機械結構的設計方式與原理

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一、引言

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

二、機械結構設計的方法

1.經驗設計。從現代科學誕生以來，機械科學與技術已有300年的歷史。機械的連接結構、傳動結構和支撐結構等已經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計方法，而不是記憶這些案例的具體結構設計，這是經驗設計中的關鍵。具體的產品設計，例如車床，其結構設計可以參考前人的設計圖紙，這對于提高設計效率，汲取前人經驗、避免犯前人的錯誤具有實際意義。通過借鑒前人的經驗，可以吸收他人的結構創新方法，同時也拓寬了自己的設計思路。隨著機械結構數據庫的出現和搜索方式的更新，對他人的相關結構設計的學習將更加方便。經驗知識是結構設計的寶貴財富，也是公司的知識資產。通過對國內外同類型專利知識的學習，也是一條提升自己結構設計能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識產權。“古人傳下來的學問，就是裝在船里的貨物。現在的新潮流、新趨勢，就是行船的風。”在學習他人的結構設計創新點的基礎上，設計者應有自己的革新與發明、自己的創造。

2.理論設計。機械結構設計的理論方法，討論的是機械結構設計的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設計、復合化設計、分級結構設計、載荷均布性設計和變結構設計。隨著結構優化、結構可靠性和概率設計等方面的發展和具體應用，機械結構的理性設計方法也在不斷的推陳出新。模塊化和組合化設計。一臺機器總體是由提供不同功能的結構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。在復雜的機電系統和設備中，模塊化和組合化的設計理念是有效的結構設計方法，同時也是機械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設計概念；我國的組合化機床的設計在上世紀70年代就已經取得了很大的成功。模塊化和組合化，一般是按功能單元、結構單元來劃分模塊，然后組合起來成為一臺機器。復合化設計。復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件來設計，其功能可以是運動功能、承載功能等。例如，組合凸輪結構的設計就是將兩個凸輪設計成一個零件；一根連桿在組合結構中同時作為兩個或兩個以上機構的結構件。復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品的成本。分級結構設計（層次化設計）。復雜的制造設備是由分級的機械結構組成，大功能層次的結構是由若干個分功能結構組成。層次化不僅是功能樹結構的要求，而且也是制造工藝對結構設計的要求。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組成。復雜機電產品的設計，例如組合挖掘機的設計，集推土機和挖掘機的功能在一起，而共用一個動力系統，在執行系統處分開。層次化結構設計方法在構想分級結構階段，能夠幫助設計者厘清思路，從而找出結構設計的關鍵點，集中解決結構設計中的難點問題。載荷均布性設計。由于機械結構設計的特點，希望載荷分布均勻，充分發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，修形齒輪的設計、對數滾子的設計，為了取得接觸應力的均布，從而修形零件，實現結構的優化設計。行星齒輪減速器的設計也體現了載荷均布性的設計理念，從機構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，三只行星齒輪的結構設計更好。變結構設計。機械結構的創新常常采用變結構的方法，變結構可以改變機械結構的功能，例如，非圓連接形式的成形連接、曲柄滑塊結構設計變為轉動導桿結構設計。變結構可以改變實現功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設計。變結構也可以降低機器的設計成本，例如利用死點的桌面支承設計。

3.模型試驗設計。相似模型試驗設計。基于機器物理模型的相似，運用相似科學理論，對于大型的機器設備進行模型試驗設計。通過模型結構設計和試驗分析，獲取機械結構的可靠性、并預測機器的工作性能。模型相似的設計方法已在工程領域有廣泛的運用，例如大型水輪機組的結構設計。通過制造大型水輪機組的模型，測試試驗模型的工作性能以及其可靠性等指標，優化水輪機組的結構設計和工作能力。機械結構的設計方法不是一成不變的，而是隨著人們的發明和新的科學原理的發現，在日新月異地發展，不斷出現新的機械結構設計方法，同時對前人的機械結構設計進行革新。

三、機械結構設計的原理

機械結構的設計必然要依據技術科學的原理，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構設計中的應用，以期總結機械結構設計的常用原理，討論機械結構設計的原理在今后結構創新設計中的可能性。理論力學原理。理論力學是機構設計的基礎理論，對于機器的運動學和動力學分析，得到的結構必然反映到機械結構的設計中來。例如，軸承轉子系統動力學的設計，其動力學及其穩定性的設計，要求修改軸承的設計和軸的剛度設計。材料力學原理。機械零件的強度和剛度設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構設計。例如，齒輪輪齒接觸強度和齒根彎曲疲勞強度的設計，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。彈性力學原理。彈性力學分析是零件應力應變計算的基礎，例如滾動軸承中滾子修形的設計，基于彈性力學的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機械零件的結構優化設計中，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計特征。變載荷下軸和滾動軸承的疲勞壽命設計等工程內容，已經發展成機械零件的概率設計。

為了更精確地設計機械零部件，疲勞力學在機械結構設計中會得到越來越多的應用。流體力學原理。流體傳動和動靜壓軸承等的設計是依據流體力學原理的，流體力學也是機械結構創新的基本原理之一。例如靜壓導軌的設計、動壓潤滑滑動軸承的設計，要依據流體的質量守恒定律、平衡原理等，優化設計的結果要求修改導軌或軸承的結構型式和尺寸參數。熱學原理。熱力學和傳熱學在機械零部件的設計中有很廣泛的應用，導軌的熱精度設計、齒輪和滾動軸承的膠合分析、隔熱結構設計等等。摩擦學原理。耐磨或加快磨損是摩擦學設計的核心，例如圓錐銷的設計、組合螺母的設計，就是為了補償零件的磨損，使得零件在磨損后仍能實現其設計的功能。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。在機械系統的噪聲分析和研究中，依據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果，以指導機械結構的設計，例如低噪聲滾動軸承的設計。今后，可以考慮利用機械噪聲來進行產品設計，例如聲爆彈的設計、信號中噪聲信息干擾的設計等。智能原理。機械結構設計的原理將向智能化、生物化的方向發展。隨著智能技術的應用，機械結構具有靈敏的智能功能。測試技術、控制理論和信息論是機械結構智能設計的基礎。

例如模糊智能控制的洗衣機和電冰箱的設計，控制單元具有模糊邏輯控制功能，實現對工作過程的智能控制，達到省電節能的目的。新的物理原理應用。超導原理用于超導軸承和導軌的設計，可以提高電磁軸承和電磁導軌的性能。含有納米顆粒的潤滑劑的設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構設計提供更多的選擇，其高剛度的特性也會在機械結構設計中得到應用。今后，生物化的結構與環境和人體具有更好的相容性，例如人工關節的磷酸鹽涂層結構設計，使得人工關節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，機械結構設計的原理會極大的豐富，為智能化的機械結構設計提供新的原理。

本文從機械結構的設計方法和設計原理出發，分析了機械結構設計的基本知識和設計準則。毋庸置疑，機械結構的制造工藝性對機械結構設計有重要的決定性。筆者認為，今后的機械結構創新中仿生設計和智能化是發展的重要方向。