機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式與原理

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一、引言

從18世紀以來，機器逐步代替人力勞動，用于做功或轉(zhuǎn)換能量。做功的機器不僅大大提高了勞動生產(chǎn)率，而且很好地保證和提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。由于機器實現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換，人們發(fā)明了多種多樣的工作機械，提高了人類的生產(chǎn)水平，改善了自己的生活條件。機器的設(shè)計是由具體的機構(gòu)物化為實體的產(chǎn)品，以提供用戶所要求的使用功能。因此，機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的重要一環(huán)，在機械設(shè)計課程中，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計也是非常重要的教學內(nèi)容。在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，應(yīng)“勤于學習、善于思考、勇于探索、敏于創(chuàng)新”，以偉大的接納之胸懷學習前人成果，并以開拓的精神實現(xiàn)偉大的創(chuàng)造。機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計不是具體案例的機械堆砌，而是有其內(nèi)在的知識基礎(chǔ)、設(shè)計的方法和物理原理。本文擬從機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和設(shè)計原理兩個方面，討論機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)在知識和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的基本途徑，但本文不討論機械制造工藝性對機械結(jié)構(gòu)的要求。

二、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法

1.經(jīng)驗設(shè)計。從現(xiàn)代科學誕生以來，機械科學與技術(shù)已有300年的歷史。機械的連接結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)等已經(jīng)積淀有汗牛充棟的實踐案例，但如何掌握這些案例的基本原理和設(shè)計方法，而不是記憶這些案例的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，這是經(jīng)驗設(shè)計中的關(guān)鍵。具體的產(chǎn)品設(shè)計，例如車床，其結(jié)構(gòu)設(shè)計可以參考前人的設(shè)計圖紙，這對于提高設(shè)計效率，汲取前人經(jīng)驗、避免犯前人的錯誤具有實際意義。通過借鑒前人的經(jīng)驗，可以吸收他人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法，同時也拓寬了自己的設(shè)計思路。隨著機械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)和搜索方式的更新，對他人的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的學習將更加方便。經(jīng)驗知識是結(jié)構(gòu)設(shè)計的寶貴財富，也是公司的知識資產(chǎn)。通過對國內(nèi)外同類型專利知識的學習，也是一條提升自己結(jié)構(gòu)設(shè)計能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識產(chǎn)權(quán)?！肮湃藗飨聛淼膶W問，就是裝在船里的貨物?，F(xiàn)在的新潮流、新趨勢，就是行船的風?！痹趯W習他人的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新點的基礎(chǔ)上，設(shè)計者應(yīng)有自己的革新與發(fā)明、自己的創(chuàng)造。

2.理論設(shè)計。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論方法，討論的是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設(shè)計、復(fù)合化設(shè)計、分級結(jié)構(gòu)設(shè)計、載荷均布性設(shè)計和變結(jié)構(gòu)設(shè)計。隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)可靠性和概率設(shè)計等方面的發(fā)展和具體應(yīng)用，機械結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計方法也在不斷的推陳出新。模塊化和組合化設(shè)計。一臺機器總體是由提供不同功能的結(jié)構(gòu)單元有機的組合而成，因此模塊化的以及模塊之間的組合化就是早期的方法之一。在復(fù)雜的機電系統(tǒng)和設(shè)備中，模塊化和組合化的設(shè)計理念是有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，同時也是機械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設(shè)計概念；我國的組合化機床的設(shè)計在上世紀70年代就已經(jīng)取得了很大的成功。模塊化和組合化，一般是按功能單元、結(jié)構(gòu)單元來劃分模塊，然后組合起來成為一臺機器。復(fù)合化設(shè)計。復(fù)合化的基本特點就是將兩個或兩個以上的功能零件組合成一個部件或構(gòu)件來設(shè)計，其功能可以是運動功能、承載功能等。例如，組合凸輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計就是將兩個凸輪設(shè)計成一個零件；一根連桿在組合結(jié)構(gòu)中同時作為兩個或兩個以上機構(gòu)的結(jié)構(gòu)件。復(fù)合化方法可以降低機械的制造成本、減輕機器的重量、縮小機器的尺寸和降低產(chǎn)品的成本。分級結(jié)構(gòu)設(shè)計（層次化設(shè)計）。復(fù)雜的制造設(shè)備是由分級的機械結(jié)構(gòu)組成，大功能層次的結(jié)構(gòu)是由若干個分功能結(jié)構(gòu)組成。層次化不僅是功能樹結(jié)構(gòu)的要求，而且也是制造工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。例如，床頭箱由多個輪系組成，而每個輪系又由次一層次的系統(tǒng)組成。復(fù)雜機電產(chǎn)品的設(shè)計，例如組合挖掘機的設(shè)計，集推土機和挖掘機的功能在一起，而共用一個動力系統(tǒng)，在執(zhí)行系統(tǒng)處分開。層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在構(gòu)想分級結(jié)構(gòu)階段，能夠幫助設(shè)計者厘清思路，從而找出結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點，集中解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點問題。載荷均布性設(shè)計。由于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，希望載荷分布均勻，充分發(fā)揮材料的機械力學性能或者取得降低最大載荷的目的。例如，修形齒輪的設(shè)計、對數(shù)滾子的設(shè)計，為了取得接觸應(yīng)力的均布，從而修形零件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。行星齒輪減速器的設(shè)計也體現(xiàn)了載荷均布性的設(shè)計理念，從機構(gòu)運動學來看只需一只行星齒輪；然而從受力平衡、承載能力和提高齒面的抗磨損來說，三只行星齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計更好。變結(jié)構(gòu)設(shè)計。機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新常常采用變結(jié)構(gòu)的方法，變結(jié)構(gòu)可以改變機械結(jié)構(gòu)的功能，例如，非圓連接形式的成形連接、曲柄滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計變?yōu)檗D(zhuǎn)動導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計。變結(jié)構(gòu)可以改變實現(xiàn)功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設(shè)計。變結(jié)構(gòu)也可以降低機器的設(shè)計成本，例如利用死點的桌面支承設(shè)計。

3.模型試驗設(shè)計。相似模型試驗設(shè)計?；跈C器物理模型的相似，運用相似科學理論，對于大型的機器設(shè)備進行模型試驗設(shè)計。通過模型結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗分析，獲取機械結(jié)構(gòu)的可靠性、并預(yù)測機器的工作性能。模型相似的設(shè)計方法已在工程領(lǐng)域有廣泛的運用，例如大型水輪機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過制造大型水輪機組的模型，測試試驗?zāi)Ｐ偷墓ぷ餍阅芤约捌淇煽啃缘戎笜耍瑑?yōu)化水輪機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力。機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法不是一成不變的，而是隨著人們的發(fā)明和新的科學原理的發(fā)現(xiàn)，在日新月異地發(fā)展，不斷出現(xiàn)新的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，同時對前人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行革新。

三、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理

機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計必然要依據(jù)技術(shù)科學的原理，例如：理論力學原理、材料力學原理、彈性力學原理、疲勞力學原理、流體力學原理、熱力學原理、摩擦學原理、聲學原理、智能原理和一切可能的新物理原理。這里討論以上各種原理在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，以期總結(jié)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的常用原理，討論機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理在今后結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中的可能性。理論力學原理。理論力學是機構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)理論，對于機器的運動學和動力學分析，得到的結(jié)構(gòu)必然反映到機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中來。例如，軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學的設(shè)計，其動力學及其穩(wěn)定性的設(shè)計，要求修改軸承的設(shè)計和軸的剛度設(shè)計。材料力學原理。機械零件的強度和剛度設(shè)計是基于材料力學理論的，強度或剛度不足時，就需要修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如，齒輪輪齒接觸強度和齒根彎曲疲勞強度的設(shè)計，當齒面接觸強度不足時就要求增大小齒輪的分度圓直徑；當齒根彎曲強度不夠時就要求增大齒輪的模數(shù)。彈性力學原理。彈性力學分析是零件應(yīng)力應(yīng)變計算的基礎(chǔ)，例如滾動軸承中滾子修形的設(shè)計，基于彈性力學的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機械零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，常常用到彈性力學理論。疲勞力學原理。機械零件上的機械載荷在工作過程中常常是變動的，例如汽車中的軸、軸承和齒輪上的載荷都是變化的，這種變化的載荷具有一定的統(tǒng)計特征。變載荷下軸和滾動軸承的疲勞壽命設(shè)計等工程內(nèi)容，已經(jīng)發(fā)展成機械零件的概率設(shè)計。

為了更精確地設(shè)計機械零部件，疲勞力學在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中會得到越來越多的應(yīng)用。流體力學原理。流體傳動和動靜壓軸承等的設(shè)計是依據(jù)流體力學原理的，流體力學也是機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的基本原理之一。例如靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計、動壓潤滑滑動軸承的設(shè)計，要依據(jù)流體的質(zhì)量守恒定律、平衡原理等，優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果要求修改導(dǎo)軌或軸承的結(jié)構(gòu)型式和尺寸參數(shù)。熱學原理。熱力學和傳熱學在機械零部件的設(shè)計中有很廣泛的應(yīng)用，導(dǎo)軌的熱精度設(shè)計、齒輪和滾動軸承的膠合分析、隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計等等。摩擦學原理。耐磨或加快磨損是摩擦學設(shè)計的核心，例如圓錐銷的設(shè)計、組合螺母的設(shè)計，就是為了補償零件的磨損，使得零件在磨損后仍能實現(xiàn)其設(shè)計的功能。磨削和拋光制造工藝是利用零件磨損的加工方法。聲學原理。在機械系統(tǒng)的噪聲分析和研究中，依據(jù)物理聲學的原理及其分析方法，得到噪聲的頻譜和功率譜等分析結(jié)果，以指導(dǎo)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，例如低噪聲滾動軸承的設(shè)計。今后，可以考慮利用機械噪聲來進行產(chǎn)品設(shè)計，例如聲爆彈的設(shè)計、信號中噪聲信息干擾的設(shè)計等。智能原理。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理將向智能化、生物化的方向發(fā)展。隨著智能技術(shù)的應(yīng)用，機械結(jié)構(gòu)具有靈敏的智能功能。測試技術(shù)、控制理論和信息論是機械結(jié)構(gòu)智能設(shè)計的基礎(chǔ)。

例如模糊智能控制的洗衣機和電冰箱的設(shè)計，控制單元具有模糊邏輯控制功能，實現(xiàn)對工作過程的智能控制，達到省電節(jié)能的目的。新的物理原理應(yīng)用。超導(dǎo)原理用于超導(dǎo)軸承和導(dǎo)軌的設(shè)計，可以提高電磁軸承和電磁導(dǎo)軌的性能。含有納米顆粒的潤滑劑的設(shè)計可以提高摩擦副的抗膠合能力。石墨稀等新的材料的制備也會為機械零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更多的選擇，其高剛度的特性也會在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到應(yīng)用。今后，生物化的結(jié)構(gòu)與環(huán)境和人體具有更好的相容性，例如人工關(guān)節(jié)的磷酸鹽涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得人工關(guān)節(jié)與人體肌肉組織具有相容性，使用壽命更長，也減輕了病人的痛苦。我們可以相信，在生物革命的浪潮中，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理會極大的豐富，為智能化的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計提供新的原理。

本文從機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和設(shè)計原理出發(fā)，分析了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本知識和設(shè)計準則。毋庸置疑，機械結(jié)構(gòu)的制造工藝性對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的決定性。筆者認為，今后的機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中仿生設(shè)計和智能化是發(fā)展的重要方向。