創意性的機械結構設計探討

摘要：在經濟與科技高速發展的前提下，傳統簡單的機械已經無法適應新時代發展的需要，因此，機械的創意性設計至關重要。文章就機械設計功能性進行了分析，探討了機械結構設計的特點與任務，分析了在科學技術高速發展背景下，為機械結構的設計迎來新機遇，出現多學科相關滲透與交叉，使機械結構設計具備新穎、創意性的設計。

關鍵詞：創意性；機械結構設計；機械功能；硬件設計；軟件設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH122 文章編號：1009-2374（2015）29-0032-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.016

機械設計主要由硬件設計與軟件設計兩部分組成，設計機械的主要任務就是按照機械自身性能與相關使用要求參數在潤滑機械設計方案、工作原理與形狀等方面實行構思、計算與分析，再使其可以通過圖紙表達與描述圖形的方式來呈現，這個設計過程就是機械的軟設計，然而機械的硬設計方面，則是按照工程設計圖使用各種加工機械來進行加工，將設計過程轉為設計的實體，這個過程就是機械的硬設計。而具備優良的機械軟、硬設計都是機械設計得以保證的前提。

1 功能性質

不管是什么樣的零部件，均具備自身無可替代的功能，設計結構的過程中，必須充分保證設計功能可以實現，這也是創意設計的基本目的，自身結構存在差異性的機械零部件功能也基本不同，就機械工程零部件來說，功能基本包含相對位置、力學功能與運動學的功能。其中力學功能由承載力與傳遞力兩個部分組成，而力的傳遞就是把各個零部件之間的傳遞作為前提，作為力流必經通道，在力傳遞過程中必然會承受荷載作用，例如一些連接鍵就具備該功能。同時承載全部機械設備的工作過程承受的結構部件帶來的力作用，例如一些浮動軸平行刃的剪切機實行剪切軋件的過程中，都是通過充分連接上刀臺與下刀臺中大拉桿來承受力的作用，而一般機架不用承受任何外力，而運動學的功能則是由運動加速度、軌跡與速度共同構成，且相對位置一般是兩個以上結構的零部件按照相關規定來確定軌跡與位置，其中減速器的墻體中成軸孔一般是用來確保各軸間齒輪齒合準確咬合實際位置。

但是部分結構零件功能較少，甚至只有一種，而部分零件功能卻比較多樣，例如軋鋼機主的機列中方向的接軸。方向的接軸既可以傳送運動與動力，還可以與軋輥輥縫的改變相適應，當兩軋輥中心距發生突變時，許多機械在結構方面存在較大的差異性，但是接軸各端叉頭的鏜孔中心相對應位置不一樣，因此滑塊磨損與運動學上就存在差異性，應用的場合也不一樣。

2 力流的合理性

在結構中進行力流傳遞時，其傳遞路徑的長短以及合理性對機械運行有著重要影響。而力流長度的合理性通常包含比較普通的軋機，這類軋機具有高大工程的機架，另一種則是沒有機架的軋機。因為沒有相關機架，應力中回線的長度與普通的軋機比起來較短，而軋機的剛度會變大，使得其成為短應力的線軋機。相反的是，許多力流線的長度較長的實例，使用起來也較好，主要是由于軸扭轉、變形出現齒面截荷不同程度的

現象。

3 荷載分布的均勻化

把受力不均的傳力零件進行分布或是進行集中載荷，讓零部件中所承受載荷變成幾近均勻載荷。而關于二級展開圓柱的減速器相對兩軸承的支撐來說是沒有對稱性的，一旦受載，因為軸出現彎曲與變形情況，相應軸上齒輪容易出現偏斜，導致齒輪作用荷載沿的接觸線不能均勻分布。如果把齒輪中截面改成鼓形，會讓兩端齒厚比較中部來說較小，齒輪在工作過程中，都是依靠齒面變形彈性截荷均勻分布。

普通螺栓實行連接過程中，螺栓受拉或者是螺母在受壓時，因為螺母與螺桿中所受旋合段軸向力具有差異性，使得各圈旋合紋牙間載荷也不同，這也是由于力流按照最短傳輸路徑進行流動而導致的。因此只有改進設計螺母的結構，才可以讓旋合段各個螺紋牙截荷可以均勻分布。

4 設計力平衡

一般機器在運轉過程中，不只具備工作荷載的作用，機械系統的內部，部分零件因為自身結構特殊性會產生外力。工作中前者必不可少，也就是有用的力；而后者一般在工作中可有可無，也就是沒有用的力，例如圓錐齒輪與圓柱齒輪軸向力。其中設計力平衡也就是在機械設計結構的輔助下，全部或者是部分都可以不用考慮無用力，從而消除或是減輕其所帶給機械設計的不利影響。設計力平衡也就是使用以毒攻毒的方式，其中人字齒輪產生就是較為典型的實例。且對于第二支軸上輪齒、斜齒方向選取要盡可能相同，這樣能夠抵消一些軸向力，然后降低軸承上的荷載。就銅陽極類圓盤的鑄錠機來說，通常為降低槽輪機構在圓盤回轉方面出現速度差異與停位影響，往往使用盤式液壓的制動器。同時為將壓缸在制動圓盤的偏心加載導致的垂直變距與軸向力方面不利的影響消除，一般使用對稱性理念來進行設計。只有上下均對稱的配置油缸才能在圓盤作用上產生平衡軸向力。

5 關于自適應的性質

部分機械設備進行運轉的過程中，往往因為諸多原因造成系統部分部件中工作狀態會不定時地發生變化，而為了確保機器可以正常運轉，某些零部件工作狀態應該做相關調整，也就是構件自己適應機械運轉的狀態。其中器械中零部件自適應通常由速度與位置以及壓力的自適應共同組成，進行適應的工作過程中，必須設計軸脹軸承的支撐部件，也就是使用游動端與固定端。其中固定端把軸向具體位置傳輸到軸向的荷載中，而游動端一旦受熱發生膨脹，會導致軸承隨機移動到某特定位置，進而確保機械軸承正常的運行。

而對于部分人字輪、雙持斜輪進行傳動的過程中，一般扭矩的傳遞都是分流進行的，關于安裝制造過程中，機械中齒輪的兩側容易存在轉角偏差的問題，傳動過程經常是一側齒輪首先出現咬合狀態，這樣兩側齒輪就會因為咬合不均而出現自適應壓力，導致軸向出現移動趨勢。設計結構的過程中，主要是把人字輪的兩側齒輪咬合壓力進行變化實施來實現自適應的定位，一直到兩側的咬合力一樣大。

6 模塊化的設計

與設計電子線路模塊化基本相同，產生器械結構模塊化的設計，也就把器械產品相關零部件實施標準化設計，組成新型模式的基塊，例如一些大型起重機主要運行結構設計通常使用三合一的驅動式，其一般包含減速器、電動機與制動器三個主要部分。同時制動的電動機會帶動電動機運行，其中減速器一般是由行星類減速器與擺線針的減速器等共同組成。其還具備重量輕與結構緊湊的優點，同時使用組合的原理，能夠把部分模塊設計出多種功能；還可以把功能不同的機床與夾具用來組合機床，方便運行。

參考文獻

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作者簡介：陳炳榛（1983-），男，江西九江人，同方電子科技有限公司助理工程師，研究方向：機械電子。

（責任編輯：周 瓊）