機(jī)械零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方法體系研究

孫 鳳，李春明,，崔運(yùn)靜，李萬(wàn)騰

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061)(2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)(3.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

工程技術(shù)人員的創(chuàng)新能力培養(yǎng)是目前國(guó)家和高校普遍重視的問(wèn)題。在大學(xué)課程體系中，繼“機(jī)械原理”和“機(jī)械設(shè)計(jì)”之后的“機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)”是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要課程[1-2]。在該課程中，零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新可明顯改善機(jī)械的工作性能。

“機(jī)械原理”研究機(jī)構(gòu)、活動(dòng)構(gòu)體(件)、固定構(gòu)體、運(yùn)動(dòng)副、自由數(shù)(獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù))和動(dòng)力學(xué)等。“機(jī)械設(shè)計(jì)”研究機(jī)構(gòu)的具體形狀，包括桿、盤(pán)、蓋、箱體、機(jī)架、鉸鏈、器、裝置，以及零件的強(qiáng)度、剛度和失效等[3]。根據(jù)運(yùn)動(dòng)原理，將機(jī)構(gòu)和構(gòu)體具體化為某個(gè)零件或部件的形狀、尺寸、精度、材料、熱處理方法、表面狀態(tài)、連結(jié)方式、順序、數(shù)量等具體結(jié)構(gòu)方案的過(guò)程，稱(chēng)為零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮材料的力學(xué)性能、零部件的功能、工作條件、加工工藝、裝配、使用、維護(hù)、回收、成本、安全、環(huán)保等各方面的要求。在滿(mǎn)足使用功能的前提下，應(yīng)基于優(yōu)化理念，力求使零件的結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、能量消耗少、成本小、使用方便、操作容易、壽命長(zhǎng)等。

目前零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法要么片面套用創(chuàng)新方法，要么以例子為綱，既不全面，也不系統(tǒng)。本文理清本末，著眼普遍性，建立零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法的理論體系。

1 研究進(jìn)展

目前，零件結(jié)構(gòu)(機(jī)械結(jié)構(gòu))創(chuàng)新方法的理論體系以4本專(zhuān)著或教材為最先進(jìn)代表。文獻(xiàn)[4]以運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)集成化和產(chǎn)品模塊化為研究對(duì)象組織該創(chuàng)新方法體系(如圖1所示)。該體系與機(jī)構(gòu)演化的創(chuàng)新方法和通用創(chuàng)新方法均有重復(fù)和交叉，容易引起混淆。

圖1 具有演化方法和通用方法的體系

文獻(xiàn)[5]考慮設(shè)計(jì)理念及工作情況，如圖2所示。該體系分節(jié)較少，且與通用創(chuàng)新方法有重復(fù)。

文獻(xiàn)[6]從功能實(shí)現(xiàn)、材料特性、加工制造、組合、移植等方面介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，注重實(shí)例，如圖3所示。該體系的設(shè)計(jì)理念不具體、不全面，在內(nèi)容上與通用創(chuàng)新方法有重復(fù)。

文獻(xiàn)[7]的體系如圖4所示。該體系各部分之間存在重復(fù)內(nèi)容，比如便于操作的創(chuàng)新屬于宜人結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，卻與便于制造的創(chuàng)新一起另外成節(jié)。

圖2 考慮設(shè)計(jì)理念及工作情況的體系

圖3 注重實(shí)例的體系

圖4 包含基本內(nèi)容的體系

總之，上述理論體系存在如下問(wèn)題：

1)結(jié)構(gòu)不夠系統(tǒng)。比如通用創(chuàng)新方法引入不全且無(wú)序。各小節(jié)之間的內(nèi)容互異性差，存在重復(fù)現(xiàn)象。

2)整體上內(nèi)容不夠全面。各專(zhuān)著在內(nèi)容取舍上各有側(cè)重、各有疏漏。

3)目前較成熟的全生命周期內(nèi)的設(shè)計(jì)理念沒(méi)有體現(xiàn)。

基于以上分析，零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方法可概括為基于功能實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新、基于全生命周期的創(chuàng)新和基于材料特性的創(chuàng)新3個(gè)方面。

2 基于功能實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新

零件設(shè)計(jì)的目的是使其具有一定的功能。在確定功能后，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、對(duì)比、完善，令產(chǎn)品脫穎而出。因此，可從以下幾個(gè)視角進(jìn)行創(chuàng)新。

1)結(jié)構(gòu)應(yīng)與功能相一致?？筛爬橐韵?個(gè)方面：應(yīng)適應(yīng)工作條件；可設(shè)計(jì)零件的某個(gè)部位具有多個(gè)功能，從而簡(jiǎn)化制造過(guò)程、減少材料消耗、提高工作效率；相同的或相似的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)完全不同的功能；與拼圖法解決多未知量矢量方程[8]一樣，多個(gè)結(jié)構(gòu)組合起來(lái)就有可能實(shí)現(xiàn)新的功能，比如多個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)可拼接出復(fù)雜結(jié)構(gòu)；不同產(chǎn)品的相同部分可采用相同的結(jié)構(gòu)；根據(jù)功能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；選用同樣功能的標(biāo)準(zhǔn)件。

2)宜人避錯(cuò)。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)和制造水平的提高，機(jī)器的復(fù)雜程度、工作速度不斷提高，不能要求操作者無(wú)條件地適應(yīng)機(jī)器，而應(yīng)使機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)、形狀和顏色適合于人的生理和心理特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)安全、準(zhǔn)確、正確、省力、舒服、簡(jiǎn)便的操作，同時(shí)緩解操作疲勞，提高工作效率?；谟脩?hù)評(píng)價(jià)改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)[9]是增強(qiáng)宜人特點(diǎn)的重要途徑。

3)適應(yīng)受載情況。根據(jù)載荷的方向、大小、變化規(guī)律等設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)，可保證受載面積足夠大、受載部位足夠強(qiáng)、最大應(yīng)力足夠小。

4)增強(qiáng)工作能力?？筛爬橐韵?個(gè)方面：受載時(shí)機(jī)械性能得以強(qiáng)化，如接觸面應(yīng)垂直于載荷方向，應(yīng)增大接觸面；應(yīng)具有抗干擾能力，干擾因素消除之后，機(jī)械裝置能較快地恢復(fù)到理想工作狀態(tài)；如果零件有多個(gè)部位受載，應(yīng)具有補(bǔ)償或抵消不同部位運(yùn)動(dòng)誤差的能力；多個(gè)零件受載，應(yīng)抵消不作功力，如雙斜齒輪和行星輪系；原動(dòng)機(jī)自由數(shù)小于機(jī)構(gòu)自由數(shù)的情況下，機(jī)構(gòu)能適應(yīng)外載而作出確定運(yùn)動(dòng)；可采取合理設(shè)計(jì)工作部分、有效消除間隙影響、適當(dāng)分配工作載荷等措施，以提高運(yùn)動(dòng)精度和工作精度[10]。

3 基于全生命周期的創(chuàng)新

機(jī)械產(chǎn)品的全生命周期包括設(shè)計(jì)、加工、裝配、輸送、維護(hù)、報(bào)廢和拆解等。在設(shè)計(jì)之前，必須綜合考慮整個(gè)周期中可能面臨的所有問(wèn)題，同時(shí)掌握綠色設(shè)計(jì)、一次性設(shè)計(jì)等先進(jìn)理念。

1)加工方面。要求裝夾方便、加工難度低、加工工藝簡(jiǎn)單、測(cè)量容易和設(shè)備費(fèi)用少等?？筛爬橐韵?個(gè)方面：加工面力求形狀簡(jiǎn)單、數(shù)量小、尺寸小、定位與夾緊簡(jiǎn)便；刀具進(jìn)退方便；在孔端設(shè)計(jì)垂直面；復(fù)雜加工面盡量布置在外表面而非內(nèi)表面上；復(fù)雜零件可設(shè)計(jì)成組合式結(jié)構(gòu)；可采用附加結(jié)構(gòu)降低加工難度；可根據(jù)智能制造特點(diǎn)改進(jìn)結(jié)構(gòu)[11]等。

2)裝配拆卸方面。應(yīng)可靠、方便、省力，主要體現(xiàn)在以下9個(gè)方面：組合式結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成錐面定位；螺栓連結(jié)、易損常換件應(yīng)可單獨(dú)拆卸；多處存在裝配關(guān)系的結(jié)構(gòu)應(yīng)使某個(gè)零件的拆卸不破壞其他裝配關(guān)系；應(yīng)留出必要的裝拆空間；應(yīng)使尺寸相同、而材料及熱處理方式不同的零件在外部形狀上有明顯區(qū)別；與常規(guī)參數(shù)不同的結(jié)構(gòu)應(yīng)特別標(biāo)記；必要時(shí)設(shè)計(jì)便于快速裝拆的結(jié)構(gòu)；必要時(shí)可在軸肩處、凹槽處設(shè)計(jì)拆卸孔、起蓋螺釘或拆卸槽；如果不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)在隱蔽處，則應(yīng)在其對(duì)應(yīng)的明顯處設(shè)計(jì)不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)等。

3)運(yùn)輸及報(bào)廢拆解方面?？筛爬橐韵?個(gè)方面：應(yīng)力求形狀簡(jiǎn)單、穩(wěn)固；在輸送時(shí)同一類(lèi)零件不易互相干擾或顛倒；應(yīng)使結(jié)構(gòu)中的不同材料容易分離，如鋼骨架和橡膠；不同材料應(yīng)容易識(shí)別(特別是塑料)；材料種類(lèi)應(yīng)盡量少；裝飾性加工量應(yīng)盡量小，如電鍍、噴涂等[12]；包裝設(shè)計(jì)應(yīng)符合減量化、回收、重用、循環(huán)再生和可降解原則等。

4)使用維護(hù)方面。潤(rùn)滑劑易添加、回收，潤(rùn)滑油不污染產(chǎn)品，安全保護(hù)裝置齊全。

4 基于材料特性的創(chuàng)新

應(yīng)根據(jù)功能要求合理選擇材料類(lèi)型、加工工藝及結(jié)構(gòu)形式，并充分發(fā)揮所選材料的優(yōu)勢(shì)。零件結(jié)構(gòu)應(yīng)充分適應(yīng)所選材料的力學(xué)性能、加工性能、使用成本等，還應(yīng)適應(yīng)其密度、硬度、強(qiáng)度、剛度、耐磨性、磨合性、耐腐蝕性、傳導(dǎo)性等。

1)利用脆性材料。根據(jù)抗壓而不抗拉的特點(diǎn)，可令其工作時(shí)處于受壓狀態(tài)；可增大受力面積，以避開(kāi)其應(yīng)力集中嚴(yán)重的情況；根據(jù)其耐磨性強(qiáng)的特點(diǎn)，可令其改善軸承的工作性能和延長(zhǎng)滾滑副結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2)利用彈性材料。根據(jù)其變形特點(diǎn)、大阻尼、熱膨脹特性和泊松效應(yīng)等，可實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)功能[13]；可補(bǔ)償其他零件的安裝變形、軸向位移、徑向位移、角位移等；可實(shí)現(xiàn)相鄰零件之間無(wú)滑動(dòng)摩擦的相對(duì)微小轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)；可實(shí)現(xiàn)機(jī)械的緩沖吸振功能；可改變機(jī)械的固有頻率，從而避免共振；可在其彈性范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減少零件；可在載荷很小而空間較大的場(chǎng)合代替整個(gè)機(jī)構(gòu)；可實(shí)現(xiàn)垂直于載荷方向且位移很小的運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定；可根據(jù)環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)具有控制或測(cè)量功能的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，如雙金屬片控制開(kāi)關(guān)；可制成各種彈簧實(shí)現(xiàn)大位移彈性運(yùn)動(dòng)，或提供彈性反力[14]。

3)利用彈性卡件。可簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要概括為以下4個(gè)方面：在受力不大的場(chǎng)合，直接卡在孔隙中代替密封結(jié)構(gòu)；在經(jīng)常裝拆的場(chǎng)合，代替整個(gè)連結(jié)組件，如用彈性卡扣件代替整個(gè)連結(jié)螺栓組；對(duì)于彈性變形量大的塑料零件，可利用彈性變形簡(jiǎn)化連結(jié)結(jié)構(gòu)；對(duì)于具有形狀記憶功能的彈性卡件，可省去連結(jié)及緊固結(jié)構(gòu)等。

5 理論地位及魯班鎖實(shí)例

零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)方案和機(jī)構(gòu)確定之后進(jìn)行的，設(shè)計(jì)時(shí)可綜合運(yùn)用各類(lèi)創(chuàng)新方法。因此，零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法是在其他創(chuàng)新方法的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，起到理論聯(lián)系實(shí)際、再現(xiàn)創(chuàng)新方法、驗(yàn)證創(chuàng)新方案的作用。整合機(jī)械創(chuàng)新方法領(lǐng)域的教材、專(zhuān)著、文獻(xiàn)的專(zhuān)業(yè)內(nèi)容，可建立如圖5所示的機(jī)械創(chuàng)新方法理論體系。在該體系中，零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法不可或缺。

圖5 機(jī)械創(chuàng)新方法的理論體系

通過(guò)零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，普通的機(jī)構(gòu)可設(shè)計(jì)成神奇的機(jī)械，魯班鎖就是一例。魯班鎖是充分利用榫和卯原理的三維組合機(jī)構(gòu), 在外觀上，嚴(yán)絲合縫，呈對(duì)稱(chēng)、平衡、穩(wěn)定的十字立方體狀。它不用釘子、繩子等固定工具, 完全靠自身榫卯結(jié)構(gòu)的連接與支撐，通常最后一個(gè)零件裝上之后鎖住[15]。各構(gòu)體之間以移動(dòng)副連接。鎖住之后說(shuō)明其獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)(自由數(shù))為零。魯班鎖的機(jī)構(gòu)為多個(gè)平面四體機(jī)構(gòu)組合而成的立體機(jī)構(gòu)，其基本單元為只含移動(dòng)副的四體機(jī)構(gòu)，如圖6(a)所示。通過(guò)設(shè)計(jì)單元之間的組合形式及各零件的合理結(jié)構(gòu)，可獲得各式各樣的魯班鎖。在圖6(a)的基礎(chǔ)上增加如圖6(b)所示的粗線所表示的構(gòu)體，該構(gòu)體與構(gòu)體1和3以移動(dòng)副相連，則機(jī)構(gòu)鎖住，其他構(gòu)體不再可以像拆積木一樣拆除。圖6兩個(gè)機(jī)構(gòu)的自由數(shù)Fn分別為：

Fn=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1

(1)

Fn=3n-2PL-PH=3×4-2×6-0=0

(2)

式中：n為活動(dòng)構(gòu)體數(shù)；PL為二約束副(低副)數(shù)；PH為一約束副數(shù)(高副)。

圖6 魯班鎖的基本單元

6 結(jié)束語(yǔ)

每一個(gè)零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新都具有實(shí)用價(jià)值和申請(qǐng)專(zhuān)利的實(shí)力，比如增強(qiáng)維修能力的雙頭螺柱結(jié)構(gòu)。在機(jī)械的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以創(chuàng)新性、可行性、可靠性和合理性為目的，突出零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，可增強(qiáng)機(jī)械產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

本文建立的零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法理論體系在整個(gè)機(jī)械創(chuàng)新方法理論體系中不可或缺，該理論體系可用于指導(dǎo)專(zhuān)著的撰寫(xiě)和科研項(xiàng)目的進(jìn)行。本文提出的魯班鎖機(jī)構(gòu)形式可為更加科學(xué)、更加精巧的機(jī)械提供理論參考。