陳文喚

（安徽東風(fēng)機(jī)電科技股份有限公司 安徽合肥 231202）

淺談機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳文喚

（安徽東風(fēng)機(jī)電科技股份有限公司 安徽合肥 231202）

設(shè)計(jì)與創(chuàng)新是密不可分的，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，合理的創(chuàng)新對于完善機(jī)械產(chǎn)品缺陷、拓展機(jī)械產(chǎn)品功能等方面有著重要的作用。本文減壓分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的必要性，從變元分析方式入手，探討了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；變元分析；創(chuàng)新

前言

創(chuàng)新是發(fā)展的重要能力，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，其實(shí)一項(xiàng)具有創(chuàng)新性和創(chuàng)造性的工作，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)具備創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，在設(shè)計(jì)的過程中根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來進(jìn)行創(chuàng)新，以此來不斷完善機(jī)械產(chǎn)品的功能，拓展機(jī)械產(chǎn)品的適用范圍，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目的，從而促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，這對于機(jī)械產(chǎn)業(yè)競爭力的提升有著積極的意義?；谝陨?，本文簡要分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，旨在為相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐提供參考。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的必要性分析

隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但在發(fā)展的過程中，機(jī)械制造產(chǎn)品的同質(zhì)化問題也逐漸凸現(xiàn)出來，在這樣的背景下，要想提升機(jī)械產(chǎn)品的競爭力，在市場上占據(jù)一席之地，就必須完善產(chǎn)品的功能，拓展產(chǎn)品的用途，在激烈的市場競爭中保持優(yōu)勢，只有這樣才能夠保證經(jīng)濟(jì)效益的最大化。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的基礎(chǔ)性工作，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性很大程度上決定著機(jī)械產(chǎn)品的性能完善和用途拓展，從而提升機(jī)械產(chǎn)品的市場競爭力[1]。因此，對于機(jī)械產(chǎn)品制造企業(yè)來說，應(yīng)當(dāng)將中作中心轉(zhuǎn)移到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，以現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，堅(jiān)持創(chuàng)新思維，不斷對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行創(chuàng)新，對各個(gè)模塊的組合進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，以此來創(chuàng)新設(shè)計(jì)出符合產(chǎn)品系統(tǒng)需求的機(jī)械結(jié)構(gòu)，只有這樣，才能夠提升機(jī)械產(chǎn)品的競爭力，才能夠促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品制造企業(yè)乃至整個(gè)機(jī)械行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 基于變元分析方式的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

變元分析方式起源于德國，屬于一種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法，變元創(chuàng)新有著豐富的內(nèi)涵，其主要包括七個(gè)方面的變元創(chuàng)新內(nèi)容，在確定機(jī)械基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對七個(gè)變元元素的創(chuàng)新和改進(jìn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品性能的優(yōu)化。變元創(chuàng)新是當(dāng)前機(jī)械工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新中主要采用的方法，下面從幾個(gè)不同創(chuàng)新要素來具體探討基于變元創(chuàng)新的機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：

2.1 材料變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中會涉及到多種多樣原材料的原則，尤其隨著新材料的開發(fā)，機(jī)械設(shè)計(jì)可選擇原材料的種類越來越多。對于不同種類原材料來說，其在功能、加工方式以及加工工藝上有著一定的差異性，在對材料進(jìn)行加工之后才能夠獲得符合相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)理想材料[2]。而材料變元則指的是對機(jī)械產(chǎn)品材料選擇和替換來改變機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸和加工工藝，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。通過對原材料的變元能夠創(chuàng)新出不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。以剛性材料設(shè)計(jì)為例，如果要提升機(jī)械產(chǎn)品的剛度和強(qiáng)度，則可以對材料進(jìn)行變元，對鐵性材料來說，可以采用增強(qiáng)隔板的方式進(jìn)行調(diào)整，對于鋼材料則可以采取增大零件截面尺寸的調(diào)整，通過這樣的材料變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)來提升最終機(jī)械產(chǎn)品的剛度和強(qiáng)度。

2.2 數(shù)量變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，工作面、輪廓面、加工面、輪廓線以及零件本身都屬于設(shè)計(jì)的基本元素，這些基本元素?cái)?shù)量的改變能夠影響機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此可以通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本元素?cái)?shù)量的變元來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。以鑄件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為例，在設(shè)計(jì)的過程中要求盡量簡單，在輪廓修飾的過程中要盡可能的使用直線。而在螺紋結(jié)構(gòu)連接的過程中，容易出現(xiàn)螺栓松脫的問題，為了避免此問題的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)當(dāng)增加螺釘和墊片的使用。為了降低零件的使用數(shù)量，方便安裝，在設(shè)計(jì)的過程中也可以將螺釘設(shè)計(jì)為具備墊圈、彈簧墊圈等功能的零件，這就屬于基本元素?cái)?shù)量變元的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[3]。

2.3 形狀變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)指的是通過對零件形狀、類型、規(guī)格以及整體輪廓的改變來實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。例如，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，常常需要利用彈簧的壓緊力來壓緊零件，避免零件脫落，保證零件維持、穩(wěn)定在正確的位置。在設(shè)計(jì)的過程中，就可以對彈簧形狀進(jìn)行變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可選用的彈簧寶庫板簧、拉簧、壓簧等等，這些彈簧在形狀上都有著一定的差異，而被嚴(yán)禁零件則有著平面、球面、柱面等多種形式，通過對不同彈簧和不同面零件的合理搭配和組合就能夠得出多種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。需要注意的是，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程中，要對彈簧壓縮距離進(jìn)行合理的控制，如果彈簧壓縮距離設(shè)計(jì)過大則會引起彈簧失穩(wěn)的問題出現(xiàn)，如果一定需要設(shè)計(jì)較大的彈簧壓縮距離，則應(yīng)當(dāng)增設(shè)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，用較小的空間來約束彈簧，這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)形式下，彈簧不僅能夠單獨(dú)進(jìn)行使用，也可以與搖桿、繩索等相互配合進(jìn)行使用。

2.4 位置變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，其基本元素的位置并不是一成不變的，通過對基本元素位置的變元能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化[4]。以焊縫設(shè)計(jì)為例，在焊縫設(shè)計(jì)的過程中，可以通過焊縫位置的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和優(yōu)化，例如，為了盡可能降低收縮力矩和彎曲變形，可以將焊縫的位置盡量設(shè)計(jì)在中性軸或?qū)?yīng)的中性軸附近。此外，在有限空間內(nèi)安裝設(shè)計(jì)零件的過程中，零件位置的擺放不同會對機(jī)械操作產(chǎn)生不同程度的影響，因此可以通過對零件位置的調(diào)整來優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來便于之后的機(jī)械操作過程。

2.5 聯(lián)接變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)

對于聯(lián)接變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)來說，主要包含兩層面含義：①對聯(lián)接方法變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)：在機(jī)械設(shè)計(jì)中，涉及到的聯(lián)接方法有很多，例如焊接聯(lián)接、螺紋聯(lián)接、膠接聯(lián)接、鉚釘聯(lián)接等等，通過對這些聯(lián)接方法的不同選擇和組合能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)接變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)；②對聯(lián)接結(jié)構(gòu)變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)：不同的聯(lián)接方式對應(yīng)著不同的結(jié)構(gòu)，通過對聯(lián)接結(jié)構(gòu)的變元調(diào)整能夠組合出多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新方案。在機(jī)械產(chǎn)品中能夠經(jīng)常會涉及到需要拆卸的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)的過程中就需要可靠的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，方便拆卸的同時(shí)保證產(chǎn)品的可靠。以玩具設(shè)計(jì)為例，就可以采用卡扣或螺釘?shù)确绞竭M(jìn)行聯(lián)接，而在手機(jī)機(jī)蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，為了方便用戶拆卸，應(yīng)當(dāng)采用螺紋聯(lián)接等方便拆卸的設(shè)計(jì)方式，這些都屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)聯(lián)接變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.6 尺寸變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)

尺寸指的是相關(guān)零件的長度、角度、距離、面積等與尺寸相關(guān)的參數(shù)，通過對零件尺寸的變元調(diào)整能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能。以冷沖壓彎曲工藝為例，其所使用的材料為彈性材料，具有著一定的彈性形變，這就對其設(shè)計(jì)提出了較高的要求，在設(shè)計(jì)的過程中要規(guī)范角度，在彎曲件加工成形之后，需要進(jìn)行整形調(diào)整，而整形調(diào)整也有著一定的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，即在增加一定彎曲角度之后，變形在一定范圍內(nèi)即視為合理，不需要進(jìn)行整形。

2.7 工藝變元創(chuàng)新設(shè)計(jì)

工藝對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響是至關(guān)重要的，加工工藝差異、質(zhì)量差異以及成本差異都會對零件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[5]。因此，可以通過工藝的變元調(diào)整來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)對零件的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行仔細(xì)分析，對零件結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，以此為根據(jù)來提出工藝修改意見。就目前來看，應(yīng)用天車機(jī)械手、機(jī)械人等新工藝創(chuàng)新出了許多新的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

綜上所述，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新對于優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重要的意義。本文以變元分析方法為基礎(chǔ)，從材料、數(shù)量、形狀、尺寸、工藝、位置、連接等七個(gè)方面探討了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，旨在為相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐提供參考。

[1]萬 勝，王誼平，蔣 伍.淺析機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2015，03：110.

[2]孫艷芬.基于變元法的機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].科技展望，2015，13：72.

[3]喬石，邵婉.當(dāng)前機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015，22：189.

[4]繆慶.淺談“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程中對創(chuàng)新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[J].西南科技大學(xué)高教研究，2008，03：54～55+58.

[5]馬國鋒.淺談機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新思維[J].黑龍江科技信息，2013，35：1.

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1004-7344（2016）15-0253-02

2016-5-12