汽车零部件传统的设计与现代设计方法之比较.docx

1、汽车零部件传统的设计与现代设计方法之比较汽车零部件传统设计与现代设计方法之比较汽车零部件传统设计与现代设计方法之比较 2011年10月14日汽车零部件传统设计方法 与现代设计方法之比较 目录 一 传统设计方法 二 优化设计 三 计算机辅助设计 四 有限元设计 五 可靠性设计 六 创新设计 七 表面设计 八 绿色设计 九 传统设计与现代设计方法的比较 十 参考文献 一 传统设计方法1 1.1 直觉设计 古代的设计是一种直觉设计。当时人们或许是从自然现象中直接得到启示，或是全凭人的直觉感官来设计制作工具。设计方案存在于手工艺人头脑之中，无法记录表达，产品也是比较简单的。直觉设计阶段在人类历史中经历

2、了一个很长的时期，17世纪以前基本上都属于这一阶段。 1.2 经验设计 随着生产的发展，单个手工艺人的经验或其或其头脑中自己的构思已经难以满足要求，因而促使手工艺者联合起来互相协作，逐渐出现了图纸，并开始利用图纸进行设计。一部分经验丰富的人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。图纸的出现，既可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，传于他人，便于用图纸对产品进行分析、改进和提高，推动设计工作向前发展；还可以满足更多的人同时参加统一产品的生产活动，满足社会对产品的需求及生产率额要求。因此，利用图纸进行设计，使人类设计活动由直接设计阶段进步到经验设计阶段。 1.3

3、 半理论半经验设计 20世纪以来，由于科学和技术的发展和进步，对设计的进出理论研究和实验研究得到加强。随着理论研究的深入和试验数据的积累，逐渐形成了一套半经验半理论的设计方法。这种方法以理论计算和长期设计实践而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。依据这套方法进行机电产品设计，称为传统设计。所谓“传统”是指这套设计方法已沿用了很长时间，直到现在仍被广泛地采用这。传统设计又被称为常规设计。 二 优化设计 优化设计（optimal design）也叫最优化设计，是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以电子计算机为辅助工

4、具的一种设计方法。这种方法首先将设计问题按规定的格式建立数学模型，并选择合适的优化算法，选择或编制计算机程序，然后通过计算机自动获得最优设计方案。 对机械工程来说，优化设计方法使机械设计的改进和优选速度大大提高。优化设计不仅应用于产品成型后的再优化设计过程中，而且已经渗透到产品的开发设计过程中。同时，它与可靠性设计、模糊设计、有限元法等其他设计方法有机结合取得了新的效果。 三 计算机辅助设计 1.1 CAD的概念 1.1.1 CAD的定义 计算机辅助设计（Computer aided Design)是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等

5、设计活动的总称。 1.1.2 系统的功能 几何建模 计算分析 仿真试验 绘图及技术文档生成 工程数据库的管理与共享 1.1.3 CAD的作业过程 CAD工作的主要内容为： 建立产品设计数据库： 产品设计数据库用来存储设计某类产品时所需的各种信息、如有关标准、线图、表格、计算公式等。数据库可供CAD作业时检索和调用，也便于数据的管理及数据资源的共享。 建立多功能交互式图形程序库： 这个图形程序库可以进行二维、三维图形的信息处理，能在此基础上绘制二程设计图样、多种函数曲线、可进行图形变换和投影变换、可作三维几何造型和形体的真实感处理。 建立应用程序库： 编制及汇集解决某一类工程(或产品)设计问题的

6、通用及专用设计程序。如通用数学程序、常规机械设计程序、优化设计程序、有限元计算程序等。 1.1.3 CAD的作业过程 1.1.4 CAD的特点 缩短产品开发周期 提高产品设计质量 降低生产成本 便于产品标准化、系列化、通用化 CAD是CAM和CAPP的前提和基础 1.1.5 CAD的发展过程 CAD数据模型的发展 我国CAD技术的应用情况 v CAD的集成化程度较低，很多企业的应用仍停在绘图、分析计算等单项技术的应用上； v CAD系统的软、硬件均依靠进口，自主版权的软件较少； v 缺少人才和技术力量，致使有些企业尽管引进了CAD软件系统，但其功能没能充分的发挥。 CAD的发展趋势 集成化 集

7、成化包括软件硬件的集成、不同系统之间的集成、以及通过网络多媒体数据库实现异地系统协同共享信息资源等。 标准化 标准化指研究开发符合国际标准化组织颁布的产品数据转换标准、制定网络多媒体环境下数据信息的表示和传输标准、制定统一的国家CAD技术标准体系。 网络化 网络化指充分发挥网络系统的优势，共享昂贵的设备；借助现有的网络，用高性能的PC机代替昂贵的工作站；在网络上方便地交换设计数据。 智能化 智能化指将领域专家的知识和经验归纳成必要的规则形成知识库，再利用知识的推理机制进行推理和判断，以获得设计专家水平的设计结果。 1.1.6 CAD系统的类型 检索型CAD系统 适用基本结构已经定型，有标准零部

8、件和结构可以借鉴的产品，即标准化、系列化产品的设计。如电机、泵、减速器等。 建立系统时，首先把选定产品的有关设计资料如标准图形信息、加工工艺信息等存入计算机中，需要时输入设计要求，系统自动从所存储的信息中把符合要求的信息检索出来，以图形或文件的形式输出。 缺点是当不能完全满足初始参数要求时，系统将无法输出正确结果。 计算型CAD系统 也称作自动设计型CAD系统 设计人员按设计要求输入基本参数以后，无需或只需很少的人工干预，由计算机按照预先编制好的程序自动地完成全部设计任务。 适用于那些设计理论成熟、计算公式确定、设计步骤及判别标准清楚的产品。 例如齿轮减速箱设计系统等。 交互型CAD系统 交互

9、型CAD系统是指在设计时由设计人员与计算机进行人机对话，人工干预方案决策、作出判断及修改设计等，由设计人员与计算机系统一起互相配合工作、以得到一个最优设计。 这种交互型CAD系统最适合目前工程实际中产品设计与开发的任务，是目前应用最普遍的一种CAD系统。 例如AutoCAD、Prp/Engineer、SolidWorkS。 四 有限元设计 有限元分析在汽车工程方面的应用 1. 前言 计算机辅助工程(CAE)作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视，在汽车工业研究中的应用也越来越广泛。在汽车产品的研发过程中，CAE已经成为设计链中必须的条件，没有CAE分析的设计就不能进入

10、下一个技术流程。新产品开涉及到的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题，可成熟地在设计阶段解决，这样就可以大幅度提高设计质量，缩短产品开发周期，节省大量开发费用。本文通过对有限元分析在汽车工程方面的应用的描述和分析，阐述了以有限元分析为代表的CAE技术在汽车工程的重要作用和影响，得出了CAE在汽车工业发展更加重要，影响未来汽车的发展趋势！ 在汽车发展历史上，至今还没有什么技术能与CAE技术相比，为汽车企业带来巨大的回报。统计结果表明，应用CAE 技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从80%90%下降到8%12%。例如：美国福特汽车公司2000年应用CAE后，其新车型开发周期从36个月降低到

11、1218个月；开发后期设计修改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%；投资收益提高50%。 汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争也日趋激烈，在这种情况下，新产品推出的速度也越来越快，这也对行业的CAE应用提出了越来越高的要求。CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障，可以为企业带来巨大的技术经济效益。2 2. 正文 汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平，它不仅是带动面最广泛的工业，而且是高新技术的最大载体，一般航空、航天领域的高精尖技术只有通过汽车工业才能转化为规模产业，所以汽车工业是或曾是几乎所有发达国家的支柱产业。作为制造业的中坚，汽车工业一直是CAE应用的先锋

12、。CAE技术的应用，有效地推动了汽车制造业的前进；汽车业的需求也极大地带动了CAE。多年来，汽车业的选型趋向一直是CAE技术发展的晴雨表，也是业内人士关注的焦点。CAE分析贯穿了汽车开发的全过程，小到螺栓预紧力分析，大到整车碰撞模拟和整车NVH（噪声、振动和声振粗糙度）分析，CAE分析都发挥了无可替代的优势和作用。CAE分析范围覆盖了结构、流体力学、多体动力学、被动安全、工艺、整机合整车性能等方方面面。概括起来，目前汽车开发过程中的CAE分析主要包括以下几个方面。3 2.1结构强度、刚度和模态分析及结构优化设计 车身是轿车的关键总成，车身结构必须有足够的强度以保证气疲劳寿命，足够的静刚度以保证

13、其装配和使用要求，同时应有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。有限元分析的方法能够有效地满足上述车身设计的要求。汽车结构有限元分析的应用体现于：一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度和稳定性进行分析； 二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中，用有限元法作为结构分析的工具； 三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态，进一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为结构的动态设计了提供方便。有限元分析在汽车结构上的应用实践证明可以从根本上提到车身设计水平，并降低研制周期和成本。4 2.2噪声、振动与

14、不平顺性(NVH)的有限元分析 NVH是评价车辆舒适性的重要指标，直接关系到产品的市场形象。NVH分析有助于匹配产品结构重各子系统的振动频率特性，以消除振动过程中耦合现象，从而改善产品的振动特性。噪音、振动分析包括动力总成的缸体模态、点的传递函数、静负荷强度及动态响应、BIW动态稳定性、整车各子系统的刚度频率匹配等。虽然NVH的CAE技术起步较晚，NVH的建模方法以及计算还处在摸索阶段。但随着计算机的能力及容量的越来越强大，计算结果的精度越来越准确，计算方法越来越科学性，CAE在汽车的NVH开发设计当中所发挥的作用也越来越大。在汽车开发设计的初期，就以及开始了NVH的各项规划，甚至在样车完成之

15、前或设计图纸完成之前，通过对现有车型的对比，就可以预先得到新开发车型的NVH性能指标，并在此基础上，对设计及制造的各个环节加以优化及完善。无论是从设计成本上，还是从开发周期上考虑，都为车厂更快、更好地开发出新一代车型来提供了强有力的保障。可以预测，NVH的CAE技术，在汽车设计开发及改进领域内的应用会越来越广泛，而其本身也会越来越成熟，成为人们进行汽车设计开发所不可或缺的工具。5 2.3碰撞与安全性分析 私家汽车给人们带来了便利，让人们更充分的享受生活。随着全世界汽车数量的迅速增加，汽车质量、驾驶技术问题及道路状况等多种因素合力作用结果，汽车交通事故已成为严重问题。联合国世界卫生组织（WHO）

16、提交的最新报告显示：近几年全球每年因交通事故造成死亡的人数多达约120万，另外还有数百万人在汽车事故中受伤致残。面对这个严重的问题，各国的工程技术人员都在不遗余力的提高汽车的安全性能。 早期的被动安全性研究主要是通过大量的试验来进行，采用同样的碰撞过程反复进行，收集数据。这样的试验方法需要相当长的时间。发达国家每次汽车安全性能的试验都需要手工打造几十辆新车，人力、物力、财力都需要很大的消耗。伴随着计算机技术的发展，原来不可能完成的大量参数有限元计算成为可能。有限元计算分析方法运用到汽车的碰撞模拟仿真中，极大地降低了汽车的设计成本和研发周期，并且获得更为精确的数据对汽车结构进行下一步优化。 汽车

17、模拟碰撞分析的目的就是为了提高汽车被动安全性能。对于汽车被动安全性能的要求，一是在碰撞时，车身结构、驾驶系统、座位等能吸收较高能量，缓和冲击；二是发生事故时，确保车内乘员生存空间、安全气囊、座椅安全带等对乘员的保护功能，以保证乘员安全并在碰撞后容易进行车外救助和脱险。在汽车碰撞发生的极短时间内，车身发生巨大的形变。这种形变伴随着大位移、大转动所引起的几何非线性，又有各种材料发生大应变时所表现的物理非线性(材料非线性)。所以很难通过常规的数学方法对其进行求解，进行实体碰撞试验的数据很难进行采集。本文论述了采用拉格朗日描述对物体的移动建立数学模型。通过有限元方法将整车按区域进行建模。并且将建立的整

18、车有限元模型进行整车偏置碰撞的模拟仿真，模拟了碰撞过程后车身的变形结果，得到了碰撞过程中模型的能量与速度变化曲线。从而直观地掌握了汽车在碰撞过程中能量等参数的变化情况。将有限元方法运用在汽车碰撞问题的分析中，对汽车结构安全性的改进有一定指导意义。 2.4整车性能的分析评价与预测 在IDEAS CAE模块中建立整车模型，通过强度、刚度计算，可以发现各个部件之间、各个系统的力的传动关系，检验与设计目标是否相符；通过模态分析，可以发现各个系统之间的频率分布，指导NVH设计。结合Nastran SOL200 可以同时考虑模态、整体刚度、关键部位强度对各个部件的设计灵敏度等进行计算，在保证强度的前提下，

19、进行减重设计、部件优化。 2.5 结论 至今为止，世界上许多大的汽车公司都采用了CAE技术。通过在开发过程中开展CAE工作，提高了产品开发质量、缩短了产品开发周期、节约了产品开发经费。概括起来，采用CAE的优点如下： 1、 采用计算机辅助工程（CAE）手段，可以在样品、样车之前，模拟零部件甚至整车的性能和工作状况，避免传统上的设计试制测试改进设计再试制的重复过程。减少了时间上的浪费、缩短了开发周期，减少了人力、物力和财力上的消耗而减低开发费用。 2、 国内设计部门随着三维设计的普及，为开展CAE工作奠定了基础，使开展同时工程成为可能；同时，在开发过程中应用CAE技术，也改变了CAD在开发中只进

20、行几何模型定义，在开发同时进行功能设计、性能设计。 3、 在产品开发过程中开展CAE工作，改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法，使产品减重、性能优化成为可能；同时，采用CAE计算能在短时间内尝试和比较更多的设计方案，因而有可能获得较佳甚至最优的设计而提高开发质量 五 可靠性设计 汽车变速器可靠性设计研究 前言 汽车变速器是整个汽车传动系统中相对关键的一个部件，其设计的好与坏将直接影响汽车实际使用性能，文章对汽车变速器的可靠性设计做了理论上的推导，最后还对优化的设计方法的具体运用提出了一个可操作框架。 汽车的发展史上，机械式齿轮变速器有着主要的地位，它结构简单、使用寿命

21、长，瞬时传动系数为一个常量、效率高，机械结构简单、生产工艺成熟通用，保养便捷。因此机械式齿轮变速器是目前运用广泛的汽车变速器。随着汽车工业的不断发展，新技术的不断运用，自动变速器和无极变速器在汽车上也大量运用，它们的操作简易的优点十分明显，使得机械式齿轮变速器的市场占有率逐步下降。但近来AMT技术的出现又为机械式齿轮变速器带来了新的活力，因此对于机械式齿轮变速器的研究还是有一定意义的。针对以上分析，文章对汽车机械式变速器的可靠性设计做相关研究6。 1.相关研究 1.1机械的可靠性设计机械产品可靠性设计分析是指为满足机械产品的可靠性而进行的功能性设计。目前世界上已广泛使用的如故障模式及影响分析、

22、故障树分析、可靠性预测、概率设计等先进设计方法及手段在国内的可靠性设计方面应用还不充分。分析系统研制阶段的主要任务，并结合工程实际中开展可靠性设计分析工作的经验可知，各种可靠性设计分析工作主要集中在技术指标论证阶段、方案论证阶段和工程研制阶段，包括可靠性要求制定、可靠性建模、预计分配、故障模式影响、危害性分析、故障树分析和可靠性仿真分析等。可靠性设计分析工作从宏观上可以分为定性设计分析和定量设计分析，可靠性定性分析方法相对应用广泛，并且得到了工程验证，而定量设计分析的方法则是机械可靠性设计分析中的难点和薄弱环节，特别是在数字化环境中如何利用CAD/CAE工具进行定量的机械可靠性参数设计也是今后

23、重要的发展方向7。 1.2汽车变速器相关研究对机械式变速器来说，在最大传动比的情况下，设计时需要将负荷最大爬坡度、低档最大动力输出、最大附着力输出以及最低稳定车速输出当作设计的约束条件。汽车机械式变速器最小和最大传动比确定后，还需要确定中间各档的传动比。通常，中间各档传动比的确定需要考虑较多的因素，实现起来有一定的难度，设计者一般采用以往的设计经验作为设计依据。从理论上来说，档位增多可以优化汽车的整体动力燃油比，但如果变速器前进档位超过5个时，会使整个变速器结构复杂化，操作者的操纵也相应变得复杂，因此，机械式变速器档位通常不超过5个。从以上分析发现，对于变速器每个档位具体传动比的分配目前还没有

24、一个可以量化、精确化的操作方法，都是经验来确定的具体比值，不符合设计过程的严谨性，存在明显缺陷。伴随着设计方法的主观因素大，在评价设计方法上，同样还没有一个量化可行的评价模式。文章针对以上问题，通过理论推导，提出了一种机械式变速器的优化设计方法。 2.汽车变速器可靠性优化设计 2.1目标函数中心距最小，是为了最小化一对齿轮间的径向尺寸，从而采取实际中心距最小作为优化目标的设计思路，其目标函数为f=acost/cost。在上式中a为理论值，t为端面压力角值，cost为端面啮合角值8。最大重合度，是以给定的中心距为前提，齿轮啮合平稳煤炭技术基本混合遗传算法流程框架的条件下，目标使一对斜齿圆柱齿轮拥

25、有较大的度量值，其目标函数为f=1/+1 1。上式中：为端面重合值，为轴向重合值。体积最小，是一般机械设计的基本目标，具体到机械式齿轮变速器上就是要求在一定承载能力前提下，使一对齿轮体积为最小。其中目标函数为f=4d2a1+d2a21 1b，式中da1是小齿轮分度圆的直径，da2是大齿轮分度圆的直径，b是齿轮宽度。驱动功率极限发挥率，是在结合每个档位使用频率不同的情况下，不同的使用条件对速比值，其目标函数为Pdlim=Pemaxvmax-vmin1 1-ni=1wiwAiPemaxvmax-vmin1 1，上式中Pdlim为功率发挥极限率，Pemax为发动机的最大输出功率，vmax为最大车速，

26、vmin为最小车速，Ai为计算系数，wi为第i档的利用率系数，w为各档利用率系数平均值。 2.2约束条件 2.2.1最大传动比约束条件最大传动比定义为：变速器I档传动比i1和主减速器传动比i0的积。它受汽车路面的附着力和汽车最大爬坡度两个条件影响，其推导如下：由驱动轮与路面附着条件得：i1G2rrTemaxi0；得到约束条件：g11X 1=i1-G2rrTemaxi00；根据最大爬坡度：i1mg fcosmax+sinmax1 1rrTemaxi0T；则有：g21X1=mg fcosmax+sinmax1 1rrTemaxi0T-i10；在以上条件中，cosmax为最大爬坡度，取值为16.7;

27、g为道路滚动系数；为附着系数；T为机械效率；G2为最大载荷；m为汽车质量；Temax为发动机最大转矩；rr为车轮半径。 2.2.2中心距A约束条件中心距是机械式齿轮变速器的一个关键性能指标值，它影响着变速器的最终设计体积。其设计思想是：在保证设计强度的前提下，满足发动机最大转矩与变速器最大传动比的值最大的条件，要尽可能的减小中心距A的值。有以下经验公式：A=KATemaxi1g3于是得到A的约束条件为：g111X1=KAmin0.96Temaxi13-mn1z1+z21 12cos10g121X1=mn1z1+z21 12cos1-KAmax0.96Temaxi130 2.2.3斜齿轮轴向的重

28、迭系数在设计时如果要满足斜齿轮传动平稳性，在量化上就体现出斜齿轮传动轴向重迭系数大于或者等于1。即：=bsinmn1，则有以下约束条件：g231X1=mn1-bsin10；g241X 1=mn2-bsin20；g251X 1=mn3-bsin30；g261X 1=mn4-bsin40；g271X 1=mn5-bsin50。2.2.4可靠性条件机械式齿轮变速器的每对啮合齿轮都必须满足接触抗疲劳可靠性条件，单一的齿轮齿根弯曲均需要满足疲劳强度可靠性条件，所以齿轮的组合也需要满足疲劳强度可靠性条件。齿轮的可靠性约束条件参照GB 3480-2007要求。 2.3优化运用算法概述系统设计优化理论近几年发

29、展迅速，对于约束问题的优化设计也层出不穷，如人工神经网络与数据融合等新技术、新理论的运用，使得优化设计更加科学。但它们也存在一定的不完善性，使其应用受到限制。许多诸如随机试验法、可行方向法等优化设计方法，虽然程序结构相对简单，不能全面解决优化问题，容易出现优化设计的返古现象。文章提出了一种混合遗传算法，它包括了遗传算法与传统优化设计法两者的优点，具有收敛快，运用范围更广的优点。 3结束语 随着科学技术迅速发展，人们对汽车的操作性要求的提高，系统设计理论的发展为汽车设计解决了许多设计难题。但是，在汽车变速器的设计上简单的用静态设计与类比设计。经过多年的实践发现，这些传统设计方法所设计的产品，在性

30、能与成本等方面都有许多问题。因此，需要更多的加入信息技术在设计中的参与程度，最重要的是增加计算机辅助设计以及新理论、新方法的具体应用。 六 创新设计 现代汽车设计的生命在于创新, 现代汽车的完善和发展离不开整合。面临着汽车设计周期越来越短，制造成本居高不下，产业投资有增无减，市场开拓难度越来越大，已经不是纯设计问题，更不是单靠技术手段所能解决的，需要考虑汽车生命周期内的许多实际问题，需要依靠成熟的技术经济体系的强大支撑，需要以效费比的高低来衡量。 现代汽车的创新整合设计是个大的系统工程，涉及产品战略、市场营销、信息反馈、环境保护、材料回收等方面，已不同于传统意义的开环系统，而属于受控、可调的闭

31、环系统。不仅对设计人员提出了更新、更全面的要求，而且还对企业管理层和领导层均提出了更高的要求，以适应经济全球化带动汽车产品设计的创新、技术进步和持续发展，全力提升中国汽车工业科技、产能、效益的竞争力。 现代汽车开发不单以应用新技术、新工艺、新材料多少作为衡量其先进性的指标，而且还以创新性，以及应用了多少成熟技术、成熟工艺、成熟材料等确保其可靠性、可维护性和经济性来衡量。可以这样认为，现代汽车开发既需要创新理论的指导，先进技术的领航，更离不开成熟的技术经济体系的支撑。其中，创新整合设计很关键，其直接影响整车开发周期的长短、性能的优劣和效费比的高低。 七 表面设计9 表面设计的基础是表面工程，表面工程的定义是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计、制造，利用表面工程技术（包括表面转换技术，薄膜技术，涂、镀层技术三大领域），使材料表面获得各种所需要的功能，