机械零件结构的创新方法体系研究

　　摘要：零件结构是机械产品的皮肤，其创新是可见的，广告效应和产品附加值大。针对当前教科书理论体系存在的不足，从功能实现、产品全生命周期、脆性和弹性材料利用3个方面总结了零件结构创新的10类方法。整合出主要由创新人才、创造力及题目的定义，心理层面的创新方法，通用创新方法，机械产品的创新方法，机构组合、演化、穷举和宽泛的创新方法，零件结构的创新方法，创新实例分析等组成的机械创新方法理论体系。基于零件结构创新方法分析鲁班锁，其基本单元为运动副全部为移动副的四体机构。

　　关键词：机械; 创新方法; 零件结构; 功能实现; 产品全生命周期; 鲁班锁;

　　工程技术人员的创新能力培养是目前国家和高校普遍重视的问题。在大学课程体系中，继“机械原理”和“机械设计”之后的“机械创新设计”是培养学生创新能力的重要课程。在该课程中，零件结构的创新可明显改善机械的工作性能。

　　机械工程师论文范例：机械加工工艺对零件加工精度的影响研究

　　“机械原理”研究机构、活动构体(件)、固定构体、运动副、自由数(独立运动数)和动力学等。“机械设计”研究机构的具体形状，包括杆、盘、盖、箱体、机架、铰链、器、装置，以及零件的强度、刚度和失效等。根据运动原理，将机构和构体具体化为某个零件或部件的形状、尺寸、精度、材料、热处理方法、表面状态、连结方式、顺序、数量等具体结构方案的过程，称为零件的结构设计。在结构设计时，应综合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、维护、回收、成本、安全、环保等各方面的要求。在满足使用功能的前提下，应基于优化理念，力求使零件的结构工艺简单、能量消耗少、成本小、使用方便、操作容易、寿命长等。

　　1 研究进展

　　目前，零件结构(机械结构)创新方法的理论体系以4本专著或教材为最先进代表。以运动副和构体结构、结构集成化和产品模块化为研究对象组织该创新方法体系。该体系与机构演化的创新方法和通用创新方法均有重复和交叉，容易引起混淆。

　　2 基于功能实现的创新

　　零件设计的目的是使其具有一定的功能。在确定功能后，对现有结构进行改进、对比、完善，令产品脱颖而出。因此，可从以下几个视角进行创新。

　　1)结构应与功能相一致。

　　可概括为以下7个方面：应适应工作条件;可设计零件的某个部位具有多个功能，从而简化制造过程、减少材料消耗、提高工作效率;相同的或相似的结构可实现完全不同的功能;与拼图法解决多未知量矢量方程一样，多个结构组合起来就有可能实现新的功能，比如多个简单结构可拼接出复杂结构;不同产品的相同部分可采用相同的结构;根据功能简化结构;选用同样功能的标准件。

　　2)宜人避错。

　　随着机械设计和制造水平的提高，机器的复杂程度、工作速度不断提高，不能要求操作者无条件地适应机器，而应使机械设备的结构、形状和颜色适合于人的生理和心理特点，实现安全、准确、正确、省力、舒服、简便的操作，同时缓解操作疲劳，提高工作效率。基于用户评价改进零件结构是增强宜人特点的重要途径。

　　3)适应受载情况。

　　根据载荷的方向、大小、变化规律等设计零件结构，可保证受载面积足够大、受载部位足够强、最大应力足够小。

　　4)增强工作能力。

　　可概括为以下6个方面：受载时机械性能得以强化，如接触面应垂直于载荷方向，应增大接触面;应具有抗干扰能力，干扰因素消除之后，机械装置能较快地恢复到理想工作状态;如果零件有多个部位受载，应具有补偿或抵消不同部位运动误差的能力;多个零件受载，应抵消不作功力，如双斜齿轮和行星轮系;原动机自由数小于机构自由数的情况下，机构能适应外载而作出确定运动;可采取合理设计工作部分、有效消除间隙影响、适当分配工作载荷等措施，以提高运动精度和工作精度。

　　3 基于全生命周期的创新

　　机械产品的全生命周期包括设计、加工、装配、输送、维护、报废和拆解等。在设计之前，必须综合考虑整个周期中可能面临的所有问题，同时掌握绿色设计、一次性设计等先进理念。

　　1)加工方面。

　　要求装夹方便、加工难度低、加工工艺简单、测量容易和设备费用少等。可概括为以下7个方面：加工面力求形状简单、数量小、尺寸小、定位与夹紧简便;刀具进退方便;在孔端设计垂直面;复杂加工面尽量布置在外表面而非内表面上;复杂零件可设计成组合式结构;可采用附加结构降低加工难度;可根据智能制造特点改进结构等。

　　2)装配拆卸方面。

　　应可靠、方便、省力，主要体现在以下9个方面：组合式结构可设计成锥面定位;螺栓连结、易损常换件应可单独拆卸;多处存在装配关系的结构应使某个零件的拆卸不破坏其他装配关系;应留出必要的装拆空间;应使尺寸相同、而材料及热处理方式不同的零件在外部形状上有明显区别;与常规参数不同的结构应特别标记;必要时设计便于快速装拆的结构;必要时可在轴肩处、凹槽处设计拆卸孔、起盖螺钉或拆卸槽;如果不对称结构在隐蔽处，则应在其对应的明显处设计不对称结构等。

　　3)运输及报废拆解方面。

　　可概括为以下7个方面：应力求形状简单、稳固;在输送时同一类零件不易互相干扰或颠倒;应使结构中的不同材料容易分离，如钢骨架和橡胶;不同材料应容易识别(特别是塑料);材料种类应尽量少;装饰性加工量应尽量小，如电镀、喷涂等;包装设计应符合减量化、回收、重用、循环再生和可降解原则等。

　　4)使用维护方面。

　　润滑剂易添加、回收，润滑油不污染产品，安全保护装置齐全。

　　4 基于材料特性的创新

　　应根据功能要求合理选择材料类型、加工工艺及结构形式，并充分发挥所选材料的优势。零件结构应充分适应所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等，还应适应其密度、硬度、强度、刚度、耐磨性、磨合性、耐腐蚀性、传导性等。

　　1)利用脆性材料。

　　根据抗压而不抗拉的特点，可令其工作时处于受压状态;可增大受力面积，以避开其应力集中严重的情况;根据其耐磨性强的特点，可令其改善轴承的工作性能和延长滚滑副结构的使用寿命。

　　2)利用弹性材料。

　　根据其变形特点、大阻尼、热膨胀特性和泊松效应等，可实现一定的运动功能;可补偿其他零件的安装变形、轴向位移、径向位移、角位移等;可实现相邻零件之间无滑动摩擦的相对微小转动或移动;可实现机械的缓冲吸振功能;可改变机械的固有频率，从而避免共振;可在其弹性范围内实现机械运动，从而简化结构、减少零件;可在载荷很小而空间较大的场合代替整个机构;可实现垂直于载荷方向且位移很小的运动，从而使机械结构简单、工作性能稳定;可根据环境变化实现具有控制或测量功能的机械运动，如双金属片控制开关;可制成各种弹簧实现大位移弹性运动，或提供弹性反力。

　　3)利用弹性卡件。

　　可简化机械结构，主要概括为以下4个方面：在受力不大的场合，直接卡在孔隙中代替密封结构;在经常装拆的场合，代替整个连结组件，如用弹性卡扣件代替整个连结螺栓组;对于弹性变形量大的塑料零件，可利用弹性变形简化连结结构;对于具有形状记忆功能的弹性卡件，可省去连结及紧固结构等。

　　5 结束语

　　每一个零件结构的创新都具有实用价值和申请专利的实力，比如增强维修能力的双头螺柱结构。在机械的零件结构设计中，以创新性、可行性、可靠性和合理性为目的，突出零件结构的优势，可增强机械产品的市场竞争力。

　　本文建立的零件结构创新方法理论体系在整个机械创新方法理论体系中不可或缺，该理论体系可用于指导专著的撰写和科研项目的进行。本文提出的鲁班锁机构形式可为更加科学、更加精巧的机械提供理论参考。

　　参考文献：

　　[1]程志红.机械设计[M].南京：东南大学出版社，2006.

　　[2]孟俊焕，柳永亮，吴延霞.基于OBE的CREO机械基础与应用教学改革与实践[J]德州学院学报，2018,34(2):95-98.

　　作者：陈晓青