杜俊斌，張海強(qiáng)

（中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510070）

機(jī)械零件的材料、形狀、數(shù)量、尺寸、位置及工藝都要滿足使用環(huán)節(jié)對其精度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、可靠性等性能的要求，所以結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)從機(jī)械設(shè)備實(shí)際應(yīng)用情況的角度出發(fā)，選擇可行的設(shè)計方案，從局部到整體完善機(jī)械結(jié)構(gòu)布局，解決結(jié)構(gòu)與使用間存在的沖突，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的合理應(yīng)用。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計概述

機(jī)械結(jié)構(gòu)對其性能起到了決定性作用，而機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計主要從原理、形狀、性能等角度出發(fā)，運(yùn)用了創(chuàng)新思維在保證機(jī)械實(shí)用性的前提下進(jìn)行改造更新。傳統(tǒng)機(jī)械在使用環(huán)節(jié)可能存在一定的局限性，創(chuàng)新設(shè)計是打破固有局限，大膽嘗試，實(shí)現(xiàn)選型到構(gòu)型的轉(zhuǎn)變。在創(chuàng)新設(shè)計時，工作人員應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上獲得創(chuàng)新性轉(zhuǎn)變，確保構(gòu)型的可行性和實(shí)用性。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)變異化設(shè)計

通過變異化設(shè)計能確保結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，在滿足一定技術(shù)要素的支持下獲得獨(dú)立設(shè)計方案。通常來講，結(jié)構(gòu)的技術(shù)要素分為零件形狀、材料、聯(lián)結(jié)點(diǎn)以處理方式等，本文主要從功能面、聯(lián)結(jié)點(diǎn)及材料種類3 方面入手進(jìn)行闡述。

（1）功能面。機(jī)械機(jī)構(gòu)發(fā)揮其功能作用主要通過零件與零件之間的位置和關(guān)系實(shí)現(xiàn)。零件的形狀由表面控制，為發(fā)揮作用，零件功能面較多。當(dāng)機(jī)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(chǎn)生接觸的表面被稱為功能面。從本質(zhì)上講，功能面是影響機(jī)械性能的主要因素之一，通過變異化設(shè)計能呈現(xiàn)出多種不同方案，效果也皆為不同。影響功能表面的參數(shù)有順序、尺寸、形狀、位置、數(shù)量等，任意參數(shù)變異都將得到不同的功能面效果。

（2）聯(lián)結(jié)點(diǎn)。零件在不接觸的情況下包含六個自由度，當(dāng)需要與其他零件聯(lián)結(jié)時，自由度將會受到一定程度的限制，應(yīng)將必需的自由度保留使其能按照原有的運(yùn)動關(guān)系工作，其他自由度可完成創(chuàng)新性轉(zhuǎn)變。聯(lián)結(jié)是當(dāng)零件間出現(xiàn)接觸時，不同的方法將導(dǎo)致零件功能面的形態(tài)存在差距，而相互之間緊固力的不同也會導(dǎo)致自由度有所不同。例如,軸轂在聯(lián)結(jié)時存在以下幾種情況：其一，固定聯(lián)結(jié)，此時六個自由度受到限制；其二，轉(zhuǎn)動聯(lián)結(jié)，五個自由度受到限制；其三滑動聯(lián)結(jié)，五個自由度受到限制；其四，移動或轉(zhuǎn)動聯(lián)結(jié)，五個自由度受到限制。聯(lián)結(jié)方式的不同可將固定式軸轂分化成兩種形式，力鎖合聯(lián)結(jié)及形鎖合聯(lián)結(jié)。力鎖合是利用零件接觸過程中產(chǎn)生的摩擦力和軸向力，設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)能使零件表面產(chǎn)生不同大小的壓力。常見的結(jié)構(gòu)為過盈配合，這種結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)、平鍵聯(lián)結(jié)、切向鍵聯(lián)結(jié)、銷聯(lián)結(jié)、花鍵聯(lián)結(jié)等，裝配時要求不存在過盈現(xiàn)象，在調(diào)整階段產(chǎn)生過盈，拆卸則反之。

（3）材料種類。機(jī)械材料對應(yīng)不同的加工工藝，在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中應(yīng)科學(xué)選材，根據(jù)材料明確工藝，根據(jù)工藝明確結(jié)構(gòu)，發(fā)揮創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。選材時還要考慮到成本、性能、質(zhì)量等方面的因素。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,要確保材料的性能，如鑄鐵材料抗壓性能強(qiáng)，但抗拉略弱，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計時注意保持抗壓狀態(tài)而非抗拉狀態(tài)；再如陶瓷局部強(qiáng)度較差，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)防止局部受力出現(xiàn)破損情況。

2.2 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計

（1）提高剛度和強(qiáng)度。機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)中會造成零件局部受力過大，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)將荷載力分散，提高結(jié)構(gòu)的分擔(dān)能力，在實(shí)際應(yīng)用中在集中受力位置增加支撐套即是一種載荷分擔(dān)的方法。當(dāng)機(jī)械需要傳動作業(yè)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(yīng)保持零件與其他載荷生成平衡力，提高結(jié)構(gòu)的承受度。為保證零件剛度，除優(yōu)選材料外還可以避免應(yīng)力的過度集中，防止結(jié)構(gòu)的承載受到影響。

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

（3）提高精度。機(jī)械或多或少會受到設(shè)計和制造階段的影響，在作業(yè)時出現(xiàn)誤差。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)從降低誤差，確保精度的方向入手，避免由構(gòu)件變形、材料不佳或者溫度作用出現(xiàn)誤差。提高對誤差的敏感程度是確保產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)，應(yīng)在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的同時降低誤差。除此以外，當(dāng)機(jī)械內(nèi)部構(gòu)件存在多個連接處時，產(chǎn)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(jié)構(gòu)宜人化設(shè)計

（1）降低疲勞感。工作人員在操作設(shè)備時可能要長時間保持同樣的姿勢，在設(shè)計結(jié)構(gòu)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(zhì)量。機(jī)械經(jīng)過創(chuàng)新性改進(jìn)后外形要柔和，滿足工作人員的需求，在長期作業(yè)狀態(tài)下也不會過度勞累，確保設(shè)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(jī)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(guān)，腳部的力量在坐姿的情況下力度最大，當(dāng)設(shè)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(shè)計的宜人化，在使用時不會出現(xiàn)滑動、不舒適的情況。腳部發(fā)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(shí)用且簡單，容易清晰辨認(rèn)。當(dāng)設(shè)備投入使用時，要求為工作人員提供操作空間，相關(guān)的儀器儀表都設(shè)置在視力可見范圍內(nèi)，作業(yè)過程中就能實(shí)現(xiàn)監(jiān)督和管控，防止出現(xiàn)使用錯誤情況，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）色彩與形狀。在確保機(jī)械設(shè)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(wěn)定，色彩搭配要大氣、簡單，組合而成的設(shè)備要勻稱。外觀的大方也能使機(jī)械在市場的激烈競爭中脫穎而出，確保經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 結(jié)構(gòu)便捷化設(shè)計

（1）加工結(jié)構(gòu)構(gòu)型。設(shè)計機(jī)械零件時需要節(jié)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(shí)用，便于裝卡實(shí)用及刀具拆卸，防止出現(xiàn)斜面鉆孔的情況。由于復(fù)雜零件需要經(jīng)歷的工序多，對技術(shù)的要求較高，所以成本也會隨之增加。為節(jié)省成本和加工時間，可以采用零件組合的方法達(dá)到同樣的使用效果。

（2）簡化結(jié)構(gòu)。簡化零件結(jié)構(gòu)是機(jī)械設(shè)計的目標(biāo)，能達(dá)到同樣使用要求的簡化結(jié)構(gòu)，能更方便拆卸和維修，在提高工作效率的同時，還能節(jié)省檢修時間，避免運(yùn)行期間出現(xiàn)故障影響經(jīng)濟(jì)效益。以塑料結(jié)構(gòu)為例，其特點(diǎn)為強(qiáng)度小、柔性大，若利用螺紋使零件之間聯(lián)結(jié)工作很可能在外力的作用下出現(xiàn)斷裂，而且裝卸和加工階段都較為煩瑣，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)利用塑料的優(yōu)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(jié)語

總而言之，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是新時期機(jī)械發(fā)展的必然要求，目的是確保零件的科學(xué)組合和外形實(shí)用，提高機(jī)械工作質(zhì)量和效率。設(shè)計人員要掌握專業(yè)的理論知識，具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)創(chuàng)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(fā)，解決結(jié)構(gòu)矛盾，保證機(jī)械設(shè)備的可靠實(shí)用。