淺談機械結構設計中的創新設計

陳文喚

（安徽東風機電科技股份有限公司 安徽合肥 231202）

淺談機械結構設計中的創新設計

陳文喚

（安徽東風機電科技股份有限公司 安徽合肥 231202）

設計與創新是密不可分的，對于機械結構設計而言，合理的創新對于完善機械產品缺陷、拓展機械產品功能等方面有著重要的作用。本文減壓分析了機械結構創新的必要性，從變元分析方式入手，探討了機械結構設計中的創新設計。

機械結構；設計；變元分析；創新

前言

創新是發展的重要能力，對于機械結構設計來說，其實一項具有創新性和創造性的工作，設計者應當具備創新思維和創新意識，在設計的過程中根據機械結構的特點來進行創新，以此來不斷完善機械產品的功能，拓展機械產品的適用范圍，實現優化目的，從而促進機械行業的發展，這對于機械產業競爭力的提升有著積極的意義。基于以上，本文簡要分析了機械結構設計中的創新設計，旨在為相關機械結構設計實踐提供參考。

1 機械結構設計創新的必要性分析

隨著科技的發展和社會的進步，機械產業發展迅猛，但在發展的過程中，機械制造產品的同質化問題也逐漸凸現出來，在這樣的背景下，要想提升機械產品的競爭力，在市場上占據一席之地，就必須完善產品的功能，拓展產品的用途，在激烈的市場競爭中保持優勢，只有這樣才能夠保證經濟效益的最大化。機械結構設計是機械產品生產過程中的基礎性工作，機械結構設計的創新性很大程度上決定著機械產品的性能完善和用途拓展，從而提升機械產品的市場競爭力[1]。因此，對于機械產品制造企業來說，應當將中作中心轉移到機械結構設計方面，以現代機械結構設計理念為基礎，堅持創新思維，不斷對設計方法進行創新，對各個模塊的組合進行創新優化，以此來創新設計出符合產品系統需求的機械結構，只有這樣，才能夠提升機械產品的競爭力，才能夠促進機械產品制造企業乃至整個機械行業的可持續發展。

2 基于變元分析方式的機械結構設計創新

變元分析方式起源于德國，屬于一種機械結構設計的創新方法，變元創新有著豐富的內涵，其主要包括七個方面的變元創新內容，在確定機械基本結構的基礎上，通過對七個變元元素的創新和改進實現機械結構設計的創新，從而實現機械產品性能的優化。變元創新是當前機械工程結構設計創新中主要采用的方法，下面從幾個不同創新要素來具體探討基于變元創新的機械結構創新：

2.1 材料變元創新設計

在機械設計的過程中會涉及到多種多樣原材料的原則，尤其隨著新材料的開發，機械設計可選擇原材料的種類越來越多。對于不同種類原材料來說，其在功能、加工方式以及加工工藝上有著一定的差異性，在對材料進行加工之后才能夠獲得符合相關參數標準理想材料[2]。而材料變元則指的是對機械產品材料選擇和替換來改變機械產品的結構尺寸和加工工藝，從而實現對整個機械結構的創新。通過對原材料的變元能夠創新出不同的機械結構設計方案。以剛性材料設計為例，如果要提升機械產品的剛度和強度，則可以對材料進行變元，對鐵性材料來說，可以采用增強隔板的方式進行調整，對于鋼材料則可以采取增大零件截面尺寸的調整，通過這樣的材料變元創新設計來提升最終機械產品的剛度和強度。

2.2 數量變元創新設計

在機械結構設計的過程中，工作面、輪廓面、加工面、輪廓線以及零件本身都屬于設計的基本元素，這些基本元素數量的改變能夠影響機械結構設計，因此可以通過對機械結構設計基本元素數量的變元來進行創新設計。以鑄件結構的設計為例，在設計的過程中要求盡量簡單，在輪廓修飾的過程中要盡可能的使用直線。而在螺紋結構連接的過程中，容易出現螺栓松脫的問題，為了避免此問題的出現，在設計的過程中應當增加螺釘和墊片的使用。為了降低零件的使用數量，方便安裝，在設計的過程中也可以將螺釘設計為具備墊圈、彈簧墊圈等功能的零件，這就屬于基本元素數量變元的創新設計[3]。

2.3 形狀變元創新設計

機械結構形狀變元創新設計指的是通過對零件形狀、類型、規格以及整體輪廓的改變來實現機械結構設計的創新。例如，在機械結構的設計過程中，常常需要利用彈簧的壓緊力來壓緊零件，避免零件脫落，保證零件維持、穩定在正確的位置。在設計的過程中，就可以對彈簧形狀進行變元創新設計，可選用的彈簧寶庫板簧、拉簧、壓簧等等，這些彈簧在形狀上都有著一定的差異，而被嚴禁零件則有著平面、球面、柱面等多種形式，通過對不同彈簧和不同面零件的合理搭配和組合就能夠得出多種創新設計方案。需要注意的是，在創新設計的過程中，要對彈簧壓縮距離進行合理的控制，如果彈簧壓縮距離設計過大則會引起彈簧失穩的問題出現，如果一定需要設計較大的彈簧壓縮距離，則應當增設導向結構，用較小的空間來約束彈簧，這種創新設計形式下，彈簧不僅能夠單獨進行使用，也可以與搖桿、繩索等相互配合進行使用。

2.4 位置變元創新設計

機械結構設計的過程中，其基本元素的位置并不是一成不變的，通過對基本元素位置的變元能夠實現設計創新和設計優化[4]。以焊縫設計為例，在焊縫設計的過程中，可以通過焊縫位置的調整來實現設計創新和優化，例如，為了盡可能降低收縮力矩和彎曲變形，可以將焊縫的位置盡量設計在中性軸或對應的中性軸附近。此外，在有限空間內安裝設計零件的過程中，零件位置的擺放不同會對機械操作產生不同程度的影響，因此可以通過對零件位置的調整來優化設計，以此來便于之后的機械操作過程。

2.5 聯接變元創新設計

對于聯接變元創新設計來說，主要包含兩層面含義：①對聯接方法變元創新設計：在機械設計中，涉及到的聯接方法有很多，例如焊接聯接、螺紋聯接、膠接聯接、鉚釘聯接等等，通過對這些聯接方法的不同選擇和組合能夠實現聯接變元創新設計；②對聯接結構變元創新設計：不同的聯接方式對應著不同的結構，通過對聯接結構的變元調整能夠組合出多種結構設計創新方案。在機械產品中能夠經常會涉及到需要拆卸的結構，在設計的過程中就需要可靠的聯接結構，方便拆卸的同時保證產品的可靠。以玩具設計為例，就可以采用卡扣或螺釘等方式進行聯接，而在手機機蓋結構的設計中，為了方便用戶拆卸，應當采用螺紋聯接等方便拆卸的設計方式，這些都屬于機械結構聯接變元創新設計。

2.6 尺寸變元創新設計

尺寸指的是相關零件的長度、角度、距離、面積等與尺寸相關的參數，通過對零件尺寸的變元調整能夠實現機械結構的創新設計，優化結構性能。以冷沖壓彎曲工藝為例，其所使用的材料為彈性材料，具有著一定的彈性形變，這就對其設計提出了較高的要求，在設計的過程中要規范角度，在彎曲件加工成形之后，需要進行整形調整，而整形調整也有著一定的尺寸標準，即在增加一定彎曲角度之后，變形在一定范圍內即視為合理，不需要進行整形。

2.7 工藝變元創新設計

工藝對機械結構設計的影響是至關重要的，加工工藝差異、質量差異以及成本差異都會對零件結構產生影響[5]。因此，可以通過工藝的變元調整來實現創新設計。在設計的過程中，應當對零件的設計圖紙進行仔細分析，對零件結構的合理性進行驗證，以此為根據來提出工藝修改意見。就目前來看，應用天車機械手、機械人等新工藝創新出了許多新的機械結構。

3 結論

綜上所述，機械結構設計的創新對于優化機械產品的質量、促進機械產業發展有著重要的意義。本文以變元分析方法為基礎，從材料、數量、形狀、尺寸、工藝、位置、連接等七個方面探討了機械結構設計中的創新設計，旨在為相關機械結構創新設計實踐提供參考。

[1]萬 勝，王誼平，蔣 伍.淺析機械結構設計中的創新設計[J].科技風，2015，03：110.

[2]孫艷芬.基于變元法的機械結構創新設計研究[J].科技展望，2015，13：72.

[3]喬石，邵婉.當前機械結構設計中的創新設計分析[J].中國新技術新產品，2015，22：189.

[4]繆慶.淺談“機械設計”課程中對創新設計和創新思維的培養[J].西南科技大學高教研究，2008，03：54～55+58.

[5]馬國鋒.淺談機械工程設計中的創新思維[J].黑龍江科技信息，2013，35：1.

TH122

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1004-7344（2016）15-0253-02

2016-5-12