浅谈机械结构方案的创新设计

机械结构设计指零件的结构形状及零件间的联接关系的设计。是机械设计的主要组成部分，是涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段。在这些具体化的过程中需要考虑材料的力学性能、零部件的功能、工作条件、加工工艺、装配、使用、成本、安全、环保等各种因素的影响。结构设计不是简单重复的操作性工作，而是创造性工作；丰富知识是从事结构设计工作的前提，巧妙构形组合是结构创造性设计的核心。

结构中所有零部件的形状、尺寸、位置、数量、材料、热处理方式和表面状况所确定的结构除应能够实现原理方案所规定的动作要求外还应能满足设计对结构的强度、刚度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面的要求。机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多解性即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一的。机械结构设计的任务是在众多的可行结构方案中寻求较好的或最好的方案。找出所有的局部最优解并从中找出全局最优解得到最好的设计方案。这就需要发挥创造性思维方法的作用。结构方案的变异设计方法使设计者从一个已知的可行结构方案出发通过变换得到大量的可行方案。通过对这些方案中参数的优化可以使设计者得到多个局部最优解再通过对这些局部最优解的分析和比较就可以得到较优解或全局最优解。

1．结构方案的变异设计

目的是寻求满足设计要求的独立的设计方案，以便对其进行参数优化设计。变异设计的基本方法是首先通过对结构设计方案的分析得出一般结构设计方案中所包含的技术要素的构成。然后再分析每一个技术要素的取值范围通过对这些技术要素在各自的取值范围内的充分组合就可以得到足够多的独立的结构设计方案。一般机械结构的技术要素包括零件的几何形状零件之间的联接和零件的材料及热处理方式。以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。

1.1功能面的变异

机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。零件的几何形状由它的表面所构成，一个零件通常有多个表面。在这些表面中与其他零部件相接触的表面，与工作介质或被加工物体相接触的表面称为功能表面。

零件的功能表面是决定机械功能的重要因素，功能表面的设计是零部件设计的核心问题。通过对功能表面的变异设计可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。描述功能表面的主要几何参数有表面的形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对这几个方面的变异可以得到多组构型方案。

下图为螺钉头工作表面变异设计：

1.2联接的变异

一个不与其他零部件相接触的零件具有6个自由度。机械设计中通过规定零件之间适当的联接方式限制零件的某些自由度，保留机器的功能所必需的自由度，使机器在工作中能够实现确定形式的运动关系。

联接的作用是通过零件的工作表面与其他零件的相应表面的接触实现的。不同形式的联接由于相接触的工作表面形状不同、表面间所施加的紧固力不同从而对零件的自由度形成不同的约束。

以轴毂联接为例，轴与轮毂的联接对相对运动自由度的限制可能有：

1）固定联接：限制6个相对运动自由度.

2）滑动联接：限制5个相对运动自由度。

3）转动联接：限制5个相对运动自由度。

4）移动、转动联接：限制5个相对运动自由度。

按照联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂联接分为形锁合联接和力锁合联接。

力锁合联接依靠被联接件表面间的压力所派生的摩擦力传递转矩和轴向力，表面间压力的产生可以依靠多种不同的结构措施。过盈配合是一种常用的结构措施，它以最简单的结构形状获得足够的压力。缺点是装配和拆卸都很不方便并引起较大的应力集中。常用的形锁合联接有销联接、平键联接、半圆键联接、花键联接、成形联接和切向键联接。为构造装拆方便的力锁合联接结构必须使联接装配时表面间无过盈。装配后通过其他调整措施使表面间产生过盈，拆卸过程则相反。常用的力锁合联接有楔键联接、弹性环联接、圆柱面过盈联接、圆锥面过盈联接、顶丝联接、容差环联接、星盘联接、压套联接和液压涨套联接等常用的力锁合联接轴系的工作性能与它的支承设计的状况和质量密切相关。

下图为常用的力锁合连接：

1.3材料的变异

机械设计中可以选择的材料种类众多，不同的材料具有不同的性能，不同的材料对应不同的加工工艺.结构设计中既要根据功能的要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的结构。只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分地发挥优势。要做到正确地选择结构材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。

例如弹性联轴器的设计中需要选择弹性元件的材料有金属、橡胶、尼龙、胶木等。由于所选弹性元件材料的不同，使得联轴器的结构变化很大。由于弹性元件的寿命短，使用中需多次更换.在结构设计中应为更换弹性元件提供可能和方便，为更换弹性元件留有必要的操作空间使更换弹性元件所必须拆卸、移动的零件尽量少。

结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。

钢材受拉和受压时的力学特性基本相同，因此钢梁结构多为对称结构。铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称形状，以使承载时最大压应力大于最大拉应力。塑料结构的强度较差，螺纹联接件产生的装配力很容易使塑料零件损坏.在两个被联接件上分别做出形状简单的搭钩和凹槽,装配时利用塑料零件弹性变形量大的特点使搭钩与凹槽互相咬合实现联接，装配过程简单准确、便于操作。设计的结果要通过制造和装配实现，结构设计中如果能根据所选材料的工艺特点合理地确定结构形式则会为制造过程带来方便。

在结构形状设计时，还要考虑到工作条件与外界因素对零件功熊效果的影响。例如对于高速带传动，为增加带的挠曲性，在带的非工作面上一般均开有横向沟槽；带轮一般制成鼓形，运转时保持带位于带轮的中部,以防止脱落;为避免带与带轮之间生成气垫，影响传力的可靠性,在小带轮的轮缘上开有环形槽。

扬长避短、性能互补。

结构形状要有利于材料性能的发挥。如铸铁的抗压强度比抗拉强度高，因此铸铁就要设计成承受抗压状态，以充分发挥其优势。陶瓷材料承受局部集中载荷的能力差,在与金属件的连接中，应避免其弱点。塑料是常用的加工材料之一，质量轻，成本低，能制成很复杂的形状，但强度、刚度低，易老化。将刚性与柔性材料合理搭配,在刚性部件中对某些零件赋予柔性，使其能用接触时的变形来补偿工作表面几何形状的误差。

2．提高性能的结构创新设计方法

机械产品的性能不但与原理设计有关结构设计的质量也直接影响产品的性能，甚至影响产品功能的实现。下面分别分析为提高结构的强度、刚度、精度、工艺性等方面性能常采用的设计方法和设计原则.强度和刚度是结构设计的基本问题通过正确的结构设计可以减小单位载荷所引起的材料应力和变形量,提高结构的承载能力。

2.1 强度和刚度都与结构受力有关，在外载荷不变的情况下降低结构受力是提高强度和刚度的有效措施。

1）载荷分担载荷引起结构受力

如果多种载荷作用在同一结构上就可能引起局部应力过大，结构设计中应将载荷由多个结构分别承担。这样有利于降低危险结构处的应力，从而提高结构的承载能力这，这种方法称为载荷分担。

载荷分担弯矩和扭矩同时作用会在轴上引起较大应力。结构中增加了一个支承套带轮通过端盖将扭矩传给轴，通过轴承将压轴力传给支承套。

2）载荷平衡：

在机械传动中有些做功的力必须使其沿传动链传递，有些不做功的力应尽可能使其传递路线变短。如果使其在同一零件内与其他同类载荷构成平衡力系则其他零件不受这些载荷的影响利于提高结构的承载能力。

3）减小应力集中

应力集中是影响承受交变应力的结构承载能力的重要因素。结构设计应设法缓解应力集中。在零件的截面形状发生变化处力流会发生变化，局部力流密度的增加引起应力集中。减小应力集中零件截面形状的变化越突然应力集中就越严重,结构设计中应尽力避免使结构受力较大处的零件形状突然变化，以减小应力集中对强度的影响。零件受力变形时不同位置的变形阻力（刚度)不相同也会引起应力集中。设计中通过降低应力集中处附近的局部刚度可以有效地降低应力集中。由于结构定位等功能的需要在绝大部分结构中不可避免地会出现结构尺寸及形状的变化这些变化都会引起应力集中。如果多种变化出现在同一结构截面处将引起严重的应力集中，所以结构设计中应尽力避免这种情况。

2.2 提高机械精度设计

通过结构设计可以减小由于制造、安装等原因产生的原始误差；减小由于温度磨损、构件变形等原因产生的工作误差；减小执行机构对各项误差的敏感程度从而提高产品的精度。制造和安装过程中产生的误差是不可避免的,通过适当的结构设计可以在原始误差不变的情况下使执行机构的误差较小。试验证明螺旋传动的误差可以小于螺杆本身的螺距误差。千分尺的累积测量误差千分尺螺杆的螺距累积误差.

1）误差均化机械精度的均化原理

在机构中如果有多个联接点同时对一种运动起限制作用则运动件的运动误差决定于各联接点的综合影响其运动精度高于一个联接点的限制作用。在一定条件下增加螺旋传动中起作用的螺纹圈数使多圈螺纹同时起作用。不但可以提高螺旋传动的承载能力和耐磨性，而且可以提高传动精度.

2.3 提高工艺性

结构设计要根据机械切削加工机床的设备特点，为装卡过程提供必要的夹持面。夹持面的形状和位置应使零件在切削力的作用下具有足够的刚度。零件上的被加工面应能够通过尽量少的装卡次数得以完成。如果能够通过一次装卡对零件上的多个相关表面进行加工，这将有效地提高加工效率。

例如上图只有两个圆锥表面用，卡盘无法装卡.增加了两个圆柱形表面，这个表面在零件工作中不起作用,只是为了实现工艺过程而设的这种表面称为工艺表面.

方便加工切削加工所要形成的几何表面的数量、种类越多加工所需的工作量就越大。结构设计中尽量减加工表面的数量和种类是一条重要的设计原则。

简化装配、调整和拆卸加工好的零部件要经过装配才能成为完整的机器。装配的质量直接影响机器设备的运行质量，设计中是否考虑装配过程的需要也直接影响装配工作的难度.

3． 结构的宜人化设计

宜人结构是指机械设备的结构形状应该适合人的生理和心理要求，使得操作安全、准确省力、简便，减轻操作的疲劳,提高工作效率。

3.1 减少操作疲劳的结构

结构设计与构型时应该考虑操作者的施力情况，避免操作者长期保持一种非 自然状态下的姿势。如图下所示各种手工操作工具改进前后的结构形状。改进前结构形状呆板，操作者使用时长期处于非自然状态,容易疲劳；改进后结构形状柔和，操作者在使用时基本处于自然状态，长期使用也不觉疲劳。

3.2.提高操作能力的结构

操作者在操作机械设备或装置时需要用力，人处于不同姿势、不同方向、不 同手段用力时发力能力差别很大。一般人的右手握力大于左手。脚力的大小也与 姿势有关，—般坐姿时脚的推力大，当操作力超过50—150时宜选脚力控制。用手操作的手轮、手柄或杠杆外形应设计得使手握舒服，不滑动，用脚操作最好采用坐姿，座椅要有靠背，脚踏板应设在座椅前正中位置。

3.3 减少操作错误的结构

为减少操作错误，操作零件的外形要简单，容易辨认。操作位置要合适,应力求使操作零件位于操作者的手或脚够得着的位置。应给操作者提供一个可减轻疲劳的座位，指示仪表在操作者视野范围之内。

3.4 外形与色彩

零件的外形应与零件的功能、零件的材料、载荷特点、加工方法相适应，同时也要适应人的反应。除满足使用功能、加工条件、材料特性外，还要考虑外形的和谐、均衡、稳定。好的机器一定是漂亮的机器。

4．方便制造与操作的结构设计与创新

在满足使用功能的前提下，设计者应力求使所设计产品的结构工艺简单、消耗少、成本低、使用方便、操作容易、寿命长。

4.1 加工工艺的结构构型

对于机械加工的零件，在构型上要考虑到使装卡、加工与测量时间比较短， 设备费用低等因素。主要体现在加工面的形状力求简单,尺寸力求小，位置应方便装卡与刀具的退出，避免在斜面上钻孔，避免在内表面上进行复杂的加工等。

对于复杂的零件,加工工序增加、材料浪费、成本将增高。为改变这样的结构可采用组合件来实现同样的功能。加工难度较大.但若将小轴改变为用组合方式装配上去，则既改善工艺性，又不失去原有功能。

4.2 简化结构

只有精炼的，简单的才是设计的进步，也是设计者的愿望.

联接结构的简化。例如塑料结构的强度较差，用螺纹联接塑料零件很容易损坏,并且加工制造,安装装配都比较麻烦。若充分利用塑料零件弹性变形量大的特点，使搭钩与凹槽实现联接,装配过程简单、准确、操作方便。

铰链结构的简化。由金属制成的铰链结构比较复杂，对于常用的载荷很小的铰链联接结构用塑料制作就可以将结构大大简化。

5. 总结

机械创新结构设计在目前产业的发展和建设当中占据着十分重要的比例，因此研究其具有不菲的价值，但是研究机械创新结构设计并非一件简单的事情。对于设计者和研究者都提出了非常高的要求，不仅在专业知识方面要熟练甚至精通，还要有敏捷的分析能力和发现问题解决问题的能力，创新的思想和技术知识。机构构型创新不是漫无目的的空想,而是基于现有的技术的改进或者创新以满足生产生活中的新要求。

我认为，要进行机械创新设计要有两个必要条件：一是充分获取适用的知识；二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。设计过程充满了矛盾，所获取的知识应有助于矛盾的迅速解决。另外，人类的创新设计思维模式是在长期的成功设计经验中总结形成的。从创新设计思维的研究出发，融合知识获取方法，研究创新设计理论，如TRIZ等理论方法。

审核编辑 ：李倩