摘要：零件結構是機械產品的皮膚，其創新是可見的，廣告效應和產品附加值大。針對當前教科書理論體系存在的不足，從功能實現、產品全生命周期、脆性和彈性材料利用3個方面總結了零件結構創新的10類方法。整合出主要由創新人才、創造力及題目的定義，心理層面的創新方法，通用創新方法，機械產品的創新方法，機構組合、演化、窮舉和寬泛的創新方法，零件結構的創新方法，創新實例分析等組成的機械創新方法理論體系。基于零件結構創新方法分析魯班鎖，其基本單元為運動副全部為移動副的四體機構。

　　關鍵詞：機械; 創新方法; 零件結構; 功能實現; 產品全生命周期; 魯班鎖;

　　工程技術人員的創新能力培養是目前國家和高校普遍重視的問題。在大學課程體系中，繼“機械原理”和“機械設計”之后的“機械創新設計”是培養學生創新能力的重要課程。在該課程中，零件結構的創新可明顯改善機械的工作性能。

　　機械工程師論文范例：機械加工工藝對零件加工精度的影響研究

　　“機械原理”研究機構、活動構體(件)、固定構體、運動副、自由數(獨立運動數)和動力學等。“機械設計”研究機構的具體形狀，包括桿、盤、蓋、箱體、機架、鉸鏈、器、裝置，以及零件的強度、剛度和失效等。根據運動原理，將機構和構體具體化為某個零件或部件的形狀、尺寸、精度、材料、熱處理方法、表面狀態、連結方式、順序、數量等具體結構方案的過程，稱為零件的結構設計。在結構設計時，應綜合考慮材料的力學性能、零部件的功能、工作條件、加工工藝、裝配、使用、維護、回收、成本、安全、環保等各方面的要求。在滿足使用功能的前提下，應基于優化理念，力求使零件的結構工藝簡單、能量消耗少、成本小、使用方便、操作容易、壽命長等。

　　1 研究進展

　　目前，零件結構(機械結構)創新方法的理論體系以4本專著或教材為最先進代表。以運動副和構體結構、結構集成化和產品模塊化為研究對象組織該創新方法體系。該體系與機構演化的創新方法和通用創新方法均有重復和交叉，容易引起混淆。

　　2 基于功能實現的創新

　　零件設計的目的是使其具有一定的功能。在確定功能后，對現有結構進行改進、對比、完善，令產品脫穎而出。因此，可從以下幾個視角進行創新。

　　1)結構應與功能相一致。

　　可概括為以下7個方面：應適應工作條件;可設計零件的某個部位具有多個功能，從而簡化制造過程、減少材料消耗、提高工作效率;相同的或相似的結構可實現完全不同的功能;與拼圖法解決多未知量矢量方程一樣，多個結構組合起來就有可能實現新的功能，比如多個簡單結構可拼接出復雜結構;不同產品的相同部分可采用相同的結構;根據功能簡化結構;選用同樣功能的標準件。

　　2)宜人避錯。

　　隨著機械設計和制造水平的提高，機器的復雜程度、工作速度不斷提高，不能要求操作者無條件地適應機器，而應使機械設備的結構、形狀和顏色適合于人的生理和心理特點，實現安全、準確、正確、省力、舒服、簡便的操作，同時緩解操作疲勞，提高工作效率。基于用戶評價改進零件結構是增強宜人特點的重要途徑。

　　3)適應受載情況。

　　根據載荷的方向、大小、變化規律等設計零件結構，可保證受載面積足夠大、受載部位足夠強、最大應力足夠小。

　　4)增強工作能力。

　　可概括為以下6個方面：受載時機械性能得以強化，如接觸面應垂直于載荷方向，應增大接觸面;應具有抗干擾能力，干擾因素消除之后，機械裝置能較快地恢復到理想工作狀態;如果零件有多個部位受載，應具有補償或抵消不同部位運動誤差的能力;多個零件受載，應抵消不作功力，如雙斜齒輪和行星輪系;原動機自由數小于機構自由數的情況下，機構能適應外載而作出確定運動;可采取合理設計工作部分、有效消除間隙影響、適當分配工作載荷等措施，以提高運動精度和工作精度。

　　3 基于全生命周期的創新

　　機械產品的全生命周期包括設計、加工、裝配、輸送、維護、報廢和拆解等。在設計之前，必須綜合考慮整個周期中可能面臨的所有問題，同時掌握綠色設計、一次性設計等先進理念。

　　1)加工方面。

　　要求裝夾方便、加工難度低、加工工藝簡單、測量容易和設備費用少等。可概括為以下7個方面：加工面力求形狀簡單、數量小、尺寸小、定位與夾緊簡便;刀具進退方便;在孔端設計垂直面;復雜加工面盡量布置在外表面而非內表面上;復雜零件可設計成組合式結構;可采用附加結構降低加工難度;可根據智能制造特點改進結構等。

　　2)裝配拆卸方面。

　　應可靠、方便、省力，主要體現在以下9個方面：組合式結構可設計成錐面定位;螺栓連結、易損常換件應可單獨拆卸;多處存在裝配關系的結構應使某個零件的拆卸不破壞其他裝配關系;應留出必要的裝拆空間;應使尺寸相同、而材料及熱處理方式不同的零件在外部形狀上有明顯區別;與常規參數不同的結構應特別標記;必要時設計便于快速裝拆的結構;必要時可在軸肩處、凹槽處設計拆卸孔、起蓋螺釘或拆卸槽;如果不對稱結構在隱蔽處，則應在其對應的明顯處設計不對稱結構等。

　　3)運輸及報廢拆解方面。

　　可概括為以下7個方面：應力求形狀簡單、穩固;在輸送時同一類零件不易互相干擾或顛倒;應使結構中的不同材料容易分離，如鋼骨架和橡膠;不同材料應容易識別(特別是塑料);材料種類應盡量少;裝飾性加工量應盡量小，如電鍍、噴涂等;包裝設計應符合減量化、回收、重用、循環再生和可降解原則等。

　　4)使用維護方面。

　　潤滑劑易添加、回收，潤滑油不污染產品，安全保護裝置齊全。

　　4 基于材料特性的創新

　　應根據功能要求合理選擇材料類型、加工工藝及結構形式，并充分發揮所選材料的優勢。零件結構應充分適應所選材料的力學性能、加工性能、使用成本等，還應適應其密度、硬度、強度、剛度、耐磨性、磨合性、耐腐蝕性、傳導性等。

　　1)利用脆性材料。

　　根據抗壓而不抗拉的特點，可令其工作時處于受壓狀態;可增大受力面積，以避開其應力集中嚴重的情況;根據其耐磨性強的特點，可令其改善軸承的工作性能和延長滾滑副結構的使用壽命。

　　2)利用彈性材料。

　　根據其變形特點、大阻尼、熱膨脹特性和泊松效應等，可實現一定的運動功能;可補償其他零件的安裝變形、軸向位移、徑向位移、角位移等;可實現相鄰零件之間無滑動摩擦的相對微小轉動或移動;可實現機械的緩沖吸振功能;可改變機械的固有頻率，從而避免共振;可在其彈性范圍內實現機械運動，從而簡化結構、減少零件;可在載荷很小而空間較大的場合代替整個機構;可實現垂直于載荷方向且位移很小的運動，從而使機械結構簡單、工作性能穩定;可根據環境變化實現具有控制或測量功能的機械運動，如雙金屬片控制開關;可制成各種彈簧實現大位移彈性運動，或提供彈性反力。

　　3)利用彈性卡件。

　　可簡化機械結構，主要概括為以下4個方面：在受力不大的場合，直接卡在孔隙中代替密封結構;在經常裝拆的場合，代替整個連結組件，如用彈性卡扣件代替整個連結螺栓組;對于彈性變形量大的塑料零件，可利用彈性變形簡化連結結構;對于具有形狀記憶功能的彈性卡件，可省去連結及緊固結構等。

　　5 結束語

　　每一個零件結構的創新都具有實用價值和申請專利的實力，比如增強維修能力的雙頭螺柱結構。在機械的零件結構設計中，以創新性、可行性、可靠性和合理性為目的，突出零件結構的優勢，可增強機械產品的市場競爭力。

　　本文建立的零件結構創新方法理論體系在整個機械創新方法理論體系中不可或缺，該理論體系可用于指導專著的撰寫和科研項目的進行。本文提出的魯班鎖機構形式可為更加科學、更加精巧的機械提供理論參考。

　　參考文獻：

　　[1]程志紅.機械設計[M].南京：東南大學出版社，2006.

　　[2]孟俊煥，柳永亮，吳延霞.基于OBE的CREO機械基礎與應用教學改革與實踐[J]德州學院學報，2018,34(2):95-98.

　　作者：陳曉青