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

1、一、緒論機(jī)械零件的設(shè)計(jì)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(jì)方法稱為常規(guī)的設(shè)計(jì)方法即傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，近幾十年發(fā)展起來的設(shè)計(jì)方法稱為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。本文將將兩者進(jìn)行比較。二、汽車零部件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)目前大中專院校所使用的機(jī)械原理教材，主要研究的是機(jī)構(gòu)的原理、運(yùn)動(dòng)分析和零部件的設(shè)計(jì)當(dāng)前所采用的設(shè)計(jì)方法仍是以直覺設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、靜態(tài)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法其不足之處是沒有把設(shè)計(jì)本身當(dāng)作一門學(xué)科來對(duì)待，所使用的設(shè)計(jì)方法主要有1) 理論設(shè)計(jì)根據(jù)長期總結(jié)出來的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)稱為理論設(shè)計(jì)如對(duì)簡單受拉桿的強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)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(jì)桿件的橫截面尺寸，然后用強(qiáng)度計(jì)算公式去校核由于實(shí)際情況復(fù)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(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)某類零件已有的設(shè)計(jì)方法與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，或根據(jù)設(shè)計(jì)者個(gè)人的工作經(jīng)驗(yàn)用類比辦法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)叫經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)隨著設(shè)計(jì)產(chǎn)品的技術(shù)系統(tǒng)越來越復(fù)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(yàn)類比的設(shè)計(jì)方法已不能滿足市場(chǎng)需要3)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于一些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜的重要零件，尤其是一些重型整體機(jī)械零件，為了提

3、高設(shè)計(jì)質(zhì)量，可采用模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。即把初步設(shè)計(jì)的零部件或機(jī)器制成小模型或小尺寸樣機(jī)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)其各方面的特性進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行逐步的修改，從而達(dá)到完善。這樣的設(shè)計(jì)過程叫做模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。三、汽車零部件的現(xiàn)代設(shè)計(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是新理論與計(jì)算機(jī)應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物它是以思維科學(xué)、設(shè)計(jì)理論系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，以方法論為手段，以計(jì)算機(jī)為工具的各種技術(shù)和程序的總和1） 機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)零件的可靠性設(shè)計(jì)是指在規(guī)定的時(shí)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(jì)主要特征是將常規(guī)設(shè)計(jì)方法中所涉及的設(shè)計(jì)變量如材料強(qiáng)度、疲勞壽命、尺寸、應(yīng)力等，看成服從某種分布的隨機(jī)變量然后根據(jù)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)

4、要求，用概率統(tǒng)計(jì)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(diǎn)，再孤立地講安全系數(shù)是沒有意義的，必須和對(duì)應(yīng)的可靠性聯(lián)系起來比如：按常規(guī)設(shè)計(jì)方法，安全系數(shù)大于1的零件是不應(yīng)該失效的，但在實(shí)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(jì)方法是不能理解的，而從概率設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)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(qiáng)度”，用r表示，則r可表示為各種影響強(qiáng)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(jì)中，由于應(yīng)力訴口強(qiáng)度都是隨機(jī)變量，因此，判斷一個(gè)零件是否安全可靠，是以強(qiáng)度大于應(yīng)力S所發(fā)生的概率來表示的，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為R（£）=P（r>S）>R式中R（£）表示零件在運(yùn)行中的安全概率，即可靠度.它是指零件在工作時(shí)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(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的一種能力，即許用安全概率2） 機(jī)械零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)按傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，對(duì)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(jì)的結(jié)果盡管在剛度、強(qiáng)度兩方面可以滿足設(shè)計(jì)要求，但由于經(jīng)驗(yàn)性和盲目性，而不能達(dá)到最優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)跳出了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)解，由于計(jì)算量大，在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)前只是經(jīng)驗(yàn)推斷，近年來該技術(shù)有了很快的發(fā)展這里借助一個(gè)例子簡單介紹幾個(gè)基本概念例設(shè)計(jì)一容積為v的無蓋圓柱筒，要求用料最省(1) 設(shè)計(jì)變量：設(shè)計(jì)中必須最后確定的各個(gè)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(gè)變量從實(shí)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(biāo)函數(shù)：目標(biāo)函數(shù)是預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)中各設(shè)計(jì)變量關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)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(xué)規(guī)劃問題，根據(jù)數(shù)學(xué)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(jī)械零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在主要是人工資料檢索、手工計(jì)算和繪圖的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往需要較多的人力和較長的設(shè)計(jì)周期.特別是對(duì)一些復(fù)雜的計(jì)算及繪圖，只能采取近似計(jì)算及作圖，影響了設(shè)計(jì)的質(zhì)量.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）可把人們的經(jīng)驗(yàn)、智慧和創(chuàng)造力與計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算的功能有機(jī)地結(jié)合起來。有利于發(fā)揮人和機(jī)器的各自特長，大大加速設(shè)計(jì)進(jìn)程.借助于CA廉統(tǒng)，

8、我們可以用精確計(jì)算代替近似計(jì)算，用計(jì)算機(jī)繪圖代替手工繪圖，從而使設(shè)計(jì)理論和結(jié)果日趨完善.四、汽車零部件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的比較比較項(xiàng)目傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)靜態(tài)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要是利用經(jīng)驗(yàn)利用科學(xué)的方法設(shè)計(jì)手段手工設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)依據(jù)依據(jù)用戶對(duì)產(chǎn)品提出的功能、性能、質(zhì)量及成本要求來設(shè)計(jì)依據(jù)環(huán)境屬性與產(chǎn)品的基本屬性來設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人員很少考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性要求設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品構(gòu)思及設(shè)計(jì)階段必須考慮降低能耗、資源重復(fù)利用及環(huán)保設(shè)計(jì)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(jì)為需求而設(shè)

9、計(jì)為需求和劃、境也設(shè)計(jì)、滿足口目的持續(xù)發(fā)展的要求設(shè)計(jì)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(jì)方法的展望由于科學(xué)技術(shù)的急速發(fā)展和市場(chǎng)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(jì)方法正逐漸代替手工傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，許多汽車零部件的設(shè)計(jì)軟件不斷出現(xiàn)，這些大型軟件包含的設(shè)計(jì)內(nèi)容從零件建模到參數(shù)選取，尺寸計(jì)算，有限元分析到零件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及模擬仿真，通過建立虛擬樣機(jī)，縮短開發(fā)周期，節(jié)省設(shè)計(jì)成本。計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已從早期的輔助分析計(jì)算和輔助繪圖，發(fā)展到現(xiàn)在的優(yōu)化設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、三維建模、設(shè)計(jì)過程管理、設(shè)計(jì)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(jì)中的應(yīng)

10、用，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，提高了設(shè)計(jì)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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算等現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)不斷應(yīng)用到汽車零部件的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中。在今后汽車零部件的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，汽車零部件現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的地位將會(huì)顯得越來越重要！六、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在實(shí)例中的應(yīng)用變速箱齒輪設(shè)計(jì)1）變速箱齒輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(gè)工作區(qū)進(jìn)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(gè)區(qū)內(nèi)的工作特點(diǎn)是行車?yán)寐瘦^高，因?yàn)樗鼈兪瞧嚨慕?jīng)濟(jì)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(dòng)，但是它們的受力卻很小，強(qiáng)度應(yīng)力值都比較低，所以強(qiáng)度裕量較大，即使削弱一些小齒輪的強(qiáng)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(jì)要求是降低噪聲和保證其傳動(dòng)平穩(wěn)，而強(qiáng)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?cè)谶@個(gè)區(qū)內(nèi)的工作特點(diǎn)是行車?yán)寐实?，工作時(shí)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(jì)要求是提高強(qiáng)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(dòng)比的噪聲指標(biāo)和控制摩擦力的噪聲指標(biāo)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(jì)要求，達(dá)到降低噪聲、傳動(dòng)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(qiáng)度，以滿足汽車變速箱低檔齒輪的低速大扭矩的強(qiáng)度要求。以下將具體闡述怎樣合理選擇這些設(shè)計(jì)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(biāo)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(dòng)比e、分析壓強(qiáng)比4）降低變速箱齒輪噪聲的設(shè)計(jì)a、控制滑動(dòng)比的噪聲指標(biāo).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(biāo)：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(qiáng)度的計(jì)算方法：6）ISO齒輪強(qiáng)度計(jì)算方法a

14、、齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算b、輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算7）變速箱齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)：a、數(shù)學(xué)模型：設(shè)計(jì)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(qiáng)比限制、滑動(dòng)比限制、主動(dòng)輪根切限制、被動(dòng)輪根切限制;強(qiáng)度約束：接觸強(qiáng)度限制、彎曲強(qiáng)度限制；目標(biāo)函數(shù)：一檔齒輪：以中心距最小為目標(biāo)；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(biāo)；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(hào))：為保證數(shù)學(xué)尺度一致，約束全部化為

15、與1比較。基本參數(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(yùn)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(qiáng)比限制fu(NN)(NN/1.5-1)<0即NN<1.5滑動(dòng)比限制n/4+1<0即n<-4主動(dòng)輪跟切限制fU(Xminl)(1-Xl/Xminl)<0即Xmin1<X1被動(dòng)輪跟切限制fU(Xmin2)(1-X2/Xmin2)<0即Xmin2<X2強(qiáng)度限制：主動(dòng)輪接觸強(qiáng)度限制-Sth1<0被動(dòng)輪接觸強(qiáng)度限制-Sth2<0主動(dòng)輪彎曲強(qiáng)度限制-Stf1<0被動(dòng)輪彎曲強(qiáng)度限制-Stf2<

17、;0對(duì)倒檔齒輪，有兩對(duì)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(duì)嚙合齒輪中主動(dòng)齒輪的齒頂圓直徑；G2da2一第二對(duì)嚙合齒輪中被動(dòng)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(duì)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(jì)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(jìn)行第二次運(yùn)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(gè)極值點(diǎn)。c、目標(biāo)函數(shù)：對(duì)于一檔齒輪，以中心距最小為目標(biāo)。對(duì)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(jìn)行第二次優(yōu)化。對(duì)于二至五檔齒輪在中心距固定的情況下，即加一個(gè)等式約束：A/A1-1=0。進(jìn)行以齒寬最小為目標(biāo)的優(yōu)化計(jì)算。對(duì)齒數(shù)的處理類似一檔。d、初值選擇：對(duì)于一至五檔齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)還提供了初值的選擇，而倒檔不提供是因?yàn)榈箼n為兩對(duì)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(gè)基本參數(shù)的情況下，可以在一個(gè)平面上分析另兩個(gè)參數(shù)間的關(guān)系。根據(jù)某個(gè)約束g(X)<0可以繪出這兩個(gè)參數(shù)滿足g(X)=0時(shí)的曲線。利用多個(gè)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(diǎn)。用戶可以選擇七個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)分別作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。并且提供了齒頂寬、重合度、滑動(dòng)比、根切、壓強(qiáng)比、接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等七個(gè)主要約束，可以繪出這兩個(gè)參數(shù)能滿足這些約束的區(qū)域。8)殼體設(shè)計(jì)基于以上齒輪等設(shè)計(jì)硬點(diǎn)后,便可進(jìn)行殼體輪廓設(shè)計(jì),然后根據(jù)CA扮析方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)工作.七、參考文獻(xiàn)【1】應(yīng)錦春,現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法【M】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.3【2】劉惟信,機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)【M】.北京:清華大學(xué)出版社,1998【3】黃純穎,設(shè)計(jì)方法學(xué)【M】.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992【4】王國強(qiáng)，常綠等.現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，200