孫 鳳，李春明,，崔運靜，李萬騰

(1.中國石油大學(華東)中國石油大學勝利學院，山東 東營 257061)(2.中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島 266580)(3.山東大學機械工程學院，山東 濟南 250061)

工程技術(shù)人員的創(chuàng)新能力培養(yǎng)是目前國家和高校普遍重視的問題。在大學課程體系中，繼“機械原理”和“機械設計”之后的“機械創(chuàng)新設計”是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要課程[1-2]。在該課程中，零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新可明顯改善機械的工作性能。

“機械原理”研究機構(gòu)、活動構(gòu)體(件)、固定構(gòu)體、運動副、自由數(shù)(獨立運動數(shù))和動力學等?！皺C械設計”研究機構(gòu)的具體形狀，包括桿、盤、蓋、箱體、機架、鉸鏈、器、裝置，以及零件的強度、剛度和失效等[3]。根據(jù)運動原理，將機構(gòu)和構(gòu)體具體化為某個零件或部件的形狀、尺寸、精度、材料、熱處理方法、表面狀態(tài)、連結(jié)方式、順序、數(shù)量等具體結(jié)構(gòu)方案的過程，稱為零件的結(jié)構(gòu)設計。在結(jié)構(gòu)設計時，應綜合考慮材料的力學性能、零部件的功能、工作條件、加工工藝、裝配、使用、維護、回收、成本、安全、環(huán)保等各方面的要求。在滿足使用功能的前提下，應基于優(yōu)化理念，力求使零件的結(jié)構(gòu)工藝簡單、能量消耗少、成本小、使用方便、操作容易、壽命長等。

目前零件結(jié)構(gòu)設計的創(chuàng)新方法要么片面套用創(chuàng)新方法，要么以例子為綱，既不全面，也不系統(tǒng)。本文理清本末，著眼普遍性，建立零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法的理論體系。

1 研究進展

目前，零件結(jié)構(gòu)(機械結(jié)構(gòu))創(chuàng)新方法的理論體系以4本專著或教材為最先進代表。文獻[4]以運動副和構(gòu)體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)集成化和產(chǎn)品模塊化為研究對象組織該創(chuàng)新方法體系(如圖1所示)。該體系與機構(gòu)演化的創(chuàng)新方法和通用創(chuàng)新方法均有重復和交叉，容易引起混淆。

圖1 具有演化方法和通用方法的體系

文獻[5]考慮設計理念及工作情況，如圖2所示。該體系分節(jié)較少，且與通用創(chuàng)新方法有重復。

文獻[6]從功能實現(xiàn)、材料特性、加工制造、組合、移植等方面介紹結(jié)構(gòu)設計方法，注重實例，如圖3所示。該體系的設計理念不具體、不全面，在內(nèi)容上與通用創(chuàng)新方法有重復。

文獻[7]的體系如圖4所示。該體系各部分之間存在重復內(nèi)容，比如便于操作的創(chuàng)新屬于宜人結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，卻與便于制造的創(chuàng)新一起另外成節(jié)。

圖2 考慮設計理念及工作情況的體系

圖3 注重實例的體系

圖4 包含基本內(nèi)容的體系

總之，上述理論體系存在如下問題：

1)結(jié)構(gòu)不夠系統(tǒng)。比如通用創(chuàng)新方法引入不全且無序。各小節(jié)之間的內(nèi)容互異性差，存在重復現(xiàn)象。

2)整體上內(nèi)容不夠全面。各專著在內(nèi)容取舍上各有側(cè)重、各有疏漏。

3)目前較成熟的全生命周期內(nèi)的設計理念沒有體現(xiàn)。

基于以上分析，零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方法可概括為基于功能實現(xiàn)的創(chuàng)新、基于全生命周期的創(chuàng)新和基于材料特性的創(chuàng)新3個方面。

2 基于功能實現(xiàn)的創(chuàng)新

零件設計的目的是使其具有一定的功能。在確定功能后，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行改進、對比、完善，令產(chǎn)品脫穎而出。因此，可從以下幾個視角進行創(chuàng)新。

1)結(jié)構(gòu)應與功能相一致?？筛爬橐韵?個方面：應適應工作條件；可設計零件的某個部位具有多個功能，從而簡化制造過程、減少材料消耗、提高工作效率；相同的或相似的結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)完全不同的功能；與拼圖法解決多未知量矢量方程[8]一樣，多個結(jié)構(gòu)組合起來就有可能實現(xiàn)新的功能，比如多個簡單結(jié)構(gòu)可拼接出復雜結(jié)構(gòu)；不同產(chǎn)品的相同部分可采用相同的結(jié)構(gòu)；根據(jù)功能簡化結(jié)構(gòu)；選用同樣功能的標準件。

2)宜人避錯。隨著機械設計和制造水平的提高，機器的復雜程度、工作速度不斷提高，不能要求操作者無條件地適應機器，而應使機械設備的結(jié)構(gòu)、形狀和顏色適合于人的生理和心理特點，實現(xiàn)安全、準確、正確、省力、舒服、簡便的操作，同時緩解操作疲勞，提高工作效率?；谟脩粼u價改進零件結(jié)構(gòu)[9]是增強宜人特點的重要途徑。

3)適應受載情況。根據(jù)載荷的方向、大小、變化規(guī)律等設計零件結(jié)構(gòu)，可保證受載面積足夠大、受載部位足夠強、最大應力足夠小。

4)增強工作能力。可概括為以下6個方面：受載時機械性能得以強化，如接觸面應垂直于載荷方向，應增大接觸面；應具有抗干擾能力，干擾因素消除之后，機械裝置能較快地恢復到理想工作狀態(tài)；如果零件有多個部位受載，應具有補償或抵消不同部位運動誤差的能力；多個零件受載，應抵消不作功力，如雙斜齒輪和行星輪系；原動機自由數(shù)小于機構(gòu)自由數(shù)的情況下，機構(gòu)能適應外載而作出確定運動；可采取合理設計工作部分、有效消除間隙影響、適當分配工作載荷等措施，以提高運動精度和工作精度[10]。

3 基于全生命周期的創(chuàng)新

機械產(chǎn)品的全生命周期包括設計、加工、裝配、輸送、維護、報廢和拆解等。在設計之前，必須綜合考慮整個周期中可能面臨的所有問題，同時掌握綠色設計、一次性設計等先進理念。

1)加工方面。要求裝夾方便、加工難度低、加工工藝簡單、測量容易和設備費用少等。可概括為以下7個方面：加工面力求形狀簡單、數(shù)量小、尺寸小、定位與夾緊簡便；刀具進退方便；在孔端設計垂直面；復雜加工面盡量布置在外表面而非內(nèi)表面上；復雜零件可設計成組合式結(jié)構(gòu)；可采用附加結(jié)構(gòu)降低加工難度；可根據(jù)智能制造特點改進結(jié)構(gòu)[11]等。

2)裝配拆卸方面。應可靠、方便、省力，主要體現(xiàn)在以下9個方面：組合式結(jié)構(gòu)可設計成錐面定位；螺栓連結(jié)、易損常換件應可單獨拆卸；多處存在裝配關(guān)系的結(jié)構(gòu)應使某個零件的拆卸不破壞其他裝配關(guān)系；應留出必要的裝拆空間；應使尺寸相同、而材料及熱處理方式不同的零件在外部形狀上有明顯區(qū)別；與常規(guī)參數(shù)不同的結(jié)構(gòu)應特別標記；必要時設計便于快速裝拆的結(jié)構(gòu)；必要時可在軸肩處、凹槽處設計拆卸孔、起蓋螺釘或拆卸槽；如果不對稱結(jié)構(gòu)在隱蔽處，則應在其對應的明顯處設計不對稱結(jié)構(gòu)等。

3)運輸及報廢拆解方面?？筛爬橐韵?個方面：應力求形狀簡單、穩(wěn)固；在輸送時同一類零件不易互相干擾或顛倒；應使結(jié)構(gòu)中的不同材料容易分離，如鋼骨架和橡膠；不同材料應容易識別(特別是塑料)；材料種類應盡量少；裝飾性加工量應盡量小，如電鍍、噴涂等[12]；包裝設計應符合減量化、回收、重用、循環(huán)再生和可降解原則等。

4)使用維護方面。潤滑劑易添加、回收，潤滑油不污染產(chǎn)品，安全保護裝置齊全。

4 基于材料特性的創(chuàng)新

應根據(jù)功能要求合理選擇材料類型、加工工藝及結(jié)構(gòu)形式，并充分發(fā)揮所選材料的優(yōu)勢。零件結(jié)構(gòu)應充分適應所選材料的力學性能、加工性能、使用成本等，還應適應其密度、硬度、強度、剛度、耐磨性、磨合性、耐腐蝕性、傳導性等。

1)利用脆性材料。根據(jù)抗壓而不抗拉的特點，可令其工作時處于受壓狀態(tài)；可增大受力面積，以避開其應力集中嚴重的情況；根據(jù)其耐磨性強的特點，可令其改善軸承的工作性能和延長滾滑副結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2)利用彈性材料。根據(jù)其變形特點、大阻尼、熱膨脹特性和泊松效應等，可實現(xiàn)一定的運動功能[13]；可補償其他零件的安裝變形、軸向位移、徑向位移、角位移等；可實現(xiàn)相鄰零件之間無滑動摩擦的相對微小轉(zhuǎn)動或移動；可實現(xiàn)機械的緩沖吸振功能；可改變機械的固有頻率，從而避免共振；可在其彈性范圍內(nèi)實現(xiàn)機械運動，從而簡化結(jié)構(gòu)、減少零件；可在載荷很小而空間較大的場合代替整個機構(gòu)；可實現(xiàn)垂直于載荷方向且位移很小的運動，從而使機械結(jié)構(gòu)簡單、工作性能穩(wěn)定；可根據(jù)環(huán)境變化實現(xiàn)具有控制或測量功能的機械運動，如雙金屬片控制開關(guān)；可制成各種彈簧實現(xiàn)大位移彈性運動，或提供彈性反力[14]。

3)利用彈性卡件。可簡化機械結(jié)構(gòu)，主要概括為以下4個方面：在受力不大的場合，直接卡在孔隙中代替密封結(jié)構(gòu)；在經(jīng)常裝拆的場合，代替整個連結(jié)組件，如用彈性卡扣件代替整個連結(jié)螺栓組；對于彈性變形量大的塑料零件，可利用彈性變形簡化連結(jié)結(jié)構(gòu)；對于具有形狀記憶功能的彈性卡件，可省去連結(jié)及緊固結(jié)構(gòu)等。

5 理論地位及魯班鎖實例

零件結(jié)構(gòu)設計是在系統(tǒng)方案和機構(gòu)確定之后進行的，設計時可綜合運用各類創(chuàng)新方法。因此，零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法是在其他創(chuàng)新方法的基礎上建立起來的，起到理論聯(lián)系實際、再現(xiàn)創(chuàng)新方法、驗證創(chuàng)新方案的作用。整合機械創(chuàng)新方法領(lǐng)域的教材、專著、文獻的專業(yè)內(nèi)容，可建立如圖5所示的機械創(chuàng)新方法理論體系。在該體系中，零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法不可或缺。

圖5 機械創(chuàng)新方法的理論體系

通過零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，普通的機構(gòu)可設計成神奇的機械，魯班鎖就是一例。魯班鎖是充分利用榫和卯原理的三維組合機構(gòu), 在外觀上，嚴絲合縫，呈對稱、平衡、穩(wěn)定的十字立方體狀。它不用釘子、繩子等固定工具, 完全靠自身榫卯結(jié)構(gòu)的連接與支撐，通常最后一個零件裝上之后鎖住[15]。各構(gòu)體之間以移動副連接。鎖住之后說明其獨立運動數(shù)(自由數(shù))為零。魯班鎖的機構(gòu)為多個平面四體機構(gòu)組合而成的立體機構(gòu)，其基本單元為只含移動副的四體機構(gòu)，如圖6(a)所示。通過設計單元之間的組合形式及各零件的合理結(jié)構(gòu)，可獲得各式各樣的魯班鎖。在圖6(a)的基礎上增加如圖6(b)所示的粗線所表示的構(gòu)體，該構(gòu)體與構(gòu)體1和3以移動副相連，則機構(gòu)鎖住，其他構(gòu)體不再可以像拆積木一樣拆除。圖6兩個機構(gòu)的自由數(shù)Fn分別為：

Fn=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1

(1)

Fn=3n-2PL-PH=3×4-2×6-0=0

(2)

式中：n為活動構(gòu)體數(shù)；PL為二約束副(低副)數(shù)；PH為一約束副數(shù)(高副)。

圖6 魯班鎖的基本單元

6 結(jié)束語

每一個零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新都具有實用價值和申請專利的實力，比如增強維修能力的雙頭螺柱結(jié)構(gòu)。在機械的零件結(jié)構(gòu)設計中，以創(chuàng)新性、可行性、可靠性和合理性為目的，突出零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，可增強機械產(chǎn)品的市場競爭力。

本文建立的零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法理論體系在整個機械創(chuàng)新方法理論體系中不可或缺，該理論體系可用于指導專著的撰寫和科研項目的進行。本文提出的魯班鎖機構(gòu)形式可為更加科學、更加精巧的機械提供理論參考。