汽車零部件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之比較

1、汽車零部件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之比較目錄一 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法二 優(yōu)化設(shè)計(jì)三 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)四 有限元設(shè)計(jì)五 可靠性設(shè)計(jì)六 創(chuàng)新設(shè)計(jì)七 表面設(shè)計(jì)八 綠色設(shè)計(jì)九 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的比較十 參考文獻(xiàn)一 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法11.1 直覺設(shè)計(jì)古代的設(shè)計(jì)是一種直覺設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)人們或許是從自然現(xiàn)象中直接得到啟示，或是全憑人的直覺感官來設(shè)計(jì)制作工具。設(shè)計(jì)方案存在于手工藝人頭腦之中，無法記錄表達(dá)，產(chǎn)品也是比較簡(jiǎn)單的。直覺設(shè)計(jì)階段在人類歷史中經(jīng)歷了一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)期，17世紀(jì)以前基本上都屬于這一階段。1.2 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)隨著生產(chǎn)的發(fā)展，單個(gè)手工藝人的經(jīng)驗(yàn)或其或其頭腦中自己的構(gòu)思已經(jīng)難以滿足要求，因而促使手工藝者聯(lián)合起來互

2、相協(xié)作，逐漸出現(xiàn)了圖紙，并開始利用圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)。一部分經(jīng)驗(yàn)豐富的人將自己的經(jīng)驗(yàn)或構(gòu)思用圖紙表達(dá)出來，然后根據(jù)圖紙組織生產(chǎn)。圖紙的出現(xiàn)，既可使具有豐富經(jīng)驗(yàn)的手工藝人通過圖紙將其經(jīng)驗(yàn)或構(gòu)思記錄下來，傳于他人，便于用圖紙對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析、改進(jìn)和提高，推動(dòng)設(shè)計(jì)工作向前發(fā)展；還可以滿足更多的人同時(shí)參加統(tǒng)一產(chǎn)品的生產(chǎn)活動(dòng)，滿足社會(huì)對(duì)產(chǎn)品的需求及生產(chǎn)率額要求。因此，利用圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，使人類設(shè)計(jì)活動(dòng)由直接設(shè)計(jì)階段進(jìn)步到經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。1.3 半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) 20世紀(jì)以來，由于科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)設(shè)計(jì)的進(jìn)出理論研究和實(shí)驗(yàn)研究得到加強(qiáng)。隨著理論研究的深入和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，逐漸形成了一套半經(jīng)驗(yàn)半理論的設(shè)計(jì)方法。

3、這種方法以理論計(jì)算和長(zhǎng)期設(shè)計(jì)實(shí)踐而形成的經(jīng)驗(yàn)、公式、圖表、設(shè)計(jì)手冊(cè)等作為依據(jù)，通過經(jīng)驗(yàn)公式、近似系數(shù)或類比等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)這套方法進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)，稱為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。所謂“傳統(tǒng)”是指這套設(shè)計(jì)方法已沿用了很長(zhǎng)時(shí)間，直到現(xiàn)在仍被廣泛地采用這。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)又被稱為常規(guī)設(shè)計(jì)。二 優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)（optimal design）也叫最優(yōu)化設(shè)計(jì)，是從多種方案中選擇最佳方案的設(shè)計(jì)方法。它以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以電子計(jì)算機(jī)為輔助工具的一種設(shè)計(jì)方法。這種方法首先將設(shè)計(jì)問題按規(guī)定的格式建立數(shù)學(xué)模型，并選擇合適的優(yōu)化算法，選擇或編制計(jì)算機(jī)程序，然后通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)機(jī)械工程來說，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法使機(jī)械

4、設(shè)計(jì)的改進(jìn)和優(yōu)選速度大大提高。優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅應(yīng)用于產(chǎn)品成型后的再優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，而且已經(jīng)滲透到產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中。同時(shí)，它與可靠性設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)、有限元法等其他設(shè)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合取得了新的效果。三 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)1.1 CAD的概念1.1.1 CAD的定義計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer aided Design)是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，用各自的專業(yè)知識(shí)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行總體設(shè)計(jì)、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱。1.1.2 系統(tǒng)的功能幾何建模計(jì)算分析仿真試驗(yàn)繪圖及技術(shù)文檔生成工程數(shù)據(jù)庫的管理與共享1.1.3 CAD的作業(yè)過程CAD工作的主要內(nèi)容為：建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫： 產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫

5、用來存儲(chǔ)設(shè)計(jì)某類產(chǎn)品時(shí)所需的各種信息、如有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、線圖、表格、計(jì)算公式等。數(shù)據(jù)庫可供CAD作業(yè)時(shí)檢索和調(diào)用，也便于數(shù)據(jù)的管理及數(shù)據(jù)資源的共享。建立多功能交互式圖形程序庫： 這個(gè)圖形程序庫可以進(jìn)行二維、三維圖形的信息處理，能在此基礎(chǔ)上繪制二程設(shè)計(jì)圖樣、多種函數(shù)曲線、可進(jìn)行圖形變換和投影變換、可作三維幾何造型和形體的真實(shí)感處理。建立應(yīng)用程序庫： 編制及匯集解決某一類工程(或產(chǎn)品)設(shè)計(jì)問題的通用及專用設(shè)計(jì)程序。如通用數(shù)學(xué)程序、常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)程序、優(yōu)化設(shè)計(jì)程序、有限元計(jì)算程序等。1.1.3 CAD的作業(yè)過程設(shè)計(jì)模型定義工程分析計(jì)算滿意？結(jié) 果 輸 出NY數(shù)據(jù)庫程序庫圖形庫1.1.4 CAD的特點(diǎn)

6、6; 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期Ø 提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量Ø 降低生產(chǎn)成本Ø 便于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化Ø CAD是CAM和CAPP的前提和基礎(chǔ)1.1.5 CAD的發(fā)展過程CAD數(shù)據(jù)模型的發(fā)展我國(guó)CAD技術(shù)的應(yīng)用情況v CAD的集成化程度較低，很多企業(yè)的應(yīng)用仍停在繪圖、分析計(jì)算等單項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用上；v CAD系統(tǒng)的軟、硬件均依靠進(jìn)口，自主版權(quán)的軟件較少；v 缺少人才和技術(shù)力量，致使有些企業(yè)盡管引進(jìn)了CAD軟件系統(tǒng)，但其功能沒能充分的發(fā)揮。CAD的發(fā)展趨勢(shì)集成化集成化包括軟件硬件的集成、不同系統(tǒng)之間的集成、以及通過網(wǎng)絡(luò)多媒體數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)異地系統(tǒng)協(xié)同共享信息資源等。標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)

7、準(zhǔn)化指研究開發(fā)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布的產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn) 、制定網(wǎng)絡(luò)多媒體環(huán)境下數(shù)據(jù)信息的表示和傳輸標(biāo)準(zhǔn)、制定統(tǒng)一的國(guó)家CAD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。 網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化指充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，共享昂貴的設(shè)備；借助現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，用高性能的PC機(jī)代替昂貴的工作站；在網(wǎng)絡(luò)上方便地交換設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。 智能化智能化指將領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)歸納成必要的規(guī)則形成知識(shí)庫，再利用知識(shí)的推理機(jī)制進(jìn)行推理和判斷，以獲得設(shè)計(jì)專家水平的設(shè)計(jì)結(jié)果。1.1.6 CAD系統(tǒng)的類型檢索型CAD系統(tǒng)適用基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，有標(biāo)準(zhǔn)零部件和結(jié)構(gòu)可以借鑒的產(chǎn)品，即標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。如電機(jī)、泵、減速器等。建立系統(tǒng)時(shí)，首先把選定產(chǎn)品的有關(guān)設(shè)計(jì)資料如標(biāo)準(zhǔn)

8、圖形信息、加工工藝信息等存入計(jì)算機(jī)中，需要時(shí)輸入設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)自動(dòng)從所存儲(chǔ)的信息中把符合要求的信息檢索出來，以圖形或文件的形式輸出。缺點(diǎn)是當(dāng)不能完全滿足初始參數(shù)要求時(shí)，系統(tǒng)將無法輸出正確結(jié)果。計(jì)算型CAD系統(tǒng)也稱作自動(dòng)設(shè)計(jì)型CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員按設(shè)計(jì)要求輸入基本參數(shù)以后，無需或只需很少的人工干預(yù)，由計(jì)算機(jī)按照預(yù)先編制好的程序自動(dòng)地完成全部設(shè)計(jì)任務(wù)。適用于那些設(shè)計(jì)理論成熟、計(jì)算公式確定、設(shè)計(jì)步驟及判別標(biāo)準(zhǔn)清楚的產(chǎn)品。例如齒輪減速箱設(shè)計(jì)系統(tǒng)等。交互型CAD系統(tǒng)交互型CAD系統(tǒng)是指在設(shè)計(jì)時(shí)由設(shè)計(jì)人員與計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，人工干預(yù)方案決策、作出判斷及修改設(shè)計(jì)等，由設(shè)計(jì)人員與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一起互相配合工作、以

9、得到一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)。這種交互型CAD系統(tǒng)最適合目前工程實(shí)際中產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的任務(wù)，是目前應(yīng)用最普遍的一種CAD系統(tǒng)。例如AutoCAD、Prp/Engineer、SolidWorkS。四 有限元設(shè)計(jì)有限元分析在汽車工程方面的應(yīng)用1. 前言計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來越受到科技界和工程界的重視，在汽車工業(yè)研究中的應(yīng)用也越來越廣泛。在汽車產(chǎn)品的研發(fā)過程中，CAE已經(jīng)成為設(shè)計(jì)鏈中必須的條件，沒有CAE分析的設(shè)計(jì)就不能進(jìn)入下一個(gè)技術(shù)流程。新產(chǎn)品開涉及到的疲勞、壽命、振動(dòng)、噪聲等強(qiáng)度和剛度問題，可成熟地在設(shè)計(jì)階段解決，這樣就可以大幅度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省大

10、量開發(fā)費(fèi)用。本文通過對(duì)有限元分析在汽車工程方面的應(yīng)用的描述和分析，闡述了以有限元分析為代表的CAE技術(shù)在汽車工程的重要作用和影響，得出了CAE在汽車工業(yè)發(fā)展更加重要，影響未來汽車的發(fā)展趨勢(shì)！在汽車發(fā)展歷史上，至今還沒有什么技術(shù)能與CAE技術(shù)相比，為汽車企業(yè)帶來巨大的回報(bào)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，應(yīng)用CAE 技術(shù)后，新車開發(fā)期的費(fèi)用占開發(fā)成本的比例從80%90%下降到8%12%。例如：美國(guó)福特汽車公司2000年應(yīng)用CAE后，其新車型開發(fā)周期從36個(gè)月降低到1218個(gè)月；開發(fā)后期設(shè)計(jì)修改率減少50%；原型車制造和試驗(yàn)成本減少50%；投資收益提高50%。 汽車行業(yè)是一個(gè)高速發(fā)展的行業(yè)，其競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，在這種

11、情況下，新產(chǎn)品推出的速度也越來越快，這也對(duì)行業(yè)的CAE應(yīng)用提出了越來越高的要求。CAE技術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價(jià)值地位的技術(shù)保障，可以為企業(yè)帶來巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。22. 正文汽車工業(yè)代表著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的水平，它不僅是帶動(dòng)面最廣泛的工業(yè)，而且是高新技術(shù)的最大載體，一般航空、航天領(lǐng)域的高精尖技術(shù)只有通過汽車工業(yè)才能轉(zhuǎn)化為規(guī)模產(chǎn)業(yè)，所以汽車工業(yè)是或曾是幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。作為制造業(yè)的中堅(jiān)，汽車工業(yè)一直是CAE應(yīng)用的先鋒。CAE技術(shù)的應(yīng)用，有效地推動(dòng)了汽車制造業(yè)的前進(jìn)；汽車業(yè)的需求也極大地帶動(dòng)了CAE。多年來，汽車業(yè)的選型趨向一直是CAE技術(shù)發(fā)展的晴雨表，也是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的

12、焦點(diǎn)。CAE分析貫穿了汽車開發(fā)的全過程，小到螺栓預(yù)緊力分析，大到整車碰撞模擬和整車NVH（噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）分析，CAE分析都發(fā)揮了無可替代的優(yōu)勢(shì)和作用。CAE分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、被動(dòng)安全、工藝、整機(jī)合整車性能等方方面面。概括起來，目前汽車開發(fā)過程中的CAE分析主要包括以下幾個(gè)方面。32.1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)車身是轎車的關(guān)鍵總成，車身結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度以保證氣疲勞壽命，足夠的靜剛度以保證其裝配和使用要求，同時(shí)應(yīng)有合理的動(dòng)態(tài)特性達(dá)到控制振動(dòng)與噪聲的目的。有限元分析的方法能夠有效地滿足上述車身設(shè)計(jì)的要求。汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)于：一是在汽車設(shè)

13、計(jì)中對(duì)所有的結(jié)構(gòu)件、主要機(jī)械零部件的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析； 二是在汽車的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中，用有限元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具； 三是在汽車結(jié)構(gòu)分析中普遍采用有限元法來進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較真實(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過程，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)了提供方便。有限元分析在汽車結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用實(shí)踐證明可以從根本上提到車身設(shè)計(jì)水平，并降低研制周期和成本。42.2噪聲、振動(dòng)與不平順性(NVH)的有限元分析 NVH是評(píng)價(jià)車輛舒適性的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的市場(chǎng)形象。NVH分析有助于匹配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重各子系統(tǒng)的振動(dòng)頻率特性，以消除振動(dòng)過程中

14、耦合現(xiàn)象，從而改善產(chǎn)品的振動(dòng)特性。噪音、振動(dòng)分析包括動(dòng)力總成的缸體模態(tài)、點(diǎn)的傳遞函數(shù)、靜負(fù)荷強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)、BIW動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、整車各子系統(tǒng)的剛度頻率匹配等。雖然NVH的CAE技術(shù)起步較晚，NVH的建模方法以及計(jì)算還處在摸索階段。但隨著計(jì)算機(jī)的能力及容量的越來越強(qiáng)大，計(jì)算結(jié)果的精度越來越準(zhǔn)確，計(jì)算方法越來越科學(xué)性，CAE在汽車的NVH開發(fā)設(shè)計(jì)當(dāng)中所發(fā)揮的作用也越來越大。在汽車開發(fā)設(shè)計(jì)的初期，就以及開始了NVH的各項(xiàng)規(guī)劃，甚至在樣車完成之前或設(shè)計(jì)圖紙完成之前，通過對(duì)現(xiàn)有車型的對(duì)比，就可以預(yù)先得到新開發(fā)車型的NVH性能指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)及制造的各個(gè)環(huán)節(jié)加以優(yōu)化及完善。無論是從設(shè)計(jì)成本上，還是

15、從開發(fā)周期上考慮，都為車廠更快、更好地開發(fā)出新一代車型來提供了強(qiáng)有力的保障?？梢灶A(yù)測(cè)，NVH的CAE技術(shù)，在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)及改進(jìn)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，而其本身也會(huì)越來越成熟，成為人們進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)開發(fā)所不可或缺的工具。52.3碰撞與安全性分析私家汽車給人們帶來了便利，讓人們更充分的享受生活。隨著全世界汽車數(shù)量的迅速增加，汽車質(zhì)量、駕駛技術(shù)問題及道路狀況等多種因素合力作用結(jié)果，汽車交通事故已成為嚴(yán)重問題。聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織（WHO）提交的最新報(bào)告顯示：近幾年全球每年因交通事故造成死亡的人數(shù)多達(dá)約120萬，另外還有數(shù)百萬人在汽車事故中受傷致殘。面對(duì)這個(gè)嚴(yán)重的問題，各國(guó)的工程技術(shù)人員都在不遺余力的提

16、高汽車的安全性能。早期的被動(dòng)安全性研究主要是通過大量的試驗(yàn)來進(jìn)行，采用同樣的碰撞過程反復(fù)進(jìn)行，收集數(shù)據(jù)。這樣的試驗(yàn)方法需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。發(fā)達(dá)國(guó)家每次汽車安全性能的試驗(yàn)都需要手工打造幾十輛新車，人力、物力、財(cái)力都需要很大的消耗。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，原來不可能完成的大量參數(shù)有限元計(jì)算成為可能。有限元計(jì)算分析方法運(yùn)用到汽車的碰撞模擬仿真中，極大地降低了汽車的設(shè)計(jì)成本和研發(fā)周期，并且獲得更為精確的數(shù)據(jù)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步優(yōu)化。 汽車模擬碰撞分析的目的就是為了提高汽車被動(dòng)安全性能。對(duì)于汽車被動(dòng)安全性能的要求，一是在碰撞時(shí)，車身結(jié)構(gòu)、駕駛系統(tǒng)、座位等能吸收較高能量，緩和沖擊； 二是發(fā)生事故時(shí)，確保車內(nèi)

17、乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對(duì)乘員的保護(hù)功能，以保證乘員安全并在碰撞后容易進(jìn)行車外救助和脫險(xiǎn)。在汽車碰撞發(fā)生的極短時(shí)間內(nèi)，車身發(fā)生巨大的形變。這種形變伴隨著大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的幾何非線性，又有各種材料發(fā)生大應(yīng)變時(shí)所表現(xiàn)的物理非線性(材料非線性)。所以很難通過常規(guī)的數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行求解，進(jìn)行實(shí)體碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)很難進(jìn)行采集。本文論述了采用拉格朗日描述對(duì)物體的移動(dòng)建立數(shù)學(xué)模型。通過有限元方法將整車按區(qū)域進(jìn)行建模。并且將建立的整車有限元模型進(jìn)行整車偏置碰撞的模擬仿真，模擬了碰撞過程后車身的變形結(jié)果，得到了碰撞過程中模型的能量與速度變化曲線。從而直觀地掌握了汽車在碰撞過程中能量等參數(shù)的變化情況

18、。將有限元方法運(yùn)用在汽車碰撞問題的分析中，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)安全性的改進(jìn)有一定指導(dǎo)意義。2.4整車性能的分析評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè) 在IDEAS CAE模塊中建立整車模型，通過強(qiáng)度、剛度計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)部件之間、各個(gè)系統(tǒng)的力的傳動(dòng)關(guān)系，檢驗(yàn)與設(shè)計(jì)目標(biāo)是否相符；通過模態(tài)分析，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的頻率分布，指導(dǎo)NVH設(shè)計(jì)。結(jié)合Nastran SOL200 可以同時(shí)考慮模態(tài)、整體剛度、關(guān)鍵部位強(qiáng)度對(duì)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)靈敏度等進(jìn)行計(jì)算，在保證強(qiáng)度的前提下，進(jìn)行減重設(shè)計(jì)、部件優(yōu)化。2.5 結(jié)論 至今為止，世界上許多大的汽車公司都采用了CAE技術(shù)。通過在開發(fā)過程中開展CAE工作，提高了產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約了

19、產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)費(fèi)。概括起來，采用CAE的優(yōu)點(diǎn)如下： 1、 采用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）手段，可以在樣品、樣車之前，模擬零部件甚至整車的性能和工作狀況，避免傳統(tǒng)上的設(shè)計(jì)試制測(cè)試改進(jìn)設(shè)計(jì)再試制的重復(fù)過程。減少了時(shí)間上的浪費(fèi)、縮短了開發(fā)周期，減少了人力、物力和財(cái)力上的消耗而減低開發(fā)費(fèi)用。 2、 國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)部門隨著三維設(shè)計(jì)的普及，為開展CAE工作奠定了基礎(chǔ)，使開展同時(shí)工程成為可能；同時(shí)，在開發(fā)過程中應(yīng)用CAE技術(shù)，也改變了CAD在開發(fā)中只進(jìn)行幾何模型定義，在開發(fā)同時(shí)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)。 3、 在產(chǎn)品開發(fā)過程中開展CAE工作，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性分析、缺少定量數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法，使產(chǎn)品減重、性能

20、優(yōu)化成為可能；同時(shí)，采用CAE計(jì)算能在短時(shí)間內(nèi)嘗試和比較更多的設(shè)計(jì)方案，因而有可能獲得較佳甚至最優(yōu)的設(shè)計(jì)而提高開發(fā)質(zhì)量五 可靠性設(shè)計(jì)汽車變速器可靠性設(shè)計(jì)研究前言汽車變速器是整個(gè)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中相對(duì)關(guān)鍵的一個(gè)部件，其設(shè)計(jì)的好與壞將直接影響汽車實(shí)際使用性能，文章對(duì)汽車變速器的可靠性設(shè)計(jì)做了理論上的推導(dǎo)，最后還對(duì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法的具體運(yùn)用提出了一個(gè)可操作框架。汽車的發(fā)展史上，機(jī)械式齒輪變速器有著主要的地位，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)，瞬時(shí)傳動(dòng)系數(shù)為一個(gè)常量、效率高，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)工藝成熟通用，保養(yǎng)便捷。因此機(jī)械式齒輪變速器是目前運(yùn)用廣泛的汽車變速器。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，新技術(shù)的不斷運(yùn)用，自動(dòng)變速器和

21、無極變速器在汽車上也大量運(yùn)用，它們的操作簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，使得機(jī)械式齒輪變速器的市場(chǎng)占有率逐步下降。但近來AMT技術(shù)的出現(xiàn)又為機(jī)械式齒輪變速器帶來了新的活力，因此對(duì)于機(jī)械式齒輪變速器的研究還是有一定意義的。針對(duì)以上分析，文章對(duì)汽車機(jī)械式變速器的可靠性設(shè)計(jì)做相關(guān)研究6。1.相關(guān)研究1.1機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析是指為滿足機(jī)械產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的功能性設(shè)計(jì)。目前世界上已廣泛使用的如故障模式及影響分析、故障樹分析、可靠性預(yù)測(cè)、概率設(shè)計(jì)等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法及手段在國(guó)內(nèi)的可靠性設(shè)計(jì)方面應(yīng)用還不充分。分析系統(tǒng)研制階段的主要任務(wù)，并結(jié)合工程實(shí)際中開展可靠性設(shè)計(jì)分析工作的經(jīng)驗(yàn)可知，各種可靠性設(shè)計(jì)分析

22、工作主要集中在技術(shù)指標(biāo)論證階段、方案論證階段和工程研制階段，包括可靠性要求制定、可靠性建模、預(yù)計(jì)分配、故障模式影響、危害性分析、故障樹分析和可靠性仿真分析等。可靠性設(shè)計(jì)分析工作從宏觀上可以分為定性設(shè)計(jì)分析和定量設(shè)計(jì)分析，可靠性定性分析方法相對(duì)應(yīng)用廣泛，并且得到了工程驗(yàn)證，而定量設(shè)計(jì)分析的方法則是機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)分析中的難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，特別是在數(shù)字化環(huán)境中如何利用CAD/CAE工具進(jìn)行定量的機(jī)械可靠性參數(shù)設(shè)計(jì)也是今后重要的發(fā)展方向7。1.2汽車變速器相關(guān)研究對(duì)機(jī)械式變速器來說，在最大傳動(dòng)比的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)需要將負(fù)荷最大爬坡度、低檔最大動(dòng)力輸出、最大附著力輸出以及最低穩(wěn)定車速輸出當(dāng)作設(shè)計(jì)的約束條件。

23、汽車機(jī)械式變速器最小和最大傳動(dòng)比確定后，還需要確定中間各檔的傳動(dòng)比。通常，中間各檔傳動(dòng)比的確定需要考慮較多的因素，實(shí)現(xiàn)起來有一定的難度，設(shè)計(jì)者一般采用以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。從理論上來說，檔位增多可以優(yōu)化汽車的整體動(dòng)力燃油比，但如果變速器前進(jìn)檔位超過5個(gè)時(shí)，會(huì)使整個(gè)變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，操作者的操縱也相應(yīng)變得復(fù)雜，因此，機(jī)械式變速器檔位通常不超過5個(gè)。從以上分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于變速器每個(gè)檔位具體傳動(dòng)比的分配目前還沒有一個(gè)可以量化、精確化的操作方法，都是經(jīng)驗(yàn)來確定的具體比值，不符合設(shè)計(jì)過程的嚴(yán)謹(jǐn)性，存在明顯缺陷。伴隨著設(shè)計(jì)方法的主觀因素大，在評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方法上，同樣還沒有一個(gè)量化可行的評(píng)價(jià)模式。文章針對(duì)以

24、上問題，通過理論推導(dǎo)，提出了一種機(jī)械式變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。2.汽車變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1目標(biāo)函數(shù)中心距最小，是為了最小化一對(duì)齒輪間的徑向尺寸，從而采取實(shí)際中心距最小作為優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)思路，其目標(biāo)函數(shù)為f=acost/cos't。在上式中a為理論值，t為端面壓力角值，cos't為端面嚙合角值8。最大重合度，是以給定的中心距為前提，齒輪嚙合平穩(wěn)煤炭技術(shù)基本混合遺傳算法流程框架的條件下，目標(biāo)使一對(duì)斜齒圓柱齒輪擁有較大的度量值，其目標(biāo)函數(shù)為f=1/+1 1。上式中：為端面重合值，為軸向重合值。體積最小，是一般機(jī)械設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)，具體到機(jī)械式齒輪變速器上就是要求在一定承載能力前提下

25、，使一對(duì)齒輪體積為最小。其中目標(biāo)函數(shù)為f=4×d2a1+d2a21 1×b，式中da1是小齒輪分度圓的直徑，da2是大齒輪分度圓的直徑，b是齒輪寬度。驅(qū)動(dòng)功率極限發(fā)揮率，是在結(jié)合每個(gè)檔位使用頻率不同的情況下，不同的使用條件對(duì)速比值，其目標(biāo)函數(shù)為Pdlim=Pemaxvmax-vmin1 1-ni=1wiwAiPemaxvmax-vmin1 1，上式中Pdlim為功率發(fā)揮極限率，Pemax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出功率，vmax為最大車速，vmin為最小車速，Ai為計(jì)算系數(shù)，wi為第i檔的利用率系數(shù)，w為各檔利用率系數(shù)平均值。2.2約束條件2.2.1最大傳動(dòng)比約束條件最大傳動(dòng)比定義為

26、：變速器I檔傳動(dòng)比i1和主減速器傳動(dòng)比i0的積。它受汽車路面的附著力和汽車最大爬坡度兩個(gè)條件影響，其推導(dǎo)如下：由驅(qū)動(dòng)輪與路面附著條件得：i1G2rrTemaxi0；得到約束條件：g11X 1=i1-G2rrTemaxi00；根據(jù)最大爬坡度：i1mg fcosmax+sinmax1 1rrTemaxi0T；則有：g21X1=mg fcosmax+sinmax1 1rrTemaxi0T-i10；在以上條件中，cosmax為最大爬坡度，取值為16.7°g為道路滾動(dòng)系數(shù)；為附著系數(shù)；T為機(jī)械效率；G2為最大載荷；m為汽車質(zhì)量；Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；rr為車輪半徑。2.2.2中心距A約束

27、條件中心距是機(jī)械式齒輪變速器的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)值，它影響著變速器的最終設(shè)計(jì)體積。其設(shè)計(jì)思想是：在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩與變速器最大傳動(dòng)比的值最大的條件，要盡可能的減小中心距A的值。有以下經(jīng)驗(yàn)公式：A=KA·Temaxi1g3于是得到A的約束條件為：g111X1=KAmin·0.96Temaxi13-mn1z1+z21 12cos10g121X1=mn1z1+z21 12cos1-KAmax·0.96Temaxi1302.2.3斜齒輪軸向的重迭系數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)如果要滿足斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性，在量化上就體現(xiàn)出斜齒輪傳動(dòng)軸向重迭系數(shù)大于或者等于1。即：=bsi

28、nmn1，則有以下約束條件：g231X1=mn1-bsin10；g241X 1=mn2-bsin20；g251X 1=mn3-bsin30；g261X 1=mn4-bsin40；g271X 1=mn5-bsin50。2.2.4可靠性條件機(jī)械式齒輪變速器的每對(duì)嚙合齒輪都必須滿足接觸抗疲勞可靠性條件，單一的齒輪齒根彎曲均需要滿足疲勞強(qiáng)度可靠性條件，所以齒輪的組合也需要滿足疲勞強(qiáng)度可靠性條件。齒輪的可靠性約束條件參照GB 3480-2007要求。2.3優(yōu)化運(yùn)用算法概述系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論近幾年發(fā)展迅速，對(duì)于約束問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)也層出不窮，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)融合等新技術(shù)、新理論的運(yùn)用，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)更加科學(xué)

29、。但它們也存在一定的不完善性，使其應(yīng)用受到限制。許多諸如隨機(jī)試驗(yàn)法、可行方向法等優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，雖然程序結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不能全面解決優(yōu)化問題，容易出現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的返古現(xiàn)象。文章提出了一種混合遺傳算法，它包括了遺傳算法與傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)法兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有收斂快，運(yùn)用范圍更廣的優(yōu)點(diǎn)。3結(jié)束語隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，人們對(duì)汽車的操作性要求的提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展為汽車設(shè)計(jì)解決了許多設(shè)計(jì)難題。但是，在汽車變速器的設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)單的用靜態(tài)設(shè)計(jì)與類比設(shè)計(jì)。經(jīng)過多年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，在性能與成本等方面都有許多問題。因此，需要更多的加入信息技術(shù)在設(shè)計(jì)中的參與程度，最重要的是增加計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以及新理論

30、、新方法的具體應(yīng)用。六 創(chuàng)新設(shè)計(jì)現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的生命在于創(chuàng)新, 現(xiàn)代汽車的完善和發(fā)展離不開整合。面臨著汽車設(shè)計(jì)周期越來越短，制造成本居高不下，產(chǎn)業(yè)投資有增無減，市場(chǎng)開拓難度越來越大，已經(jīng)不是純?cè)O(shè)計(jì)問題，更不是單靠技術(shù)手段所能解決的，需要考慮汽車生命周期內(nèi)的許多實(shí)際問題，需要依靠成熟的技術(shù)經(jīng)濟(jì)體系的強(qiáng)大支撐，需要以效費(fèi)比的高低來衡量?，F(xiàn)代汽車的創(chuàng)新整合設(shè)計(jì)是個(gè)大的系統(tǒng)工程，涉及產(chǎn)品戰(zhàn)略、市場(chǎng)營(yíng)銷、信息反饋、環(huán)境保護(hù)、材料回收等方面，已不同于傳統(tǒng)意義的開環(huán)系統(tǒng)，而屬于受控、可調(diào)的閉環(huán)系統(tǒng)。不僅對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更新、更全面的要求，而且還對(duì)企業(yè)管理層和領(lǐng)導(dǎo)層均提出了更高的要求，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化帶動(dòng)汽車產(chǎn)

31、品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步和持續(xù)發(fā)展，全力提升中國(guó)汽車工業(yè)科技、產(chǎn)能、效益的競(jìng)爭(zhēng)力。 現(xiàn)代汽車開發(fā)不單以應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料多少作為衡量其先進(jìn)性的指標(biāo)，而且還以創(chuàng)新性，以及應(yīng)用了多少成熟技術(shù)、成熟工藝、成熟材料等確保其可靠性、可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性來衡量?？梢赃@樣認(rèn)為，現(xiàn)代汽車開發(fā)既需要?jiǎng)?chuàng)新理論的指導(dǎo)，先進(jìn)技術(shù)的領(lǐng)航，更離不開成熟的技術(shù)經(jīng)濟(jì)體系的支撐。其中，創(chuàng)新整合設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，其直接影響整車開發(fā)周期的長(zhǎng)短、性能的優(yōu)劣和效費(fèi)比的高低。七 表面設(shè)計(jì)9 表面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是表面工程，表面工程的定義是將材料表面與基體一起作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，利用表面工程技術(shù)（包括表面轉(zhuǎn)換技術(shù)，薄膜技術(shù)，涂、鍍層技術(shù)三大

32、領(lǐng)域），使材料表面獲得各種所需要的功能，極大地提高了各種產(chǎn)品抵抗環(huán)境（如運(yùn)行環(huán)境和自然環(huán)境）侵蝕的能力。它能調(diào)整表面摩擦磨損特性并賦予表面特殊需要的物理化學(xué)等方面的特用功能，達(dá)到提高產(chǎn)品技術(shù)含量，滿足產(chǎn)品高技術(shù)性能要求，提高可靠性，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命等目的。八 綠色設(shè)計(jì)9綠色設(shè)計(jì)（green design）也稱生態(tài)設(shè)計(jì)（ecological design）、環(huán)境設(shè)計(jì)（design for environment）或環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)（environment conscious design）。在零部件整個(gè)生命周期內(nèi)，著重考慮的是零部件的環(huán)境屬性（如可拆性、可回收性、可維護(hù)性、可重復(fù)利用性等），并將其作

33、為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在滿足環(huán)境目標(biāo)要求的同時(shí)，保證零部件應(yīng)有的功能、使用壽命和質(zhì)量等要求。綠色設(shè)計(jì)零部件的特征有：技術(shù)先進(jìn)性、材料資源利用最優(yōu)性、人-機(jī)和諧性、良好的可拆性、多生命周期性、經(jīng)濟(jì)性等。九 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的比較1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)、試湊、靜態(tài)、定性分析、手工勞動(dòng)為特征，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)質(zhì)量差、設(shè)計(jì)費(fèi)用高，產(chǎn)品缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比較，現(xiàn)代設(shè)計(jì)主要有以下特點(diǎn)：（1） 系統(tǒng)性。現(xiàn)代設(shè)計(jì)采用邏輯的、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。目前有兩種體系：一種是美國(guó)倡導(dǎo)的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)學(xué)，在知識(shí)、手段和方法不充分的條件下，運(yùn)用創(chuàng)造技法，充分發(fā)揮想象，進(jìn)行辯證思維，形成新的構(gòu)思和設(shè)計(jì)。一種是德國(guó)倡導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法學(xué)，用從抽象到具體的發(fā)散思維，以“功能-原理-結(jié)構(gòu)”框架為模型的橫向變異和縱向綜合，用計(jì)算機(jī)構(gòu)造多種方案，評(píng)價(jià)決策選出最優(yōu)方案。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是經(jīng)驗(yàn)、類比的設(shè)計(jì)方法，用收斂的思維方法過早地進(jìn)入具體方案，對(duì)功能原理的分析既不充分也不系統(tǒng)，不強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，也很難得到最優(yōu)方案。（2） 社會(huì)性。現(xiàn)代設(shè)計(jì)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)擴(kuò)展到整個(gè)生命周期，發(fā)展了“面向X”技術(shù)，即在設(shè)計(jì)過程中同時(shí)考慮制造、維修、成本、包裝運(yùn)輸、回收、質(zhì)量等因素?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)開發(fā)新產(chǎn)品的整個(gè)過程，從產(chǎn)品的概念形成到報(bào)廢處理的全壽命周期中所有問題，都要以面向社會(huì)、面向市場(chǎng)為主導(dǎo)思想全面考慮解決。設(shè)計(jì)過程中的功能分析、原理方案確