創(chuàng)意性的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

摘要：在經(jīng)濟(jì)與科技高速發(fā)展的前提下，傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的機(jī)械已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的需要，因此，機(jī)械的創(chuàng)意性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。文章就機(jī)械設(shè)計(jì)功能性進(jìn)行了分析，探討了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與任務(wù)，分析了在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展背景下，為機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)迎來(lái)新機(jī)遇，出現(xiàn)多學(xué)科相關(guān)滲透與交叉，使機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備新穎、創(chuàng)意性的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)意性；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；機(jī)械功能；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文章編號(hào)：1009-2374（2015）29-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.016

機(jī)械設(shè)計(jì)主要由硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分組成，設(shè)計(jì)機(jī)械的主要任務(wù)就是按照機(jī)械自身性能與相關(guān)使用要求參數(shù)在潤(rùn)滑機(jī)械設(shè)計(jì)方案、工作原理與形狀等方面實(shí)行構(gòu)思、計(jì)算與分析，再使其可以通過(guò)圖紙表達(dá)與描述圖形的方式來(lái)呈現(xiàn)，這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程就是機(jī)械的軟設(shè)計(jì)，然而機(jī)械的硬設(shè)計(jì)方面，則是按照工程設(shè)計(jì)圖使用各種加工機(jī)械來(lái)進(jìn)行加工，將設(shè)計(jì)過(guò)程轉(zhuǎn)為設(shè)計(jì)的實(shí)體，這個(gè)過(guò)程就是機(jī)械的硬設(shè)計(jì)。而具備優(yōu)良的機(jī)械軟、硬設(shè)計(jì)都是機(jī)械設(shè)計(jì)得以保證的前提。

1 功能性質(zhì)

不管是什么樣的零部件，均具備自身無(wú)可替代的功能，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，必須充分保證設(shè)計(jì)功能可以實(shí)現(xiàn)，這也是創(chuàng)意設(shè)計(jì)的基本目的，自身結(jié)構(gòu)存在差異性的機(jī)械零部件功能也基本不同，就機(jī)械工程零部件來(lái)說(shuō)，功能基本包含相對(duì)位置、力學(xué)功能與運(yùn)動(dòng)學(xué)的功能。其中力學(xué)功能由承載力與傳遞力兩個(gè)部分組成，而力的傳遞就是把各個(gè)零部件之間的傳遞作為前提，作為力流必經(jīng)通道，在力傳遞過(guò)程中必然會(huì)承受荷載作用，例如一些連接鍵就具備該功能。同時(shí)承載全部機(jī)械設(shè)備的工作過(guò)程承受的結(jié)構(gòu)部件帶來(lái)的力作用，例如一些浮動(dòng)軸平行刃的剪切機(jī)實(shí)行剪切軋件的過(guò)程中，都是通過(guò)充分連接上刀臺(tái)與下刀臺(tái)中大拉桿來(lái)承受力的作用，而一般機(jī)架不用承受任何外力，而運(yùn)動(dòng)學(xué)的功能則是由運(yùn)動(dòng)加速度、軌跡與速度共同構(gòu)成，且相對(duì)位置一般是兩個(gè)以上結(jié)構(gòu)的零部件按照相關(guān)規(guī)定來(lái)確定軌跡與位置，其中減速器的墻體中成軸孔一般是用來(lái)確保各軸間齒輪齒合準(zhǔn)確咬合實(shí)際位置。

但是部分結(jié)構(gòu)零件功能較少，甚至只有一種，而部分零件功能卻比較多樣，例如軋鋼機(jī)主的機(jī)列中方向的接軸。方向的接軸既可以傳送運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力，還可以與軋輥輥縫的改變相適應(yīng)，當(dāng)兩軋輥中心距發(fā)生突變時(shí)，許多機(jī)械在結(jié)構(gòu)方面存在較大的差異性，但是接軸各端叉頭的鏜孔中心相對(duì)應(yīng)位置不一樣，因此滑塊磨損與運(yùn)動(dòng)學(xué)上就存在差異性，應(yīng)用的場(chǎng)合也不一樣。

2 力流的合理性

在結(jié)構(gòu)中進(jìn)行力流傳遞時(shí)，其傳遞路徑的長(zhǎng)短以及合理性對(duì)機(jī)械運(yùn)行有著重要影響。而力流長(zhǎng)度的合理性通常包含比較普通的軋機(jī)，這類(lèi)軋機(jī)具有高大工程的機(jī)架，另一種則是沒(méi)有機(jī)架的軋機(jī)。因?yàn)闆](méi)有相關(guān)機(jī)架，應(yīng)力中回線的長(zhǎng)度與普通的軋機(jī)比起來(lái)較短，而軋機(jī)的剛度會(huì)變大，使得其成為短應(yīng)力的線軋機(jī)。相反的是，許多力流線的長(zhǎng)度較長(zhǎng)的實(shí)例，使用起來(lái)也較好，主要是由于軸扭轉(zhuǎn)、變形出現(xiàn)齒面截荷不同程度的

現(xiàn)象。

3 荷載分布的均勻化

把受力不均的傳力零件進(jìn)行分布或是進(jìn)行集中載荷，讓零部件中所承受載荷變成幾近均勻載荷。而關(guān)于二級(jí)展開(kāi)圓柱的減速器相對(duì)兩軸承的支撐來(lái)說(shuō)是沒(méi)有對(duì)稱性的，一旦受載，因?yàn)檩S出現(xiàn)彎曲與變形情況，相應(yīng)軸上齒輪容易出現(xiàn)偏斜，導(dǎo)致齒輪作用荷載沿的接觸線不能均勻分布。如果把齒輪中截面改成鼓形，會(huì)讓兩端齒厚比較中部來(lái)說(shuō)較小，齒輪在工作過(guò)程中，都是依靠齒面變形彈性截荷均勻分布。

普通螺栓實(shí)行連接過(guò)程中，螺栓受拉或者是螺母在受壓時(shí)，因?yàn)槁菽概c螺桿中所受旋合段軸向力具有差異性，使得各圈旋合紋牙間載荷也不同，這也是由于力流按照最短傳輸路徑進(jìn)行流動(dòng)而導(dǎo)致的。因此只有改進(jìn)設(shè)計(jì)螺母的結(jié)構(gòu)，才可以讓旋合段各個(gè)螺紋牙截荷可以均勻分布。

4 設(shè)計(jì)力平衡

一般機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不只具備工作荷載的作用，機(jī)械系統(tǒng)的內(nèi)部，部分零件因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)特殊性會(huì)產(chǎn)生外力。工作中前者必不可少，也就是有用的力；而后者一般在工作中可有可無(wú)，也就是沒(méi)有用的力，例如圓錐齒輪與圓柱齒輪軸向力。其中設(shè)計(jì)力平衡也就是在機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的輔助下，全部或者是部分都可以不用考慮無(wú)用力，從而消除或是減輕其所帶給機(jī)械設(shè)計(jì)的不利影響。設(shè)計(jì)力平衡也就是使用以毒攻毒的方式，其中人字齒輪產(chǎn)生就是較為典型的實(shí)例。且對(duì)于第二支軸上輪齒、斜齒方向選取要盡可能相同，這樣能夠抵消一些軸向力，然后降低軸承上的荷載。就銅陽(yáng)極類(lèi)圓盤(pán)的鑄錠機(jī)來(lái)說(shuō)，通常為降低槽輪機(jī)構(gòu)在圓盤(pán)回轉(zhuǎn)方面出現(xiàn)速度差異與停位影響，往往使用盤(pán)式液壓的制動(dòng)器。同時(shí)為將壓缸在制動(dòng)圓盤(pán)的偏心加載導(dǎo)致的垂直變距與軸向力方面不利的影響消除，一般使用對(duì)稱性理念來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。只有上下均對(duì)稱的配置油缸才能在圓盤(pán)作用上產(chǎn)生平衡軸向力。

5 關(guān)于自適應(yīng)的性質(zhì)

部分機(jī)械設(shè)備進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，往往因?yàn)橹T多原因造成系統(tǒng)部分部件中工作狀態(tài)會(huì)不定時(shí)地發(fā)生變化，而為了確保機(jī)器可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，某些零部件工作狀態(tài)應(yīng)該做相關(guān)調(diào)整，也就是構(gòu)件自己適應(yīng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。其中器械中零部件自適應(yīng)通常由速度與位置以及壓力的自適應(yīng)共同組成，進(jìn)行適應(yīng)的工作過(guò)程中，必須設(shè)計(jì)軸脹軸承的支撐部件，也就是使用游動(dòng)端與固定端。其中固定端把軸向具體位置傳輸?shù)捷S向的荷載中，而游動(dòng)端一旦受熱發(fā)生膨脹，會(huì)導(dǎo)致軸承隨機(jī)移動(dòng)到某特定位置，進(jìn)而確保機(jī)械軸承正常的運(yùn)行。

而對(duì)于部分人字輪、雙持斜輪進(jìn)行傳動(dòng)的過(guò)程中，一般扭矩的傳遞都是分流進(jìn)行的，關(guān)于安裝制造過(guò)程中，機(jī)械中齒輪的兩側(cè)容易存在轉(zhuǎn)角偏差的問(wèn)題，傳動(dòng)過(guò)程經(jīng)常是一側(cè)齒輪首先出現(xiàn)咬合狀態(tài)，這樣兩側(cè)齒輪就會(huì)因?yàn)橐Ш喜痪霈F(xiàn)自適應(yīng)壓力，導(dǎo)致軸向出現(xiàn)移動(dòng)趨勢(shì)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，主要是把人字輪的兩側(cè)齒輪咬合壓力進(jìn)行變化實(shí)施來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的定位，一直到兩側(cè)的咬合力一樣大。

6 模塊化的設(shè)計(jì)

與設(shè)計(jì)電子線路模塊化基本相同，產(chǎn)生器械結(jié)構(gòu)模塊化的設(shè)計(jì)，也就把器械產(chǎn)品相關(guān)零部件實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，組成新型模式的基塊，例如一些大型起重機(jī)主要運(yùn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常使用三合一的驅(qū)動(dòng)式，其一般包含減速器、電動(dòng)機(jī)與制動(dòng)器三個(gè)主要部分。同時(shí)制動(dòng)的電動(dòng)機(jī)會(huì)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，其中減速器一般是由行星類(lèi)減速器與擺線針的減速器等共同組成。其還具備重量輕與結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)使用組合的原理，能夠把部分模塊設(shè)計(jì)出多種功能；還可以把功能不同的機(jī)床與夾具用來(lái)組合機(jī)床，方便運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 詹長(zhǎng)庚，龐晨露，萬(wàn)書(shū)亭.無(wú)碳小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014，45（2）.

[2] 孫振燕.氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思考[J].裝備制造技術(shù)，2013，34（3）.

[3] 魏鼎，荊學(xué)東，康思聞.基于Pro/E的新型硬幣包卷機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013，12（4）.

作者簡(jiǎn)介：陳炳榛（1983-），男，江西九江人，同方電子科技有限公司助理工程師，研究方向：機(jī)械電子。

（責(zé)任編輯：周 瓊）