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

1、一、緒論機械零件的設(shè)計方法，可以從不同的角度做出分類。目前較為流行的分類方法是把過去長期采用的設(shè)計方法稱為常規(guī)的設(shè)計方法即傳統(tǒng)的設(shè)計方法，近幾十年發(fā)展起來的設(shè)計方法稱為現(xiàn)代設(shè)計方法。本文將將兩者進行比較。二、汽車零部件的傳統(tǒng)設(shè)計目前大中專院校所使用的機械原理教材，主要研究的是機構(gòu)的原理、運動分析和零部件的設(shè)計當前所采用的設(shè)計方法仍是以直覺設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計、靜態(tài)設(shè)計為基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計方法其不足之處是沒有把設(shè)計本身當作一門學科來對待，所使用的設(shè)計方法主要有1) 理論設(shè)計根據(jù)長期總結(jié)出來的設(shè)計理論和實驗數(shù)據(jù)所進行的設(shè)計稱為理論設(shè)計如對簡單受拉桿的強度設(shè)計設(shè)計強度計算式(T(Tlim/S或F/AW(Tli

2、m式中F：作用在桿上的外載荷A:拉桿的橫截面積urn:拉桿材料的極限應(yīng)力S:安全系數(shù)可以利用上面公式直接求解桿件必須的橫截面積，也可以按其他方法先初步設(shè)計桿件的橫截面尺寸，然后用強度計算公式去校核由于實際情況復雜多變，若安全系數(shù)選擇過大，則產(chǎn)品傻、大、粗若安全系數(shù)過小，則很難保證安全性2) 經(jīng)驗設(shè)計根據(jù)某類零件已有的設(shè)計方法與經(jīng)驗關(guān)系式，或根據(jù)設(shè)計者個人的工作經(jīng)驗用類比辦法所進行的設(shè)計叫經(jīng)驗設(shè)計隨著設(shè)計產(chǎn)品的技術(shù)系統(tǒng)越來越復雜。技術(shù)含量不斷提高，產(chǎn)品更新發(fā)展速度加快，經(jīng)驗類比的設(shè)計方法已不能滿足市場需要3)模型實驗設(shè)計對于一些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復雜的重要零件，尤其是一些重型整體機械零件，為了提

3、高設(shè)計質(zhì)量，可采用模型實驗設(shè)計的方法。即把初步設(shè)計的零部件或機器制成小模型或小尺寸樣機，經(jīng)過實驗的手段對其各方面的特性進行檢驗，根據(jù)實驗結(jié)果對設(shè)計進行逐步的修改，從而達到完善。這樣的設(shè)計過程叫做模型實驗設(shè)計。三、汽車零部件的現(xiàn)代設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計方法是新理論與計算機應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物它是以思維科學、設(shè)計理論系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，以方法論為手段，以計算機為工具的各種技術(shù)和程序的總和1） 機械零件的可靠性設(shè)計零件的可靠性設(shè)計是指在規(guī)定的時間內(nèi)、規(guī)定的條件下、完成規(guī)定功能的能力可靠性設(shè)計主要特征是將常規(guī)設(shè)計方法中所涉及的設(shè)計變量如材料強度、疲勞壽命、尺寸、應(yīng)力等，看成服從某種分布的隨機變量然后根據(jù)產(chǎn)品的可靠性指標

4、要求，用概率統(tǒng)計的方法得出零部件和元器件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸根據(jù)概率論的觀點，再孤立地講安全系數(shù)是沒有意義的，必須和對應(yīng)的可靠性聯(lián)系起來比如：按常規(guī)設(shè)計方法，安全系數(shù)大于1的零件是不應(yīng)該失效的，但在實際中，安全系數(shù)很大的零件也有發(fā)生失效的事件，這種現(xiàn)象從我們常規(guī)的設(shè)計方法是不能理解的，而從概率設(shè)計的觀點來講是完全合乎規(guī)律的.如將引起零件失效的因素統(tǒng)稱為“應(yīng)力”，用Sg示，則S可表示為各種失效因素，Si（i=1、2?、）的函數(shù)S=（s1，s2，?，s）同樣將零件抵抗失效的因素稱為“強度”，用r表示，則r可表示為各種影響強度的因素ri（i=1、2、?、）的函數(shù)r=g（rl，r2，?，rn）在可靠性

5、設(shè)計中，由于應(yīng)力訴口強度都是隨機變量，因此，判斷一個零件是否安全可靠，是以強度大于應(yīng)力S所發(fā)生的概率來表示的，其設(shè)計準則為R（£）=P（r>S）>R式中R（£）表示零件在運行中的安全概率，即可靠度.它是指零件在工作時間£內(nèi)的一種能力.R稱為零件的許用可靠度，它表示零件在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定的條件下實現(xiàn)設(shè)計要求的一種能力，即許用安全概率2） 機械零件的優(yōu)化設(shè)計按傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計方法，對絕大多數(shù)零件（如齒輪模數(shù)、齒數(shù)、輪齒寬、螺旋角等參數(shù)）所設(shè)計的結(jié)果盡管在剛度、強度兩方面可以滿足設(shè)計要求，但由于經(jīng)驗性和盲目性，而不能達到最優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化設(shè)計跳出了傳統(tǒng)的設(shè)計思想，

6、它是在符合一系列限制條件的前提下，求出滿足最優(yōu)效果的設(shè)計參數(shù)解，由于計算量大，在計算機出現(xiàn)前只是經(jīng)驗推斷，近年來該技術(shù)有了很快的發(fā)展這里借助一個例子簡單介紹幾個基本概念例設(shè)計一容積為v的無蓋圓柱筒，要求用料最省(1) 設(shè)計變量：設(shè)計中必須最后確定的各個參數(shù)如上例中圓柱筒底面半徑1，桶高2(2) 約束條件：各個變量從實際工程出發(fā)，其取值范圍所受到各種各樣的限制和條件約束可分為等式約束和不等式約束如上例中桶的容積V=兀122等式約束桶底圓半徑1>0不等式約束桶高z2>0不等式約束(3) 目標函數(shù)：目標函數(shù)是預期優(yōu)化目標中各設(shè)計變量關(guān)系的數(shù)學表達式如上例中，用料最省f(x)=兀12+2兀

7、12(4) 最優(yōu)化方法：最優(yōu)化問題也稱數(shù)學規(guī)劃問題，根據(jù)數(shù)學模型中是否包含約束條件分為無約束優(yōu)化問題和約束優(yōu)化問題常見無約束化方法有：一維搜索法、梯度法、牛頓法、共軛方向法常見約束優(yōu)化法有：約束一維搜索、可行方向法、懲罰函數(shù)法等如上例即可構(gòu)造懲罰函數(shù)求解1、23)機械零件的計算機輔助設(shè)計在主要是人工資料檢索、手工計算和繪圖的傳統(tǒng)設(shè)計中，往往需要較多的人力和較長的設(shè)計周期.特別是對一些復雜的計算及繪圖，只能采取近似計算及作圖，影響了設(shè)計的質(zhì)量.計算機輔助設(shè)計（CAD）可把人們的經(jīng)驗、智慧和創(chuàng)造力與計算機高速運算的功能有機地結(jié)合起來。有利于發(fā)揮人和機器的各自特長，大大加速設(shè)計進程.借助于CA廉統(tǒng)，

8、我們可以用精確計算代替近似計算，用計算機繪圖代替手工繪圖，從而使設(shè)計理論和結(jié)果日趨完善.四、汽車零部件傳統(tǒng)設(shè)計方法與現(xiàn)代設(shè)計方法的比較比較項目傳統(tǒng)設(shè)計方法現(xiàn)代設(shè)計方法設(shè)計的系統(tǒng)靜態(tài)的系統(tǒng)動態(tài)的系統(tǒng)設(shè)計方法主要是利用經(jīng)驗利用科學的方法設(shè)計手段手工設(shè)計計算機設(shè)計設(shè)計依據(jù)依據(jù)用戶對產(chǎn)品提出的功能、性能、質(zhì)量及成本要求來設(shè)計依據(jù)環(huán)境屬性與產(chǎn)品的基本屬性來設(shè)計設(shè)計人員很少考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性要求設(shè)計人員在產(chǎn)品構(gòu)思及設(shè)計階段必須考慮降低能耗、資源重復利用及環(huán)保設(shè)計在制造和使用中很少考慮在產(chǎn)品制造和使用中口拆卸易工藝產(chǎn)品回收、僅優(yōu)先考慮貴重回收、不產(chǎn)生毒副作用、保證金屬材料的回收產(chǎn)生最少的廢棄物設(shè)計為需求而設(shè)

9、計為需求和劃、境也設(shè)計、滿足口目的持續(xù)發(fā)展的要求設(shè)計傳統(tǒng)意義上的產(chǎn)品綠色產(chǎn)品出的產(chǎn)品五、汽車零部件設(shè)計方法的展望由于科學技術(shù)的急速發(fā)展和市場競爭的日益加劇，以CAD/CAE/CAM為代表的現(xiàn)代汽車零部件的設(shè)計方法正逐漸代替手工傳統(tǒng)的設(shè)計方法，許多汽車零部件的設(shè)計軟件不斷出現(xiàn)，這些大型軟件包含的設(shè)計內(nèi)容從零件建模到參數(shù)選取，尺寸計算，有限元分析到零件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計以及模擬仿真，通過建立虛擬樣機，縮短開發(fā)周期，節(jié)省設(shè)計成本。計算機在設(shè)計中的應(yīng)用已從早期的輔助分析計算和輔助繪圖，發(fā)展到現(xiàn)在的優(yōu)化設(shè)計、并行設(shè)計、三維建模、設(shè)計過程管理、設(shè)計制造一體化、仿真和虛擬制造等。特別是網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)

10、用，加快了設(shè)計進程，提高了設(shè)計質(zhì)量，方便了與其他部門或協(xié)作企業(yè)的信息交換。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、計算機輔助設(shè)計和計算等現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)不斷應(yīng)用到汽車零部件的設(shè)計領(lǐng)域中。在今后汽車零部件的設(shè)計領(lǐng)域，汽車零部件現(xiàn)代設(shè)計方法的地位將會顯得越來越重要！六、現(xiàn)代設(shè)計方法在實例中的應(yīng)用變速箱齒輪設(shè)計1）變速箱齒輪的設(shè)計準則：由于汽車變速箱各檔齒輪的工作情況是不相同的，所以按齒輪受力、轉(zhuǎn)速、噪聲要求等情況，應(yīng)該將它們分為高檔工作區(qū)和低檔工作區(qū)兩大類。齒輪的變位系數(shù)、壓力角、螺旋角、模數(shù)和齒頂高系數(shù)等都應(yīng)該按這兩個工作區(qū)進行不同的選擇。高檔工作區(qū)：通常是指三、四、五檔齒輪，它們

11、在這個區(qū)內(nèi)的工作特點是行車利用率較高，因為它們是汽車的經(jīng)濟性檔位。在高檔工作區(qū)內(nèi)的齒輪轉(zhuǎn)速都比較高，因此容易產(chǎn)生較大的噪聲，特別是增速傳動，但是它們的受力卻很小，強度應(yīng)力值都比較低，所以強度裕量較大，即使削弱一些小齒輪的強度，齒輪匹配壽命也在適用的范圍內(nèi)。因此，在高檔工作區(qū)內(nèi)齒輪的主要設(shè)計要求是降低噪聲和保證其傳動平穩(wěn)，而強度只是第二位的因素。低檔工作區(qū)：通常是指一、二、倒檔齒輪，它們在這個區(qū)內(nèi)的工作特點是行車利用率低，工作時間短，而且它們的轉(zhuǎn)速比較低，因此由于轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生的噪聲比較小。但是它們所傳遞的力矩卻比較大，輪齒的應(yīng)力值比較高。所以低檔區(qū)齒輪的主要設(shè)計要求是提高強度，而降低噪聲卻是次要的

12、。在高檔工作區(qū)，通過選用較小的模數(shù)、較小的壓力角、較大的螺旋角、較小的正角度變位系數(shù)和較大的齒頂高系數(shù)。通過控制滑動比的噪聲指標和控制摩擦力的噪聲指標以及合理選用總重合度系數(shù)、合理分配端面重合度和軸向重合度，以滿足現(xiàn)代變速箱的設(shè)計要求，達到降低噪聲、傳動平穩(wěn)的最佳效果。而在低檔區(qū)工作區(qū)，通過選用較大的模數(shù)、較大的壓力角、較小的螺旋角、較大的正角度變位系數(shù)和較小的齒頂高系數(shù)，來增大低檔齒輪的彎曲強度，以滿足汽車變速箱低檔齒輪的低速大扭矩的強度要求。以下將具體闡述怎樣合理選擇這些設(shè)計參數(shù)。2）變速箱各檔齒輪基本參數(shù)的選擇a、合理選用模數(shù)b、合理選用壓力角c、合理選用螺旋角d、合理選用正角度變位e、

13、提高齒頂高系數(shù)3）變速箱齒輪嚙合質(zhì)量指標的控制a、分析齒頂寬b、分析最小側(cè)隙c、分析重合度d、分析滑動比e、分析壓強比4）降低變速箱齒輪噪聲的設(shè)計a、控制滑動比的噪聲指標.cgdb0.1tn-cg1.0 ； d fadfa1db2，'2Asin二t一D'2-db'2;tn=：mndb一基圓直徑；db'-相配齒輪的基圓直徑；dfa-嚙合起始圓直徑；tn法向齒距；A齒輪中心距；D'相配齒輪的外徑；口t一端面壓力角；b、控制摩擦力的噪聲指標：RFc、控制重合度來降低噪聲d、采用小模數(shù)和小壓力角來降低噪聲5）變速箱齒輪強度的計算方法：6）ISO齒輪強度計算方法a

14、、齒面接觸強度計算b、輪齒彎曲強度計算7）變速箱齒輪的優(yōu)化設(shè)計：a、數(shù)學模型：設(shè)計變量：模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、齒寬、螺旋角、變位系數(shù)、中心距；約束條件：基本參數(shù)約束：模數(shù)系數(shù)限制、齒寬系數(shù)限制、螺旋角限制、壓力角限制、齒數(shù)限制；嚙合質(zhì)量約束：齒頂寬限制、重合度限制、壓強比限制、滑動比限制、主動輪根切限制、被動輪根切限制;強度約束：接觸強度限制、彎曲強度限制；目標函數(shù)：一檔齒輪：以中心距最小為目標；二、三、四、五、倒檔齒輪：在一檔優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，以齒寬最小為目標；優(yōu)化算法：增廣拉格朗日乘子法。b、約束條件：其通用的約束條件有以下一些(以下fu(x)為取x的符號)：為保證數(shù)學尺度一致，約束全部化為

15、與1比較?；緟?shù)限制：模數(shù)系數(shù)限制fU(Kmn)(0.8/Kmn-1)<0fU(Kmn)(KmJ1.5-1)<0即0.8<Kmn<1.5齒寬系數(shù)限制fu(Kc)(6.5/Kc-1)<0fu(Kc)(Kc/8.5-1)<0即6.5<Kc<8.5螺旋角限制fu(B)(25/(3-1)<0fu(B)(B/35-1)<0即25<B<35°壓力角FM制fu(an)(10/%n-1)<0fu(an)(an/20-1)<0即10°<an<20齒數(shù)限制-Z1<0運行質(zhì)量限制： 齒頂寬限制

16、fu(Sa)(0.3M/Sa-1)<0即Sa>0.3Mn重合度限制fU(Er)(1.15/Er-1)<0即Er>1.15壓強比限制fu(NN)(NN/1.5-1)<0即NN<1.5滑動比限制n/4+1<0即n<-4主動輪跟切限制fU(Xminl)(1-Xl/Xminl)<0即Xmin1<X1被動輪跟切限制fU(Xmin2)(1-X2/Xmin2)<0即Xmin2<X2強度限制：主動輪接觸強度限制-Sth1<0被動輪接觸強度限制-Sth2<0主動輪彎曲強度限制-Stf1<0被動輪彎曲強度限制-Stf2<

17、;0對倒檔齒輪，有兩對齒輪嚙合。在約束條件中應(yīng)加入保持輸入齒輪與輸出齒輪不產(chǎn)生干涉，即：(G1-da1+G：2-da2)/2+0.5)/A1-1)<0式中：G1da1一第一對嚙合齒輪中主動齒輪的齒頂圓直徑；G2da2一第二對嚙合齒輪中被動齒輪的齒頂圓直徑；這樣保證了輸入與輸出齒輪齒頂間差0.5毫米。對于各種約束，界面中都提供了懲罰調(diào)整系數(shù)的輸入。在初次計算后，可根據(jù)結(jié)果及其分析，判斷具體哪些約束較易滿足，哪些還沒有滿足，依此來調(diào)整各懲罰值，進行第二次運算。循環(huán)類似的工作，直至所構(gòu)造的空間曲面都較易找到一個極值點。c、目標函數(shù)：對于一檔齒輪，以中心距最小為目標。對齒輪的齒數(shù)先作為離散的變量

18、處理，在將第一次優(yōu)化的結(jié)果取整，將整數(shù)型的齒數(shù)作為固定參數(shù)，進行第二次優(yōu)化。對于二至五檔齒輪在中心距固定的情況下，即加一個等式約束：A/A1-1=0。進行以齒寬最小為目標的優(yōu)化計算。對齒數(shù)的處理類似一檔。d、初值選擇：對于一至五檔齒輪的優(yōu)化設(shè)計還提供了初值的選擇，而倒檔不提供是因為倒檔為兩對齒輪嚙合，不易給出合適的曲線。初值選擇的原理是，在給定的五個基本參數(shù)的情況下，可以在一個平面上分析另兩個參數(shù)間的關(guān)系。根據(jù)某個約束g(X)<0可以繪出這兩個參數(shù)滿足g(X)=0時的曲線。利用多個約束可以得到一組曲線，甚至可以得到一些封閉的區(qū)域。利用這些圖形可以方便直觀地得到一組合理的初值點。用戶可以選擇七個參數(shù)中的任意兩個分別作為橫坐標和縱坐標。并且提供了齒頂寬、重合度、滑動比、根切、壓強比、接觸強度和彎曲強度等七個主要約束，可以繪出這兩個參數(shù)能滿足這些約束的區(qū)域。8)殼體設(shè)計基于以上齒輪等設(shè)計硬點后,便可進行殼體輪廓設(shè)計,然后根據(jù)CA扮析方法進行輕量化設(shè)計工作.七、參考文獻【1】應(yīng)錦春,現(xiàn)代設(shè)計方法【M】.北京：機械工業(yè)出版社,2000.3【2】劉惟信,機械可靠性設(shè)計【M】.北京:清華大學出版社,1998【3】黃純穎,設(shè)計方法學【M】.北京:機械工業(yè)出版社，1992【4】王國強，常綠等.現(xiàn)代設(shè)計技術(shù).化學工業(yè)出版社，200