淺談教學實踐中機械零部件設計的創新

一、 機械零部件傳統的設計局限

傳統機械零部件的設計帶來了運用中出現的許多問題：零部件容易腐蝕損壞；零部件容易疲勞損壞、斷裂、表面剝落；零部件容易摩擦損壞等。這些問題的出現，都是機械零部件傳統的設計局限性所產生的。機械零部件設計是人類為了實現某種預期的目標而進行的一種創造性活動。傳統機械零部件設計的特點是以長期經驗積累為基礎，通過力學、數學建模及試驗等所形成的經驗公式、圖表、標準及規范作為依據，運用條件性計算或類比等方法進行設計。傳統設計在長期運用中得到不斷的完善和提高，目前在大多數情況下仍然是有效的設計方法，但是它有很多局限：在方案設計時憑借設計者有限的直接經驗或間接經驗，通過計算、類比分析等，以收斂思維方式，過早地確定方案。這種方案設計既不充分又不系統，不強調創新，因此很難得到最優方案；在機械零部件設計中，僅對重要的零部件根據簡化的力學模型或經驗公式進行靜態的或近似的設計計算，其他零部件只作類比設計，與實際工況有時相差較遠，難免造成失誤；傳統設計偏重于考慮產品自身的功能的實現，忽略人機環境之間關系的重要性；傳統設計采用手工計算、繪圖，設計的準確性差、工作周期長、效率低。

二、 創新思維機械零部件的設計思想

機械零部件設計的本質是創造和革新。現代機械零部件設計強調創新設計，要求在設計中更充分地發揮設計者的創造力，利用最新科技成果，在現代設計理論和方法的指導下，設計出更具有生命力的產品。

設計者的創造力是多種能力、個性和心理特征的綜合表現，它包括觀察能力、記憶能力、想象能力、思維能力、表達能力、自控能力、文化修養、理想信念、意志性格、興趣愛好等因素。其中想象能力和思維能力是創造力的核心，它是將觀察、記憶所得信息有控制地進行加工變換，創造表達出新成果的整個創造活動的中心。創造力的開發可以從培養創新意識、提高創新能力和素質、加強創新實踐等方面著手。設計者不是把設計工作當成例行公事，而是時刻保持強烈的創新愿望和沖動，掌握必要創新方法，加強學習和鍛煉，自覺開發創造力，成為一個符合現代設計需要的創新人才。

1. 運用發散思維

發散思維又稱輻射思維或求異思維等。它是以欲解決的問題為中心，思維者打破常規，從不同方向，多角度、多層次地考慮問題，求出多種答案的思維方式。例如，若提出“將兩零部件聯結在一起”的問題，常規的辦法有螺紋聯結、焊接、膠接、鉚接等，但運用發散思維思考，可以得到利用電磁力、摩擦力、壓差或真空、綁縛、冷凍等方法。發散思維是創造性思維的主要形式之一，在技術創新和方案設計中具有重要的意義。

2. 運用創新思維

創造力的核心是創新思維。創新思維是一種最高層次的思維活動，它是建立在各類常規思維基礎上的。人腦在外界信息激勵下，將各種信息重新綜合集成，產生新的結果的思維活動過程就是創新思維。機械零部件設計的過程是創新的過程。設計者應打破常規思維的慣例，追求新的功能原理、新方案、新結構、新造型、新材料、新工藝等，在求異和突破中體現創新。

三、 科學地進行機械零部件設計

1. 把握機械零部件設計的主要內容

機械零部件設計是機械設計的重要組成部分，機械運動方案中的機械和構件只有通過零部件設計才能得到用于加工的零部件工作圖和部件裝配圖，同時它也是機械總體設計的基礎。機械零部件設計的主要內容包括：根據運動方案設計和總體設計的要求，明確零部件的工作要求、性能、參數等，選擇零部件的結構構形、材料、精度等，進行失效分析和工作能力計算，畫出零部件圖和部件裝配圖。機械產品整機應滿足的要求是由零部件設計所決定的，機械零部件設計應滿足的要求為：在工作能力上要求具體有強度、剛度、壽命、耐磨性、耐熱性、振動穩定性及精度等；在工藝性上要求加工、裝配具有良好的工藝性及維修方便；在經濟性上的要求主要指生產成本要低。此外，還要滿足噪聲控制、防腐性能、不污染環境等環境保護要求和安全要求等。這些要求往往互相牽制，需全面綜合考慮。

2. 嚴格計算機械零部件的失效形式

機械零部件由于各種原因不能正常工作而失效，其失效形式很多，主要有斷裂、表面壓碎、表面點蝕、塑性變形、過度彈性變形、共振、過熱及過度磨損等。為了保證零部件能正常工作，在設計零部件時應首先進行零部件的失效分析，預估失效的可能性，采取相應措施，其中包括理論計算，計算所依據的條件稱為計算準則，常用的計算準則有：一是強度準則。強度是機械零部件抵抗斷裂、表面疲勞破壞或過大塑性變形等失效的能力。強度要求是保證機械零部件能正常工作的基本要求。二是剛度準則。剛度是指零部件在載荷的作用下，抵抗彈性變形的能力。剛度準則要求零部件在載荷作用下的彈性變形在允許用的極限值之內。三是振動穩定性準則。對于高速運動或剛度較小的機械，在工作時應避免發生共振。振動穩定性準則要求所設計的零部件的固有頻率與其工作時所受激振源的頻率錯開。四是耐熱性準則。機械零部件在高溫工作條件下，由于過度受熱，會引起潤滑油失效、氧化、膠合、熱變形、硬度降低等問題，使零部件失效或機械精度降低。因此，為了保證零部件在高溫下正常工作，應合理設計其結構及合理選擇材料，必要時須采用水冷或氣冷等降溫措施。五是耐磨性準則。耐磨性是指相互接觸并運動零部件的工作表面抵抗磨損的能力。當零部件過度磨損后，將改變其結構形狀和尺寸，削弱其強度，降低機械精度和效率，以致零部件失效報廢。因此，機械設計時應采取措施，力求提高零部件的耐磨性。

3. 正確選擇機械零部件表面粗糙度

表面粗糙度是反映零部件表面微觀幾何形狀誤差的一個重要技術指標，是檢驗零部件表面質量的主要依據；它選擇的合理與否，直接關系到產品的質量、使用壽命和生產成本。機械零部件表面粗糙度的選擇方法有三種，即計算法、試驗法和類比法。在機械零部件設計工作中，應用最普通的是類比法，此法簡便、迅速、有效。應用類比法需要有充足的參考資料，現有的各種機械設計手冊中都提供了較全面的資料和文獻。最常用的是與公差等級相適應的表面粗糙度。在通常情況下，機械零部件尺寸公差要求越小，機械零部件的表面粗糙度值也越小，但是它們之間又不存在固定的函數關系。在實際工作中，對于不同類型的機器，其零部件在相同尺寸公差的條件下，對表面粗糙度的要求是有差別的。這就是配合的穩定性問題。在機械零部件的設計和制造過程中，對于不同類型的機器，其零部件的配合穩定性和互換性的要求是不同的。在設計工作中，表面粗糙度的選擇歸根結底還是必須從實際出發，全面衡量零部件的表面功能和工藝經濟性，才能作出合理的選擇。

4. 全面優化機械零部件設計方法

要充分運用機械學理論和方法，包括機械學、機械動力學、摩擦學、機械結構強度學、傳動機械學等。隨著計算機輔助分析的不斷發展，對設計的關鍵技術問題能作出很好的處理，一系列新型的設計準則和方法正在形成。計算機輔助設計（CAD）是把計算機技術引入設計過程，利用計算機完成選型、計算、繪圖及其他作業的現代設計方法。CAD技術促成機械零部件設計發生巨大的變化，并成為現代機械設計的重要組成部分。目前，CAD技術向更深更廣的方向發展，主要表現為以下基于專家系統的智能CAD；CAD系統集成化、CAD與CAM（計算機輔助制造）的集成系統（CAD/CAM）；動態三維造型技術；基于并行工程，面向制造的設計技術（DFM）；分布式網絡CAD系統。

(山東省交通技術學院)