機械結構設計解決方案

機械結構設計指零件的結構形狀及零件間的聯接關系的設計。是機械設計的主要組成部分，是涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段。在這些具體化的過程中需要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、成本、安全、環保等各種因素的影響。結構設計不是簡單重復的操作性工作，而是創造性工作；豐富知識是從事結構設計工作的前提，巧妙構形組合是結構創造性設計的核心。

結構中所有零部件的形狀、尺寸、位置、數量、材料、熱處理方式和表面狀況所確定的結構除應能夠實現原理方案所規定的動作要求外還應能滿足設計對結構的強度、剛度、精度、穩定性、工藝性、壽命、可靠性等方面的要求。機械結構設計的重要特征之一是設計問題的多解性即滿足同一設計要求的機械結構并不是唯一的。機械結構設計的任務是在眾多的可行結構方案中尋求較好的或最好的方案。找出所有的局部最優解并從中找出全局最優解得到最好的設計方案。這就需要發揮創造性思維方法的作用。結構方案的變異設計方法使設計者從一個已知的可行結構方案出發通過變換得到大量的可行方案。通過對這些方案中參數的優化可以使設計者得到多個局部最優解再通過對這些局部最優解的分析和比較就可以得到較優解或全局最優解。

1結構方案的變異設計

目的是尋求滿足設計要求的獨立的設計方案，以便對其進行參數優化設計。變異設計的基本方法是首先通過對結構設計方案的分析得出一般結構設計方案中所包含的技術要素的構成。然后再分析每一個技術要素的取值范圍通過對這些技術要素在各自的取值范圍內的充分組合就可以得到足夠多的獨立的結構設計方案。一般機械結構的技術要素包括零件的幾何形狀零件之間的聯接和零件的材料及熱處理方式。以下分別分析這幾個技術要素的變異設計方法。

1.1功能面的變異

機械結構的功能主要是靠機械零部件的幾何形狀及各個零部件之間的相對位置關系實現的。零件的幾何形狀由它的表面所構成，一個零件通常有多個表面。在這些表面中與其他零部件相接觸的表面，與工作介質或被加工物體相接觸的表面稱為功能表面。

零件的功能表面是決定機械功能的重要因素，功能表面的設計是零部件設計的核心問題。通過對功能表面的變異設計可以得到為實現同一技術功能的多種結構方案。描述功能表面的主要幾何參數有表面的形狀、尺寸大小、表面數量、位置、順序等。通過對這幾個方面的變異?？梢缘玫蕉嘟M構型方案。

下圖為螺釘頭工作表面變異設計：

1.2聯接的變異

一個不與其他零部件相接觸的零件具有6個自由度。機械設計中通過規定零件之間適當的聯接方式限制零件的某些自由度，保留機器的功能所必需的自由度，使機器在工作中能夠實現確定形式的運動關系。

聯接的作用是通過零件的工作表面與其他零件的相應表面的接觸實現的。不同形式的聯接由于相接觸的工作表面形狀不同、表面間所施加的緊固力不同從而對零件的自由度形成不同的約束。

以軸轂聯接為例，軸與輪轂的聯接對相對運動自由度的限制可能有：

1）固定聯接：限制6個相對運動自由度.

2）滑動聯接：限制5個相對運動自由度。

3）轉動聯接：限制5個相對運動自由度。

4）移動、轉動聯接：限制5個相對運動自由度。

按照聯接中形成鎖合力的條件可將固定式軸轂聯接分為形鎖合聯接和力鎖合聯接。

力鎖合聯接依靠被聯接件表面間的壓力所派生的摩擦力傳遞轉矩和軸向力，表面間壓力的產生可以依靠多種不同的結構措施。過盈配合是一種常用的結構措施，它以最簡單的結構形狀獲得足夠的壓力。缺點是裝配和拆卸都很不方便并引起較大的應力集中。常用的形鎖合聯接有銷聯接、平鍵聯接、半圓鍵聯接、花鍵聯接、成形聯接和切向鍵聯接。為構造裝拆方便的力鎖合聯接結構必須使聯接裝配時表面間無過盈。裝配后通過其他調整措施使表面間產生過盈，拆卸過程則相反。常用的力鎖合聯接有楔鍵聯接、彈性環聯接、圓柱面過盈聯接、圓錐面過盈聯接、頂絲聯接、容差環聯接、星盤聯接、壓套聯接和液壓漲套聯接等常用的力鎖合聯接軸系的工作性能與它的支承設計的狀況和質量密切相關。

下圖為常用的力鎖合連接：

1.3材料的變異

機械設計中可以選擇的材料種類眾多，不同的材料具有不同的性能，不同的材料對應不同的加工工藝.結構設計中既要根據功能的要求合理地選擇適當的材料，又要根據材料的種類確定適當的加工工藝，并根據加工工藝的要求確定適當的結構。只有通過適當的結構設計才能使所選擇的材料最充分地發揮優勢。要做到正確地選擇結構材料就必須充分地了解所選材料的力學性能、加工性能、使用成本等信息。

例如彈性聯軸器的設計中需要選擇彈性元件的材料有金屬、橡膠、尼龍、膠木等。由于所選彈性元件材料的不同，使得聯軸器的結構變化很大。由于彈性元件的壽命短，使用中需多次更換.在結構設計中應為更換彈性元件提供可能和方便，為更換彈性元件留有必要的操作空間使更換彈性元件所必須拆卸、移動的零件盡量少。

結構設計中應根據所選材料的特性及其所對應的加工工藝而遵循不同的設計原則。

鋼材受拉和受壓時的力學特性基本相同，因此鋼梁結構多為對稱結構。鑄鐵材料的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此承受彎矩的鑄鐵結構截面多為非對稱形狀，以使承載時最大壓應力大于最大拉應力。塑料結構的強度較差，螺紋聯接件產生的裝配力很容易使塑料零件損壞.在兩個被聯接件上分別做出形狀簡單的搭鉤和凹槽,裝配時利用塑料零件彈性變形量大的特點使搭鉤與凹槽互相咬合實現聯接，裝配過程簡單準確、便于操作。設計的結果要通過制造和裝配實現，結構設計中如果能根據所選材料的工藝特點合理地確定結構形式則會為制造過程帶來方便。

在結構形狀設計時，還要考慮到工作條件與外界因素對零件功熊效果的影響。例如對于高速帶傳動，為增加帶的撓曲性，在帶的非工作面上一般均開有橫向溝槽；帶輪一般制成鼓形，運轉時保持帶位于帶輪的中部,以防止脫落;為避免帶與帶輪之間生成氣墊，影響傳力的可靠性,在小帶輪的輪緣上開有環形槽。

揚長避短、性能互補。

結構形狀要有利于材料性能的發揮。如鑄鐵的抗壓強度比抗拉強度高，因此鑄鐵就要設計成承受抗壓狀態，以充分發揮其優勢。陶瓷材料承受局部集中載荷的能力差,在與金屬件的連接中，應避免其弱點。塑料是常用的加工材料之一，質量輕，成本低，能制成很復雜的形狀，但強度、剛度低，易老化。將剛性與柔性材料合理搭配,在剛性部件中對某些零件賦予柔性，使其能用接觸時的變形來補償工作表面幾何形狀的誤差。

2提高性能的結構創新設計方法

機械產品的性能不但與原理設計有關結構設計的質量也直接影響產品的性能，甚至影響產品功能的實現。下面分別分析為提高結構的強度、剛度、精度、工藝性等方面性能常采用的設計方法和設計原則.強度和剛度是結構設計的基本問題通過正確的結構設計可以減小單位載荷所引起的材料應力和變形量,提高結構的承載能力。

2.1強度和剛度都與結構受力有關

在外載荷不變的情況下降低結構受力是提高強度和剛度的有效措施。

1）載荷分擔載荷引起結構受力

如果多種載荷作用在同一結構上就可能引起局部應力過大，結構設計中應將載荷由多個結構分別承擔。這樣有利于降低危險結構處的應力，從而提高結構的承載能力這，這種方法稱為載荷分擔。

載荷分擔彎矩和扭矩同時作用會在軸上引起較大應力。結構中增加了一個支承套帶輪通過端蓋將扭矩傳給軸，通過軸承將壓軸力傳給支承套。

2）載荷平衡：

在機械傳動中有些做功的力必須使其沿傳動鏈傳遞，有些不做功的力應盡可能使其傳遞路線變短。如果使其在同一零件內與其他同類載荷構成平衡力系則其他零件不受這些載荷的影響利于提高結構的承載能力。

3）減小應力集中

應力集中是影響承受交變應力的結構承載能力的重要因素。結構設計應設法緩解應力集中。在零件的截面形狀發生變化處力流會發生變化，局部力流密度的增加引起應力集中。減小應力集中零件截面形狀的變化越突然應力集中就越嚴重,結構設計中應盡力避免使結構受力較大處的零件形狀突然變化，以減小應力集中對強度的影響。零件受力變形時不同位置的變形阻力（剛度)不相同也會引起應力集中。設計中通過降低應力集中處附近的局部剛度可以有效地降低應力集中。由于結構定位等功能的需要在絕大部分結構中不可避免地會出現結構尺寸及形狀的變化這些變化都會引起應力集中。如果多種變化出現在同一結構截面處將引起嚴重的應力集中，所以結構設計中應盡力避免這種情況。

2.2提高機械精度設計

通過結構設計可以減小由于制造、安裝等原因產生的原始誤差；減小由于溫度磨損、構件變形等原因產生的工作誤差；減小執行機構對各項誤差的敏感程度從而提高產品的精度。制造和安裝過程中產生的誤差是不可避免的,通過適當的結構設計可以在原始誤差不變的情況下使執行機構的誤差較小。試驗證明螺旋傳動的誤差可以小于螺桿本身的螺距誤差。千分尺的累積測量誤差千分尺螺桿的螺距累積誤差.

1）誤差均化機械精度的均化原理

在機構中如果有多個聯接點同時對一種運動起限制作用則運動件的運動誤差決定于各聯接點的綜合影響其運動精度高于一個聯接點的限制作用。在一定條件下增加螺旋傳動中起作用的螺紋圈數使多圈螺紋同時起作用。不但可以提高螺旋傳動的承載能力和耐磨性，而且可以提高傳動精度。

2.3提高工藝性

結構設計要根據機械切削加工機床的設備特點，為裝卡過程提供必要的夾持面。夾持面的形狀和位置應使零件在切削力的作用下具有足夠的剛度。零件上的被加工面應能夠通過盡量少的裝卡次數得以完成。如果能夠通過一次裝卡對零件上的多個相關表面進行加工，這將有效地提高加工效率。

例如上圖只有兩個圓錐表面用，卡盤無法裝卡.增加了兩個圓柱形表面，這個表面在零件工作中不起作用,只是為了實現工藝過程而設的這種表面稱為工藝表面。

方便加工切削加工所要形成的幾何表面的數量、種類越多加工所需的工作量就越大。結構設計中盡量減加工表面的數量和種類是一條重要的設計原則。

簡化裝配、調整和拆卸加工好的零部件要經過裝配才能成為完整的機器。裝配的質量直接影響機器設備的運行質量，設計中是否考慮裝配過程的需要也直接影響裝配工作的難度.

3結構的宜人化設計

宜人結構是指機械設備的結構形狀應該適合人的生理和心理要求，使得操作安全、準確省力、簡便，減輕操作的疲勞,提高工作效率。

3.1減少操作疲勞的結構

結構設計與構型時應該考慮操作者的施力情況，避免操作者長期保持一種非 自然狀態下的姿勢。如圖下所示各種手工操作工具改進前后的結構形狀。改進前結構形狀呆板，操作者使用時長期處于非自然狀態,容易疲勞；改進后結構形狀柔和，操作者在使用時基本處于自然狀態，長期使用也不覺疲勞。

3.2提高操作能力的結構

操作者在操作機械設備或裝置時需要用力，人處于不同姿勢、不同方向、不 同手段用力時發力能力差別很大。一般人的右手握力大于左手。腳力的大小也與 姿勢有關，—般坐姿時腳的推力大，當操作力超過50—150時宜選腳力控制。用手操作的手輪、手柄或杠桿外形應設計得使手握舒服，不滑動，用腳操作最好采用坐姿，座椅要有靠背，腳踏板應設在座椅前正中位置。

3.3減少操作錯誤的結構

為減少操作錯誤，操作零件的外形要簡單，容易辨認。操作位置要合適,應力求使操作零件位于操作者的手或腳夠得著的位置。應給操作者提供一個可減輕疲勞的座位，指示儀表在操作者視野范圍之內。

3.4外形與色彩

零件的外形應與零件的功能、零件的材料、載荷特點、加工方法相適應，同時也要適應人的反應。除滿足使用功能、加工條件、材料特性外，還要考慮外形的和諧、均衡、穩定。好的機器一定是漂亮的機器。

4方便制造與操作的結構設計與創新

在滿足使用功能的前提下，設計者應力求使所設計產品的結構工藝簡單、消耗少、成本低、使用方便、操作容易、壽命長。

4.1加工工藝的結構構型

對于機械加工的零件，在構型上要考慮到使裝卡、加工與測量時間比較短， 設備費用低等因素。主要體現在加工面的形狀力求簡單,尺寸力求小，位置應方便裝卡與刀具的退出，避免在斜面上鉆孔，避免在內表面上進行復雜的加工等。

對于復雜的零件,加工工序增加、材料浪費、成本將增高。為改變這樣的結構可采用組合件來實現同樣的功能。加工難度較大.但若將小軸改變為用組合方式裝配上去，則既改善工藝性，又不失去原有功能。

4.2簡化結構

只有精煉的，簡單的才是設計的進步，也是設計者的愿望.

聯接結構的簡化。例如塑料結構的強度較差，用螺紋聯接塑料零件很容易損壞,并且加工制造,安裝裝配都比較麻煩。若充分利用塑料零件彈性變形量大的特點，使搭鉤與凹槽實現聯接,裝配過程簡單、準確、操作方便。

鉸鏈結構的簡化。由金屬制成的鉸鏈結構比較復雜，對于常用的載荷很小的鉸鏈聯接結構用塑料制作就可以將結構大大簡化。

5總結

機械創新結構設計在目前產業的發展和建設當中占據著十分重要的比例，因此研究其具有不菲的價值，但是研究機械創新結構設計并非一件簡單的事情。對于設計者和研究者都提出了非常高的要求，不僅在專業知識方面要熟練甚至精通，還要有敏捷的分析能力和發現問題解決問題的能力，創新的思想和技術知識。機構構型創新不是漫無目的的空想,而是基于現有的技術的改進或者創新以滿足生產生活中的新要求。

我認為，要進行機械創新設計要有兩個必要條件：一是充分獲取適用的知識；二是要使用符合創新設計思維并能激發創新思維的設計系統。設計過程充滿了矛盾，所獲取的知識應有助于矛盾的迅速解決。另外，人類的創新設計思維模式是在長期的成功設計經驗中總結形成的。 從創新設計思維的研究出發，融合知識獲取方法，研究創新設計理論，如TRIZ等理論方法。

審核編輯：湯梓紅