運動力學在機械結構設計中的應用

陳 沖

（福州大學至誠學院，福建 福州 350002）

運動力學在機械結構設計中的應用

陳 沖

（福州大學至誠學院，福建 福州 350002）

運動力學是研究物體運動規律的，通常指的是物體的運動.隨著現代運動力學理論的不斷延伸發展，其在很多領域已經有了比較深入的應用.基于此，在本文的研究中，主要對運動力學在機械結構設計中的應用進行論述，并結合一些實際機械設計案例，對運動力學的應用價值和作用進行分析，希望可以對相關機械結構設計領域對運動力學的科學運用起到一定的參考和啟發作用.

運動力學；零部件鏈接；機械結構；設計應用；疲勞力學

機械結構設計過程中，會運用很多原理，其中運動力學原理發揮著非常重要的理論指導作用.在物理學的很多力學實驗中，運動力學也是受到很多研究人員重視和關注的.可以說，運動力學作為機械科學與物理學科的一種連接紐帶，通過科學合理的應用運動動力學，對于機械結構設計的改良和優化，具有十分有價值的指導意義.機械機構設計質量和效率的提升，離不開運動力學理論的支撐.因此，本文通過對運動力學進行深度解析，并將機械結構設計的要素進行系統歸納總結，結合一些實際案例，對運動力學在機械結構設計中的應用問題進行分析.

1 機械結構設計在應用中的技術要素

機械結構設計是機械工藝技術革新的重要技術手段，而在結構設計中很多關鍵技術要素，正是決定機械機構設計水平的基礎.運動力學在機械結構設計中，不僅要實現關鍵技術要素的改良優化，并且在設計工藝、生產效率方面也要得到提升.機械機構設計在幾何層面、理論原理層面，要遵循精密設計技術的原則指導，保證零部件之間實現精細緊密的咬合，并保證咬合力得到一定程度的提升.在機械機構運動過程中，咬合力能夠隨著機械零部件的轉動，而實現動態的變化，保持同機械運動作業要求相符合的力度要求.機械結構設計中要對不同的面進行優化，通過應用運動力學原理，保證每一個不同的面上的用力、收禮以及摩擦阻力等，在機械設備運轉的過程中，達到和動態平衡變化.

2 運動力學在機械結果設計中的應用

運動力學在機械結構設計中，有著很高的應用價值.從當前的實踐應用情況來看，其價值主要體現在如下兩個方面：

2.1 在機械結構零部件的鏈接方面

機械結構設計過程中，會用到很多零部件，而對零部件的鏈接，不同的鏈接方式，其效果和作用也不相同.例如，應用較多的零部件鏈接模式，間接鏈接和直接鏈接.在實際運用時，會出現相差較大的表現.不過在運動力學的核心指導思想上，機械結構設計中的關鍵要素在根本上是相同的.例如，很多機械結構，通過觀測力矩的不同變化，然后計算不同聯接點之間的摩擦力和壓力，根據這些數據就可以合理的選擇零部件的鏈接方式，并對零部件的材料選擇、工藝制作等，提出更加的科學建議.運動力學在精確計算下，能夠為機械零部件的指標性選擇，提供更加有力的理論支撐.在一些工業機械設備中，常見到由于動力輸出、鏈接方式的不恰當，容易導致結構整體功能發揮不出來，或者是動力傳輸效率低下，這些都與運動力學的運用情況有關，合理的運動力學應用設計，能夠提高機械設備的運作效率.對于減少不合理的動力輸出減損，提高傳輸效率，有著很重要的作用.

2.2 指導合理解決零部件的損耗

機械結構包含豐富的零部件，機械結構整體作用的發揮，主要是依靠零部件的運動實現的.而在對機械零部件進行操作環節，由于各種零件之間會產生摩擦，所以摩擦損耗幾乎是不可避免的.在這種情況下，運動力學的原理和理念，就可以發揮非常重要的指引作用.通過借助運動力學的機械運動理論，根據機械機構中的零部件在摩擦運動中的實際做功情況，可以比較精確的計算不同結構部位的損耗系數.機械結構設計如果掌握了各種零部件比較精確的損耗系數，則會在零部件的材質選擇、調試保養方式方面，進一步提高水平，從而降低機械結構的損耗程度，延長使用壽命.在一些比較重要的精密機械結構中，例如，醫療設備、分析儀器等，里面往往有一些容易損耗的材料，如果相關的結構的力學設計不合理，會導致局部作用力的偏大失衡，其結構就是導致一些抗磨性較差的部件發生損壞，從而影響實際使用效果.因此，通過對運動力學應用的科學分析，梳理每一個結構部件的運動力學應用情況，對存在問題的，要進行調整優化.

3 機械結構設計中，運動力學的常用設計準則

3.1 要能夠滿足力學的各方面綜合要求

機械結構的設計，是一項比較復雜、系統的工作，而在設計過程中，很多地方運用到運動力學原理以及其他方面的物理力學原理.這就要求在設計機械結構時，要綜合考慮各種情況下，力學原理的使用準則.例如，對于在使用時，不斷運動的機械結構，要考慮運動力學在不同結構部位運用是否合理，機械結構自身的強度、運轉速度等，都會影響運動力學原理的最終表現效果.機械設備在運轉作業時，不同的結構部位，其所受到的作用力不同，也會使得結構部件的抗疲勞性能發生變化，從這個角度來說，在研究運動力學應用的同時，也需要考慮到材料力學、疲勞力學以及其他可能發生的物理變化的，在綜合各方面要求的基礎上，通過合理的設計，發揮運用力學的綜合指導作用，提高機械結構設計的合理性.

3.2 創新機械結構的設計理念

運動力學在現代機械結構設計中，運用的方式方法在不斷創新變化.而機械結構設計的理念，也要隨著新的技術的應用突破，進行不斷創新.機械結構設計中運用較多的設計理念，就是變元設計方法.變元設計理念的核心內涵就是定元、定向控制設計，找到影響結構設計的關鍵因素，并通過對變量的調整變化，設計好機械結構變化情況下運動力學適用模型.很多創新結構和新的結構模型，在使用過程中表現的效果非常好.運用運動力學，既要達到結構設計的科學合理，同時，又要保證機械結構設計使用的經濟效益.在很多大型的機械設備運轉時，有結構組織的變化，可能會導致結構部件之間的作用力發生變化，在這種情況下，定元、定向的設計方法，就能夠控制好機械結構的關鍵程序，實現最優化的設計，減少不當的設計失誤.

4 運動力學在機械結構設計中應用的程序

運動力學的應用是一項比較復雜的系統過程，需要機械結構設計人員做到整體的把握，并且做好其他相關理論的論證和實驗.在本文的研究過程中，通過對一些實際設計案例的分析，基本上總結出如下幾個方面的設計步驟程序.

4.1 形成運動力學設計的整體策略

運動力學的應用，要從結構設計大的方面確定整體策略.有了一個比較完善的整體策略，在全局觀的視角下，形成運動力學在不同細小分支部件的應用模型.這對于設計者來說，首先在整體策略中，要考慮好哪些大的部件結構，需要運用運動力學，其運用的實際效果能夠達到什么程度，這就需要形成一個比較模糊的設計形象概念.比較精密的機械結構設計，還需要運用一些科學算法，如數學模糊算法、微積分計算等，得到運動力學的設計應用參數范圍.在這個基礎上，設計者可以基本上確定機械結構設計的大小尺寸，占用空間等.尺寸設定好之后，需要對結構部件的材料進行選擇，材料的確定，要考慮對應的力學參數，以及在結構運動過程中，參數的變化.

4.2 對機床的結構方式進行確定

在機械結構設計過程中，一些重要的部位零部件，不僅要在圖紙上進行理論論證說明，分析運用力學的應用邏輯，而且在實際結構部件組裝時，還要能夠順暢對接.這就需要做好機床加工的結構布置方案.機床是沖壓各種零部件的重要設備，在沖壓過程中，會對一些關鍵的結構部位進行力度檢驗，運動力學運用是否合理，通過機床結構方式的變化，能夠進行反復試驗.所以，對于機械結構來說，運動力學的應用，必須要做到圖紙與實物的順暢對接，不能出現在設計圖紙上論證可行的理論，而在實物機械結構中不能發揮作用的現象.機床的結構方式，同實際機械結構設備的設計模型要匹配，在運動力學原理的應用方法，機床內部的結構方式、動力作用傳輸、結構控制等，要做好設計科學，使用合理，這樣才能夠為機械結構的合理設計，提供良好的基礎架構支撐.

4.3 合理設定機械結構的各部件及總成結構形式功能

運動力學在機械結構運作時，要顯示出其應用優勢和特點，就需要對總體的結構形式機器功能進行合理設定.機械結構中的部件功能、性質，以及組合方式，要能夠確保在發生一些較小的物理碰撞下，保持完好.各種組件的安裝和拆卸，要考慮設計空間結構的便利性.例如，在內部空間結構比較小的情況下，一般耗材部件的更換，如果能夠通過科學的設計，改變部件的一些形式，則會使得部件的更換變得省時省力.運動力學中常用的一些動力傳輸工具，例如齒輪、皮帶、鏈條等，在這些傳遞部件中，皮帶是比較容易損壞的.在考慮綜合結構部件合理、性能達到要求的情況下，如果能夠在設計中減少對皮帶的使用，或者使用一些較小的齒輪代替，則會大大減小更換皮帶的時間.這在實際機械設備施工作業中，往往會影響效率和實際作業質量.所以，對于機械結構設計中，很多部件更換問題，通過運動力學相關理論的融合與指導，變化動力、機械運動方式，保證其功能作用不受影響，這樣才能夠充分體現運動力學的應用價值.

4.4 做好運動力學相關理論的計算校核

運動力學在機械結構設計應用方面，是需要進行比較復雜的計算和校核的.因此，對于設計技術人員一定要掌握必要的計算方法.例如支持PLC或數控系統或運動控制卡等這一類東西所需要的程序邏輯算法.舉個簡單的例子就是比如解決一只N軸聯動的機械手的算法問題.需要考慮當臂關節平面移動，臂關節轉動，肘關節平面移動，肘關節轉動，腕關節轉動，指關節擺動等一切運動所遵循的運動軌跡方程.要緊密聯系物理現象的計算.比如靜力學，運動力學，彈性力學，流體力學等.當設計某個零件時，首先要考慮這個零件所要承擔或完成什么任務，再結合這些任務去確定這個零件的形狀，確定形狀和所需要滿足的運動關系尺寸后再去針對這個零件的受力狀態和受力性質以及材質同時考慮轉速、熱變形以及設計壽命等等諸多因素后到最后才能下手去確定各個部位的形狀和位置尺寸.對于零件或部件加工或組裝時候的工時以及各項工藝參數的計算，就比如制造某款設備，鐵板下料部分需要進行鐵板排料的計算.金加工部分對于不同的加工性質有不同的加工參數的計算以及不同的加工方法排列的計算，以及在這樣的工藝參數下各個步驟所需要的加工時間的計算.

5 結語

通過對運動力學的理論闡釋及對其在機械結構設計應用中的使用角度和應用范圍進行深度分析，便可得知運動力學對機械設計所具有的非比尋常的指導作用和干預影響.由于機械產品的使用在當今經濟活動中，與運動設備之間的聯系越發緊密，因此在機械結構的設計活動中，需要機械運動理論的深度化透析和研究，并且緊隨市場需求的步伐，進行相應的技術改革與理念創新，為國家的機械制造業提供更為便捷的服務.

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2017-06-13