探究机械结构设计中创新设计

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1、探究机械结构设计中创新设计【摘要】本文主要探讨了机械结构设计中采用变元法的创新设计，其中讲述了七种不同类型变元方法；同时，结合实际结构设计论述或举例说明结构设计中的创新方案。【关键词】创新设计；机械结构设计；变元法机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能；是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还需考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。本文主要介绍变元法在机械结构创新优化设

2、计中的运用，并结合实际结构设计论述或举例说明结构设计中的创新方案。1、变元法变元法源于德国，是用于机械产品结构设计的一种富有创造性内涵的新方法［1］。采用该方法来开展产品结构设计工作前，需要明确基本结构内容，并在基本结构确定前提下研发新型结构方案。变元法的内涵有两个：(1)定义产品结构中的变元内容，主要包括七个：①材料；②数量；③位置;④尺寸；⑤形状；⑥联接；⑦工艺；(2)将这些变元进行适当改变调整，然后构造出不同类型结构方案，达到优化设计目的。1.1材料变元机械设计中可以选择的材料很多，不同的材料对应不用的加工工艺，结构类型，零件尺寸。通过

3、调整材料变元可以创新性制定不同结构方案。例如：在运用钢材料的结构设计中，通常加大零件的截面尺寸以增加结构的强度和刚度；而在铸铁的结构设计中，则是通过加强筋和隔板的方法加强结构的刚度和强度；塑料材料的结构设计中，塑料件的筋板与壁厚相近并均匀对称。1.2数量变元产品结构中存在的基本元素包括加工面和工作面，轮廓面和轮廓线，零件本身。可以对结构中具有的基本元素数量进行调整、改变以达到改变机械结构的目的。例如：铸件结构形状力求简单，在可能情况下尽量采用直线形的轮廓。在螺纹连接结构中，为防止螺钉松脱，往往需要螺钉与弹簧垫圈同时安装使用；但也可以把螺钉设计

4、成将螺钉、垫圈和弹簧垫圈的功能集成为一体的在螺钉头安装接触面带有防松措施的防松螺钉，既减少零件数量又方便装配。1.3位置变元对产品结构中各个元素间的对应位置进行适当改变，可以获得结构设计的优化。例如：在安排零件的焊缝位置时，焊缝应相对构件中性轴，或靠近中性轴，以减少收缩力矩或弯曲变形。另外，在有限空间箱体中装配若干零件，零件摆放位置不同也会影响装配操作的操作性。1.4尺寸变元其中尺寸变元内容有角度、长度以及距离等内容，调整构件、零件尺寸大小能起到改变整体结构的效果。例如：在冷冲压弯曲工艺中，由于材料的弹性变形，弯曲件如果严格要求某角度，则需要

5、在弯曲件成形后，再附加整形工序修复工件；弯曲件如果增加弯曲角度△a,允许2°〜3。变形,弯曲后不需整形。1.5形状变元通过调整结构零件表面及整体形状、整体轮廓以及零件规格、零件类型，也能实现改变机械整体结构的目的。例如:要实现用弹簧产生的（弹）压紧力压紧某零件，使其保持确定位置。设计时可以选择的弹簧类型有拉簧、压簧、扭簧、板簧，被压紧的零件形状可以有平面、圆柱面、球面、螺旋面，通过对这些因素的组合可以得到多种方案。其中压簧的压缩距离不应过大，否则容易引起弹簧的失稳，如确需要使用较大的压缩距离则应设置导向结构，拉簧因无失稳问题，设计中受空间约束

6、较小，即可单独使用，也可以与摇杆及绳索等配合使用。1・6分析连接变元其包含2层意思：①联接方法，其中包括焊接方式、胶接方式还有柳接、螺纹联接等；②每种连接方法均有几种不同联接结构，因此可以将联接结构及方式进行调整或是改变之后获得多种结构类型。例如：对于需要经常拆卸的零部件结构，不但应使连接可靠，还应使拆卸操作尽量方便。这方面的结构在我们生活经常可见，如玩具产品中经常使用卡扣与螺钉相结合的安装方法，而手机产品的机盖设计成快速连接拆装结构，方便用户操作。1.7分析工艺变元工艺的不同也会对结构设计产生重大影响，因为各个设备零件在制造过程中选用工艺不

7、同，制造成本差异以及性能、质量差异都会影响产品整体结构。因此在拟定机械零件的工艺规程时，应该充分研究零件图纸，对其进行分析，审查零件的结构工艺是否良好、合理，并提出相应的修改意见。当前，由于加工工艺、转配工艺（自动化程度）的不断提高,如机械人、机械手的推广应用，出现了不少适合于新条件的新结构，与传统的机械加工有较大的差别，这些工艺应该给予注意与研究。2、机械结构优化设计以及变元法运用对于每一个结构设计方案的评价，应该综合考虑结构方案中的社会效益、结构系统可行性、工艺性以及技术经济相关指标要求等内容。然后从各个备选结构方案中挑出最优的结构方案。

8、在机械结构方案已经确定的情况下，也可以对关键构件或零件构进行不同变元的分析，以及变元之间联动配合修改，已达到优化设计目的。另外，也可以建议一些数学模型，因为数学模型