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现代设计方法课程论文 现代设计方法在传动系统中的应用汽车发动机与驱动轮之间的动力传递装置称为汽车的传动系。它应保证汽车具有在各种行驶条件下所必需的牵引力、车速，以及保证牵引力与车速之间协调变化等功能，使汽车具有良好的动力性和燃油经济性；还应保证汽车能倒车，以及左、右驱动轮能适应差速要求，并使动力传递能根据需要而平稳地结合或彻底、迅速地分离。传动系包括离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器及半轴等部分。现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在涉及领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。目前它的内容主要包括：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、工业艺术造型设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、相似性设计、模块化设计、反求工程设计、动态设计、有限元法、人机工程、价值工程、并行工程、人工神经元计算方法等。在运用他们进行工程设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。本门课程以计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法等为重点。一、计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer Aided Design)，简称CAD。他是把计算机技术引入设计过程并用来完成计算、选型、绘图及其他作业的一种现代设计方法。计算机、绘图积极其他外围设备构成CAD硬件系统，而操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和应用软件等构成CAD的软件系统。通常所说的CAD系统是只由系统硬件和系统软件组成，兼有计算、图形处理、数据库等功能，并能综合利用这些功能完成设计作业的系统。传动系统的设计包括离合器设计、变速器设计、液压机械变速器与其他无极变速器设计、万向传动装置设计、驱动桥设计。其中变速器设计为主方向, 为整个传动系统的关键，以齿轮欲为例，齿轮的原始设计方法已被淘汰 ，取而代之是现代的齿轮参数化设计，这种参数化设计方法通过为产品建立一个产品知识库，不仅能完成参数化设计的尺寸驱动和特征驱动 ，而且能实时地验设计，是一种智能化CA D这种设计方法的提出使得齿轮的设计精度迅速提高。由于齿轮种 类繁多，有关于齿轮的材料 、设计、计算理论、制造检验等比较复杂 。这样给设计人员带来了沉重的负担 ，且在设计过程中很容易出错。为此对齿轮进行参数化设计，参数化设计的引入使齿轮设计不仅在质量上提高了而且在选材、设计工作量上也减少了负担 ，而且提 高了齿轮的设计精度 。利用CAD技术取得积极效果,必须以通用CAD软件为基础 ，进行CAD软件二次开发 。其中CAD二次开发方法种类及特点如下:(1) AutoLISP ( A u t o C A D LIST Processing Language ) 语言是一种运行在 AutoCAD环境下并嵌入到其内部的 L I s P 语言,特点是可以调用几乎所有的AutoCAD命令。灵活多变，简单易学。但速度较慢，效率较低。(2) ADS (AutOCAD Development System )是一个函数库。用户 利用c语言编写程序，然后调用ADS中的库函数，并通过c语言编译器的编译连接生成ADS应用程序，最后在AutoCA环境中直接运行。其优点是程序处理数据能力很强，保密性好，编译后的程序代码运行速度快，且能直接控制硬件设备，比较适合用于专业CAD的应用开发。但ADS程序源代码比较复杂，不易掌握。 14(3) VBA易于掌握，代码运行效率非常高，使用VB语言进行二次开发使用的是ActiveX技术，ActiveX技术的核心是ActiveX控件，它以动态链接库( DLL，Dynami c 一1 i n k Librar y )的形式提供，避免了重复开发，又保证了操作的合法性。保证了开发成果。VBA和Au toCAD集成运行时，可以把客户开发的程序看做客户端，Auto CAD系统看做服务器端。它们之间是通过一个ActiveXAutomation 的技术相协调，该技术安排他们之间的消息传递 。但是VBA程序设计不能充分利用AutoCAD的操作技巧，运行速度相对A R X 方式也有差距。 13在设计中需用到齿轮设计的一些参数，具体课件机械设计手册中提供的经验公式或数据。具体见文献4。按齿根弯曲强度设计设计程序步骤：1.根据齿面硬度，查文献3得出小齿轮的齿根弯曲疲劳强度极限和大齿轮的齿根弯曲疲劳强度极限(MPa)。2.查文献3图1018得齿轮的弯曲疲劳寿命系数K。3.计算弯曲许用应力:选用弯曲疲劳安全系数S =1.21.4。查文献3得各个齿轮的计算公式得小齿轮的弯曲许用应力和大齿轮的弯曲许用应力式。4.计算载荷系数K。K=KAKVKFKF 式中KF可依据KH和bh，查文献3图1013得。5选取齿形系数和应力校正系数根据齿数，查文献1表10-5得出小齿和大齿的齿形系数YF1、YF2和应力校正系数YS1、YS2。6计算大、小齿轮的YFYSF的数值，并加以比较。7计算模数m2KT1dZ1 2YFYSF与前面模数进行比较,选取合适的模数并将模数标准化。8.计算出齿轮几何尺寸齿轮分度圆直径d=zm(单位mm)；中心距a = (d1+d2)2(单位mm) ,齿宽b=dd1，小齿轮的齿宽略微放大。9.验算齿轮:圆周力Ft=2T1d1 (单位N ) ;计算(单位Nmm)的数值 并与前面的比较，验证是否合适10.依据设计的结果参数化绘图。二、优化设计优化设计（Optimal Design）是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。在进行工程优化设计时，首先把工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，得到工程设计问题的最优设计方案。在建立优化设计数学模型的过程中，把影响设计方案选取的那些参数称为设计变量；设计变量应当满足的条件称为约束条件；而设计者选定来衡量设计方案优劣并期望得到改进的指标表示为设计变量的函数，称为目标函数。设计变量、约束函数、目标函数组成了优化设计问题的数学模型。优化设计需要把数学模型和优化算发放到计算机程序中用计算机自动寻优求解。常用的优化算法有：0.618法、鲍威尔（Power）法、变尺度法、复合型法、惩罚函数法。汽车的动力性、经济性能是车辆的重要性能，其中汽车的动力装置参数（发动机的参数；变速器的挡位及传动比；主减器的速比；轮胎的规格及型号）和排气消声参数对上述性能的影响最大。过去研究动力传动系的匹配，是通过对不同的参数选择进行匹配试验，靠大量积累的试验数据和反复测试的结果进行设计，然后选择适用此车型的一组参数。这种方法耗时、耗力和耗费大量的费用。随着计算机的应用和测试手段的提高，可以通过模拟计算与试验相结合的方法来对汽车传动系优化设计。参考文献7可得，其具体方法是，先建立优化设计数学模型：对给定发动机传动系参数的进行优选，由于变速箱的速比和挡位数及传动比对汽车的行使功率和燃料消耗量有着决定的影响。变速器参数的选择及主减速比的选择不仅应当满足汽车行驶动力性要求，而且应使多数常用工况都处于发动机特性曲线的最低油耗区。可通过优选整个传动系的速比达到动力性和经济性最佳匹配。编写目标函数，优化设计的目标是汽车的燃料经济性，故应根据汽车燃料消耗量试验方法的要求，分别选择，汽车的多工况燃料消耗量与汽车最高挡及次高挡等速行驶的百公里体积油耗作为目标函数，可根据汽车等速燃料消耗量与工况燃料消耗量的模拟计算方法编写目标函数。然后是设计变量的确定，最后约束条件的建立通过计算机编程的传动系优化计算和试验结合，证明了文中提出方法的可行性和正确性。这种模拟计算与试验结合的方法适用于所有的车辆匹配，大大的节省了时间与费用。但是整个传动系统的匹配设计是一个很复杂的过程，要考虑的因素也比较多，如速比的变化将影响到最小稳定转速，影响到操纵的舒适性能等，文中仅仅是从速比的选择来说明模拟计算与试验结合的方法在汽车匹配上的应用，如果要进行整车系统的匹配设计，根据约束条件把所有不同的参数代入设定的程序，分别计算、调整，然后选取计算调整的参数进行试验验证，最终得到比较好的传动系统。 7三、可靠性设计可靠性设计（Reliability Design）是以概率论和数理统计为理论基础，是以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。可靠性设计的基本内容是：选定产品的可靠性指标及量值，对可靠性指标进行合理的分配，再把规定的可靠性指标设计到产品中去。在传动轴的可靠性设计中，参考文献8可得颤动轴的可靠度分配模型可视为：Rs=RzRz RcRc RJ 式中Rz-轴刚度的可靠度 Rz -轴强度的可靠度 Rc-花键齿接触疲劳的可靠度 Rc -花键齿弯曲强度的可靠度 RJ-花键挤压强的可靠度文献8中的计算结果为：附表除了表示出可靠性优化设计方法的结果外,还示出了常规化设计出来的传动轴尺寸及静强度安全系数法设计的结果。比较三个 方案发现,按一般优化设计出来的传动轴,尽管重量比静强度设计方案 下降较多,但还是过分保守,没有挖掘潜力,而按可靠性优化设计的传动轴,在满足实际要求的情况下,重量还可进一步减小,能够取得较好的经济效益。这个结果与一般可靠性分析中得出的常规设计往往偏于保守的结论是吻合的。由此可见,用可靠性优化设计方法设计出的传动轴更趋合理。四、有限元法有限元法（Finite Method）是以电子计算机为工具的一种数值计算方法。目前，该方法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题（如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等方面的问题）的求解，而且还可以用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力学分析，并能准确地计算复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有利分析工具。有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司。随着计算机技术的日益普及和FEA技术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为传动轴强度校核的方法。而传动轴向重载、高速、低噪、高可靠性方向发展，现代传动轴设计对传动系统的静、动态特性提出了更高的要求。传动轴设计的主要内容之一是传动轴。参考文献10可得，有限元分析的基本步骤预处理阶段：（1）建立求解域并将之离散化成有限元，即将问题分解成节点和单元。（2）假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数。（3）对单元建立方程。（4）将单元组合成总体的问题，构造总体刚度矩阵。（5）应用边界条件、初值条件和负荷。解决阶段：（6）求解线性或非线性的微分方程组，以得到节点的值。后处理阶段：（7）得到其他重要的信息。参考文献11可得，传动轴的整轴设计：(1) 根据设计的传动轴的尺寸。在ANSYS软件中建立整传动轴的三维实体模型。(2)定义单元的类型。传动轴属于三维实体块模型。所有的分析都采用SOLID45号单(SOUD45号单元不需要定义实常数1(3)确定整轴零件材料.一般为4 5 #钢和40Cr。(4)网格划分生成物理模型。采用网格划分工具对其进行网格划分。 划分的时候要注意。不同材料的结构划分网格的时弱盎择与之对应的单元类型和材料特性。网格划分完成后要将重合的节点合并为个节 点。划分网格后的整传动轴的模型，其中总节点个数13290个。2.加载和求解3.后处理 (1)绘制传动轴的位移云图 (2)绘制传动轴的应力云图(3)结果分析 参考文献中的结果如下图由以上数据可得出在整个传动轴中后花键轴是该传动轴的薄弱环节，振幅最大。 11五、反求工程设计反求工程设计（Reverse Engineering）是消化吸收并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和。它是通过实物或技术资料对已有的先进产品进行分析、解剖、试验，了解其材料、组成、结构、性能、功能，掌握其工艺原理和工作机理，已进行消化仿制、改进或发展、创造新产品的一种方法和技术。它是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品型面往往由多张曲面混合而成（如过渡、相交、裁剪等），因而，只用一张曲面去重构其数学模型是很难保证其模型精度的。于是，人们采用不同的方法来处理数据的分块问题。CBradey和GWVicker等提出一种两步方案，首先用函数方法（测量点插值，如Shepard插值）构造曲面的数学模型，然后在曲面上构造拓扑矩形网格。交互定义特征线，利用此矩形网格数据构造曲面。对于图像形数据（具有行、列）特点的数据，B.Sarkar和C.H.Menq运用图像处理的原理，获取曲面的特征线，然后根据这些曲线将曲面划分为不同的块，每块用B样条曲面拟合，最终使所有小块均满足要求为止。 12结 论通过现代设计方法的课程学习让我学习到了很多现代设计理念，也解决了很多以前我的很多知识的盲点。通过写论文在图书馆，网络上等查阅了大量的文献，学习到很多相关领域的设计方法，拓展了知识面。这次写论文锻炼了自己写论文的能力，查阅文献的能力，也为将来的研究学习打下良好的基础。参考文献1 王凤岐,张连洪,邵宏宇等. 现代设计方法.天津大学出版社2 李岩等,齿轮机构的计算机辅助设计. 科学论坛. 20103 濮良贵.机械设计第七版.西北工业出版社. 2005年1月4 李华敏,李瑰贤等齿轮机构的设计与应用北京：机械工业出版社20075 余志生,汽车理论 北京；机械工业出版社,19966 刘惟信,汽车设计 北京：清华大学出版社，20017 张宝生,汽车优化设计理论与方法 北京：机械工业出版社，20008 潘公宇,高宗英,卫修敬.汽车传动