机械结构设计中的创新设计应用研究

2019-01-16杜俊斌张海强

中国设备工程 2019年12期

杜俊斌，张海强

（中科院广州电子技术有限公司，广东广州 510070）

机械零件的材料、形状、数量、尺寸、位置及工艺都要满足使用环节对其精度、强度、稳定性、可靠性等性能的要求，所以结构创新设计应从机械设备实际应用情况的角度出发，选择可行的设计方案，从局部到整体完善机械结构布局，解决结构与使用间存在的冲突，实现机械设备的合理应用。

1 机械结构创新设计概述

机械结构对其性能起到了决定性作用，而机械结构的创新设计主要从原理、形状、性能等角度出发，运用了创新思维在保证机械实用性的前提下进行改造更新。传统机械在使用环节可能存在一定的局限性，创新设计是打破固有局限，大胆尝试，实现选型到构型的转变。在创新设计时，工作人员应总结经验，在传统设计的基础上获得创新性转变，确保构型的可行性和实用性。

2 机械结构设计中的创新设计应用

2.1 结构变异化设计

通过变异化设计能确保结构参数的优化，在满足一定技术要素的支持下获得独立设计方案。通常来讲，结构的技术要素分为零件形状、材料、联结点以处理方式等，本文主要从功能面、联结点及材料种类3 方面入手进行阐述。

（1）功能面。机械机构发挥其功能作用主要通过零件与零件之间的位置和关系实现。零件的形状由表面控制，为发挥作用，零件功能面较多。当机械工作时，零件表面会互相接触，还会与被加工物体之间形成接触，这些产生接触的表面被称为功能面。从本质上讲，功能面是影响机械性能的主要因素之一，通过变异化设计能呈现出多种不同方案，效果也皆为不同。影响功能表面的参数有顺序、尺寸、形状、位置、数量等，任意参数变异都将得到不同的功能面效果。

（2）联结点。零件在不接触的情况下包含六个自由度，当需要与其他零件联结时，自由度将会受到一定程度的限制，应将必需的自由度保留使其能按照原有的运动关系工作，其他自由度可完成创新性转变。联结是当零件间出现接触时，不同的方法将导致零件功能面的形态存在差距，而相互之间紧固力的不同也会导致自由度有所不同。例如,轴毂在联结时存在以下几种情况：其一，固定联结，此时六个自由度受到限制；其二，转动联结，五个自由度受到限制；其三滑动联结，五个自由度受到限制；其四，移动或转动联结，五个自由度受到限制。联结方式的不同可将固定式轴毂分化成两种形式，力锁合联结及形锁合联结。力锁合是利用零件接触过程中产生的摩擦力和轴向力，设置不同的结构能使零件表面产生不同大小的压力。常见的结构为过盈配合，这种结构简单且压力较大，能满足使用需求，但是缺陷在于装卸难度高。形锁合又可分为成形联结、平键联结、切向键联结、销联结、花键联结等，装配时要求不存在过盈现象，在调整阶段产生过盈，拆卸则反之。

（3）材料种类。机械材料对应不同的加工工艺，在结构创新中应科学选材，根据材料明确工艺，根据工艺明确结构，发挥创新性结构的优势。选材时还要考虑到成本、性能、质量等方面的因素。在结构设计时,要确保材料的性能，如铸铁材料抗压性能强，但抗拉略弱，需要在结构设计时注意保持抗压状态而非抗拉状态；再如陶瓷局部强度较差，在结构设计时应防止局部受力出现破损情况。

2.2 结构性能化设计

（1）提高刚度和强度。机械在运转中会造成零件局部受力过大，所以结构设计应将荷载力分散，提高结构的分担能力，在实际应用中在集中受力位置增加支撑套即是一种载荷分担的方法。当机械需要传动作业时，其中不做功的力就很难将物体传动到制定位置，为确保整体的平衡性，应保持零件与其他载荷生成平衡力，提高结构的承受度。为保证零件刚度，除优选材料外还可以避免应力的过度集中，防止结构的承载受到影响。

（2）提高工艺性。切削类的机床在装卡时需要夹持面辅助工作，应保证夹持面的刚度，还要减少被加工物体的装卡次数，提高工作效率。若可以同过一次装卡操作达到多产品同时被加工的效果，则能节省大量加工时间，确保切削效率。

（3）提高精度。机械或多或少会受到设计和制造阶段的影响，在作业时出现误差。所以，结构设计应从降低误差，确保精度的方向入手，避免由构件变形、材料不佳或者温度作用出现误差。提高对误差的敏感程度是确保产品质量的基础，应在创新结构的同时降低误差。除此以外，当机械内部构件存在多个连接处时，产品精度就会受到综合影响，比如，增加螺旋传动则会影响到多圈螺纹，不仅可以增加耐磨性和承载力，还会提高传动精度。

2.3 结构宜人化设计

（1）降低疲劳感。工作人员在操作设备时可能要长时间保持同样的姿势，在设计结构时要尽量减轻操作压力，避免操作人员身体疲劳，影响工作质量。机械经过创新性改进后外形要柔和，满足工作人员的需求，在长期作业状态下也不会过度劳累，确保设计的宜人化。

（2）确保操作性。工作人员处于不同位置，不同方向施加不同大小的力时，机械操作感皆有不同。一般来讲，右手比左手的力度要大，施加的力度与身体姿势也有关，脚部的力量在坐姿的情况下力度最大，当设备需要较大的作用力时需要脚力代替手动。手部的杠杆、手轮以及手柄都要确保设计的宜人化，在使用时不会出现滑动、不舒适的情况。脚部发力时要提供舒适的座椅，踏板在中间位置，后部提供靠背。

（3）避免使用错误。零件形状要实用且简单，容易清晰辨认。当设备投入使用时，要求为工作人员提供操作空间，相关的仪器仪表都设置在视力可见范围内，作业过程中就能实现监督和管控，防止出现使用错误情况，影响产品质量。

（4）色彩与形状。在确保机械设备性能的同时还要完善零件的色彩与形状，使形状和谐、美观、稳定，色彩搭配要大气、简单，组合而成的设备要匀称。外观的大方也能使机械在市场的激烈竞争中脱颖而出，确保经济效益。

2.4 结构便捷化设计

（1）加工结构构型。设计机械零件时需要节省时间，保证装卡、测量以及加工效率高，成本要加以控制。加工面的外形要简单实用，便于装卡实用及刀具拆卸，防止出现斜面钻孔的情况。由于复杂零件需要经历的工序多，对技术的要求较高，所以成本也会随之增加。为节省成本和加工时间，可以采用零件组合的方法达到同样的使用效果。

（2）简化结构。简化零件结构是机械设计的目标，能达到同样使用要求的简化结构，能更方便拆卸和维修，在提高工作效率的同时，还能节省检修时间，避免运行期间出现故障影响经济效益。以塑料结构为例，其特点为强度小、柔性大，若利用螺纹使零件之间联结工作很可能在外力的作用下出现断裂，而且装卸和加工阶段都较为烦琐，因此在结构设计中应利用塑料的优势，使用搭钩凹槽连接，能确保装配和拆卸过程更为简便、省时、省力。