汽车传统设计方法与现代设计方法之比较

汽车零部件传统设计方法与现代设计方法的比较 姓名 XXX 学院 机械与汽车工程学院 专业 车辆工程 学号 XXX 摘要 摘要 汽车零部件的设计方法 可以从不同的角度做出分类 目前较为流行的 分类方法是把过去长期采用的设计方法称为传统设计方法 近几十年发展起来 的设计方法称为现代设计方法 文中对传统设计方法与现代设计方法的特点 二者的关系进行了详细的说明 1 前言 在近百年中 汽车零部件设计技术经历了由经验设计发展到以科学实验和 技术分析为基础的现代设计阶段 20 世纪 60 年代中期 在设计中引入电子计 算机后又形成了计算机辅助设计 CAD Computer Aided Design 等新方法 使设 计逐步实现半自动化和自动化 经验设计是以已有产品的经验数据为依据 运用一些带有经验常数或安全 系数的经验公式进行设计计算的一种传统的设计方法 这种设计由于缺乏精确 的设计数据和科学的计算方法 使所设计的产品不是过于笨重就是可靠性差 随着测试技术的发展与完善 在机械设计过程中引进新的测试技术 和各 种专用的试验设备 进行科学实验 从各方面对产品的结构 性能和零部件的 强度 寿命进行测试 同时广泛采用近代数学物理分析方法 对产品及其总成 零部件进行全面的技术分析 研究 这样就使汽车设计发展到以科学实验和技 术分析为基础的阶段 电子计算机的出现和在工程设计中的推广应用 使机械 设计技术飞跃发展 设计过程完全改观 汽车零部件的设计方法 可以从不同的角度做出分类 目前较为流行的分 类方法是把过去长期采用的设计方法称为常规的设计方法即传统的设计方法 近几十年发展起来的设计方法称为现代设计方法 本文将两者进行比较 2 汽车零部件设计的发展历程 1 直觉设计阶段 古代的设计是一种直觉设计 当时人们或是从自然现象中 直接得到启示 或是全凭人的直观感觉来设计制作工具 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 2 经验设计阶段 随着生产的发展 单个手工艺人的经验或其头脑中的构思 已很难满足这些要求 于是 手工艺人联合起来 互相协作 一部分经验丰富 的手工艺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 即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 传与他人 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 还可满足更多的人同时参加同一产品的生产活动 满足社会对产品的需求及提 高生产率的要求 因此 利用图纸进行设计 使人类设计活动由直觉设计阶段 进入到经验设计阶段 3 半理论半经验设计阶段 20 世纪以来 由于科学和技术的发展与进步 设计的基础理论研究和实验研究得到加强 随着理论研究的深入 实验数据及 设计经验的积累 已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 设计手册等作为设计的依据 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 4 现代设计阶段 近 30 年来 由于科学和技术迅速发展 对客观世界的认 识不断深入 设计工作所需的理论基础和手段有了很大进步 特别是电子计算 机技术的发展及应用 对设计工作产生了革命性的突变 为设计工作提供了实 现设计自动或和精密计算的条件 例如 CAD 技术能得出所需要的设计计算结 果资料 生产图纸和数字化模型 一体化的 CAD CAM 技术更可直接输出加工 零件的数控代码程序 直接加工出所需要的零件 从而使人类设计工作步入现 代设计阶段 此外 步入现代设计阶段的另一个特点就是 对产品的设计已不 是仅考虑产品本身 并且还要考虑对系统和环境的影响 不仅要考虑技术领域 还要考虑经济 社会效益 不仅考虑当前 还需考虑长远发展 例如 汽车设 计 不仅要考虑汽车本身的有关技术问题 还需考虑使用者的安全 舒适 操 作方便等 3 汽车零部件传统设计方法与现代设计方法的比较 3 1 传统设计方法 传统设计是以经验总结为基础 运用长期设计实践和理论计算而形成的经 验 公式 图表 设计手册等作为设计的依据 通过经验公式 近似系数或类 比等方法进行设计 传统设计在长期运用中得到不断完善和提高 是符合当代 技术水平的有效设计方法 分析传统的设计过程 可以看出传统设计的每一个 环节都是依靠设计者用手工方式来完成的 首先凭借设计者直接的或间接的经 验 通过类比分析或经验公式来确定方案 由于方案的拟定很大程度上取决于 设计人员的个人经验 即使同时拟定几个方案 也难于获得最优方案 由于分 析计算受人工计算条件的限制 只能用静态的 近似的方法 参考数据偏重于 经验的概括和总结 往往忽略了一些难解或非主要的因素 因而造成设计结果 的近似性较大 有时不符合客观实际 此外 信息处理 经验或知识的存储和 重复使用方面还没有一个理想的有效方法 解算和绘图也多用手工完成 这不 仅影响设计速度和设计质量的提高 也难以做到精确和优化的效果 传统设计 对技术与经济 技术与美学也未能做到很好的统一 使设计带有一定的局限性 这些都是有待于进一步改进和完善之处 总之 传统设计方法是一种以静态分析 近似计算 经验设计 手工劳动 为特征的设计方法 显然随着现代科学技术的飞速发展 生产技术的需要和市 场的激烈竞争以及先进设计手段的出现 这种传统设计方法已难以满足当今时 代的要求 从而迫使设计领域不断研究和发展新的设计方法和技术 3 2 现代设计方法 现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展 是传统设计的深入 丰富和完善 随着设计实践经验的积累 设计理论的发展以及科学技术的进步 特别是计算机技术的高速发展 设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的 飞跃 为区别过去常用的传统设计理论与方法 人们把这些新兴理论与方法称 为现代设计 现代设计技术 就是以满足市场产品的质量 性能 时间 成本 价格综合效益最有为目的 以计算机辅助设计技术为主体 以知识为依托 以 多种科学方法及技术为手段 研究 改进 创造产品活动过程所用到的技术群 体的总称 现代设计不仅指设计方法的更新 也包含了新技术的引入和产品的创新 目前现代设计方法所指的新兴理论与方法主要包括优化设计 可靠性设计 设 计方法学 计算机辅助设计 动态设计 有限元法 工业艺术造型设计 人机 工程 并行工程 价值工程 反求工程设计 模块化设计 相似性设计 虚拟 设计 疲劳设计 三次设计 摩擦学设计 绿色设计等 现代设计主要有下列特点 1 系统性 现代设计方法是逻辑的 系统的设计方法 目前有两种体 系 一种是德国倡导的设计方法学 另一种是美国倡导的创造性设 计学 在知识 手段和方法不充分的条件下 运用创造技法 充分 发挥想象 进行辩证思维 形成新的构思和设计 传统设计方法是 经验 类比的设计方法 用收敛性的思维方法 过早地进入具体方 案 对功能原理的分析既不充分又不系统 不强调创新 也很难得 到最优方案 2 社会性 现代设计将产品设计扩展到整个产品生命周期 发展了 面 向 X 技术 即在设计过程中同时考虑制造 维修 成本 包装 运 输 回收 质量等因素 在现代设计开发新产品的整个过程中 从 产品的概念形成到报废处理的全寿命周期中的所有问题 都要以面 向社会 面向市场为主导思想考虑解决 传统设计是由技术主管指 导设计 设计过程中多为单纯注意技术性 设计产品试制后才进行 经济分析 成本核算 很少考虑社会问题 3 创造性 现代设计强调激励创造冲动 突出创新意识 力主抽象的 设计构思 扩展发散的设计思维 多种可行的创新方案 广泛深入 地评价决策 集体运用创造技法 搜索创新工艺试验 不断要求最 优方案 传统设计一般是封闭收敛的设计思维 陷入思维定势 过 早地进入定型实体结构 采用经验类比和直接主官的评价决策 4 宜人性 现代设计强调产品内在质量的实用性 外观形体的美观性 艺术性和时代性 在保证产品物质功能的前提下 尽量使用户产生 新颖舒畅等精神感受 传统设计往往强调产品的物质功能 忽视或 不全面考虑精神功能 5 最优化 现代设计重视综合集成 在性能 技术 经济 制造工艺 使用 环境 可持续发展等各种约束条件之下 在广泛的学科领域 之间 通过计算机以高效率综合集成为最新科技成果 寻求最优方 案和参数 传统设计属于自然优化 在设计 评定 再设计的循环 中 凭借设计人员的有限知识 经验和判断力选取较好方案 6 动态化 现代设计在静态分析的基础上 考虑生产中实际存在的多 种变化量的影响 进行动态特性的最优化 根据概率论和统计学方 法 针对载荷 应力等因素的离散性 用各种运算方法进行可靠性 设计 对一些复杂的工程分析问题还可用有限元法 边界元法等数 值解法得到满意的结果 7 设计过程智能化 是指借助于人工智能和专家系统技术 由计算机 完成一部分原来必须由设计者进行的创造性工作 传统设计局部上 自发地运用某些仿生规律 但这很难达到高度智能化的要求 8 设计手段的计算机化和数字化 计算机在设计中的应用已从早期的 辅助分析 计算机绘图 发展到现在的优化设计 并行设计 三维 建模 设计过程管理 设计制造一体化 仿真和虚拟制造等 传统 设计是人工计算 绘图 使用简单的工具 设计的准确性和效率都 受限制 修改设计也不方便 9 设计和制造一体化 它强调产品设计制造的统一数据模型和计算机 集成制造 设计过程组织方式由传统的顺序方式逐渐过渡到并行设 计方式 与产品有关的各种过程并行交叉的设计 这可以减少各种 修改工作量 有利于加速工作进程 提高设计质量 现代设计利用 高速计算机 可以将各种不同目的设计方法 各种不同的设计手段 综合起来 以求得系统的整体最优解 3 3 现代设计与传统设计的关系现代设计与传统设计的关系 现代设计与传统设计的关系如下 继承关系 现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展 它继承了传 统设计的精华 克服了传统设计的一些不足 共存与突破的关系 设计方法的发展 都有着时序性 继承性 两种方法在 一定时间内还会共存 当前的现代设计方法正处在发展之中 可以预见 随 着科学技术的进步必将有新的突破 传统设计以经验 试凑 静态 定性分析 手工劳动为特征 导致设计周 期长 设计质量差 设计费用高 产品缺乏竞争力 随着现代科学技术的发展 机械产品设计领域中相继出现了一系列新型理论与方法 这些新兴理论与方法 统称为现代设计方法 4 基于机械加工的汽车变速器设计方法 4 1 设计要求的确定设计要求的确定 汽车变速器的设计工作是将变速器功能及其他要求转化为具体结构 汽车 变速器的主要功能是是汽车在各种使用条件下得到足够的动力性与燃油经济性 此外还应使汽车具有倒向行驶 中断动力行驶等 汽车变速器设计要求有 是汽车具有良好的动力性和燃油经济性 具有空 档和倒档 操作简便 工作可靠 噪声小 质量轻 结构紧凑等 4 2 设计阶段分析设计阶段分析 下面按设计方法学观点对设计进行分析 以便更好地了解设计过程 在说 明性设计模型中 一般都包括方案设计 结构设计 详细设计三个阶段 方案 设计从功能分析开始 在复杂系统中采用功能分解原则将复杂系统分解为功能 元 每个功能元功能单一易用结构实现 可以用形态学矩阵来表达功能分解的 过程 汽车机械式变速器经过多年的研究和发展 已积累了相当的设计和生产经 验 形成不少定型的产品 现代汽车大都采用三轴式变速器 某些微型车和轿 车也有选用二轴式变速器的 在变速器上广发采用斜齿轮传动 用同步器换档 汽车变速器方案设计具体内容包括 1 确定变速器的轴数 如两轴式 三轴式 2 确定变速器档位数和各档数比 3 档位布置的先后顺序 4 倒档传动方案设计 在手工设计过程中 方案设计由经验丰富的设计人员担任 设计人员根据 设计经验及参考相似产品 利用一定的绘图和计算手段完成设计方案 下面对 设计方案进行归纳 汽车变速器的方案设计遵循下列一些原则 为满足变速器 轴足够的刚性及装配工艺性和换档方便 汽车变速器中低档一般布置在靠轴的 后支撑处 并按低档到高档的顺序布置各档齿轮 一般对于前进档的采用同步 器换档 对于倒档采用滑动齿轮换档 倒档布置方案根据倒档传动比级变速器 外形尺寸要求确定 在各档传动比设计时 先根据汽车最高车速确定最高档传 动比 然后按等比级数大致确定其他各档的传动比 在结构设计阶段 根据方案设计中确定的变速器中各零部件的布置顺序及 装配方式 大致确定各零件的结构及尺寸 包括各档齿轮结构及主要尺寸 各 轴的结构及主要尺寸 同步器的结构及主要尺寸 在详细设计阶段 根据变速器中个零件设计经验公式计算出个零件的机构 尺寸 即需要确定各档齿轮 同步器 轴 轴承 花键的结构和详细尺寸 并 将这些零件级变速器装配件以图形的方式表达出来 在手工设计过程中 各零件的结构及尺寸主要是根据设计经验及相似产品 结构 尺寸得到的 先参考同类产品设计建立一种结构模型 然后根据设计公 式进行计算 从上到下逐步细化设计 设计过程中要不断校核原来设计 如果 满足不了设计的要求 需求根据经验修改其中某些参数 然后重新开始细化过 程 从整个设计过程来看 手工设计是根据设计经验进行的试探性设计过程 在手工设计过程中 产品的性能主要在结构设计阶段确定 而结构设计是根据 经验进行的 因