王俊

摘要：現(xiàn)代機械加工和設計要求越來越高，對機械零件結構設計的合理性要求也越來越高，因此研究機械設計過程中零件結構的合理性非常重要。本文簡單介紹了機械零件結構合理性設計原則，著重從毛坯選擇、零件結構簡化、零件結構設計經濟性提升、零件設計精度提升、零件強度改善、零件加工經濟性和環(huán)保性等方面分析機械設計過程中零件結構合理性設計的具體方法，促進零件結構設計的合理性和經濟性，提高零件的精度和強度。

Abstract： Modern machinery processing and design requirements are increasing， and the rationality requirements for mechanical parts structure are also increasingly high， so the rationality of part structure in mechanical design is very important. This paper briefly introduces the rational design principle of mechanical parts structure， focusing on the selection of blank， the part structure is simplified， the part structure design economy is improved， the parts design accuracy， the improvement of parts， parts of parts， and environmental protection and environmental protection. The reasonable method of rationality design of parts in parts， promotes the rationality and economy of part structure design， and improve the accuracy and strength of the part.

關鍵詞：機械設計;零件結構;設計合理性

Key words： mechanical design;part structure;design reason

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0184-03

0 ?引言

機械設計是為了滿足某機械使用功能而進行的設計過程。機械設計的水平決定著機械設備的質量，也關系到機械制造企業(yè)的經濟效益。隨著我國機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，機械設計技術也不斷發(fā)展，各類大型機械設備和精密型機械設備成為主流機械設備，但是無論多大規(guī)模和多精密的機械設備都是由零件組合而成，這就對機械設備零件提出更高要求。機械制造企業(yè)為了提高原材料的使用效率，節(jié)約機械設計和生產的成本，提高機械設備整體的強度和性能，從機械零件結構設計入手，優(yōu)化零件結構設計，提高零件結構合理性和經濟性，使機械零件具有更高的強度和性能。只有這樣才能確保機械設備的質量和性能，提高機械制造企業(yè)的經濟效益。

1 ?機械零件結構合理性設計原則

1.1 機械零件結構與零件材料相適應原則

不同的機械零件原材料具有不同的性能，例如力學性能、物理性能和化學性能等等，因此在機械零件結構設計時要根據(jù)零件原材料進行結構合理性設計，確保機械零件原材料和結構設計相符。因此在機械設計過程中要先確定機械零件的材料，然后確定該材料的生產工藝和性能，最后確定機械零件的結構設計。例如選用鑄鐵為機械零件的原材料，因為鑄鐵具有良好的鑄造性能，因此在生產工藝選擇上以鑄造工藝為主，這就是生產加工工藝與原材料的匹配性。再根據(jù)鑄鐵零件的結構性能，選擇薄壁結構設計，避免采用實心操作。再例如在制造凸輪軸時選擇45鋼為原材料，則生產加工工藝以鍛造成型為主，該凸輪軸的結構設計以實心為主。只有機械零件的結構設計和原材料相適應，才能降低機械設計和生產加工成本，符合機械零件設計的合理性原則。

1.2 機械零件結構與毛坯成型方法相適應原則

毛坯結構形狀不同，其成型工藝也不相同，主要是毛坯成型工藝對毛坯結構有一定影響。在采用鑄造成型工藝時，可以選擇結構形狀復雜的機械零件進行生產加工，鑄造成型工藝尤其適合生產加工芯子這種結構形狀多變的零件，以便于制造復雜內腔。也可以采用空中結構來增加機械零件的剛性，降低機械零件用料。在生產加工結構復雜的箱體時，可以利用焊接工藝加工生產，但是焊接工藝不適用于內腔結構復雜的箱體，因為會增加焊接工藝難度，也會影響焊接質量，降低了機械零件結構設計的合理性。在曲軸這種機械零件生產加工時，需要采用有成型性的鑄造工藝，可以降低曲軸加工余量，提高原材料利用率，降低曲軸的設計加工成本。因此曲軸結構設計可以復雜，但必須要與鑄造工藝相適應，確保曲軸為對稱結構。

2 ?機械零件結構設計方法

2.1 經驗法

利用經驗法來進行機械零件結構設計需要以全面歸納總結經驗和設計原理為基礎，通過對比分析來選擇合適的機械零件結構設計方法。因此機械零件設計人員應該具有豐富的機械零件結構設計經驗，只有這樣才能準確選擇合適的設計方法。雖然經驗法對于機械零件結構設計而言具有一定可行性，但是主觀性太強，經驗并非科學理論依據(jù)缺乏一定的科學性，存在一定的設計風險。因此在機械零件結構設計時要慎用經驗法，還是應該以模型法和理論設計法為主。

2.2 模型法

一些機械零件的規(guī)格、尺寸和質量比較大，還有一些機械零件內部結構比較復雜，這些機械零件在結構設計時宜采用模型法。所謂的模型法就是在利用大量實驗數(shù)據(jù)建造的設計模型來對機械零件進行結構設計和生產加工。在使用模型法進行機械零件結構設計時需要將機械零件設計方法和機械零件生產加工相融合，如果模型與實際的機械零件的規(guī)格、尺寸和質量相差較大，就不宜采用模型法進行結構設計。

2.3 理論設計法

與經驗法和模型法相比，理論設計法依據(jù)現(xiàn)有的機械零件結構設計理論進行機械零件結構設計，具有很高科學性和科學性。機械零件結構設計涉及到材料力學、機械力學和材料學等方面的理論知識和技術，在利用理論設計法對機械零件進行結構設計時要明確機械零件所要承受的各類荷載，然后確定機械零件的尺寸和規(guī)格。例如在計算直桿零件的尺寸時，要確定直桿零件所受的剪切力和拉力，然后根據(jù)外力大小確定直桿零件的尺寸。因此利用理論設計法可以精準計算出機械零件的尺寸和體積，使得機械零件結構設計更加精準化和科學化。

3 ?機械設計過程中零件結構合理性設計方法

3.1 合理選擇毛坯類型

首先要確定毛坯的形狀。為了促進機械零件的高效加工，在選擇毛坯形狀是要確定毛坯形狀和尺寸符合機械零件結構設計。因為選擇的毛坯形狀與機械零件結構設計相似，可以降低毛坯質量問題，提高機械零件加工效率。為了進一步提高機械零件的加工效率和質量，可以選擇先進的毛坯加工技術。其次是確定毛坯結構。根據(jù)機械零件結構確定毛坯結構，這樣也可以節(jié)省大量的加工時間。為了確定毛坯結構與機械零件結構的相似性，可以選擇合并和分解法進行對比分析。所謂的合并和分解法是指在毛坯結構加工時，可以將簡單的毛坯組合成為一個新的略大的毛坯，也可以將一個較大的毛坯分解成為多個小毛坯，將這些組合或分解后的毛坯與設計的零件結構進行對比，查看是否相符，如果分解或重組后的毛坯結構與機械零件結構相符則可以直接來加工，可以大幅提高加工效率，節(jié)省加工成本。例如在車床絲杠螺母合口瓦和活塞環(huán)加工過程中，可以對長套筒和毛坯進行加工，然后將合口瓦分成兩部分，查看機械零件是否與這兩部分的結構相符，如果相符就對分解后的毛坯進行加工，加工成為符合設計要求的活塞環(huán)。

3.2 合理簡化零件結構

在機械零件結構設計過程中，為了節(jié)省原材料，提高設計和加工效率，可以簡化機械零件的加工面設計，使其成為圓面、方面等簡單的幾何平面，順便簡化機械零件結構，為之后的機械零件加工提供方便。為了簡化機械零件結構，還可以根據(jù)機械零件結構特點將機械零件結構分為合體式和分體式兩種結構類型。合體結構零件的優(yōu)勢是降低機械零件連接時的工作量，提高機械零件組裝效率。有些機械零件在加工時難以進行合體加工，此時就需要使用分體式結構進行加工?？梢詫C械零件分解為套筒和球形地面墊塊兩個部分，這樣可以簡化加工程序，提高機械零件加工效率。當套筒和球形底面墊塊都加工完畢后，只需將球形底面墊塊加入到套筒中即可，使兩個分體式結構組合成為合體式結構，化復雜為簡單，滿足預期的零件結構設計要求。

3.3 減少零件加工面

為了減少機械零件加工量，就應該減少加工面數(shù)量，所以在機械零件結構設計中要盡量減少零件加工面面積和數(shù)量。隨著我國機械零件加工技術的不斷進步以及機械生產制造對精密機械零件的大量需求，在機械零件結構設計時要確保機械零件具有很高的精度，確保加工過程中也能有很高的精度，并確保機械零件成品滿足精度設計要求。機械零件精度設計要求越高，機械零件加工量和加工難度也就越高。因此在對機械零件加工前，需要對機械零件結構進行優(yōu)化調整，將機械零件定位到一個端面中，通過與端面的對比，確保機械零件加工前后具有很高的加工精準度。為了減少機械零件加工面，在機械零件實際加工過程中，還需要注意很多地方。例如不能在封膠的內表面進行機械加工作業(yè)。因為在機械零件內部進行加工作業(yè)難度很大，如果其內部表面處于半封閉或全封閉狀態(tài)，就難以進行機械加工作業(yè)，所以在機械零件加工過程中，要避免出現(xiàn)內部表面為半封閉和全封閉的情況。

3.4 提高零件設計精度

在機械零件加工前要確保加工車床的加工參數(shù)和設計參數(shù)相一致，確保加工出來的機械零件具有和機械零件結構設計相同的精度并能夠與機械設備相匹配。如果機械零件結構設計精度或者機械零件加工精度不符合機械設備匹配性要求，就無法應用于機械設備成為廢品。由此可見，機械零件結構設計精度與機械零件加工質量息息相關。在機械零件加工過程中，其精度受到諸多因素影響。例如在加工空腔型機械零件時容易受外力影響，導致整個機械零件變形。為了避免機械零件加工時變形，需要空腔型機械零件結構設計時將其結構改為盒形，將原來的開口端設計為閉口端，這樣的結構設計能夠提高空腔型機械零件薄弱區(qū)的強度，避免出現(xiàn)零件變形問題。

3.5 改善零件形狀提高強度

3.5.1 改善零件形狀減少荷載

通過改善機械零件形狀和結構設計，能夠減少零件荷載，提高機械零件的使用壽命。如圖1所示，將輸入輪1的位置改放到輸出輪2和3之間（如圖2所示），軸上的轉矩則由（T2+T3+T4）降低到（T3+T4），這樣就起到了減少軸上轉矩的目的。機械零件的形狀和結構各不相同，因此機械零件所受的荷載也不相同，減少機械零件荷載的方法要因地制宜，根據(jù)機械零件的實際形狀和結構對機械零件進行優(yōu)化設計，減少機械零件所受的荷載。

3.5.2 改善零件形狀均勻荷載分布

機械零件在應用過程中會產生點、線、面三種類型的接觸，其中以點接觸產生的集中荷載最大，對機械零件的破壞性最強，因此要將點接觸的集中荷載轉變?yōu)榫€接觸和面接觸的均勻荷載，降低集中荷載對機械零件結果的破壞，這就需要在對機械零件結構設計時改變其原有的形狀，進而降低集中荷載，使荷載均勻分布在接觸面上。大部分的集中荷載主要是由于機械零件加工和安裝時的誤差和接觸偏向造成的，建議將機械零件的結構設計為鼓形，增加零件之間的接觸面積，就可以將集中荷載變?yōu)榫鶆蚝奢d。對于軸承類零件，可以將普通滑動軸承改為自動調心滑動軸承，就可以將集中荷載轉變?yōu)榫鶆蚝奢d。

3.5.3 改善零件形狀分散應力

在機械零件結構設計時，要充分分析零件所受的內部應力大小與分布，根據(jù)零件應力大小與分布設計零件結構，確保機械零件能夠承受得住工作狀態(tài)下的機械應力。因此在對梁狀零件進行結構設計時需要將其截面設計為工字型或T字型，軸零件的截面要設計成圓形或空心圓形。為了減少集中應力，要將機械零件的交接部分的截面尺寸差適當減少，增加機械零件過度曲線上的曲率半徑，通過卸載結構來減少集中應力。

3.6 確保零件結構設計的技術經濟性

機械零件結構合理性設計也包括其技術經濟性。技術經濟性分為技術性和經濟性兩部分內容。技術經濟性是衡量機械零件結構設計的重要指標。通過優(yōu)化機械零件結構設計可以改善機械零件結構的技術經濟性。如圖3所示，x代表機械零件的經濟性，即設計和生產加工機械零件的成本，用y代表機械零件的技術性，即機械零件結構設計各項性能指標。用S3曲線代表最優(yōu)機械零件結構設計方案。用S1和S2分別代表兩種不同的機械零件結構設計方案。通過圖3可以看出，S1方案具有較高的經濟性和較低的技術性;S2方案具有較高的技術性和較低的經濟性。只有機械零件結構設計方案曲線愈來愈趨近于S3才能兼顧技術性和經濟性，成為最優(yōu)設計方案。

3.7 合理設計安全數(shù)據(jù)

機械零件結構設計首先要確保的就是機械零件的安全性，這就涉及到標準化設計安全數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是設計人員根據(jù)用戶對機械零件的要求和設計原理制定的設計方案，包括了機械零件結構設計，不僅能夠節(jié)省原材料，提高機械零件的生產加工效率，還可以提高機械零件的安全性。在現(xiàn)代機械零件結構設計中，傳統(tǒng)的機械零件設計技術和加工設備已經落后，很多標準化設計安全數(shù)據(jù)已經不再適用于現(xiàn)在的機械零件結構設計，因此要優(yōu)化改進安全數(shù)據(jù)，提高機械零件的使用壽命，制定新的符合當前機械零件結構設計的標準化設計安全數(shù)據(jù)，確保機械零件結構設計、機械加工和使用過程中的安全性。

3.8 注重零件結構設計的環(huán)保性

由于機械加工行業(yè)對環(huán)境污染比較嚴重，為了降低機械零件加工的污染性需要在機械零件結構設計環(huán)節(jié)就遵循綠色環(huán)保理念。在機械零件結構設計中除了要注重經濟性、安全性、效率性等內容，環(huán)保性也屬于合理性范疇。因此在選擇機械零件原材料、加工工藝和使用環(huán)境時都要注重機械零件的環(huán)保性，可以在機械零件加工過程中設置某些環(huán)保裝置來降低機械零件加工造成的環(huán)境污染，例如將機械零件加工作業(yè)環(huán)境封閉起來，降低噪聲污染和光污染等。還要創(chuàng)新機械零件加工工藝，創(chuàng)新使用綠色環(huán)保材料，提高機械零件設計、加工和使用全過程的環(huán)保性。

4 ?結論

合理性是衡量機械零件結構設計經濟性、環(huán)保性和耐用性的重要指標，關系到機械零件的外觀和性能是否符合客戶要求，是否能夠批量生產應用于機械設備上。機械零件結構設計不僅要符合客戶和機械設備應用要求，還要考慮機械加工企業(yè)的經濟效益，要通過機械零件結構設計減少原材料消耗和工時，提高機械零件加工效率和質量，進而提高機械制造企業(yè)的經濟效益。在機械零件結構設計過程中，要合理選擇原材料類型和毛坯成型方法，進行穩(wěn)健設計和試驗設計，并合理選擇經驗法、模型法和理論設計法等機械零件結構設計方法，確保機械零件的外觀和性能符合要求，并提高機械零件的經濟性、環(huán)保性和耐用性。

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