機械結構設計的思路及抗磨降噪措施探討

陳振濤 王振菊

摘要： 機械結構設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系等問題。文章首先闡述了機械結構設計的總體思路以及設計方法，然后對機械結構設計中常見的抗磨降噪措施進行分析，為促進機械結構設計水平的提升的提供參考。

Abstract： Mechanical structure design is mainly to determine the material， shape， size， tolerance and layout of the parts of the established function， while considering the processing technology， strength， stiffness， accuracy and the relationship between other parts and other problems. This paper first describes the overall idea and design method of mechanical structure design， and then analyzes the common anti-wear and noise reduction measures in mechanical structure design， to provide reference for promoting the improvement of mechanical structure design level.

關鍵詞： 機械結構;設計;思路;抗磨;降噪

Key words： mechanical structure;design;way of thinking;resistance to abrasion;noise reduction

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0025-03

0 ?引言

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

1 ?機械結構設計的總體思路及方法

1.1 機械結構設計應遵循的原則

機械結構設計是一項綜合性較強的工作，要保證設計方案能夠滿足產品的多方面需求，不僅要保證產品的功能性、可靠性、工藝性、經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。為了確保機械結構設計達到理想的效果，在設計時還要遵循一定的原則，才能夠減少設計誤差，不斷提升設計水平。

實現預期功能是機械結構設計要遵循的首要原則，所以在設計時需要從整體的角度出發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?？梢愿鶕唧w情況，決定采用功能分配還是功能集中的設計思路，主要是根據零部件承受的載荷、生產成本和安裝等因素來決定;為了保證零部件能夠承受相應的強度，可從應力角度出發降低單一零件載荷過大的現象，通過載荷平衡的結構設計方法滿足強度設計原則;通過原材料的合理選擇以及加工工藝的考量，保證機械結構設計滿足剛度的原則;結構設計應該考慮到各個零部件在生產加工和裝配時的便利性，合理劃分裝配單元以實現平行且專業化的裝配作業，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，結構設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上，還可以將外觀造型、生產成本等因素合理規劃到結構設計方案中，切實保證機械結構設計的合理性和科學性[1]。

在保證實現預期功能的大前提下，經濟性設計原則在現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構設計絕大多數情況下都很難匹配到與之相適應的加工工藝，這種情況下，加工制造成本將大幅度提高，使得產品利潤快速下降，在某些極端情況下甚至有一定概率出現負利潤。而利潤卻是關乎一個企業生死存亡的關鍵因素。因此，機械結構設計過程中是堅決杜絕只片面的追求“設計完美性”，必須全方位考慮企業、行業的整體加工工藝水平跟制造設備現狀，從而提升將設計轉化為具體零件的可行性。

此外根據設計產品需求的不同側重點，可將結構設計原則按照側重點進行分類。常見分類及其具體實施要求和優先級見表1。

隨著現代社會人們知識結構的全面提升，對產品的質量評判標準也隨之發生重大變化?，F代美學藝術、人體工程學等有助于提升人們工作幸福感和愉悅感的人性化結構設計要求，在產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，現代化機械結構設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 機械結構件的結構要素和設計方法

機械設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系決定了機械設備的運轉性能。在零部件中相互接觸的表面即為功能表面，功能表面是機械結構設計中的核心，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劃，能夠得到最佳的設計方案，從而實現總體設計的要求的技術功能。因為機械設備中的零部件都是通過相互作用而實現各自的功能，所以在結構設計時，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系進行設計。零件之間的關系包括位置相關和運動相關，只有充分考慮到各個零件之間的相互關系，才能夠保證機械設備在運轉后的性能和效率。位置相關是零件結構設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零件，為了保證所有零件都能夠實現總體設計要求的技術功能，就需要考慮到兩零件直接相關部位的結構設計，在材料、形狀、尺寸以及精度等方面進行合理選擇。

機械設備中零件的結構及外形設計應該充分考慮設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件，故在構思設計進程中，不但要照顧到零件本身所應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件件的結構合理性。即在整個產品設計里單個零部件的最優解，往往不一定能夠成為整個設計方案的最佳選擇。因而在這種情況下，有一定設計經驗的設計人員通常不會過分關注產品中任何一個單獨零件的結構優劣，而是從整個產品性能著眼，依據整個產品運行結果是否在預期結果范圍之內，去評價判斷該零件結構是不是有合理之處。

機械結構件的結構設計方法沒有一成不變的萬能公式。設計風格因人而異，不同閱歷的設計人員在進行非標零件設計過程中其側重點一般不同。在大多數時候同一個單位，相似工作經歷的設計人員在面對客戶提出新需求時，選擇的應對設計方案也不盡相同。因此在大訂單或者大型產品設計過程中，團隊的及時高效溝通協調是必不可少的。從這個角度而言機械結構設計設計過程就是一個不斷妥協和放棄，不斷優化與改進的過程。

1.3 機械結構設計的基本要求

應用于不同機械設備中的零件會有不同的結構設計內容和要求，但是有些基本的結構設計要求是共通的，比如功能設計、質量設計和創新設計。功能設計是任何一種機械零件在結構設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的標準，才能夠保證零件的結構設計符合機械設備的基本需求。在保證技術功能的基礎上，還要確保機械零件結構設計的質量要求，質量直接關系到機械設備的運行性能和市場競爭力，也是機械結構設計的核心要求。在市場競爭力愈發激烈的時代背景下，創新是推動社會發展的重要驅動力。在機械結構設計中同樣如此，可通過結構設計變元等方法促進機械零件的優化提升，善于用創造性的思維進行結構設計的創新，通過不斷的嘗試推動結構設計水平的提升，進而促進機械制造業的進一步發展[3]。

但通常在面向具體合同訂單產品而言，達成用戶滿意是存在通用規則要求的，集中表現在以下幾個方面。

一是遵循機械結構設計服務與技術性能準則。技術性能通常涵蓋產品核心功能、從制造的難易程度影響加工工藝選擇到運行狀況是否穩定對調試工序要求等在內的一切相關性能指標。該準則要求能夠統籌考慮產品的靜態、動態性能。保證產品必須達到規定的要求。例如，設計產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、實現的加工位移大小，適應調整運動范圍等。

二是標準化互換性準則。與機械產品設計有關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計的整個過程中的采用行為，原則上均要優先遵循這一準則要求。結合目前已公布的機電行業常用設計相關的標準，按照其應用范圍一般可以分為國家標準、行業標準和企業標準三個等次。雖然在使用強制性上而言，有必須執行標準和推薦使用標準的兩種，但是在現代產品模塊化設計理念下，優先采用標準化互換性設計可以帶給用戶更好、更便捷的使用體驗，從而提升產品競爭力。

三是可靠性準則。既要求產品能夠滿足正常使用條件下使用時長即產品使用壽命滿足要求，還要求整個產品使用過程中各個組成部件能夠協調運行，保證產品各項參數指標的相對穩定。四是安全性準則。機械設計的安全性準則一般包括零件結構、裝配的安全性、整個產品運行的安全性、工位操作的安全性、使用環境安全性。

2 ?降低機械噪聲的結構設計措施

機械噪聲是機械設備中常見的故障現象之一，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構設計不合理造成的，所以為了控制和降低機械噪聲，可在結構設計過程中通過一定的技術手段對噪聲進行干預。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，但是對于部分機械設備而言，有些方法并不能從實質層面解決問題，反而會降低機械設備的運行效率，所以還需要在結構設計的角度進行合理優化調整[4]。

低噪聲結構設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，所以可將低噪聲結構設計和其他設計方式進行結合。經過相關的科學理論證明，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與低噪聲設計相結合，比如靜音鋼鐵在汽車結構設計中的應用，就可以有效降低噪聲和振動的產生。還可以根據機械產品的用途而有針對性的研發新材料，然后進行低噪聲結構設計優化。共振是產生機械噪聲的原因之一，在機械結構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高峰值，此時零部件就會突發振動，進而產生共振。共振會對機械設備產生一定的危害性，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化設計。在機械零件結構設計時，可在材料、重量、形狀、布置等方面進行調整，然后在組裝時對機械結構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

象[5]。通過對機械表層的輻射面進行優化也能夠達到降噪的目的，比如控制機械內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。

降低機械噪聲的結構設計常用措施大體可歸納為三個類型。

一是采取相應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構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，從而達到設備的隔音降噪效果。

二是對設備結構設計中加入吸聲結構要素，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，可結合設計安裝聲音處理設備來完成。該方法適用于如各種鼓風機、空氣壓縮機、內燃機等機械設備進排氣噪聲處理。根據噪聲頻譜的特性，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 ?降低機械磨損的結構設計措施

磨損是機械設備中較為常見的故障現象，磨損不僅會降低設備的運轉性能和產品的生產質量，同時還會降低設備的安全系數和使用壽命，所以在機械結構設計中應該制定相應的抗磨損措施。傳動結構磨損對機械設備有極大的危害性，長時間的磨損可能導致傳動結構斷裂，直接威脅到整個機械設備運行的安全性。傳動結構的磨損還會降低零部件之間配合的精準度，進而降低產品的生產質量，所以要優化機械結構設計，以期能夠最大限度的減緩機械設備運行中的磨損進程。然而摩擦現象在所有已知現實設備運行中無處不在，故降低機械磨損的結構設計只能不斷優化，無法完全消除或避免。

對于機構結構的抗磨損設計可從鏈傳動和齒輪傳動兩個大的方面進行優化調整。在鏈傳動結構中，鏈輪是主要的受力載體，在鏈條轉動的過程中如果出現磨損，極易在高速轉動的狀態下出現松動、移位或者斷裂的現象。為了改善鏈傳動的抗磨損設計，可從鏈輪齒數和鏈條節距兩個方面入手。為了提升鏈條和鏈輪之間的抗磨能力，應該選擇抗磨性能較強的材料。如果將鏈條齒數設計為奇數，則鏈節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險。鏈條節距的增大會增加鏈條與鏈輪之間的摩擦力，從而加劇磨損。所以在結構設計中根據相應的計算合理確定鏈條的節距，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構，通過齒輪嚙合實現動力的傳遞，同時也會對齒輪造成一定的磨損。在閉式齒輪傳動結構中，由于齒輪的接觸摩擦會提升摩擦面的溫度，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，同時經常添加潤滑油，減少齒輪間的摩擦[6]。

4 ?結語

隨著我國機械制造業水平的大幅提升，對機械零部件的質量和性能等方面有了更高的要求。結構設計作為機械制造的重要環節，其設計水平的高低不僅和零部件的質量、性能、安全系數有直接關系，同時也對生產成本、生產效率以及機械設備的整體運行狀態有很大的關聯。在結構設計環節需要進行綜合而全面的考量，從前期的功能實現到生產加工，從投入使用到后期的維護保養等等，都需要經過充分的論證和實驗，最終才能夠確定最佳的設計方案。在機械結構設計環節，要勇于創新，以先進的設計思維和理念為指導，促進機械零部件和產品的創新發展，同時也為促進我國機械制造業的進一步發展創造有利的條件。

參考文獻：

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