浅谈机械结构设计中的创新设计

2016-03-12陈文唤

大科技 2016年15期

关键词：变元弹簧结构设计

陈文唤

（安徽东风机电科技股份有限公司安徽合肥 231202）

浅谈机械结构设计中的创新设计

陈文唤

（安徽东风机电科技股份有限公司安徽合肥 231202）

设计与创新是密不可分的，对于机械结构设计而言，合理的创新对于完善机械产品缺陷、拓展机械产品功能等方面有着重要的作用。本文减压分析了机械结构创新的必要性，从变元分析方式入手，探讨了机械结构设计中的创新设计。

机械结构；设计；变元分析；创新

前言

创新是发展的重要能力，对于机械结构设计来说，其实一项具有创新性和创造性的工作，设计者应当具备创新思维和创新意识，在设计的过程中根据机械结构的特点来进行创新，以此来不断完善机械产品的功能，拓展机械产品的适用范围，实现优化目的，从而促进机械行业的发展，这对于机械产业竞争力的提升有着积极的意义。基于以上，本文简要分析了机械结构设计中的创新设计，旨在为相关机械结构设计实践提供参考。

1 机械结构设计创新的必要性分析

随着科技的发展和社会的进步，机械产业发展迅猛，但在发展的过程中，机械制造产品的同质化问题也逐渐凸现出来，在这样的背景下，要想提升机械产品的竞争力，在市场上占据一席之地，就必须完善产品的功能，拓展产品的用途，在激烈的市场竞争中保持优势，只有这样才能够保证经济效益的最大化。机械结构设计是机械产品生产过程中的基础性工作，机械结构设计的创新性很大程度上决定着机械产品的性能完善和用途拓展，从而提升机械产品的市场竞争力[1]。因此，对于机械产品制造企业来说，应当将中作中心转移到机械结构设计方面，以现代机械结构设计理念为基础，坚持创新思维，不断对设计方法进行创新，对各个模块的组合进行创新优化，以此来创新设计出符合产品系统需求的机械结构，只有这样，才能够提升机械产品的竞争力，才能够促进机械产品制造企业乃至整个机械行业的可持续发展。

2 基于变元分析方式的机械结构设计创新

变元分析方式起源于德国，属于一种机械结构设计的创新方法，变元创新有着丰富的内涵，其主要包括七个方面的变元创新内容，在确定机械基本结构的基础上，通过对七个变元元素的创新和改进实现机械结构设计的创新，从而实现机械产品性能的优化。变元创新是当前机械工程结构设计创新中主要采用的方法，下面从几个不同创新要素来具体探讨基于变元创新的机械结构创新：

2.1 材料变元创新设计

在机械设计的过程中会涉及到多种多样原材料的原则，尤其随着新材料的开发，机械设计可选择原材料的种类越来越多。对于不同种类原材料来说，其在功能、加工方式以及加工工艺上有着一定的差异性，在对材料进行加工之后才能够获得符合相关参数标准理想材料[2]。而材料变元则指的是对机械产品材料选择和替换来改变机械产品的结构尺寸和加工工艺，从而实现对整个机械结构的创新。通过对原材料的变元能够创新出不同的机械结构设计方案。以刚性材料设计为例，如果要提升机械产品的刚度和强度，则可以对材料进行变元，对铁性材料来说，可以采用增强隔板的方式进行调整，对于钢材料则可以采取增大零件截面尺寸的调整，通过这样的材料变元创新设计来提升最终机械产品的刚度和强度。

2.2 数量变元创新设计

在机械结构设计的过程中，工作面、轮廓面、加工面、轮廓线以及零件本身都属于设计的基本元素，这些基本元素数量的改变能够影响机械结构设计，因此可以通过对机械结构设计基本元素数量的变元来进行创新设计。以铸件结构的设计为例，在设计的过程中要求尽量简单，在轮廓修饰的过程中要尽可能的使用直线。而在螺纹结构连接的过程中，容易出现螺栓松脱的问题，为了避免此问题的出现，在设计的过程中应当增加螺钉和垫片的使用。为了降低零件的使用数量，方便安装，在设计的过程中也可以将螺钉设计为具备垫圈、弹簧垫圈等功能的零件，这就属于基本元素数量变元的创新设计[3]。

2.3 形状变元创新设计

机械结构形状变元创新设计指的是通过对零件形状、类型、规格以及整体轮廓的改变来实现机械结构设计的创新。例如，在机械结构的设计过程中，常常需要利用弹簧的压紧力来压紧零件，避免零件脱落，保证零件维持、稳定在正确的位置。在设计的过程中，就可以对弹簧形状进行变元创新设计，可选用的弹簧宝库板簧、拉簧、压簧等等，这些弹簧在形状上都有着一定的差异，而被严禁零件则有着平面、球面、柱面等多种形式，通过对不同弹簧和不同面零件的合理搭配和组合就能够得出多种创新设计方案。需要注意的是，在创新设计的过程中，要对弹簧压缩距离进行合理的控制，如果弹簧压缩距离设计过大则会引起弹簧失稳的问题出现，如果一定需要设计较大的弹簧压缩距离，则应当增设导向结构，用较小的空间来约束弹簧，这种创新设计形式下，弹簧不仅能够单独进行使用，也可以与摇杆、绳索等相互配合进行使用。

2.4 位置变元创新设计

机械结构设计的过程中，其基本元素的位置并不是一成不变的，通过对基本元素位置的变元能够实现设计创新和设计优化[4]。以焊缝设计为例，在焊缝设计的过程中，可以通过焊缝位置的调整来实现设计创新和优化，例如，为了尽可能降低收缩力矩和弯曲变形，可以将焊缝的位置尽量设计在中性轴或对应的中性轴附近。此外，在有限空间内安装设计零件的过程中，零件位置的摆放不同会对机械操作产生不同程度的影响，因此可以通过对零件位置的调整来优化设计，以此来便于之后的机械操作过程。

2.5 联接变元创新设计

对于联接变元创新设计来说，主要包含两层面含义：①对联接方法变元创新设计：在机械设计中，涉及到的联接方法有很多，例如焊接联接、螺纹联接、胶接联接、铆钉联接等等，通过对这些联接方法的不同选择和组合能够实现联接变元创新设计；②对联接结构变元创新设计：不同的联接方式对应着不同的结构，通过对联接结构的变元调整能够组合出多种结构设计创新方案。在机械产品中能够经常会涉及到需要拆卸的结构，在设计的过程中就需要可靠的联接结构，方便拆卸的同时保证产品的可靠。以玩具设计为例，就可以采用卡扣或螺钉等方式进行联接，而在手机机盖结构的设计中，为了方便用户拆卸，应当采用螺纹联接等方便拆卸的设计方式，这些都属于机械结构联接变元创新设计。

2.6 尺寸变元创新设计

尺寸指的是相关零件的长度、角度、距离、面积等与尺寸相关的参数，通过对零件尺寸的变元调整能够实现机械结构的创新设计，优化结构性能。以冷冲压弯曲工艺为例，其所使用的材料为弹性材料，具有着一定的弹性形变，这就对其设计提出了较高的要求，在设计的过程中要规范角度，在弯曲件加工成形之后，需要进行整形调整，而整形调整也有着一定的尺寸标准，即在增加一定弯曲角度之后，变形在一定范围内即视为合理，不需要进行整形。

2.7 工艺变元创新设计

工艺对机械结构设计的影响是至关重要的，加工工艺差异、质量差异以及成本差异都会对零件结构产生影响[5]。因此，可以通过工艺的变元调整来实现创新设计。在设计的过程中，应当对零件的设计图纸进行仔细分析，对零件结构的合理性进行验证，以此为根据来提出工艺修改意见。就目前来看，应用天车机械手、机械人等新工艺创新出了许多新的机械结构。