鄭麗萍+張延平

[摘 要]機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器產(chǎn)品的物化，也是機(jī)器功能實(shí)現(xiàn)的載體。本文從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、理論設(shè)計(jì)和模型設(shè)計(jì)討論了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。結(jié)合理論力學(xué)原理、材料力學(xué)原理、彈性力學(xué)原理、疲勞力學(xué)原理、流體力學(xué)原理、熱力學(xué)原理、摩擦學(xué)原理、聲學(xué)原理、智能原理和目前的新物理原理，分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)原理；智能化

中圖分類號(hào)：TH111 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）25-0175-01

一、引言

從18世紀(jì)以來，機(jī)器逐步代替人力勞動(dòng)，用于做功或轉(zhuǎn)換能量。做功的機(jī)器不僅大大提高了勞動(dòng)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(jī)器實(shí)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換，人們發(fā)明了多種多樣的工作機(jī)械，提高了人類的生產(chǎn)水平，改善了自己的生活條件。機(jī)器的設(shè)計(jì)是由具體的機(jī)構(gòu)物化為實(shí)體的產(chǎn)品，以提供用戶所要求的使用功能。因此，機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，在機(jī)械設(shè)計(jì)課程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是非常重要的教學(xué)內(nèi)容。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)“勤于學(xué)習(xí)、善于思考、勇于探索、敏于創(chuàng)新”，以偉大的接納之胸懷學(xué)習(xí)前人成果，并以開拓的精神實(shí)現(xiàn)偉大的創(chuàng)造。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不是具體案例的機(jī)械堆砌，而是有其內(nèi)在的知識(shí)基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)的方法和物理原理。本文擬從機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原理兩個(gè)方面，討論機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)在知識(shí)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的基本途徑，但本文不討論機(jī)械制造工藝性對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法

1.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。從現(xiàn)代科學(xué)誕生以來，機(jī)械科學(xué)與技術(shù)已有300年的歷史。機(jī)械的連接結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)等已經(jīng)積淀有汗牛充棟的實(shí)踐案例，但如何掌握這些案例的基本原理和設(shè)計(jì)方法，而不是記憶這些案例的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，例如車床，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以參考前人的設(shè)計(jì)圖紙，這對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率，汲取前人經(jīng)驗(yàn)、避免犯前人的錯(cuò)誤具有實(shí)際意義。通過借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，可以吸收他人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法，同時(shí)也拓寬了自己的設(shè)計(jì)思路。隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)和搜索方式的更新，對(duì)他人的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)將更加方便。經(jīng)驗(yàn)知識(shí)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的寶貴財(cái)富，也是公司的知識(shí)資產(chǎn)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外同類型專利知識(shí)的學(xué)習(xí)，也是一條提升自己結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。“古人傳下來的學(xué)問，就是裝在船里的貨物?，F(xiàn)在的新潮流、新趨勢(shì)，就是行船的風(fēng)?！痹趯W(xué)習(xí)他人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論方法，討論的是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設(shè)計(jì)、復(fù)合化設(shè)計(jì)、分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷均布性設(shè)計(jì)和變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)可靠性和概率設(shè)計(jì)等方面的發(fā)展和具體應(yīng)用，機(jī)械結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)方法也在不斷的推陳出新。

模塊化和組合化設(shè)計(jì)。一臺(tái)機(jī)器總體是由提供不同功能的結(jié)構(gòu)單元有機(jī)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(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備中，模塊化和組合化的設(shè)計(jì)理念是有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也是機(jī)械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設(shè)計(jì)概念；我國(guó)的組合化機(jī)床的設(shè)計(jì)在上世紀(jì)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(tái)機(jī)器。

復(fù)合化設(shè)計(jì)。復(fù)合化的基本特點(diǎn)就是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的功能零件組合成一個(gè)部件或構(gòu)件來設(shè)計(jì)，其功能可以是運(yùn)動(dòng)功能、承載功能等。例如，組合凸輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就是將兩個(gè)凸輪設(shè)計(jì)成一個(gè)零件；一根連桿在組合結(jié)構(gòu)中同時(shí)作為兩個(gè)或兩個(gè)以上機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件。復(fù)合化方法可以降低機(jī)械的制造成本、減輕機(jī)器的重量、縮小機(jī)器的尺寸和降低產(chǎn)品的成本。

分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（層次化設(shè)計(jì)）。復(fù)雜的制造設(shè)備是由分級(jí)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，大功能層次的結(jié)構(gòu)是由若干個(gè)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(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。例如，床頭箱由多個(gè)輪系組成，而每個(gè)輪系又由次一層次的系統(tǒng)組成。復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，例如組合挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)，集推土機(jī)和挖掘機(jī)的功能在一起，而共用一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，在執(zhí)行系統(tǒng)處分開。層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在構(gòu)想分級(jí)結(jié)構(gòu)階段，能夠幫助設(shè)計(jì)者厘清思路，從而找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，集中解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問題。

載荷均布性設(shè)計(jì)。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，希望載荷分布均勻，充分發(fā)揮材料的機(jī)械力學(xué)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(jì)、對(duì)數(shù)滾子的設(shè)計(jì)，為了取得接觸應(yīng)力的均布，從而修形零件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)也體現(xiàn)了載荷均布性的設(shè)計(jì)理念，從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jì)更好。

變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)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(jī)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(jì)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。變結(jié)構(gòu)可以改變實(shí)現(xiàn)功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設(shè)計(jì)。變結(jié)構(gòu)也可以降低機(jī)器的設(shè)計(jì)成本，例如利用死點(diǎn)的桌面支承設(shè)計(jì)。

3. 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)。相似模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)?；跈C(jī)器物理模型的相似，運(yùn)用相似科學(xué)理論，對(duì)于大型的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析，獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性、并預(yù)測(cè)機(jī)器的工作性能。模型相似的設(shè)計(jì)方法已在工程領(lǐng)域有廣泛的運(yùn)用，例如大型水輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過制造大型水輪機(jī)組的模型，測(cè)試試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓ぷ餍阅芤约捌淇煽啃缘戎笜?biāo)，優(yōu)化水輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法不是一成不變的，而是隨著人們的發(fā)明和新的科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)，在日新月異地發(fā)展，不斷出現(xiàn)新的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)對(duì)前人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行革新。

三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必然要依據(jù)技術(shù)科學(xué)的原理，例如：理論力學(xué)原理、材料力學(xué)原理、彈性力學(xué)原理、疲勞力學(xué)原理、流體力學(xué)原理、熱力學(xué)原理、摩擦學(xué)原理、聲學(xué)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以期總結(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常用原理，討論機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理在今后結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的可能性。

理論力學(xué)原理。理論力學(xué)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，對(duì)于機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，得到的結(jié)構(gòu)必然反映到機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中來。例如，軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)，其動(dòng)力學(xué)及其穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，要求修改軸承的設(shè)計(jì)和軸的鋼度設(shè)計(jì)。

材料力學(xué)原理。機(jī)械零件的強(qiáng)度和鋼度設(shè)計(jì)是基于材料力學(xué)理論的，強(qiáng)度或鋼度不足時(shí)，就需要修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如，齒輪輪齒接觸強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，當(dāng)齒面接觸強(qiáng)度不足時(shí)就要求增大小齒輪的分度圓直徑；當(dāng)齒根彎曲強(qiáng)度不夠時(shí)就要求增大齒輪的模數(shù)。

彈性力學(xué)原理。彈性力學(xué)分析是零件應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算的基礎(chǔ)，例如滾動(dòng)軸承中滾子修形的設(shè)計(jì)，基于彈性力學(xué)的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，常常用到彈性力學(xué)理論。

本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原理出發(fā)，分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。毋庸置疑，機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造工藝性對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的決定性。筆者認(rèn)為，今后的機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中仿生設(shè)計(jì)和智能化是發(fā)展的重要方向。

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