淺談機械結構的創新設計

李端芳

（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

由于機械結構的設計過程相對比較繁雜，眾多因素都可能影響到設計活動。鑒于此，要加強機械結構設計的創新，保證機械結構設計層次明顯得到提高。在創新思維的指導下，不斷提高機械結構的科學性、合理性。在行業設計規范統一指導下，走創新化的機械結構設計之路不僅能推動國內機械制造行業的發展，同時還能有效促進科技與機械之間的融合。

1 當前機械結構設計創新的必要性

在工業化時代，機械結構的優異程度關乎相應產品的質量與所需成本[1]。這就要依據各個行業的有關規定進行機械結構設計。從企業方面看，創新思維指導機械結構設計，能促進有關工作者形成創造性的理念，把各種機械零件和模塊間進一步組合，改進結構的性能，提高機械設備質量，促進生產，降低成本。從國家，提倡機械結構設計創新是一個民族能夠立于不敗之地的重要保障。創新推動生產發展，并直接增強國家綜合實力。因此，有必要強化機械結構設計創新的過程，特別是在工業現代化的發展目標下，創新之路，勢在必行。

2 機械結構設計創新的具體思路

2.1 尺寸創新

在設計機械結構時，要依據相關部門的要求和其他層面要素確定好機械結構的尺寸，盡量確保機械結構設計的尺寸更加合理，加強機械結構的使用時間和實用性。例如，可以對汽車車輪控制系統進行六連桿結構的創新設計，相應的設計圖如圖1 所示。

圖1 汽車車輪六連桿相關設計與懸掛裝置圖

在圖1 的連桿結構中，DO、BO及KB為原連桿結構，A點是桿BK的延長點，連接形成導引連桿AB，導引連桿AO與原結構KD交于C點。KC與CD是曲線連桿結構，A點的運動形成新導引連桿結構A0O，C點與A點軌跡相似，得到鉸鏈點C0，則AA0、CC0、A0C0及OC0都為新的鉸鏈結構。由射線定理，AO比上CO，AB與KB的比值，AA0和CC0的比，AO和CO的比都等于常數m。由此列出上面求六連桿結構相應尺寸的關系式。

其中四連桿結構指自由度一樣，輸入構件的運動規律一樣，輸出構件上的一點軌跡也一樣的一組連桿結構，但這組連桿結構的運動學尺寸不同，所以其受力情況與動態性能比較差，并且原動件的運動必須通過一個間接和機架關聯的組件才可以帶動從動件的運轉。而六連桿結構則對相應尺寸進行了合理設計，成功地避免了以上問題，并使得車輪嚴重晃動時輪距與前束的變動較小，無論汽車為驅動還是制動，駕駛者都能夠安全平穩地轉向。

2.2 工藝創新

工藝創新能夠減少機械結構設計階段出現的各種問題，即表現在生產要素的結合形式，也表現在工作對象、工作者的創新。走工藝創新之路應當堅持資源節約，產品質量提高，減少損失，利于環境保護的原則。國內工業水平落后于西方國家，只有堅持工藝創新，才能夠創造優質的產品。走工藝創新之路就是要在實際生產活動中引入現代化的數字技術，提高機械結構設計的智能化水準。在汽車的內燃機方面可以做一些工藝的創新。具體設計如圖2 和圖3 所示。

圖2 往復式內燃機

往復式內燃機的技術矛盾：工作機構及氣閥控制機構組成復雜，零件多。曲軸等零件結構復雜、工藝性差。機構運動慣性力大， 因此增大軸承慣性載荷，使系統不平衡產生振動， 也限制了輸出軸轉速的提高。曲軸回轉的動力輸出效率低。可以考慮運用機構等效代換理論，以反凸輪機構代還原發動機的曲柄滑塊機構[2]。減少零件數量，精簡化結構，降低損耗。

圖3 無曲軸式內燃機

2.3 零件數量創新

較多的機械零件在結構形態與作用效果等方面千差萬別，有關工作者要對各種機械零件都很了解，保證零件在機械結構設計內展現出成效。創新零件數量也是機械結構創新的重要內容。例如，依據相應原理將一些零件進行組合，提高結構質量，這對加強機械結構綜合能力亦能發揮重要作用。在汽車傳動裝置的創新設計中，可考慮把相關零件進行組合。帶傳動與行星傳動為機械傳動中基本零件，二者傳動性能大不一樣：帶傳動結構單一、傳動穩定、造價便宜、無需潤滑，可緩解沖擊與超載打滑的問題且噪聲不大；行星傳動結構緊密、傳動的波動大但效能高，有較強的承載能力。將二者聯合在一起，以帶輪外廓大小不變為前提，創新設計出性能優良的汽車傳動裝置。它包含3 個部分：輪廓偏心套與轉臂滾針軸承構成的外波器H，活齒架與一組擺動活齒組合成的活齒輪G等同于內齒行星輪，和輸出軸或機架固聯的是為外齒輪，即中心輪K，它的齒形是擺動活齒幾何中心運動軌跡的內等距線。

把帶傳動與行星傳動聯合形成的減速帶輪，目前在汽車制造上堪稱創新性減速裝置。它不僅繼承了帶傳動結構可靠性高、 減振能力強等優點， 又保留了行星傳動結構效能高，承載力強等優勢，并很好地避免了行星傳動結構尺寸大導致的動平衡性能差的缺陷。以改進后的擺動活齒減速帶輪結構的H、G、K3 個構件表示的傳動比數據計算如下：

在此K固定G從動H主動，則為以K為中心，H對K的傳動比，是從動輪G的齒數，為中心輪K的齒數。

2.4 零件位置及材料的創新

任意改變零件的位置，就有可能使機械產品成為廢品，或者影響到結構的運行模式、綜合性能。為此，設計者零件位置的創新中，也要熟悉結構的整體架構，以機械產品的穩定為指導進行設計，保證零件位置創新達到相關需求。材料的選用是機械結構創新的重要環節。在機械機構設計目標指導下，需要關注材料的力學性能、冷沖壓性能、韌性、冷彎性、塑性等指標，了解各種材料的屬性與使用價值，聯系機械結構設計需要比較各種材料。機械結構的不同以及結構內部零件位置的不同所選用的材料參數也必然存在差異。為此，設計者要具體問題具體分析，選用最適合的材料，最大化地提高機械結構的運行效果。像在汽車的輕量化設計中可以考慮使用創新型的復合材料來改善汽車相關結構與零件的質量[3]。例如，可復合乙烯基酯、乙二酸型聚酯樹脂、不飽和聚酯樹脂及低收縮添加劑等，制成高韌性、低密度輕質材料，其密度僅為1.3 g/cm3左（常規汽車材料的密度為1.8 g/cm3左右），有很大輕質效果。其裂延伸率多至1.35%，沖擊強度增至90 kJ/cm2， 收縮率不大于0.05%。 降低汽車零部件33%的成型周期，縮短其40%的模壓能耗，使汽車零部件150℃的成型溫度減少至 80℃，成型壓力也由7 MPa～10 MPa 減為大約3.5 MPa。擁有輕質減震、隔音耐熱、抗壓耐腐等優點，可用于汽車發動機內部件（如氣門罩蓋、油底殼等）等結構設計。

3 結語

總而言之，該文分析了汽車車輪六連桿相關尺寸的設計創新、內燃機內部結構的工藝性創新以及傳動裝置中零件組合的設計創新的具體思路。另外也可以對汽車及其他機械產品就零件位置、材料、形狀等方面做一些有效的創新設計[4]，改進產品設計的基本性能，解決傳統結構設計中的缺陷，與時俱進，為機械加工行業的發展提供有力的支持。該文限于實際篇幅，僅分析了汽車相關結構設計創新的思路，更多的機械結構設計相關研究工作還有很長的路要走，應進一步強化對創新開發在機械結構設計中的應用，使其越來越合理、科學。