運動力學在機械結構設計中的應用

王 博，鄧鵬程，李 淵，鄒 輝，羅金成

（1.北京航天發射技術研究所，北京 100000；2.航天系統部裝備部軍事代表局，北京 100000；3.四川新川航空儀器有限責任公司，四川德陽 618300）

在機械制造業的結構設計中會涉及到很多原理的應用，其中運動力學發揮著至關重要的作用。正如運動力學在相關的物理學系以及機械科學方面都越來越受到人們的重視，在機械結構設計中運動力學同樣也發揮著一個橋梁和紐帶的作用。通過對運動力學的應用，可以對機械制造業的結構進行優化和改造，對于機械行業的設計具有重大的意義和價值。同時將運動力學應用到機械制造的結構設計中對于提高產品質量和生產效率都具有很大的推動作用。

1 機械結構設計中運動力學的應用準則

1.1 力學準則

機械結構設計中運動力學的應用對于設計人員的要求是，必須在結構內的各個環節都對運動力學進行充分的考慮。在對機械結構進行設計中，應該對結構力學進行充分的認知和考量。例如在選擇材料時，就需要對材料的力學特性進行提前掌握。在選取材料時，要考慮到機械的實際運行情況，不同材料所產生的機械性能也是不同的，所以材料的選取就會達到不同的結構特點和彈性形變，究其原因就是因為材料具有不同的形變程度。例如，在我國的機械制造業中，較為普遍的連接零件有螺栓、鉚釘以及螺帽等，這些零件的變形都可以歸納在剪切變形的范圍內。所以在對機械結構進行設計時，設計人員需要對零件所承受的剪切力進行充分的考量。為了得到穩定性和安全性更高的機械結構，需要設計人員在對機械結構設計中的各個零件的材質進行充分的認知，并結合其運動力學的特點和所需要生產的結構的運行特點，如醫療設備、分析儀器等，里面往往有一些容易損耗的材料，如果相關的結構力學設計不合理，會導致局部作用力的偏大和失衡，其結構就會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。

1.2 創新性準則

創新和發展是緊密結合不可分割的。為了使工業企業的發展更加穩健，需要對傳統的技術和理念進行不斷的創新和升級。并且要運用新的技術和新的設備，對原有的產業模式和理念進行轉型。這樣的發展規律同樣適用于機械制造行業。所以這就要求設計人員在進行機械結構設計時，把培養和增強創新性也作為設計工作中的一項重點。同時要和所設計的機械結構的特點進行結合，把設計理念的創新作為創新首要考慮因素，即能夠在正常運行的前提下，盡量將機械設備的結構進行優化和改進。對于新的經濟發展條件下所誕生的新材料和新工藝進行積極的研究和使用，并且在成本投入上盡量降低，盡量使企業的利潤和效益實現最大化。另外對于新材料的應用也要充分地對環境的保護以及可持續發展進行考慮，也合乎我國目前經濟建設的發展方向和要求。這樣的理念是需要貫穿在整個機械結構設計的全過程。通過對先進技術的使用，可以實現機組設備進行虛擬化運行，通過這樣的虛擬運行方式，可以在不投入大量成本的前提下，測試機組的運行情況是否穩定，并且對運行數據和工作效率進行初步的掌握。值得注意的是，在進行機械結構設計材料的創新過程中仍需要以運動力學為最根本的應用原則，不能在違背應用力學的基礎上進行機械結構的創新設計，從而造成產品使用壽命降低的情況。

2 機械結構設計中運動力學的應用

在機械結構設計中，運動力學的應用是一項比較復雜的工程，不僅需要設計人員對各個零部件進行運動力學的分析和計算，還需要對整個的機械結構進行整體上的掌控。在這樣的基礎上，對機械結構設計的相關理論進行論證，對實驗的數據進行驗證。下面舉一些在設計中的應用案例，來分析運動力學在機械結構設計中的應用。

2.1 從整體策略出發進行設計

在運動力學的應用中，要從整體的策略出發，來做好大局和整體的結構設計，形成一套非常完整的結構策略體系。從全局的角度，建立起運動力學在機械結構部分分支的應用模式。設計者需要進行的工作首先就是從整體的策略出發，對一些較大的零部件的力學性能進行充分的考慮，并針對這些零部件所選用的材料進行力學性能以及結構設計的考量，并且對最終是否會達到預期的運行效果進行充分的預計。但是這些考慮和準備還都只是處在一個比較虛擬的形象設計概念范圍內，對于一些精密度要求比較高的結構設計來說，需要介入一些科學和先進的算法來輔助。例如數學上的模糊算法以及微積分算法等，從而對結構設計中所涉及到的零件的尺寸以及相應的參數，進行一個大致的數據范圍確定。對于機械結構所需要占用的空間范圍和尺寸以及所需要的結構材料進行計算和選擇，充分考慮到選取材料對應的力學性。

2.2 確定結構方式

在進行機械結構設計中，對于結構中所涉及到的一些重要部件，需要對該部件的結構在圖紙上進行理論驗證，針對其運動力學進行邏輯分析。同時在實際的組裝過程中，還需要考慮到各部件之間是否能夠進行順利的對接。在實際的機械加工中，機床是被普遍和頻繁使用的零件加工設備，可以進行沖壓等操作。這就要求設計人員在進行機床的加工過程中，首先需要對機械結構的布置做好設計方案。在進行沖壓時，可以實現對一些重要的零件進行結構的運動力學驗證，最后來確定和判斷運動力學應用的合理性，也可以對機床的結構進行方式上的改變，從而通過反復的實驗進行驗證。本節以機床為例探討機械結構方式設計，對于運動力學在機械設計中的應用，需要把圖紙和實際的加工過程進行緊密的連接，使兩者能夠統一，避免在進行圖紙驗證時方案可行，但是在實際的生產加工過程中卻出現相應結構與方案不符合的現象，造成圖紙和結構設計模型不能匹配。同時在進行機械結構的設計中，要對相應的設計是否科學合理進行充分的考慮。針對機床的內部結構以及動力特點和材料進行正確的選擇，對加工方式進行合理的選取，盡量使機械結構的內部設計更加合理和科學。

2.3 對機械結構的功能進行合理確定

要想在機械結構的運作過程中顯示出運動力學所發揮的優勢，就需要合理地確定總體的結構和功能。對于機械結構設計中所涉及到零部件的一些功能和特性，需要考慮到一些小的碰撞的影響是否能夠保持零件和部件的完整性，以及各零件和部件的安裝和拆卸過程是否符合空間上的要求，實現安裝和拆卸的便捷性，特別是對于一些內部結構相對來說較小的零部件結構設計來說，在進行安裝和部件更換時，如果想實現更加便利和快捷的安裝和拆卸，就需要改變其內部的結構設計，使得內部的空間在一定范圍內實現局部的優化和完善，增加其合理性，這樣更有利于零件的安裝和拆卸。

另外運動力學中所涉及到的一些常用的傳輸工具，如皮帶、齒輪和鏈條等。考慮到皮帶傳動的損失較大，并且損壞率也較高，所以就需要對機械結構的內部零件進行充分的考慮，并在其性能達標的前提下，對帶這種傳動方式的使用盡量減少，而是應用一些傳動效率較高且不會損壞的零部件來進行替換，例如齒輪等，在相應的損壞率以及維修時間上得到更大的效益。所以在機械結構設計當中，針對零部件安裝和更換問題，需要結合運動力學的相關原理，對內部結構的運行方式以及功能進行確定，充分發揮運動力學的應用價值。

對圖1進行相關理論計算。

圖1 齒輪傳動結構圖

傳動精度系數C：

C=-0.5048ln(Z)-1.44ln(m)+2.825ln(fpt)+3.32

取Z=Z1=85，fpt=8.5μm。

C≈7.4，圓整取C=7，可知動載系數KV=1。

螺旋線載荷分布系數：

其中b4為齒輪4的的齒寬，d4為齒輪4的分度圓直徑。則齒間載荷分配系數：

齒間載荷分配系數取KHα=1.3。

節點區域系數ZH=2.5。

彈性系數ZE=189.5。

端面重合度εα=1.644

重合度系數Zε=0.9。

螺旋角系數Zβ=1。

取嚙合系數ZB=1，ZD=1。

接觸應力為：

=16.8 MPa ＜855 MPa

安全系數校核：

壽命系數ZNT1=ZNT2=1。

潤滑油膜影響系數ZLZVZR=0.85。

齒面工作硬化系數ZW=1。

尺寸系數ZX=1。

安全系數

2.4 對運動力學的相關理論進行核算

機械結構設計中的運動力學應用所涉及到的相關計算和校對是非常繁重的一個任務，整個的過程也比較復雜。所以就要求設計人員對一些相關的計算方法進行熟練的掌握。例如在進行PLC 編程或數控系統的程序編制等類似的工作時，產品設計師就需要對程序或軟件的邏輯算法進行熟練掌握。對于多軸聯動的機械結構設計來說，在其算法的應用上應該考慮的因素也較多。例如一個多軸的機械手，就需要對其各個關節之間的平面移動和轉動進行充分的考慮。例如肘關節即臂關結的靈活轉動，臂關節和肘關節在平面上的移動以及腕關節的靈活轉動，指關節的靈活動作都在考慮的范疇。考慮這些相關因素的同時，需要對所涉及到的計算方法進行確定，運用運動力學、流體力學、靜力學或者彈性力學等，對相關的零件或部件進行精確的計算，并結合這一部件或結構在整體的運動過程中要承受的力和達到的效果，把這些綜合因素進行充分的考慮，最后計算出各零件或部件之間的運動關系以及尺寸空間。同時對于各零件之間的受力情況以及材質所能承受的抗壓和抗熱時形變范圍都進行充分的考量，保證所設計的零部件的使用壽命能夠達到預期。最后對零部件的各部位的形狀和尺寸進行確定，確保在組裝和拆卸的過程中，各零件的工藝技術和參數都達到標準。對于某款設備或機械結構的制造，需要對鐵板的材料數量進行測算，并且對不同的加工方式以及不同的加工材質所能承受的不同的受力狀態進行計算，結合零部件的運行狀態以及所要實現的產品效果，在工藝參數和指標均達到要求，并且最大限度地確保計算的準確性。

3 結語

伴隨著經濟的不斷發展，我國的機械制造行業的逐漸加快了發展的腳步，并且在國際上有“世界工廠”之稱。隨著科學技術以及機械行業的不斷深化改革，使得技術和科學之間形成了非常良好的融合。把運動力學應用在機械結構的設計中，使得運動力學的相關計算方法和原理為機械結構設計、計算、繪制、設計等提供了良好的技術支持，也對我國的機械行業的不斷轉型升級發揮著非常重要和深遠的意義。