机械零件结构的创新方法体系研究

孙 凤¹，李春明^1,2，崔运静²，李万腾³

(1.中国石油大学（华东）中国石油大学胜利学院，山东 东营 257061)

(2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛 266580)

(3.山东大学机械工程学院，山东 济南 250061)

基金项目：山东省自然科学基金资助项目（Q2006A08）；中国石油大学胜利学院在线课程建设基金资助项目（XJKC201801）

作者简介：孙凤(1984—)，女，副教授，硕士，主要研究方向为机械设计制造及其自动化，344175631@qq.com.

通讯作者：李春明，男，教授，lchming@126.com.

摘要：零件结构是机械产品的皮肤，其创新是可见的，广告效应和产品附加值大。针对当前教科书理论体系存在的不足，从功能实现、产品全生命周期、脆性和弹性材料利用3个方面总结了零件结构创新的10类方法。整合出主要由创新人才、创造力及题目的定义，心理层面的创新方法，通用创新方法，机械产品的创新方法，机构组合、演化、穷举和宽泛的创新方法，零件结构的创新方法，创新实例分析等组成的机械创新方法理论体系。基于零件结构创新方法分析鲁班锁，其基本单元为运动副全部为移动副的四体机构。

关键词：机械；创新方法；零件结构；功能实现；产品全生命周期；鲁班锁

中图分类号：TE938；TH122   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0123-04

工程技术人员的创新能力培养是目前国家和高校普遍重视的问题。在大学课程体系中，继“机械原理”和“机械设计”之后的“机械创新设计”是培养学生创新能力的重要课程^［1-2］。在该课程中，零件结构的创新可明显改善机械的工作性能。

“机械原理”研究机构、活动构体（件）、固定构体、运动副、自由数（独立运动数）和动力学等。“机械设计”研究机构的具体形状，包括杆、盘、盖、箱体、机架、铰链、器、装置，以及零件的强度、刚度和失效等^［3］。根据运动原理，将机构和构体具体化为某个零件或部件的形状、尺寸、精度、材料、热处理方法、表面状态、连结方式、顺序、数量等具体结构方案的过程，称为零件的结构设计。在结构设计时，应综合考虑材料的力学性能、零部件的功能、工作条件、加工工艺、装配、使用、维护、回收、成本、安全、环保等各方面的要求。在满足使用功能的前提下，应基于优化理念，力求使零件的结构工艺简单、能量消耗少、成本小、使用方便、操作容易、寿命长等。

目前零件结构设计的创新方法要么片面套用创新方法，要么以例子为纲，既不全面，也不系统。本文理清本末，着眼普遍性，建立零件结构创新方法的理论体系。

1 研究进展

目前，零件结构（机械结构）创新方法的理论体系以4本专著或教材为最先进代表。文献^［4］以运动副和构体结构、结构集成化和产品模块化为研究对象组织该创新方法体系（如图1所示）。该体系与机构演化的创新方法和通用创新方法均有重复和交叉，容易引起混淆。