的性能不但與原理設(shè)計有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量也直接影響產(chǎn)品的性能，甚至影響產(chǎn)品功能的實現(xiàn)。下面分別分析為提高結(jié)構(gòu)的強度、剛度、精

10、度、工藝性等方面性能常采用的設(shè)計方法和設(shè)計原則。強度和剛度是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本問題通過正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減小單位載荷所引起的材料應力和變形量，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。2.1強度和剛度都與結(jié)構(gòu)受力有關(guān)，在外載荷不變的情況下降低結(jié)構(gòu)受力是提高強度和剛度的有效措施。載荷分擔載荷引起結(jié)構(gòu)受力如果多種載荷作用在同一結(jié)構(gòu)上就可能引起局部應力過大。結(jié)構(gòu)設(shè)計中應將載荷由多個結(jié)構(gòu)分別承擔。這樣有利于降低危險結(jié)構(gòu)處的應力，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力這，種方法稱為載荷分擔。載荷分擔彎矩和扭矩同時作用會在軸上引起較大應力。 結(jié)構(gòu)中增加了一個支承套帶輪通過端蓋將扭矩傳給軸，通過軸承將壓軸力傳給支承套。載荷平衡在機械傳動中有些做功的

11、力必須使其沿傳動鏈傳遞，有些不做功的力應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。減小應力集中應力集中是影響承受交變應力的結(jié)構(gòu)承載能力的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計應設(shè)法緩解應力集中。在零件的截面形狀發(fā)生變化處力流會發(fā)生變化，局部力流密度的增加引起應力集中。減小應力集中零件截面形狀的變化越突然應力集中就越嚴重，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應盡力避免使結(jié)構(gòu)受力較大處的零件形狀突然變化，以減小應力集中對強度的影響。零件受力變形時不同位置的變形阻力(剛度)不相同也會引起應力集中。設(shè)計中通過降低應力集中處附近的局部剛度可以有效地降低應力集中。由于結(jié)構(gòu)

12、定位等功能的需要在絕大部分結(jié)構(gòu)中不可避免地會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸及形狀的變化這些變化都會引起應力集中。如果多種變化出現(xiàn)在同一結(jié)構(gòu)截面處將引起嚴重的應力集中，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計中應盡力避免這種情況。2.2提高機械精度設(shè)計通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減小由于制造、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)行機構(gòu)對各項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?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計可以在原始誤差不變的情況下使執(zhí)行機構(gòu)的誤差較小。試驗證明螺旋傳動的誤差可以小于螺桿本身的螺距誤差。千分尺的累積測量誤差千分尺螺桿的螺距累積誤差。誤差均化機械精度的均化原理在機構(gòu)中如果

13、有多個聯(lián)接點同時對一種運動起限制作用則運動件的運動誤差決定于各聯(lián)接點的綜合影響其運動精度高于一個聯(lián)接點的限制作用。在一定條件下增加螺旋傳動中起作用的螺紋圈數(shù)使多圈螺紋同時起作用。不但可以提高螺旋傳動的承載能力和耐磨性，而且可以提高傳動精度。2.3提高工藝性結(jié)構(gòu)設(shè)計要根據(jù)機械切削加工機床的設(shè)備特點，為裝卡過程提供必要的夾持面。夾持面的形狀和位置應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零件上的多個相關(guān)表面進行加工，這將有效地提高加工效率。例如上圖只有兩個圓錐表面用，卡盤無法裝卡。增加了兩個圓柱形表面，這個表面在零件工作中不起

14、作用，只是為了實現(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)計中盡量減加工表面的數(shù)量和種類是一條重要的設(shè)計原則。簡化裝配、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器。裝配的質(zhì)量直接影響機器設(shè)備的運行質(zhì)量，設(shè)計中是否考慮裝配過程的需要也直接影響裝配工作的難度。3 結(jié)構(gòu)的宜人化設(shè)計宜人結(jié)構(gòu)是指機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀應該適合人的生理和心理要求，使得操作安全、準確省力、簡便，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)計與構(gòu)型時應該考慮操作者的施力情況，避免操作者長期保持一種非 自然狀態(tài)下的姿勢.如圖下所

15、示各種手工操作工具改進前后的結(jié)構(gòu)形狀。改進前結(jié)構(gòu)形狀呆板，操作者使用時長期處于非自然狀態(tài)，容易疲勞；改進后結(jié)構(gòu)形狀柔和，操作者在使用時基本處于自然狀態(tài)，長期使用也不覺疲勞。3.2.提高操作能力的結(jié)構(gòu)操作者在操作機械設(shè)備或裝置時需要用力，人處于不同姿勢、不同方向、不 同手段用力時發(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 姿勢有關(guān)，-般坐姿時腳的推力大，當操作力超過50150時宜選腳力控制。用手操作的手輪、手柄或杠桿外形應設(shè)計得使手握舒服，不滑動，用腳操作最好采用坐姿，座椅要有靠背，腳踏板應設(shè)在座椅前正中位置。3.3減少操作錯誤的結(jié)構(gòu)為減少操作錯誤，操作零件的外形要簡單，容易辨認

16、。操作位置要合適，應力求使操作零件位于操作者的手或腳夠得著的位置。應給操作者提供一個可減輕疲勞的座位，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與零件的功能、零件的材料、載荷特點、加工方法相適應，同時也要適應人的反應。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。好的機器一定是漂亮的機器。4 方便制造與操作的結(jié)構(gòu)設(shè)計與創(chuàng)新在滿足使用功能的前提下，設(shè)計者應力求使所設(shè)計產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝簡單、消耗少、成本低、使用方便、操作容易、壽命長。4.1加工工藝的結(jié)構(gòu)構(gòu)型對于機械加工的零件，在構(gòu)型上要考慮到使裝卡、加工與測量時間比較短， 設(shè)備費用低等因素。主要體現(xiàn)在加工面的

17、形狀力求簡單，尺寸力求小，位置應方便裝卡與刀具的退出，避免在斜面上鉆孔，避免在內(nèi)表面上進行復雜的加工等。對于復雜的零件，加工工序增加、材料浪費、成本將增高。為改變這樣的結(jié)構(gòu)可采用組合件來實現(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簡化結(jié)構(gòu)只有精煉的，簡單的才是設(shè)計的進步，也是設(shè)計者的愿望。聯(lián)接結(jié)構(gòu)的簡化。例如塑料結(jié)構(gòu)的強度較差，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，使搭鉤與凹槽實現(xiàn)聯(lián)接，裝配過程簡單、準確、操作方便。鉸鏈結(jié)構(gòu)的簡化。由金屬制成的鉸鏈結(jié)構(gòu)比較復雜，對于常用

18、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)大大簡化。總結(jié)機械創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計在目前產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和建設(shè)當中占據(jù)著十分重要的比例，因此研究其具有不菲的價值，但是研究機械創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計并非一件簡單的事情，對于設(shè)計者和研究者都提出了非常高的要求，不僅在專業(yè)知識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。機構(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)的改進或者創(chuàng)新以滿足生產(chǎn)生活中的新要求。我認為，要進行機械創(chuàng)新設(shè)計要有兩個必要條件：一是充分獲取適用的知識；二是要使用符合創(chuàng)新設(shè)計思維并能激發(fā)創(chuàng)新思維的設(shè)計系統(tǒng)。設(shè)計過程充滿了矛盾，所獲取的知識應有助于矛盾的迅速解決。另外，人類的創(chuàng)新設(shè)計思維模式是在長期的成功設(shè)計經(jīng)驗中總結(jié)形成的。 從創(chuàng)新設(shè)計思維的研究出發(fā)，融合知識獲取方法，研究創(chuàng)新設(shè)計理論。【參考文獻】 【1】 姜加之，雍學智。技術(shù)革新原理及方法。武漢：