機械結構設計中的創新設計應用研究

杜俊斌，張海強

（中科院廣州電子技術有限公司，廣東 廣州 510070）

機械零件的材料、形狀、數量、尺寸、位置及工藝都要滿足使用環節對其精度、強度、穩定性、可靠性等性能的要求，所以結構創新設計應從機械設備實際應用情況的角度出發，選擇可行的設計方案，從局部到整體完善機械結構布局，解決結構與使用間存在的沖突，實現機械設備的合理應用。

1 機械結構創新設計概述

機械結構對其性能起到了決定性作用，而機械結構的創新設計主要從原理、形狀、性能等角度出發，運用了創新思維在保證機械實用性的前提下進行改造更新。傳統機械在使用環節可能存在一定的局限性，創新設計是打破固有局限，大膽嘗試，實現選型到構型的轉變。在創新設計時，工作人員應總結經驗，在傳統設計的基礎上獲得創新性轉變，確保構型的可行性和實用性。

2 機械結構設計中的創新設計應用

2.1 結構變異化設計

通過變異化設計能確保結構參數的優化，在滿足一定技術要素的支持下獲得獨立設計方案。通常來講，結構的技術要素分為零件形狀、材料、聯結點以處理方式等，本文主要從功能面、聯結點及材料種類3 方面入手進行闡述。

（1）功能面。機械機構發揮其功能作用主要通過零件與零件之間的位置和關系實現。零件的形狀由表面控制，為發揮作用，零件功能面較多。當機械工作時，零件表面會互相接觸，還會與被加工物體之間形成接觸，這些產生接觸的表面被稱為功能面。從本質上講，功能面是影響機械性能的主要因素之一，通過變異化設計能呈現出多種不同方案，效果也皆為不同。影響功能表面的參數有順序、尺寸、形狀、位置、數量等，任意參數變異都將得到不同的功能面效果。

（2）聯結點。零件在不接觸的情況下包含六個自由度，當需要與其他零件聯結時，自由度將會受到一定程度的限制，應將必需的自由度保留使其能按照原有的運動關系工作，其他自由度可完成創新性轉變。聯結是當零件間出現接觸時，不同的方法將導致零件功能面的形態存在差距，而相互之間緊固力的不同也會導致自由度有所不同。例如,軸轂在聯結時存在以下幾種情況：其一，固定聯結，此時六個自由度受到限制；其二，轉動聯結，五個自由度受到限制；其三滑動聯結，五個自由度受到限制；其四，移動或轉動聯結，五個自由度受到限制。聯結方式的不同可將固定式軸轂分化成兩種形式，力鎖合聯結及形鎖合聯結。力鎖合是利用零件接觸過程中產生的摩擦力和軸向力，設置不同的結構能使零件表面產生不同大小的壓力。常見的結構為過盈配合，這種結構簡單且壓力較大，能滿足使用需求，但是缺陷在于裝卸難度高。形鎖合又可分為成形聯結、平鍵聯結、切向鍵聯結、銷聯結、花鍵聯結等，裝配時要求不存在過盈現象，在調整階段產生過盈，拆卸則反之。

（3）材料種類。機械材料對應不同的加工工藝，在結構創新中應科學選材，根據材料明確工藝，根據工藝明確結構，發揮創新性結構的優勢。選材時還要考慮到成本、性能、質量等方面的因素。在結構設計時,要確保材料的性能，如鑄鐵材料抗壓性能強，但抗拉略弱，需要在結構設計時注意保持抗壓狀態而非抗拉狀態；再如陶瓷局部強度較差，在結構設計時應防止局部受力出現破損情況。

2.2 結構性能化設計

（1）提高剛度和強度。機械在運轉中會造成零件局部受力過大，所以結構設計應將荷載力分散，提高結構的分擔能力，在實際應用中在集中受力位置增加支撐套即是一種載荷分擔的方法。當機械需要傳動作業時，其中不做功的力就很難將物體傳動到制定位置，為確保整體的平衡性，應保持零件與其他載荷生成平衡力，提高結構的承受度。為保證零件剛度，除優選材料外還可以避免應力的過度集中，防止結構的承載受到影響。

（2）提高工藝性。切削類的機床在裝卡時需要夾持面輔助工作，應保證夾持面的剛度，還要減少被加工物體的裝卡次數，提高工作效率。若可以同過一次裝卡操作達到多產品同時被加工的效果，則能節省大量加工時間，確保切削效率。

（3）提高精度。機械或多或少會受到設計和制造階段的影響，在作業時出現誤差。所以，結構設計應從降低誤差，確保精度的方向入手，避免由構件變形、材料不佳或者溫度作用出現誤差。提高對誤差的敏感程度是確保產品質量的基礎，應在創新結構的同時降低誤差。除此以外，當機械內部構件存在多個連接處時，產品精度就會受到綜合影響，比如，增加螺旋傳動則會影響到多圈螺紋，不僅可以增加耐磨性和承載力，還會提高傳動精度。

2.3 結構宜人化設計

（1）降低疲勞感。工作人員在操作設備時可能要長時間保持同樣的姿勢，在設計結構時要盡量減輕操作壓力，避免操作人員身體疲勞，影響工作質量。機械經過創新性改進后外形要柔和，滿足工作人員的需求，在長期作業狀態下也不會過度勞累，確保設計的宜人化。

（2）確保操作性。工作人員處于不同位置，不同方向施加不同大小的力時，機械操作感皆有不同。一般來講，右手比左手的力度要大，施加的力度與身體姿勢也有關，腳部的力量在坐姿的情況下力度最大，當設備需要較大的作用力時需要腳力代替手動。手部的杠桿、手輪以及手柄都要確保設計的宜人化，在使用時不會出現滑動、不舒適的情況。腳部發力時要提供舒適的座椅，踏板在中間位置，后部提供靠背。

（3）避免使用錯誤。零件形狀要實用且簡單，容易清晰辨認。當設備投入使用時，要求為工作人員提供操作空間，相關的儀器儀表都設置在視力可見范圍內，作業過程中就能實現監督和管控，防止出現使用錯誤情況，影響產品質量。

（4）色彩與形狀。在確保機械設備性能的同時還要完善零件的色彩與形狀，使形狀和諧、美觀、穩定，色彩搭配要大氣、簡單，組合而成的設備要勻稱。外觀的大方也能使機械在市場的激烈競爭中脫穎而出，確保經濟效益。

2.4 結構便捷化設計

（1）加工結構構型。設計機械零件時需要節省時間，保證裝卡、測量以及加工效率高，成本要加以控制。加工面的外形要簡單實用，便于裝卡實用及刀具拆卸，防止出現斜面鉆孔的情況。由于復雜零件需要經歷的工序多，對技術的要求較高，所以成本也會隨之增加。為節省成本和加工時間，可以采用零件組合的方法達到同樣的使用效果。

（2）簡化結構。簡化零件結構是機械設計的目標，能達到同樣使用要求的簡化結構，能更方便拆卸和維修，在提高工作效率的同時，還能節省檢修時間，避免運行期間出現故障影響經濟效益。以塑料結構為例，其特點為強度小、柔性大，若利用螺紋使零件之間聯結工作很可能在外力的作用下出現斷裂，而且裝卸和加工階段都較為煩瑣，因此在結構設計中應利用塑料的優勢，使用搭鉤凹槽連接，能確保裝配和拆卸過程更為簡便、省時、省力。

3 結語

總而言之，結構創新是新時期機械發展的必然要求，目的是確保零件的科學組合和外形實用，提高機械工作質量和效率。設計人員要掌握專業的理論知識，具備豐富的實踐經驗，激發創新能力的生成，從變異化、性能化、宜人化以及便捷化的角度出發，解決結構矛盾，保證機械設備的可靠實用。