探究机械结构设计中的设计

【摘 要】本文主要探讨了机械结构设计中采用变元法的创新设计,其中讲述了七种不同类型变元方法；同时,结合实际结构设计论述或举例说明结构设计中的创新方案.

【关 键 词】创新设计；机械结构设计；变元法

机械结构设计的任务是在总体设计的基础上,根据所确定的原理方案,确定并绘出具体的结构图,以体现所要求的功能；是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件,具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时,还需考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题.本文主要介绍变元法在机械结构创新优化设计中的运用,并结合实际结构设计论述或举例说明结构设计中的创新方案.

1.变元法

变元法源于德国,是用于机械产品结构设计的一种富有创造性内涵的新方法[1].采用该方法来开展产品结构设计工作前,需要明确基本结构内容,并在基本结构确定前提下研发新型结构方案.变元法的内涵有两个：（1）定义产品结构中的变元内容,主要包括七个：①材料；②数量；③位置；④尺寸；⑤形状；⑥联接；⑦工艺；（2）将这些变元进行适当改变调整,然后构造出不同类型结构方案,达到优化设计目的.

1.1材料变元

机械设计中可以选择的材料很多,不同的材料对应不用的加工工艺,结构类型,零件尺寸.通过调整材料变元可以创新性制定不同结构方案.例如：在运用钢材料的结构设计中,通常加大零件的截面尺寸以增加结构的强度和刚度；而在铸铁的结构设计中,则是通过加强筋和隔板的方法加强结构的刚度和强度；塑料材料的结构设计中,塑料件的筋板与壁厚相近并均匀对称.

1.2数量变元

产品结构中存在的基本元素包括加工面和工作面,轮廓面和轮廓线,零件本身.可以对结构中具有的基本元素数量进行调整、改变以达到改变机械结构的目的.例如：铸件结构形状力求简单,在可能情况下尽量采用直线形的轮廓.在螺纹连接结构中,为防止螺钉松脱,往往需要螺钉与弹簧垫圈同时安装使用；但也可以把螺钉设计成将螺钉、垫圈和弹簧垫圈的功能集成为一体的在螺钉头安装接触面带有防松措施的防松螺钉,既减少零件数量又方便装配.

1.3位置变元

对产品结构中各个元素间的对应位置进行适当改变,可以获得结构设计的优化.例如：在安排零件的焊缝位置时,焊缝应相对构件中性轴,或靠近中性轴,以减少收缩力矩或弯曲变形.另外,在有限空间箱体中装配若干零件,零件摆放位置不同也会影响装配操作的操作性.

1.4尺寸变元

其中尺寸变元内容有角度、长度以及距离等内容,调整构件、零件尺寸大小能起到改变整体结构的效果.例如：在冷冲压弯曲工艺中,由于材料的弹性变形,弯曲件如果严格要求某角度,则需要在弯曲件成形后,再附加整形工序修复工件；弯曲件如果增加弯曲角度Δα,允许2°～3°变形,弯曲后不需整形.

1.5形状变元

通过调整结构零件表面及整体形状、整体轮廓以及零件规格、零件类型,也能实现改变机械整体结构的目的.例如：要实现用弹簧产生的（弹）压紧力压紧某零件,使其保持确定位置.设计时可以选择的弹簧类型有拉簧、压簧、扭簧、板簧,被压紧的零件形状可以有平面、圆柱面、球面、螺旋面,通过对这些因素的组合可以得到多种方案.其中压簧的压缩距离不应过大,否则容易引起弹簧的失稳,如确需要使用较大的压缩距离则应设置导向结构,拉簧因无失稳问题,设计中受空间约束较小,即可单独使用,也可以与摇杆及绳索等配合使用.

1.6分析连接变元

其包含2层意思：①联接方法,其中包括焊接方式、胶接方式还有铆接、螺纹联接等；②每种连接方法均有几种不同联接结构,因此可以将联接结构及方式进行调整或是改变之后获得多种结构类型.例如：对于需要经常拆卸的零部件结构,不但应使连接可靠,还应使拆卸操作尽量方便.这方面的结构在我们生活经常可见,如玩具产品中经常使用卡扣与螺钉相结合的安装方法,而手机产品的机盖设计成快速连接拆装结构,方便用户操作.

1.7分析工艺变元

工艺的不同也会对结构设计产生重大影响,因为各个设备零件在制造过程中选用工艺不同,制造成本差异以及性能、质量差异都会影响产品整体结构.因此在拟定机械零件的工艺规程时,应该充分研究零件图纸,对其进行分析,审查零件的结构工艺是否良好、合理,并提出相应的修改意见.当前,由于加工工艺、转配工艺（自动化程度）的不断提高,如机械人、机械手的推广应用,出现了不少适合于新条件的新结构,与传统的机械加工有较大的差别,这些工艺应该给予注意与研究.

2.机械结构优化设计以及变元法运用

对于每一个结构设计方案的评价,应该综合考虑结构方案中的社会效益、结构系统可行性、工艺性以及技术经济相关指标要求等内容.然后从各个备选结构方案中挑出最优的结构方案.在机械结构方案已经确定的情况下,也可以对关键构件或零件构进行不同变元的分析,以及变元之间联动配合修改,已达到优化设计目的.另外,也可以建议一些数学模型,因为数学模型可以很好描述结构设计中的尺寸和数量变元,还可以对材料变元进行间接描述（但是很难描述其他变元类型[2]）.按照机械产品不同要求和特征,综合运用不同变元,结合设计者掌握的经验及知识能力,通过发挥创造性思维,构造出不同机械结构.例如以下转盘结构.

在这三个结构图中,如果将结构设计方案1（图一）中的调整锥齿轮间和主轴承两者位置,及通过调整位置变元,然后再调整水平轴方向上的左轴承形状,也就是通过改变形状变元之后获得了结构设计方案2（如图二）.如果改变方案1中的主轴承和齿轮的尺寸大小和个数,及通过调整两者的数量变元、尺寸变元,于此同时,在调整齿轮构件和轴承构件的位置,及改变位置变元,就可以获得结构方案3（图三）所以,上述3种不同类型的转盘结构方案均可以利用变元法很好的实现,若进一步采用变元法也可以实现多种不同的结构设计方案.通过对比这3种结构方案,综合分析社会效益、成本需要、可行性以及制造工艺过程等方面内容,可以获得方案2是最优结构组合.一个机械结构方案的整体评价,都要经过实际使用效果来作为最总检验的事实依据.若对转盘结构模型中欧的齿轮构件作进一步可行性设计以及优化设计,并对滚动轴承以及齿轮运行进行弹性流体压润滑分析,然后进行精密计算,都可以为优化转盘结构设计提供大量参考数据.

3.结束语

深入研究机械创新结构设计具有重要的现实意义.想要逐步实现结构创新设计,不仅要求设计者拥有扎实的专业知识、技术知识,还要不断提高敏锐的问题分析能力、以及创新思维能力.变元法在设计中的运用可以衍生出很多种结构,为机械设计者最终选择优化方案提供了一种创新工具.在明确设备功能或是零件基本作用的基础上,如何将现代机械结构设计方法灵活运用,并实现各个构件零件的最优组合,以便满足机械系统要求,这是当前工程设计工作采用的主要手段.创新设计属于先进技术范畴理论,在机械机构设计过程中利用创新设计理念能帮助构造出多种结构方案,从而寻找出最优结构设计.这不仅为促进了企业自身发展,在另个层面上也推动了社会不断发展.