機械零部件的創新設計分析

劉金平

（濮陽市職業中專 河南 濮陽 457000）

現代機械設計與制造業作為國民經濟的支柱, 是衡量我國國民經濟發展的重要指標之一, 其發展更離不開創新思維和創新人才的支撐.。 對于我們來說，就要培養創新意識，鍛煉創新的思維。 對機械零件進行創新設計，挖掘創新性思維，就顯得尤為重要。本文就針對機械零部件的創新設計進行分析。

1 機械零部件傳統的設計局限

通常機械零部件設計的特點是以長期的經驗積累為制作基礎, 通過力學、 數學建模或者是試驗等所形成的經驗公式、圖表、標準及規范作為依據,來確定其結構和尺寸,但是這樣的設計不免會帶來一些局限性的問題。 比如腐蝕、磨損、疲勞斷裂、拆后重裝失準、加工費時費料、不夠人性化等，即使運用了一些新材料、新的熱處理、新的表面處理技術，但疲勞斷裂、加工費時費料、不夠人性化等問題也避免不了，要解決這些問題，這就要求對機械零部件設計進行大膽創新。

2 機械零部件的創新設計思想

現代化的機械零部件設計強調創新，要求在設計中更充分地發揮設計者的想象力和創造力， 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，從而做到結構創新（采用新的技術手段和技術原理）和工藝創新（采用先進的生產工藝）。

2.1 運用類比思維

類比思維就是基于某一個相同點或者相似點， 將外觀、性質、用途不完全相同的事物進行比較，從而找出能夠達到目的的最佳方案。 如飛機與鳥類、飛機與蜻蜓，由鳥的飛行運動制成了飛機；機械手爪就是與人手類比而設計出來的。 如果考慮采用這種思維模式或許可以設計出新零件。

2.2 運用聯想思維

聯想思維是指通過對兩種以上事物之間所存在的關聯性與可比性，去擴展人腦中固有的思維，從而獲得更多的設想、預見和推測。 聯想思維在機械零件設計中是不可缺的重要運用，是決定設計創作成功與否的重要因素之一。 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。

2.3 運用發散思維

發散性思維的特征是: 個人的思想沿著眾多不同方向擴展,發散到各個與其相關的方面, 多思路、多方面地去思考問題,具有流暢性、變通性和獨特性的特點。 應用發散性思維分析問題、解決問題,要充分利用已有的思維定勢,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，可以想到利用電磁力、摩擦力、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。

3 合理有效地進行機械零部件設計

3.1 科學地進行機械零件疲勞強度設計

隨著我國建設和生產的快速發展，對各種機械設備的需求量及質量要求也在快速增加。 疲勞失效的問題也越來越突出越嚴重。 因此掌握疲勞強度設計的基本原理和方法，并在機械設計、制造等各個環節中予以應用，就會防止或大大減少設備疲勞斷裂事故的發生。 從而收到巨大的經濟效益和社會效益。 1）機械強度設計 先以靜強度計算確定零部件的初步尺寸， 然后進行疲勞強度的校核計算。 2） 有限壽命設計為了充分利用材料的承載能力,減小零部件或構件的截面積,減輕重量,在確保零部件使用壽命的前提下,采用超過疲勞極限的工作應力來進行疲勞設計,以避免發生疲勞破壞。3）常規疲勞設計 用標準試樣疲勞試驗先得到材料的疲勞極限及疲勞極限圖等，在考慮零部件由于尺寸、表面狀況等影響因素而進行疲勞設計。

3.2 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環節之一，機械運動方案中的機構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，同時機械零部件設計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和性能所決定的，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。 這些要求往往互相牽制，需全面綜合考慮。

3.3 準確地進行零部件表面粗糙度的選擇

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷表面不平整，是檢驗零部件表面質量的主要依據。 通常表面粗糙度大小會影響零件的耐磨性、配合性質的穩定性、零件的疲勞強度、零件的抗腐蝕性、零件的密封性、零件的接觸剛度以及零件的測量精度。

表面粗糙度大小選擇合理與否，直接關系到產品的質量、性能、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3 種，即計算法、試驗法和類比法。在設計工作中，表面粗糙度的選擇歸根到底還是必須從實際應用出發， 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。

3.4 正確進行機械零部件的失效計算

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、過量變形、表面失效、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，進行有關計算： 強度要求是保證機械零部件能正常工作的基本要求；剛度要求零部件在載荷作用下的彈性變形必須在允許的承受范圍之內；振動穩定性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；耐磨性則要求相互接觸并運動零部件的工作表面具有抵抗磨損的能力。

3.5 優化機械零部件設計

機械零部件的優化設計是把優化技術應用到機械零件設計中，通過對機械零部件的優化設計，確定出它們的最佳參數和結構尺寸，從而提高各種機械產品及技術裝備的設計水平。在機械設計中采用優化設計方法， 在保證零部件機械性能的前提下降低成本，這將為企業帶來巨大的經濟效益。 機械零件設計中包含了許多優化問題，例如零件設計方案的優選問題、零件尺寸參數優化問題、零件設計性能優化問題等。 比如對機械零件形狀設計，在常規設計完成后，再對零件的局部形狀進行形狀優化設計，可以使沿邊界應力分布發生變化，并趨向于均布，零件的應力現象得到緩減。 隨著CAD/CAM 的技術的提高，任何表示邊界形狀曲線的可加工性都將成為可能。

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