李端芳

（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

由于機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程相對比較繁雜，眾多因素都可能影響到設(shè)計活動。鑒于此，要加強機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新，保證機械結(jié)構(gòu)設(shè)計層次明顯得到提高。在創(chuàng)新思維的指導(dǎo)下，不斷提高機械結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、合理性。在行業(yè)設(shè)計規(guī)范統(tǒng)一指導(dǎo)下，走創(chuàng)新化的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計之路不僅能推動國內(nèi)機械制造行業(yè)的發(fā)展，同時還能有效促進科技與機械之間的融合。

1 當(dāng)前機械結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新的必要性

在工業(yè)化時代，機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)異程度關(guān)乎相應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量與所需成本[1]。這就要依據(jù)各個行業(yè)的有關(guān)規(guī)定進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。從企業(yè)方面看，創(chuàng)新思維指導(dǎo)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，能促進有關(guān)工作者形成創(chuàng)造性的理念，把各種機械零件和模塊間進一步組合，改進結(jié)構(gòu)的性能，提高機械設(shè)備質(zhì)量，促進生產(chǎn)，降低成本。從國家，提倡機械結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新是一個民族能夠立于不敗之地的重要保障。創(chuàng)新推動生產(chǎn)發(fā)展，并直接增強國家綜合實力。因此，有必要強化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新的過程，特別是在工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展目標(biāo)下，創(chuàng)新之路，勢在必行。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新的具體思路

2.1 尺寸創(chuàng)新

在設(shè)計機械結(jié)構(gòu)時，要依據(jù)相關(guān)部門的要求和其他層面要素確定好機械結(jié)構(gòu)的尺寸，盡量確保機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的尺寸更加合理，加強機械結(jié)構(gòu)的使用時間和實用性。例如，可以對汽車車輪控制系統(tǒng)進行六連桿結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，相應(yīng)的設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 汽車車輪六連桿相關(guān)設(shè)計與懸掛裝置圖

在圖1 的連桿結(jié)構(gòu)中，DO、BO及KB為原連桿結(jié)構(gòu)，A點是桿BK的延長點，連接形成導(dǎo)引連桿AB，導(dǎo)引連桿AO與原結(jié)構(gòu)KD交于C點。KC與CD是曲線連桿結(jié)構(gòu)，A點的運動形成新導(dǎo)引連桿結(jié)構(gòu)A0O，C點與A點軌跡相似，得到鉸鏈點C0，則AA0、CC0、A0C0及OC0都為新的鉸鏈結(jié)構(gòu)。由射線定理，AO比上CO，AB與KB的比值，AA0和CC0的比，AO和CO的比都等于常數(shù)m。由此列出上面求六連桿結(jié)構(gòu)相應(yīng)尺寸的關(guān)系式。

其中四連桿結(jié)構(gòu)指自由度一樣，輸入構(gòu)件的運動規(guī)律一樣，輸出構(gòu)件上的一點軌跡也一樣的一組連桿結(jié)構(gòu)，但這組連桿結(jié)構(gòu)的運動學(xué)尺寸不同，所以其受力情況與動態(tài)性能比較差，并且原動件的運動必須通過一個間接和機架關(guān)聯(lián)的組件才可以帶動從動件的運轉(zhuǎn)。而六連桿結(jié)構(gòu)則對相應(yīng)尺寸進行了合理設(shè)計，成功地避免了以上問題，并使得車輪嚴(yán)重晃動時輪距與前束的變動較小，無論汽車為驅(qū)動還是制動，駕駛者都能夠安全平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向。

2.2 工藝創(chuàng)新

工藝創(chuàng)新能夠減少機械結(jié)構(gòu)設(shè)計階段出現(xiàn)的各種問題，即表現(xiàn)在生產(chǎn)要素的結(jié)合形式，也表現(xiàn)在工作對象、工作者的創(chuàng)新。走工藝創(chuàng)新之路應(yīng)當(dāng)堅持資源節(jié)約，產(chǎn)品質(zhì)量提高，減少損失，利于環(huán)境保護的原則。國內(nèi)工業(yè)水平落后于西方國家，只有堅持工藝創(chuàng)新，才能夠創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。走工藝創(chuàng)新之路就是要在實際生產(chǎn)活動中引入現(xiàn)代化的數(shù)字技術(shù)，提高機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的智能化水準(zhǔn)。在汽車的內(nèi)燃機方面可以做一些工藝的創(chuàng)新。具體設(shè)計如圖2 和圖3 所示。

圖2 往復(fù)式內(nèi)燃機

往復(fù)式內(nèi)燃機的技術(shù)矛盾：工作機構(gòu)及氣閥控制機構(gòu)組成復(fù)雜，零件多。曲軸等零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝性差。機構(gòu)運動慣性力大， 因此增大軸承慣性載荷，使系統(tǒng)不平衡產(chǎn)生振動， 也限制了輸出軸轉(zhuǎn)速的提高。曲軸回轉(zhuǎn)的動力輸出效率低?？梢钥紤]運用機構(gòu)等效代換理論，以反凸輪機構(gòu)代還原發(fā)動機的曲柄滑塊機構(gòu)[2]。減少零件數(shù)量，精簡化結(jié)構(gòu)，降低損耗。

圖3 無曲軸式內(nèi)燃機

2.3 零件數(shù)量創(chuàng)新

較多的機械零件在結(jié)構(gòu)形態(tài)與作用效果等方面千差萬別，有關(guān)工作者要對各種機械零件都很了解，保證零件在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)展現(xiàn)出成效。創(chuàng)新零件數(shù)量也是機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重要內(nèi)容。例如，依據(jù)相應(yīng)原理將一些零件進行組合，提高結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這對加強機械結(jié)構(gòu)綜合能力亦能發(fā)揮重要作用。在汽車傳動裝置的創(chuàng)新設(shè)計中，可考慮把相關(guān)零件進行組合。帶傳動與行星傳動為機械傳動中基本零件，二者傳動性能大不一樣：帶傳動結(jié)構(gòu)單一、傳動穩(wěn)定、造價便宜、無需潤滑，可緩解沖擊與超載打滑的問題且噪聲不大；行星傳動結(jié)構(gòu)緊密、傳動的波動大但效能高，有較強的承載能力。將二者聯(lián)合在一起，以帶輪外廓大小不變?yōu)榍疤幔瑒?chuàng)新設(shè)計出性能優(yōu)良的汽車傳動裝置。它包含3 個部分：輪廓偏心套與轉(zhuǎn)臂滾針軸承構(gòu)成的外波器H，活齒架與一組擺動活齒組合成的活齒輪G等同于內(nèi)齒行星輪，和輸出軸或機架固聯(lián)的是為外齒輪，即中心輪K，它的齒形是擺動活齒幾何中心運動軌跡的內(nèi)等距線。

把帶傳動與行星傳動聯(lián)合形成的減速帶輪，目前在汽車制造上堪稱創(chuàng)新性減速裝置。它不僅繼承了帶傳動結(jié)構(gòu)可靠性高、 減振能力強等優(yōu)點， 又保留了行星傳動結(jié)構(gòu)效能高，承載力強等優(yōu)勢，并很好地避免了行星傳動結(jié)構(gòu)尺寸大導(dǎo)致的動平衡性能差的缺陷。以改進后的擺動活齒減速帶輪結(jié)構(gòu)的H、G、K3 個構(gòu)件表示的傳動比數(shù)據(jù)計算如下：

在此K固定G從動H主動，則為以K為中心，H對K的傳動比，是從動輪G的齒數(shù)，為中心輪K的齒數(shù)。

2.4 零件位置及材料的創(chuàng)新

任意改變零件的位置，就有可能使機械產(chǎn)品成為廢品，或者影響到結(jié)構(gòu)的運行模式、綜合性能。為此，設(shè)計者零件位置的創(chuàng)新中，也要熟悉結(jié)構(gòu)的整體架構(gòu)，以機械產(chǎn)品的穩(wěn)定為指導(dǎo)進行設(shè)計，保證零件位置創(chuàng)新達到相關(guān)需求。材料的選用是機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重要環(huán)節(jié)。在機械機構(gòu)設(shè)計目標(biāo)指導(dǎo)下，需要關(guān)注材料的力學(xué)性能、冷沖壓性能、韌性、冷彎性、塑性等指標(biāo)，了解各種材料的屬性與使用價值，聯(lián)系機械結(jié)構(gòu)設(shè)計需要比較各種材料。機械結(jié)構(gòu)的不同以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部零件位置的不同所選用的材料參數(shù)也必然存在差異。為此，設(shè)計者要具體問題具體分析，選用最適合的材料，最大化地提高機械結(jié)構(gòu)的運行效果。像在汽車的輕量化設(shè)計中可以考慮使用創(chuàng)新型的復(fù)合材料來改善汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)與零件的質(zhì)量[3]。例如，可復(fù)合乙烯基酯、乙二酸型聚酯樹脂、不飽和聚酯樹脂及低收縮添加劑等，制成高韌性、低密度輕質(zhì)材料，其密度僅為1.3 g/cm3左（常規(guī)汽車材料的密度為1.8 g/cm3左右），有很大輕質(zhì)效果。其裂延伸率多至1.35%，沖擊強度增至90 kJ/cm2， 收縮率不大于0.05%。 降低汽車零部件33%的成型周期，縮短其40%的模壓能耗，使汽車零部件150℃的成型溫度減少至 80℃，成型壓力也由7 MPa～10 MPa 減為大約3.5 MPa。擁有輕質(zhì)減震、隔音耐熱、抗壓耐腐等優(yōu)點，可用于汽車發(fā)動機內(nèi)部件（如氣門罩蓋、油底殼等）等結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 結(jié)語

總而言之，該文分析了汽車車輪六連桿相關(guān)尺寸的設(shè)計創(chuàng)新、內(nèi)燃機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工藝性創(chuàng)新以及傳動裝置中零件組合的設(shè)計創(chuàng)新的具體思路。另外也可以對汽車及其他機械產(chǎn)品就零件位置、材料、形狀等方面做一些有效的創(chuàng)新設(shè)計[4]，改進產(chǎn)品設(shè)計的基本性能，解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的缺陷，與時俱進，為機械加工行業(yè)的發(fā)展提供有力的支持。該文限于實際篇幅，僅分析了汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新的思路，更多的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)研究工作還有很長的路要走，應(yīng)進一步強化對創(chuàng)新開發(fā)在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，使其越來越合理、科學(xué)。