浅谈机械结构方案的创新设计论文（浅谈机械结构方案的创新设计心得体会）

机械结构设计是指零件的结构形状和零件之间的连接关系的设计。它是机械设计的主要组成部分。这是工作中涉及问题最多、最具体、工作量最大的阶段。在这些具体过程中，需要考虑材料的力学性能、零件的功能、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。结构设计不是简单的重复性操作工作，而是创造性的工作；丰富的知识是从事结构设计工作的前提，巧妙的配置与组合是创造性结构设计的核心。

由结构中各零件的形状、尺寸、位置、数量、材料、热处理方法和表面状况所确定的结构，不仅应能达到原理图规定的动作要求，而且应满足强度、刚度以及设计所要求的结构精度。稳定性、加工性、寿命、可靠性等要求。机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多解性，即不存在唯一满足相同设计要求的机械结构。机械结构设计的任务是在众多可行的结构方案中找到更好或最佳的方案。求所有局部最优解并求全局最优解，得到最佳设计方案。这就需要运用创造性的思维方法。结构方案变异设计方法使设计者从已知的可行结构方案出发，通过变换得到大量的可行方案。通过对这些方案中的参数进行优化，设计者可以获得多个局部最优解，然后通过对这些局部最优解进行分析比较，可以得到更好的解或者全局最优解。

1、结构方案变型设计

目的是找到满足设计要求的独立设计方案，以便进行参数优化设计。变型设计的基本方法是首先对结构设计方案进行分析，得到结构总体设计方案所包含的技术要素的构成。然后分析各个技术要素的取值范围。通过将这些技术要素在各自的价值范围内充分结合，可以获得足够的独立结构设计方案。一般机械结构的技术要素包括零件的几何形状、零件之间的连接以及零件的材料和热处理方法。下面对这些技术要素的变异设计方法进行分析。

1.1 功能方面的差异

机械结构的功能主要是通过机械零件的几何形状和各零件之间的相对位置关系来实现的。零件的几何形状由其表面组成，并且零件通常具有多个表面。这些表面中与其他零件接触的表面、与工作介质或被加工物体接触的表面称为功能表面。

零件的功能面是决定机械功能的重要因素，功能面的设计是零件设计的核心问题。通过功能面的变型设计，可以获得多种结构方案来实现相同的技术功能。描述功能表面的主要几何参数包括表面形状、尺寸、表面数量、位置、顺序等。通过改变这些方面，可以获得多套配置方案。

下图为螺杆头工作面的变异设计：

1.2 连接的变化

不与其他零件接触的零件有6 个自由度。在机械设计中，通过规定零件之间适当的连接方法，限制零件的一定自由度，保留机器功能所必需的自由度，使机器在工作时能实现一定形式的运动关系。

连接的功能是通过零件的工作表面与其他零件的相应表面的接触来实现的。不同形式的连接由于接触工作表面的形状不同以及表面之间施加的紧固力不同，对零件自由度的约束也不同。

以轴毂连接为例，轴毂连接相对运动自由度的限制可能为：

1）固定连接：限制6个相对运动自由度。

2）滑动连接：限制5个相对运动自由度。

3）旋转连接：限制5个相对运动自由度。

4）移动和旋转连接：限制5个相对运动自由度。

根据连接中形成锁紧力的条件，固定轴毂连接可分为形状锁紧连接和力锁紧连接。

力锁定连接依靠被连接部件表面之间的压力产生的摩擦力来传递扭矩和轴向力。表面之间压力的产生可以依赖于各种不同的结构措施。过盈配合是一种常用的结构措施，可以用最简单的结构形状获得足够的压力。缺点是装拆不方便，应力集中较大。常用的形状锁定连接包括销连接、平键连接、半圆键连接、花键连接、成形连接和切向键连接。为了构建易于装拆的力锁紧连接结构，需要保证连接装配时各面之间不存在干涉。组装后，采用其他调整措施，使表面之间产生干涉，拆卸过程则相反。常用的力锁紧连接有楔键连接、弹性环连接、圆柱过盈连接、圆锥过盈连接、螺旋顶丝连接、公差环连接、星盘连接、压套连接和液压胀套连接等。力锁紧联结轴系统的工作性能与其支撑设计的状况和质量密切相关。

下图显示了常用的力锁定连接：

1.3 材料的变化

机械设计中可以选择的材料种类很多。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。在结构设计中，需要根据功能要求合理选择合适的材料，确定材料的类型。合适的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定合适的结构。只有通过适当的结构设计，所选材料才能充分发挥其优点。正确选择结构材料，需要充分了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。

例如，在弹性联轴器的设计中，需要选择的弹性元件材料有金属、橡胶、尼龙、电木等，由于弹性元件选择的材料不同，联轴器的结构也有很大差异。由于弹性元件寿命短，在使用过程中需要多次更换。结构设计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，使更换弹性元件必须拆卸和移动的部件最少化。很少。

根据所选材料的特点及其相应的加工工艺，在结构设计时应遵循不同的设计原则。

钢材在拉压作用下的力学性能基本相同，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大多是不对称的，使得承载时的最大压应力大于最大拉应力。塑料结构的强度较差，螺纹连接件产生的装配力很容易损坏塑料件。在两个连接件上制作简单的挂钩和凹槽，利用塑件装配时较大的弹性变形。该特征使得挂钩和凹槽相互咬合以实现连接。装配过程简单、准确、易于操作。设计的结果必须通过制造和装配来实现。如果在结构设计时能够根据所选材料的工艺特点合理确定结构形式，将会给制造过程带来便利。

设计结构形状时，还必须考虑工况条件和外界因素对零件性能的影响。例如，对于高速皮带传动，为了增加皮带的柔性，一般在皮带的非工作面上开有横向槽；滑轮一般做成鼓形，运行时皮带保持在滑轮中间，防止脱落。为了避免皮带与带轮之间产生气垫，影响传力的可靠性，在小带轮轮缘上开有环形槽。

扬长避短，业绩互补。

结构形状应有利于材料的性能。例如，铸铁的抗压强度高于抗拉强度，因此铸铁的设计必须能够承受压缩，才能充分利用其优势。陶瓷材料承受局部集中载荷的能力较差，在与金属件连接时应避免其弱点。塑料是常用的加工材料之一。它重量轻，成本低，可以制成非常复杂的形状。但其强度和刚度较低，且容易老化。合理匹配刚性和柔性材料，并赋予刚性部件中的某些部分柔性，使其能够利用接触时的变形来补偿工作表面的几何形状误差。

2、创新结构设计方法，提升性能

机械产品的性能不仅仅与原理设计有关。结构设计的好坏也直接影响产品的性能，甚至影响产品功能的实现。下面对提高结构强度、刚度、精度、工艺性等方面常用的设计方法和设计原则进行分析。强度和刚度是结构设计的基本问题。通过正确的结构设计，可以减少单位荷载造成的物质损坏。应力和变形，提高结构的承载能力。

2.1 强度和刚度都与结构上的应力有关。在外荷载不变的情况下降低结构所受的应力是提高强度和刚度的有效措施。

1) 负载分配对结构造成应力

如果多个荷载作用在同一结构上，可能会导致局部应力过大。在结构设计中，荷载应由多个结构分别承受。这将有助于减少危险结构处的应力，从而提高结构的承载能力。这种方法称为负载共享。

负载共享弯矩和扭矩的同时作用会在轴上产生很大的应力。结构上增加了支撑套滑轮，通过端盖将扭矩传递给轴，通过轴承将压紧力传递给支撑套。

2）负载均衡：

在机械传动中，一些做功的力必须沿着传动链传递，而一些不做功的力必须使其传递路线尽可能短。如果它与同一部位的其他类似荷载形成平衡的受力系统，其他部位就不会受到这些荷载的影响，有利于提高结构的承载能力。

3）减少应力集中

应力集中是影响交变应力结构承载能力的重要因素。结构设计应尽量减轻应力集中。零件横截面形状发生变化的地方力流就会发生变化，局部力流密度的增加导致应力集中。减少应力集中，零件截面形状变化越突然，应力集中越严重。在结构设计中，应尽量避免结构受力处零件形状突然变化，以减少应力集中对强度的影响。当零件受力变形时，不同位置的变形抗力（刚度）不同，也会造成应力集中。设计中可以通过降低应力集中点附近的局部刚度来有效减少应力集中。由于结构定位等功能的需要，大多数结构不可避免地会发生结构尺寸和形状的变化。这些变化会造成应力集中。如果同一结构截面发生多次变化，会出现严重的应力集中，因此在结构设计中应努力避免这种情况。

2.2 改进机械精度设计

通过结构设计，可以减少制造、安装等造成的原始误差；可以减少因温度磨损、部件变形等引起的工作误差；可以降低执行器对各种误差的敏感度，提高产品的精度。在制造和安装过程中产生的错误是不可避免的。通过适当的结构设计，可以在保持原有误差不变的情况下，使执行机构的误差变小。实验证明，螺杆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就是千分尺螺杆的累积螺距误差。

1）机械精度均衡的误差均衡原理

如果机构中有多个连接点同时限制某一运动，则运动部件的运动误差由各连接点的综合影响决定，其运动精度高于一个连接点的限制。在一定条件下，增加螺旋传动中工作的螺纹圈数，使多圈螺纹可以同时工作。它不仅可以提高丝杠传动的承载能力和耐磨性，而且可以提高传动精度。

2.3 提升工艺水平

结构设计应根据机械切削机床的设备特点，为装夹过程提供必要的装夹面。夹紧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。零件上的机加工表面应能够以尽可能少的夹紧次数完成。如果一次装夹就能加工零件上的多个相关曲面，将有效提高加工效率。

比如上图中只有两个锥面，无法安装卡盘。添加两个圆柱面。该表面在零件的工作中不起任何作用。这个表面只是为了实现工艺而设计的，称为工艺表面。

加工方便待形成的几何曲面数量和类型越多，所需加工的工作量越大。结构设计中尽量减少加工表面的数量和类型是一个重要的设计原则。

简化组装、调整和拆卸加工好的零件必须组装起来才能成为完整的机器。装配质量直接影响机械设备的运行质量，设计时是否考虑装配工艺的需要也直接影响装配工作的难度。

3令人愉悦的结构设计

结构美观是指机械设备的结构形状应适合人体生理、心理要求，使操作安全、准确、省力、简便，减轻操作疲劳，提高工作效率。

3.1 减少操作疲劳的结构

结构设计和配置时应考虑操作者的受力情况，防止操作者长时间保持不自然的姿势。如下图所示，各种手动工具改进前后的结构形状。改进前结构造型呆板，操作者长时间处于不自然状态，容易疲劳；改进后结构形状柔软，操作者使用时基本处于自然状态，长期使用不会感到疲劳。

3.2.提高运营能力的结构

操作者在操作机械设备或装置时需要用力。人在不同的姿势、方向、方法时，发力的能力差异很大。一般人的右手握力比左手强。脚部受力的大小还与姿势有关。一般坐着时脚的推力较大。当操作力超过50-150时，最好选择脚力控制。手动操作的手轮、手柄或杠杆的形状应设计成握持舒适且不打滑。用脚操作时最好采用坐姿。座椅应有靠背，脚踏板应位于座椅前面的中间位置。

3.3 减少操作错误的结构

为了减少操作失误，操作部件的外观应简洁、易于识别。操作位置必须适当，操作部位应在操作者手或脚可触及的范围内。应为操作员提供减少疲劳的座椅，且指示仪表位于操作员的视野范围内。

3.4 外观及颜色

零件的形状应与零件的功能、零件的材料、载荷特性、加工方法相适应，还必须适应人的反应。除满足使用功能、加工条件、材料性能外，还必须考虑外观的和谐、平衡、稳定。一台好的机器一定是一台漂亮的机器。

4、结构设计和创新，方便制造和操作

设计者在满足使用功能的前提下，力求使设计的产品结构和工艺简单、消耗低、成本低、使用方便、操作容易、寿命长。

4.1 加工工艺结构配置

对于机械加工的零件，配置时应考虑安装、加工和测量时间短、设备成本低等因素。这主要体现在加工面的形状要简单、尺寸要小。位置应便于装夹和退刀，避免在斜面上钻孔，避免内表面复杂加工。

对于复杂的零件，加工步骤会增加，材料会浪费，成本也会增加。为了改变这样的结构，可以使用组件来实现相同的功能。加工难度大。但如果将小轴改为组合式装配，在不丧失原有功能的情况下，加工性将会得到提高。

4.2 简化结构

只有精致、简约才是设计的进步，也是设计师的心愿。

连接结构的简化。例如，塑料结构的强度较差，塑料件容易因螺纹连接而损坏，且加工制造、安装装配比较麻烦。如果充分利用塑件弹性变形大的特点，将钩与槽连接起来，装配过程就会简单、准确、易于操作。

铰链结构的简化。金属制成的铰链结构相对复杂。对于常用的载荷较小的铰链连接结构，采用塑料制成可以大大简化结构。

5. 总结

机械创新结构设计在当前行业的发展建设中占有非常重要的比重，因此研究它具有很大的价值，但是研究机械创新结构设计并不是一件简单的事情。对设计者和研究人员提出了非常高的要求。他们不仅要精通甚至精通专业知识，还要具备敏捷的分析能力、发现问题和解决问题的能力、创新思想和技术知识。制度配置创新不是漫无目的的幻想，而是基于对现有技术的改进或创新，以满足生产生活的新要求。

我认为机械创新设计有两个必要条件：一是充分掌握适用知识；二是充分掌握应用知识。二是采用符合创新设计思维、能够激发创新思维的设计体系。设计过程充满了矛盾，所获得的知识应该有助于快速解决这些矛盾。此外，人类的创新设计思维模式是通过长期成功的设计经验形成的。我们从创新设计思维研究出发，整合知识获取方法，研究创新设计理论，如TRIZ等理论方法。

审稿人：李茜