機械結(jié)構(gòu)設(shè)計思路及抗磨降噪措施淺議

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摘要：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是對既定功能的零部件進行材料、形狀、尺寸、公差和布局等方面的確定，同時考慮加工工藝、強度、剛度、精度以及與其他零部件之間的關(guān)系等問題。文章首先闡述了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體思路以及設(shè)計方法，然后對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的抗磨降噪措施進行分析，為促進機械結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的提升的提供參考。

關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)；設(shè)計；思路；抗磨；降噪

0引言

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)總體設(shè)計中確定的原理方案而開展的具體設(shè)計工作，通過具體化的零部件設(shè)計來實現(xiàn)總體設(shè)計中所要求的功能。結(jié)構(gòu)設(shè)計是機械設(shè)計中工作量最大的環(huán)節(jié)，需要將預(yù)期的方案落到實處。為了實現(xiàn)機械總體設(shè)計的要求，往往會存在多種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，而每種不同的設(shè)計方案所對應(yīng)的材料、形狀、尺寸、布局、生產(chǎn)工藝等都有一定的差異性，并且會關(guān)系到后期產(chǎn)品的各種性能。為了達到最佳的設(shè)計效果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)往往需要經(jīng)過反復(fù)的論證或者實驗，最終選擇最佳的設(shè)計方案。因為結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是機械產(chǎn)品加工制造時參照的重要依據(jù)，并且關(guān)系到產(chǎn)品后期的質(zhì)量和性能等因素，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)需要有明確的設(shè)計思路，充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該注意的問題，然后按照相應(yīng)的步驟開展工作。

1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體思路及方法

1.1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循的原則

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項綜合性較強的工作，要保證設(shè)計方案能夠滿足產(chǎn)品的多方面需求，不僅要保證產(chǎn)品的功能性、可靠性、工藝性、經(jīng)濟性和外觀造型等方面的需求，同時還要考慮到零件的強度、剛度、精度和壽命等因素，為后期的加工制造以及使用奠定良好的基礎(chǔ)。為了確保機械結(jié)構(gòu)設(shè)計達到理想的效果，在設(shè)計時還要遵循一定的原則，才能夠減少設(shè)計誤差，不斷提升設(shè)計水平。實現(xiàn)預(yù)期功能是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要遵循的首要原則，所以在設(shè)計時需要從整體的角度出發(fā)考慮零部件之間的相互連接，零件本身需要承受的載荷、傳遞運動和動力等因素。可以根據(jù)具體情況，決定采用功能分配還是功能集中的設(shè)計思路，主要是根據(jù)零部件承受的載荷、生產(chǎn)成本和安裝等因素來決定；為了保證零部件能夠承受相應(yīng)的強度，可從應(yīng)力角度出發(fā)降低單一零件載荷過大的現(xiàn)象，通過載荷平衡的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法滿足強度設(shè)計原則；通過原材料的合理選擇以及加工工藝的考量，保證機械結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足剛度的原則；結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該考慮到各個零部件在生產(chǎn)加工和裝配時的便利性，合理劃分裝配單元以實現(xiàn)平行且專業(yè)化的裝配作業(yè)，縮短裝配周期，為零部件的拆卸留出一定的空間；考慮零部件在后期運行過程中的維護修理，結(jié)構(gòu)設(shè)計時要對零部件的可拆卸性以及檢查的便利性留出一定的操作空間；在滿足零部件基本功能的基礎(chǔ)上，還可以將外觀造型、生產(chǎn)成本等因素合理規(guī)劃到結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，切實保證機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和科學(xué)性[1]。在保證實現(xiàn)預(yù)期功能的大前提下，經(jīng)濟性設(shè)計原則在現(xiàn)實需求中具有不可輕易撼動的地位。一個單純理論上完美的結(jié)構(gòu)設(shè)計絕大多數(shù)情況下都很難匹配到與之相適應(yīng)的加工工藝，這種情況下，加工制造成本將大幅度提高，使得產(chǎn)品利潤快速下降，在某些極端情況下甚至有一定概率出現(xiàn)負利潤。而利潤卻是關(guān)乎一個企業(yè)生死存亡的關(guān)鍵因素。因此，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中是堅決杜絕只片面的追求“設(shè)計完美性”，必須全方位考慮企業(yè)、行業(yè)的整體加工工藝水平跟制造設(shè)備現(xiàn)狀，從而提升將設(shè)計轉(zhuǎn)化為具體零件的可行性。此外根據(jù)設(shè)計產(chǎn)品需求的不同側(cè)重點，可將結(jié)構(gòu)設(shè)計原則按照側(cè)重點進行分類。常見分類及其具體實施要求和優(yōu)先級見表1。隨著現(xiàn)代社會人們知識結(jié)構(gòu)的全面提升，對產(chǎn)品的質(zhì)量評判標準也隨之發(fā)生重大變化?，F(xiàn)代美學(xué)藝術(shù)、人體工程學(xué)等有助于提升人們工作幸福感和愉悅感的人性化結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，在產(chǎn)品銷售市場上尤其是在以年輕人為買單主力的市場上，變得越來越重要。因此，現(xiàn)代化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計原則還必須具備與時俱進的自我革命、自我革新的要素。

1.2機械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要素和設(shè)計方法

機械設(shè)備是由眾多的零部件組合而成，而各個零部件的幾何形狀以及零部件之間的相對位置關(guān)系決定了機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)性能。在零部件中相互接觸的表面即為功能表面，功能表面是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的核心，通過對零部件功能表面的形狀、尺寸、位置等要素的思考和規(guī)劃，能夠得到最佳的設(shè)計方案，從而實現(xiàn)總體設(shè)計的要求的技術(shù)功能。因為機械設(shè)備中的零部件都是通過相互作用而實現(xiàn)各自的功能，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要考慮到零部件自身的功能，還要綜合各個零部件之間的相互關(guān)系進行設(shè)計。零件之間的關(guān)系包括位置相關(guān)和運動相關(guān)，只有充分考慮到各個零件之間的相互關(guān)系，才能夠保證機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)后的性能和效率。位置相關(guān)是零件結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為常見的要素，比如兩個齒輪之間的嚙合，就需要保證傳動軸中心距的精度以及軸線的平行[2]。大多零件都有兩個或者更多的直接相關(guān)零件，為了保證所有零件都能夠?qū)崿F(xiàn)總體設(shè)計要求的技術(shù)功能，就需要考慮到兩零件直接相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在材料、形狀、尺寸以及精度等方面進行合理選擇。機械設(shè)備中零件的結(jié)構(gòu)及外形設(shè)計應(yīng)該充分考慮設(shè)備的整體布局及功能要求。幾乎不存在完全獨立存在的機械構(gòu)件，故在構(gòu)思設(shè)計進程中，不但要照顧到零件本身所應(yīng)該承擔的功能性要求，還要認真考慮到零件加工后與其裝配連接構(gòu)件件的結(jié)構(gòu)合理性。即在整個產(chǎn)品設(shè)計里單個零部件的最優(yōu)解，往往不一定能夠成為整個設(shè)計方案的最佳選擇。因而在這種情況下，有一定設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計人員通常不會過分關(guān)注產(chǎn)品中任何一個單獨零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣，而是從整個產(chǎn)品性能著眼，依據(jù)整個產(chǎn)品運行結(jié)果是否在預(yù)期結(jié)果范圍之內(nèi)，去評價判斷該零件結(jié)構(gòu)是不是有合理之處。機械結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法沒有一成不變的萬能公式。設(shè)計風(fēng)格因人而異，不同閱歷的設(shè)計人員在進行非標零件設(shè)計過程中其側(cè)重點一般不同。在大多數(shù)時候同一個單位，相似工作經(jīng)歷的設(shè)計人員在面對客戶提出新需求時，選擇的應(yīng)對設(shè)計方案也不盡相同。因此在大訂單或者大型產(chǎn)品設(shè)計過程中，團隊的及時高效溝通協(xié)調(diào)是必不可少的。從這個角度而言機械結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計過程就是一個不斷妥協(xié)和放棄，不斷優(yōu)化與改進的過程。

1.3機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求

應(yīng)用于不同機械設(shè)備中的零件會有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容和要求，但是有些基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求是共通的，比如功能設(shè)計、質(zhì)量設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計。功能設(shè)計是任何一種機械零件在結(jié)構(gòu)設(shè)計中都要滿足的要求，比如在工作原理、可靠性以及加工工藝等方面都需要符合相應(yīng)的標準，才能夠保證零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計符合機械設(shè)備的基本需求。在保證技術(shù)功能的基礎(chǔ)上，還要確保機械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量要求，質(zhì)量直接關(guān)系到機械設(shè)備的運行性能和市場競爭力，也是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心要求。在市場競爭力愈發(fā)激烈的時代背景下，創(chuàng)新是推動社會發(fā)展的重要驅(qū)動力。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中同樣如此，可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計變元等方法促進機械零件的優(yōu)化提升，善于用創(chuàng)造性的思維進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新，通過不斷的嘗試推動結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的提升，進而促進機械制造業(yè)的進一步發(fā)展[3]。但通常在面向具體合同訂單產(chǎn)品而言，達成用戶滿意是存在通用規(guī)則要求的，集中表現(xiàn)在以下幾個方面。一是遵循機械結(jié)構(gòu)設(shè)計服務(wù)與技術(shù)性能準則。技術(shù)性能通常涵蓋產(chǎn)品核心功能、從制造的難易程度影響加工工藝選擇到運行狀況是否穩(wěn)定對調(diào)試工序要求等在內(nèi)的一切相關(guān)性能指標。該準則要求能夠統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品的靜態(tài)、動態(tài)性能。保證產(chǎn)品必須達到規(guī)定的要求。例如，設(shè)計產(chǎn)品能夠輸入輸出的極限功率、平均效率、使用材料的強度、剛度，熱處理性能、實現(xiàn)的加工位移大小，適應(yīng)調(diào)整運動范圍等。二是標準化互換性準則。與機械產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)的核心標準一般包含：標準化概念，標準化零部件外形，標準化加工、檢測方法。標準化互換性準則要求在設(shè)計的整個過程中的采用行為，原則上均要優(yōu)先遵循這一準則要求。結(jié)合目前已公布的機電行業(yè)常用設(shè)計相關(guān)的標準，按照其應(yīng)用范圍一般可以分為國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準三個等次。雖然在使用強制性上而言，有必須執(zhí)行標準和推薦使用標準的兩種，但是在現(xiàn)代產(chǎn)品模塊化設(shè)計理念下，優(yōu)先采用標準化互換性設(shè)計可以帶給用戶更好、更便捷的使用體驗，從而提升產(chǎn)品競爭力。三是可靠性準則。既要求產(chǎn)品能夠滿足正常使用條件下使用時長即產(chǎn)品使用壽命滿足要求，還要求整個產(chǎn)品使用過程中各個組成部件能夠協(xié)調(diào)運行，保證產(chǎn)品各項參數(shù)指標的相對穩(wěn)定。四是安全性準則。機械設(shè)計的安全性準則一般包括零件結(jié)構(gòu)、裝配的安全性、整個產(chǎn)品運行的安全性、工位操作的安全性、使用環(huán)境安全性。

2降低機械噪聲的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施

機械噪聲是機械設(shè)備中常見的故障現(xiàn)象之一，不僅會影響到人們的健康與安全，同時也會大大降低機械設(shè)備的運行性能和使用壽命。有部分機械噪聲的根源是因為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成的，所以為了控制和降低機械噪聲，可在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中通過一定的技術(shù)手段對噪聲進行干預(yù)。對于一般的機械噪聲往往都是通過改變振動源，控制傳播途徑和改變輻射表層的方法來實現(xiàn)，但是對于部分機械設(shè)備而言，有些方法并不能從實質(zhì)層面解決問題，反而會降低機械設(shè)備的運行效率，所以還需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度進行合理優(yōu)化調(diào)整[4]。低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計是降低機械噪聲的重要途徑，但是在具體實施的過程中由于工作量較大會影響到機械制造的周期，所以可將低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計和其他設(shè)計方式進行結(jié)合。經(jīng)過相關(guān)的科學(xué)理論證明，非金屬材料可有效降低機械噪聲，但是在精準性和穩(wěn)定性方面還存在一定的不足。所以就需要通過新材料的研發(fā)與低噪聲設(shè)計相結(jié)合，比如靜音鋼鐵在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，就可以有效降低噪聲和振動的產(chǎn)生。還可以根據(jù)機械產(chǎn)品的用途而有針對性的研發(fā)新材料，然后進行低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。共振是產(chǎn)生機械噪聲的原因之一，在機械結(jié)構(gòu)中如果各零部件間的固有頻率趨于相近或者相等時，相匹配的振幅會大幅提升且出現(xiàn)高峰值，此時零部件就會突發(fā)振動，進而產(chǎn)生共振。共振會對機械設(shè)備產(chǎn)生一定的危害性，但是零件的固有頻率并不是單一的，所以可從這個思路入手進行優(yōu)化設(shè)計。在機械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可在材料、重量、形狀、布置等方面進行調(diào)整，然后在組裝時對機械結(jié)構(gòu)施加一定的約束條件來改變零部件的固有頻率，進而改善機械零件的共振現(xiàn)象[5]。通過對機械表層的輻射面進行優(yōu)化也能夠達到降噪的目的，比如控制機械內(nèi)部運動部件的平衡度，減少零部件之間的碰撞和摩擦，對傳動軸采取隔振措施，在殼體表層添加阻尼材料等方式，可在傳播途徑方面控制噪聲。降低機械噪聲的結(jié)構(gòu)設(shè)計常用措施大體可歸納為三個類型。一是采取相應(yīng)措施進行局部隔聲處理，噪聲源常常采用局部消聲裝置或者結(jié)構(gòu)用于隔離和封閉噪聲，同時采用隔震裝置能一定程度上防止噪聲通過固體傳播，從而達到設(shè)備的隔音降噪效果。二是對設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中加入吸聲結(jié)構(gòu)要素，如在可能條件下可以多采用多孔材料如玻璃棉、礦棉、泡沫、氈絮等。通過這些吸聲材料來影響噪聲的傳播，達到隔音降噪的效果。三是對于空氣動力降噪，可結(jié)合設(shè)計安裝聲音處理設(shè)備來完成。該方法適用于如各種鼓風(fēng)機、空氣壓縮機、內(nèi)燃機等機械設(shè)備進排氣噪聲處理。根據(jù)噪聲頻譜的特性，目前有三種常見類型消聲器即電阻式消聲器、電容式消聲器和阻抗組合式消聲器，其適用場合及聲音頻譜不同，在各自適用范圍內(nèi)均能能有效降低噪聲的傳播，減少噪聲對人體的危害，最大限度地達到隔聲降噪的效果。

3降低機械磨損的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施

磨損是機械設(shè)備中較為常見的故障現(xiàn)象，磨損不僅會降低設(shè)備的運轉(zhuǎn)性能和產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，同時還會降低設(shè)備的安全系數(shù)和使用壽命，所以在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該制定相應(yīng)的抗磨損措施。傳動結(jié)構(gòu)磨損對機械設(shè)備有極大的危害性，長時間的磨損可能導(dǎo)致傳動結(jié)構(gòu)斷裂，直接威脅到整個機械設(shè)備運行的安全性。傳動結(jié)構(gòu)的磨損還會降低零部件之間配合的精準度，進而降低產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，所以要優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，以期能夠最大限度的減緩機械設(shè)備運行中的磨損進程。然而摩擦現(xiàn)象在所有已知現(xiàn)實設(shè)備運行中無處不在，故降低機械磨損的結(jié)構(gòu)設(shè)計只能不斷優(yōu)化，無法完全消除或避免。對于機構(gòu)結(jié)構(gòu)的抗磨損設(shè)計可從鏈傳動和齒輪傳動兩個大的方面進行優(yōu)化調(diào)整。在鏈傳動結(jié)構(gòu)中，鏈輪是主要的受力載體，在鏈條轉(zhuǎn)動的過程中如果出現(xiàn)磨損，極易在高速轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下出現(xiàn)松動、移位或者斷裂的現(xiàn)象。為了改善鏈傳動的抗磨損設(shè)計，可從鏈輪齒數(shù)和鏈條節(jié)距兩個方面入手。為了提升鏈條和鏈輪之間的抗磨能力，應(yīng)該選擇抗磨性能較強的材料。如果將鏈條齒數(shù)設(shè)計為奇數(shù)，則鏈節(jié)與每個鏈輪都能夠嚙合，將磨損均勻的分攤到整個鏈條中，從而降低局部磨損的風(fēng)險。鏈條節(jié)距的增大會增加鏈條與鏈輪之間的摩擦力，從而加劇磨損。所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計中根據(jù)相應(yīng)的計算合理確定鏈條的節(jié)距，在保證傳動效率的同時還能夠提升抗磨性能。齒輪作為機械中重要的傳動結(jié)構(gòu)，通過齒輪嚙合實現(xiàn)動力的傳遞，同時也會對齒輪造成一定的磨損。在閉式齒輪傳動結(jié)構(gòu)中，由于齒輪的接觸摩擦?xí)嵘Σ撩娴臏囟?，從而增加磨損程度。對于閉式齒輪，可以采用耐熱性和強度較高的金屬材料，以此提升齒輪的抗磨能力。開式齒輪由于完全暴露在環(huán)境中，所以容易受到灰塵、碎屑的干擾而加劇齒輪的磨損。對于開式齒輪，要加強日常的維護管理，做好齒輪清潔工作，同時經(jīng)常添加潤滑油，減少齒輪間的摩擦[6]。

4結(jié)語

隨著我國機械制造業(yè)水平的大幅提升，對機械零部件的質(zhì)量和性能等方面有了更高的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計作為機械制造的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計水平的高低不僅和零部件的質(zhì)量、性能、安全系數(shù)有直接關(guān)系，同時也對生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率以及機械設(shè)備的整體運行狀態(tài)有很大的關(guān)聯(lián)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)需要進行綜合而全面的考量，從前期的功能實現(xiàn)到生產(chǎn)加工，從投入使用到后期的維護保養(yǎng)等等，都需要經(jīng)過充分的論證和實驗，最終才能夠確定最佳的設(shè)計方案。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，要勇于創(chuàng)新，以先進的設(shè)計思維和理念為指導(dǎo)，促進機械零部件和產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展，同時也為促進我國機械制造業(yè)的進一步發(fā)展創(chuàng)造有利的條件。

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作者:陳振濤 王振菊 單位:巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院