李文濤

摘 要：現(xiàn)代化的機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到多方面的因素，設(shè)計(jì)方法也不斷創(chuàng)新發(fā)展，理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成為最主要的三種設(shè)計(jì)方式，并且三者之間存在著不可分割的聯(lián)系?？茖W(xué)合理的機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效地保證零件的工藝性和實(shí)用性，同時(shí)也能極大程度地提高零件的強(qiáng)度，增強(qiáng)零件使用壽命。對零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須遵循一定的原則，文章試圖從機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法、優(yōu)勢和需遵循的原則出發(fā)進(jìn)行深入探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)械零件；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；方法；工藝性

中圖分類號：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）26-0001-02

機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，隨之而來的是對機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的不斷提高，因此，對于機(jī)械零件的設(shè)計(jì)需要在滿足機(jī)械設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，改變原來的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的功能充分發(fā)揮創(chuàng)造力，綜合運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)，借鑒優(yōu)秀的研究成果，在全新的設(shè)計(jì)理念和基本設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，創(chuàng)造出更具有價(jià)值的機(jī)械零件。

1 機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

應(yīng)用正確的基本原理和已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來創(chuàng)造發(fā)展新事物或改造舊事物，這就是設(shè)計(jì)的基本概念，對于機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣也符合這一概念，零件設(shè)計(jì)的方法有以下幾種。

1.1 理論設(shè)計(jì)

理論設(shè)計(jì)主要以人們已掌握的合乎規(guī)律的理論和實(shí)踐知識為基礎(chǔ)，結(jié)合理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、金屬學(xué)等理論知識進(jìn)行機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)零件的整體載荷情況，運(yùn)用理論計(jì)算公式確定零件的幾何尺寸。零件的尺寸計(jì)算必須滿足載荷情況、材料性能、零件工作情況和應(yīng)力分布規(guī)律等方面的條件。運(yùn)用計(jì)算公式初步確定機(jī)械零件的尺寸及形狀后，再利用校核計(jì)算對零件危險(xiǎn)剖面的安全系數(shù)計(jì)算值進(jìn)行校核。這個(gè)過程多用于應(yīng)力分布規(guī)律復(fù)雜，但又能用材料力學(xué)公式表示出來的零件設(shè)計(jì)，同時(shí)也適用于應(yīng)力分布規(guī)律簡單但必須已知零件尺寸的情況，如軸和彈簧的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一些具有足夠?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工作者也常為了簡化計(jì)算過程，在粗略的估算和相關(guān)資料的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后采用校核計(jì)算。

理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是熟知機(jī)械零件的材料性能和應(yīng)力分布規(guī)律，是經(jīng)過大量感性知識而總結(jié)出來的設(shè)計(jì)規(guī)律，因此是一種具有一定科學(xué)性和先進(jìn)性的設(shè)計(jì)方法，值得廣泛采用。但是任何一種理論都存在不完善的地方，所以不應(yīng)把理論設(shè)計(jì)當(dāng)作完美的機(jī)械零件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1.2 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)零件已有的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)或設(shè)計(jì)者自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用類比的方法進(jìn)行的設(shè)計(jì)就叫經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相比于理論設(shè)計(jì)，沒有足夠理論化的科學(xué)分析作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)形成的公式本身就已具備一定的科學(xué)統(tǒng)計(jì)性，所以經(jīng)得起實(shí)踐的考驗(yàn)，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)通常用于外形復(fù)雜、載荷情況不明且無法用理論分析的機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，如機(jī)架、變速箱體的設(shè)計(jì)，也多用于對價(jià)值不高的零件的設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)往往運(yùn)用在理論設(shè)計(jì)薄弱的地方，從某種意義上來說，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論設(shè)計(jì)存在一定的互補(bǔ)關(guān)系。

1.3 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要針對一些尚無法運(yùn)用理論知識進(jìn)行詳細(xì)分析的大型的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有一定重要性的機(jī)械零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體來說，就是對零件作出初步設(shè)計(jì)，形成模型，對模型進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以修改。這種設(shè)計(jì)方法同樣也是對理論不足的一種彌補(bǔ)，同時(shí)也有效地避免了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中缺乏科學(xué)性的成分。模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)決定了大型復(fù)雜零件中的工作應(yīng)力分布情況和零件的極限承受能力，是將經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為理論設(shè)計(jì)的途徑之一。

2 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)的優(yōu)勢

2.1 保證了工藝性和實(shí)用性

對機(jī)械零件合理化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能體現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)計(jì)算所占的工作量只是一部分，剩下的一部分就是對于機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮到機(jī)械零件的形狀、尺寸、尺寸之間的配合以及零件制造精度，從工藝、使用、檢修、維護(hù)等方面的要求出發(fā)，保證設(shè)計(jì)出的零件在用料、成本、制造裝配難度等方面都實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化目標(biāo)。因此，對機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證零件良好工藝性及實(shí)用性的決定性階段。

2.2 有效地提高零件強(qiáng)度

強(qiáng)度是所有機(jī)械零件和機(jī)器必須具備的基本條件，機(jī)器運(yùn)行時(shí)，零件將承受一定程度的載荷，在這樣的工作條件下，機(jī)械零件不能發(fā)生任何形式的斷裂，也不能出現(xiàn)超出容許范圍的變形。所以，除了對高強(qiáng)度材料的選擇外，還可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提高機(jī)械零件的強(qiáng)度。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低力對零件的作用，同時(shí)也可以降低由于零件形狀而引起的應(yīng)力集中因素，達(dá)到提高零件強(qiáng)度的目的。

3 機(jī)械零件工藝性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本要素，通常對機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需體現(xiàn)一定的工藝性。所謂零件結(jié)構(gòu)工藝性，是指設(shè)計(jì)出來的零件在滿足使用要求的前提下，實(shí)現(xiàn)零件最大的使用價(jià)值和最高的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)工藝性好的零件，不僅能減少生產(chǎn)過程的阻礙，而且零件在質(zhì)量上具有優(yōu)勢，成本低，市場競爭力強(qiáng)。機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及多方面因素的綜合性問題，為體現(xiàn)零件的工藝性，在零件的材料、毛坯成形方法、質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)條件及生產(chǎn)批量方面都需要遵循一定的基本原則。

3.1 與所選材料相適應(yīng)

不同的零件材料在受力程度、工藝性、物理化學(xué)性能方面具有不同的效果，因此，針對產(chǎn)品材料進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，所選材料的工藝性能是需要首先考慮的條件。從某種意義上說，材料的工藝性能就決定了零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本形式。若某產(chǎn)品選用鑄鐵作為零件材料，由于鑄鐵在鑄造方面的性能較好，所以該零件一般采用鑄造生產(chǎn)，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合鑄造工藝的要求，采用薄壁結(jié)構(gòu)形式。同一種材料，采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所形成的成本和加工費(fèi)用也不一樣，所以為了最大程度上體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性必須與所選材料一致。

3.2 與毛坯成形方法相適應(yīng)

毛坯的成形工藝與毛坯的結(jié)構(gòu)形狀相適應(yīng)，同時(shí)也對機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)具有至關(guān)重要的作用。一般來說，對零件的造型設(shè)計(jì)，形式多樣，變化靈活，因此，零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往具有一定復(fù)雜性，特別是多變的芯子制造，更大程度地保證了零件的復(fù)雜性。采用鑄造方法成形的零件，可以根據(jù)工作和使用條件將零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得相對復(fù)雜一點(diǎn)，通過中空結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來達(dá)到提高零件剛性、減少材料用量的目的。合適的毛坯成形方法可以有效控制生產(chǎn)成本，同時(shí)也能提高零件結(jié)構(gòu)的工藝性。

3.3 與生產(chǎn)批量相適應(yīng)

不同生產(chǎn)批量采用的生產(chǎn)工藝不同，對于機(jī)械零件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的工藝性要求也不一樣，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的最高效率和經(jīng)濟(jì)效益的最大化，對機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須與生產(chǎn)批量相適應(yīng)。

3.4 與質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)相適應(yīng)

由于機(jī)械零件是機(jī)器產(chǎn)品的基本組成要素，因此對零件質(zhì)量的要求十分嚴(yán)格，但質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)越高，用在零件設(shè)計(jì)和制造上的成本和時(shí)間也越多，當(dāng)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，再添加其它的要求勢必會導(dǎo)致工時(shí)和成本急劇增加，生產(chǎn)效率明顯下降。在這樣的條件下，生產(chǎn)出來的零件將無法實(shí)現(xiàn)最理想的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在對機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，零件的結(jié)構(gòu)工藝性必須在滿足使用條件的前提下與質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件最高的實(shí)用性和最大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.5 具體生與產(chǎn)條件相適應(yīng)

機(jī)械零件的生產(chǎn)具有一定的條件，因此，零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨著生產(chǎn)條件的變化也必須做出相應(yīng)的改變。

4 結(jié) 語

機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及諸多因素的綜合性問題，無論從設(shè)計(jì)方法還是設(shè)計(jì)原則上都需要設(shè)計(jì)工作者具有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，才能保證設(shè)計(jì)出的零件產(chǎn)品能最大限度地實(shí)現(xiàn)實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。因此，隨著機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，對于機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究仍然具有很大的空間。

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