机械创新作业 (13)

《机械创新设计》结课论文课程名称《机械创新设计》院（系、部、中心）机械工程学院专业机械设计制造及其自动化班级流体（卓越）111 姓名刘海瑞学号201110617 题目机械部件创新设计起止日期 2014-3-25~2014-5-6 任课教师王育荣机械部件创新设计作者：刘海瑞（南京工程学院机械工程系，南京，211167）摘要：传统机械零部件的设计和应用中，存在腐蚀、磨损、疲劳断裂、表面剥落、拆后重装失准、加工费时、废料过多、不够人性化等一系列问题，但在运用了新材料、新的热处理和化学处理工艺及新的表面处理技术之后，腐蚀、磨损、表面剥落等问题能够在一定程度上获得解决，但疲劳断裂、拆后重装失准、加工废时和废料过多等问题解决得还远远不够。

因此我们需要开动脑筋，运用创新思维进行大胆创新，从而提高机械零部件的各项性能指标。

关键词：机械零部件创新思维创新方向创新方法一、机械零部件的设计现状机械零部件设计是人类为了实现某种预期的目标而进行的一种创造性活动。

传统机械零部件设计的特点是以长期经验积累为基础，通过力学、数学建模及试验等所形成的经验公式、图表、标准及规范作为依据，运用限定的条件计算或类比等方法进行设计。

这样过早确定方案的设计既不充分，也不强调创新，不免会带来一些问题。

例如腐蚀、磨损、疲劳断裂、表面剥落、拆后重装失准、加工费时、废料过多、不够人性化等就是传统机械零部件设计制造和应用中出现的问题。

这一方面是由于当时缺乏先进工艺和先进设备，另一方面也由于设计人员创新水平还不够高。

当代的机械零部件设计和应用中，由于运用了新材料、新的热处理和化学处理工艺及新的表面处理技术，腐蚀、磨损、表面剥落等问题在一定程度上获得了解决，但疲劳断裂、拆后重装失准、加工废时和废料过多等问题解决得还远远不够。

为了解决机械零部件设计和应用中仍然存在的问题，我们需要开动脑筋，进行大胆创新。

二、机械零部件的创新思维机械零部件设计的本质是创造和革新，即在设计过程中要融合设计者自身的创新思维，同时结合当下最新的科技研究成果，在科学的理论指导下，设计出符合要求的产品。

现就常见的创新思维展开论述。

1. 类比思维设计零部件类比思维就是基于某一个相同点，将外观、性质、用途不完全相同甚至完全不同的事物进行比较分析，从而找出能够达到目的的最佳方案。

如飞机与鸟类、飞机与蜻蜓，由鸟的飞行运动制成了飞机（机翼与鸟翅的类比），飞机高速飞行时机翼产生强烈振动，有人根据蜻蜓羽翅的减振结构设计了飞机的减振装置。

天津一个学生根据小狗爬楼的运动方式创作了狗爬式上楼车等都是类比的结果（其关键之处在于小车前轮与狗的腿在上楼时动作的类比）。

又比如机械手爪，就是与人的手类比而创造出来的。

有人测试出蚊子翅膀振动的频率最高可达600Hz，对蚊子翅膀的结构与相关零部件进行类比究，或许能帮人类有效解决零部件疲劳损坏的问题。

2. 发散思维创造新方案发散思维又称辐射思维或求异思维等。

它是以欲解决的问题为中心，思维者打破常规，从不同方向，多角度、多层次地考虑问题，求出多种答案的思维方式。

例如，若提出“将两零部件联结在一起”的问题，常规的办法有螺纹联结、焊接、胶接、铆接等，但运用发散思维思考，可以得到利用电磁力、摩擦力、压差或真空、绑缚、冷冻等方法。

又如根据夹紧的方式有弹力式、螺栓式、压力式等，人类发明出弹簧夹，活动扳手，气压夹具。

发散思维是创造性思维的主要形式之一，在技术创新和方案设计中具有重要的意义。

3. 逆向思维开拓新捷径逆向思维也叫求异思维，它是对司空见惯的似乎已成定论的事物或观点反过来思考的一种思维方式。

敢于“反其道而思之”，让思维向对立面的方向发展，从问题的相反面深入地进行探索，树立新思想，创立新形象。

当大家都朝着一个固定的思维方向思考问题时，而你却独自朝相反的方向思索，这样的思维方式就叫逆向思维。

人们习惯于沿着事物发展的正方向去思考问题并寻求解决办法。

其实，对于某些问题，尤其是一些特殊问题，从结论往回推，倒过来思考，从求解回到已知条件，反过去想或许会使问题简单化。

比如在设计发电机时，你为转子达不到所要求的转速而苦恼时，是不是可以运用逆向思维，让定子也转呢，我国发明家苏卫星正是运用了这一逆向思维发明了“两向旋转发电机”定子也转动，发电效率比普通发电机提高了四倍。

苏卫星说，我来个逆向思维，让定子也“旋转起来”。

这是他得以发明的思维基础，也是他对创造发明思想的一大贡献。

三、机械零部件的创新设计方向3.1、创新方向（1）、性能更好，缺陷更少对于零部件在使用过程中表现出来的缺陷，应用创新思维，采取针对性的改进措施来克服，从而提高其性能，是机械零部件创新的方向之一。

这样做，一来能够提升整机的使用性能，二来也能提高机器运行中的安全性。

比如汽车的刹车制动装置，现有的汽车在刹车时通常是刹车片从里向外扩张从而抵住轮毂以达到制动目的，这经常导致制动效果不够理想，对此，我们是否可以试着设计从内和外双向同时压紧制动的刹车模式呢？（2）、维护方便，更宜人很多机械零部件在使用和维护过程中经常会出现拆后重装失准的问题，导致零部件更换过于频繁，造成了不必要的浪费；设计不够人性化也是常遇到的问题。

分析发现，前者大多出现在过盈配合以及硬度差别较大的场合，后者大多出现在需要经常与人体接触的零部件上。

对于前者，我想我们有必要尝试着以间隙配合并辅以其他联结方式（比如螺栓联结等）来代替一些过盈配合，对需要可能拆卸的零件配对时尽量使其接触表面硬度接近；对于后者，我们的机械设计人员应当多从宜人的角度，来对某些零部件作一些必要的改进，比如将直接与人手接触的零部件表面的粗糙度降低一些。

（3）、制造更简单，更高效，成本更低加工废时和废料过多也是当代机械零部件制造过程中经常存在的问题，要解决这个问题我们必须进行创新设计。

首先，要想缩短时间，我们可以试着缩短加工工艺路线。

要节约材料减少废料，我们就要在材料切割时进行合理的布局，在同一块材料上大小零件搭配布置，并且尽量将有相似边的用料布局在一起。

这样一来，制造更简单，更高效，成本也降低了。

3.2、创新设计主要内容机械零部件设计是机械设计的重要组成部分，机械运动方案中的机构和构件只有通过零部件设计才能得到用于加工的零部件工作图和部件装配图，同时它也是机械总体设计的基础。

机械零部件设计的主要内容包括：根据运动方案设计和总体设计的要求，明确零部件的工作要求、性能、参数等，选择零部件的结构构形、材料、精度等，进行失效分析和工作能力计算，画出零部件图和部件装配图。

机械产品整机应满足的要求是由零部件设计所决定的，机械零部件设计应满足的要求为：在工作能力上要求具体有强度、刚度、寿命、耐磨性、耐热性、振动稳定性及精度等；在工艺性上要求加工、装配具有良好的工艺性及维修方便；在经济性上的要求主要指生产成本要低。

此外，还要满足噪声控制、防腐性能、不污染环境等环境保护要求和安全要求等。

这些要求往往互相牵制，需全面综合考虑。

（1）、严格计算机械零部件的失效形式机械零部件由于各种原因不能正常工作而失效，其失效形式很多，主要有断裂、表面压碎、表面点蚀、塑性变形、过度弹性变形、共振、过热及过度磨损等。

为了保证零部件能正常工作，在设计零部件时应首先进行零部件的失效分析，预估失效的可能性，采取相应措施，其中包括理论计算，计算所依据的条件称为计算准则，常用的计算准则有：一是强度准则。

强度是机械零部件抵抗断裂、表面疲劳破坏或过大塑性变形等失效的能力。

强度要求是保证机械零部件能正常工作的基本要求。

二是刚度准则。

刚度是指零部件在载荷的作用下，抵抗弹性变形的能力。

刚度准则要求零部件在载荷作用下的弹性变形在许用的极限值之内。

三是振动稳定性准则。

对于高速运动或刚度较小的机械，在工作时应避免发生共振。

振动稳定性准则要求所设计的零部件的固有频率与其工作时所受激振源的频率错开。

四是耐热性准则。

机械零部件在高温工作条件下，由于过度受热，会引起润滑油失效、氧化、胶合、热变形、硬度降低等问题，使零部件失效或机械精度降低。

因此，为了保证零部件在高温下正常工作，应合理设计其结构及合理选择材料，必要时须采用水冷或气冷等降温措施。

五是耐磨性准则。

耐磨性是指相互接触并运动零部件的工作表面抵抗磨损的能力。

当零部件过度磨损后，将改变其结构形状和尺寸，削弱其强度，降低机械精度和效率，以致零部件失效报废。

因此，机械设计时应采取措施，力求提高零部件的耐磨性。

（2）、正确选择机械零部件的表面粗糙度表面粗糙度是反映零部件表面微观几何形状误差的一个重要技术指标，是检验零部件表面质量的主要依据；它选择的合理与否，直接关系到产品的质量、使用寿命和生产成本。

机械零部件表面粗糙度的选择方法有3种，即计算法、试验法和类比法。

在机械零部件设计工作中，应用普通的是类比法，此法简便、迅速、有效。

应用类比法需要有充足的参考资料，现有的各种机械设计手册中都提供了较全面的资料和文献。

最常用的是与公差等级相适应的表面粗糙度。

在通常情况下，机械零部件尺寸公差要求越小，机械零部件的表面粗糙度值也越小，但是它们之间又不存在固定的函数关系。

四、机械零部件的创新方法要充分运用机械学理论和方法，包括机构学、机械动力学、摩擦学、机械结构强度学、传动机械学等及计算机辅助分析的不断发展，对设计的关键技术问题能作出很好的处理，一系列新型的设计准则和方法正在形成。

计算机辅助设计（CAD）是把计算机技术引入设计过程，利用计算机完成选型、计算、绘图及其他作业的现代设计方法。

CAD技术促成机械零部件设计发生巨大的变化，并成为现代机械设计的重要组成部分。

目前，CAD技术向更深更广的方向发展，主要表现为以下基于专家系统的智能CAD；CAD系统集成化，CAD与CAM（计算机辅助制造）的集成系统（CAD/CAM）；动态三维造型技术；基于并行工程，面向制造的设计技术（DFM）；分布式网络CAD系统。

五、总结和展望如果我们在今后的机械零部件设计领域，能够抛弃旧的思维和过时的旧方法，很好地运用类比、发散和逆向等创新思维，加上计算机辅助、多学科结合等现代创新方法，针对拆后重装失准、加工费时、废料过多、不够人性化等问题进行改进和创新，我相信机械零部件设计领域将会迎来新的美好明天。

参考文献[1]杨家军．机械创新设计技术．北京：科学出版社，2008．[2]许尚贤．机械零部件现代设计方法．北京：高等教育出版社，1996．[3]张美麟，张有忱，张莉彦．机械创新设计．北京：化学工业出版社，2010。