摘要：零件結(jié)構(gòu)是機(jī)械產(chǎn)品的皮膚，其創(chuàng)新是可見的，廣告效應(yīng)和產(chǎn)品附加值大。針對當(dāng)前教科書理論體系存在的不足，從功能實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)品全生命周期、脆性和彈性材料利用3個(gè)方面總結(jié)了零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的10類方法。整合出主要由創(chuàng)新人才、創(chuàng)造力及題目的定義，心理層面的創(chuàng)新方法，通用創(chuàng)新方法，機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新方法，機(jī)構(gòu)組合、演化、窮舉和寬泛的創(chuàng)新方法，零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方法，創(chuàng)新實(shí)例分析等組成的機(jī)械創(chuàng)新方法理論體系。基于零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法分析魯班鎖，其基本單元為運(yùn)動副全部為移動副的四體機(jī)構(gòu)。

　　關(guān)鍵詞：機(jī)械; 創(chuàng)新方法; 零件結(jié)構(gòu); 功能實(shí)現(xiàn); 產(chǎn)品全生命周期; 魯班鎖;

　　工程技術(shù)人員的創(chuàng)新能力培養(yǎng)是目前國家和高校普遍重視的問題。在大學(xué)課程體系中，繼“機(jī)械原理”和“機(jī)械設(shè)計(jì)”之后的“機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)”是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要課程。在該課程中，零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新可明顯改善機(jī)械的工作性能。

　　機(jī)械工程師論文范例：機(jī)械加工工藝對零件加工精度的影響研究

　　“機(jī)械原理”研究機(jī)構(gòu)、活動構(gòu)體(件)、固定構(gòu)體、運(yùn)動副、自由數(shù)(獨(dú)立運(yùn)動數(shù))和動力學(xué)等。“機(jī)械設(shè)計(jì)”研究機(jī)構(gòu)的具體形狀，包括桿、盤、蓋、箱體、機(jī)架、鉸鏈、器、裝置，以及零件的強(qiáng)度、剛度和失效等。根據(jù)運(yùn)動原理，將機(jī)構(gòu)和構(gòu)體具體化為某個(gè)零件或部件的形狀、尺寸、精度、材料、熱處理方法、表面狀態(tài)、連結(jié)方式、順序、數(shù)量等具體結(jié)構(gòu)方案的過程，稱為零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮材料的力學(xué)性能、零部件的功能、工作條件、加工工藝、裝配、使用、維護(hù)、回收、成本、安全、環(huán)保等各方面的要求。在滿足使用功能的前提下，應(yīng)基于優(yōu)化理念，力求使零件的結(jié)構(gòu)工藝簡單、能量消耗少、成本小、使用方便、操作容易、壽命長等。

　　1 研究進(jìn)展

　　目前，零件結(jié)構(gòu)(機(jī)械結(jié)構(gòu))創(chuàng)新方法的理論體系以4本專著或教材為最先進(jìn)代表。以運(yùn)動副和構(gòu)體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)集成化和產(chǎn)品模塊化為研究對象組織該創(chuàng)新方法體系。該體系與機(jī)構(gòu)演化的創(chuàng)新方法和通用創(chuàng)新方法均有重復(fù)和交叉，容易引起混淆。

　　2 基于功能實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新

　　零件設(shè)計(jì)的目的是使其具有一定的功能。在確定功能后，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、對比、完善，令產(chǎn)品脫穎而出。因此，可從以下幾個(gè)視角進(jìn)行創(chuàng)新。

　　1)結(jié)構(gòu)應(yīng)與功能相一致。

　　可概括為以下7個(gè)方面：應(yīng)適應(yīng)工作條件;可設(shè)計(jì)零件的某個(gè)部位具有多個(gè)功能，從而簡化制造過程、減少材料消耗、提高工作效率;相同的或相似的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)完全不同的功能;與拼圖法解決多未知量矢量方程一樣，多個(gè)結(jié)構(gòu)組合起來就有可能實(shí)現(xiàn)新的功能，比如多個(gè)簡單結(jié)構(gòu)可拼接出復(fù)雜結(jié)構(gòu);不同產(chǎn)品的相同部分可采用相同的結(jié)構(gòu);根據(jù)功能簡化結(jié)構(gòu);選用同樣功能的標(biāo)準(zhǔn)件。

　　2)宜人避錯(cuò)。

　　隨著機(jī)械設(shè)計(jì)和制造水平的提高，機(jī)器的復(fù)雜程度、工作速度不斷提高，不能要求操作者無條件地適應(yīng)機(jī)器，而應(yīng)使機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)、形狀和顏色適合于人的生理和心理特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)安全、準(zhǔn)確、正確、省力、舒服、簡便的操作，同時(shí)緩解操作疲勞，提高工作效率。基于用戶評價(jià)改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)是增強(qiáng)宜人特點(diǎn)的重要途徑。

　　3)適應(yīng)受載情況。

　　根據(jù)載荷的方向、大小、變化規(guī)律等設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)，可保證受載面積足夠大、受載部位足夠強(qiáng)、最大應(yīng)力足夠小。

　　4)增強(qiáng)工作能力。

　　可概括為以下6個(gè)方面：受載時(shí)機(jī)械性能得以強(qiáng)化，如接觸面應(yīng)垂直于載荷方向，應(yīng)增大接觸面;應(yīng)具有抗干擾能力，干擾因素消除之后，機(jī)械裝置能較快地恢復(fù)到理想工作狀態(tài);如果零件有多個(gè)部位受載，應(yīng)具有補(bǔ)償或抵消不同部位運(yùn)動誤差的能力;多個(gè)零件受載，應(yīng)抵消不作功力，如雙斜齒輪和行星輪系;原動機(jī)自由數(shù)小于機(jī)構(gòu)自由數(shù)的情況下，機(jī)構(gòu)能適應(yīng)外載而作出確定運(yùn)動;可采取合理設(shè)計(jì)工作部分、有效消除間隙影響、適當(dāng)分配工作載荷等措施，以提高運(yùn)動精度和工作精度。

　　3 基于全生命周期的創(chuàng)新

　　機(jī)械產(chǎn)品的全生命周期包括設(shè)計(jì)、加工、裝配、輸送、維護(hù)、報(bào)廢和拆解等。在設(shè)計(jì)之前，必須綜合考慮整個(gè)周期中可能面臨的所有問題，同時(shí)掌握綠色設(shè)計(jì)、一次性設(shè)計(jì)等先進(jìn)理念。

　　1)加工方面。

　　要求裝夾方便、加工難度低、加工工藝簡單、測量容易和設(shè)備費(fèi)用少等。可概括為以下7個(gè)方面：加工面力求形狀簡單、數(shù)量小、尺寸小、定位與夾緊簡便;刀具進(jìn)退方便;在孔端設(shè)計(jì)垂直面;復(fù)雜加工面盡量布置在外表面而非內(nèi)表面上;復(fù)雜零件可設(shè)計(jì)成組合式結(jié)構(gòu);可采用附加結(jié)構(gòu)降低加工難度;可根據(jù)智能制造特點(diǎn)改進(jìn)結(jié)構(gòu)等。

　　2)裝配拆卸方面。

　　應(yīng)可靠、方便、省力，主要體現(xiàn)在以下9個(gè)方面：組合式結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成錐面定位;螺栓連結(jié)、易損常換件應(yīng)可單獨(dú)拆卸;多處存在裝配關(guān)系的結(jié)構(gòu)應(yīng)使某個(gè)零件的拆卸不破壞其他裝配關(guān)系;應(yīng)留出必要的裝拆空間;應(yīng)使尺寸相同、而材料及熱處理方式不同的零件在外部形狀上有明顯區(qū)別;與常規(guī)參數(shù)不同的結(jié)構(gòu)應(yīng)特別標(biāo)記;必要時(shí)設(shè)計(jì)便于快速裝拆的結(jié)構(gòu);必要時(shí)可在軸肩處、凹槽處設(shè)計(jì)拆卸孔、起蓋螺釘或拆卸槽;如果不對稱結(jié)構(gòu)在隱蔽處，則應(yīng)在其對應(yīng)的明顯處設(shè)計(jì)不對稱結(jié)構(gòu)等。

　　3)運(yùn)輸及報(bào)廢拆解方面。

　　可概括為以下7個(gè)方面：應(yīng)力求形狀簡單、穩(wěn)固;在輸送時(shí)同一類零件不易互相干擾或顛倒;應(yīng)使結(jié)構(gòu)中的不同材料容易分離，如鋼骨架和橡膠;不同材料應(yīng)容易識別(特別是塑料);材料種類應(yīng)盡量少;裝飾性加工量應(yīng)盡量小，如電鍍、噴涂等;包裝設(shè)計(jì)應(yīng)符合減量化、回收、重用、循環(huán)再生和可降解原則等。

　　4)使用維護(hù)方面。

　　潤滑劑易添加、回收，潤滑油不污染產(chǎn)品，安全保護(hù)裝置齊全。

　　4 基于材料特性的創(chuàng)新

　　應(yīng)根據(jù)功能要求合理選擇材料類型、加工工藝及結(jié)構(gòu)形式，并充分發(fā)揮所選材料的優(yōu)勢。零件結(jié)構(gòu)應(yīng)充分適應(yīng)所選材料的力學(xué)性能、加工性能、使用成本等，還應(yīng)適應(yīng)其密度、硬度、強(qiáng)度、剛度、耐磨性、磨合性、耐腐蝕性、傳導(dǎo)性等。

　　1)利用脆性材料。

　　根據(jù)抗壓而不抗拉的特點(diǎn)，可令其工作時(shí)處于受壓狀態(tài);可增大受力面積，以避開其應(yīng)力集中嚴(yán)重的情況;根據(jù)其耐磨性強(qiáng)的特點(diǎn)，可令其改善軸承的工作性能和延長滾滑副結(jié)構(gòu)的使用壽命。

　　2)利用彈性材料。

　　根據(jù)其變形特點(diǎn)、大阻尼、熱膨脹特性和泊松效應(yīng)等，可實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動功能;可補(bǔ)償其他零件的安裝變形、軸向位移、徑向位移、角位移等;可實(shí)現(xiàn)相鄰零件之間無滑動摩擦的相對微小轉(zhuǎn)動或移動;可實(shí)現(xiàn)機(jī)械的緩沖吸振功能;可改變機(jī)械的固有頻率，從而避免共振;可在其彈性范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動，從而簡化結(jié)構(gòu)、減少零件;可在載荷很小而空間較大的場合代替整個(gè)機(jī)構(gòu);可實(shí)現(xiàn)垂直于載荷方向且位移很小的運(yùn)動，從而使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、工作性能穩(wěn)定;可根據(jù)環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)具有控制或測量功能的機(jī)械運(yùn)動，如雙金屬片控制開關(guān);可制成各種彈簧實(shí)現(xiàn)大位移彈性運(yùn)動，或提供彈性反力。

　　3)利用彈性卡件。

　　可簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要概括為以下4個(gè)方面：在受力不大的場合，直接卡在孔隙中代替密封結(jié)構(gòu);在經(jīng)常裝拆的場合，代替整個(gè)連結(jié)組件，如用彈性卡扣件代替整個(gè)連結(jié)螺栓組;對于彈性變形量大的塑料零件，可利用彈性變形簡化連結(jié)結(jié)構(gòu);對于具有形狀記憶功能的彈性卡件，可省去連結(jié)及緊固結(jié)構(gòu)等。

　　5 結(jié)束語

　　每一個(gè)零件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新都具有實(shí)用價(jià)值和申請專利的實(shí)力，比如增強(qiáng)維修能力的雙頭螺柱結(jié)構(gòu)。在機(jī)械的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以創(chuàng)新性、可行性、可靠性和合理性為目的，突出零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，可增強(qiáng)機(jī)械產(chǎn)品的市場競爭力。

　　本文建立的零件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法理論體系在整個(gè)機(jī)械創(chuàng)新方法理論體系中不可或缺，該理論體系可用于指導(dǎo)專著的撰寫和科研項(xiàng)目的進(jìn)行。本文提出的魯班鎖機(jī)構(gòu)形式可為更加科學(xué)、更加精巧的機(jī)械提供理論參考。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]程志紅.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2006.

　　[2]孟俊煥，柳永亮，吳延霞.基于OBE的CREO機(jī)械基礎(chǔ)與應(yīng)用教學(xué)改革與實(shí)踐[J]德州學(xué)院學(xué)報(bào)，2018,34(2):95-98.

　　作者：陳曉青