新型機械設計理論對汽車工程的運用

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摘要：圍繞新型機械設計理論的發展過程、主要特點兩個方面，對該理論的內涵進行了介紹。在此基礎上，從汽車零部件抗磨損性能提升、發動機變速器性能提升、噪聲程度及振動幅度降低、結構強度提升、結構模態優化、車身及外觀設計六個方面，對新型機械設計理論在汽車工程中的具體應用加以研究，并分析了新型機械設計理論未來在汽車工程中的運用發展趨勢。

關鍵詞：汽車工程；新型機械設計理論；零部件磨損；結構模態；結構強度

1前言

機械設計是指設計人員根據特定的要求，圍繞機械的工作原理、結構、運動方式、力度和能量的傳遞方式、外部形態、各個零部件的尺寸、潤滑方法等進行構思、分析、計算，最終使設備具備特定的功能。機械設備誕生至今已經有數百年之久，隨著各項技術逐漸更新換代，傳統的機械設計思路、原理等也同樣與時俱進?；诖?，在傳統機械設計的理論基礎上，結合現代思維理念，逐漸形成了新型機械設計理論。將該理論應用于現代汽車工程時，能夠使新型汽車滿足消費者提出的多項新要求，可促進汽車工業的創新與發展，故必須予以重視。

2新型機械設計理論內涵分析

2.1新型機械設計理論的發展

新型機械設計理論是在傳統機械設計理論的基礎上一步一步發展而來的。傳統機械設計理論的形成及應用時間跨度較大——自西方社會第一次工業革命以來，一直到20世紀五六十年代，均屬于機械設計發展的第一階段，機械設計理論相對單一，計算公式較為傳統，普遍根據以往的經驗、傳統的規定，完成“定向設計”［1］。受此影響，機械產品的生產規模始終無法擴大，產品質量無法得到保證。但需要注意，從20世紀初期開始，盡管全世界范圍內的機械設計技術條件、設計工藝水平，能夠應用的資源依然處于較為有限的狀態，但人類思維層面已經開始進步——很多機械設計人員、工人開始認識到傳統機械設計方法及技術存在的局限性，越來越多的人試圖創造出新的技術，希望解決傳統設計理論以及技術對產品造成的缺陷。其中不得不提的一件事情為：隨著計算機信息技術的發展及推廣，設計者在機械設計期間，基于計算機設備提供的高精設計成果，使很多設想逐漸成為現實。在更多先進技術融入之后，機械設計水平、機械制造先進程度均得到了大幅度提升，傳統機械設計中存在的問題也得到了明顯改善。20世紀80年代以來，幾乎每間隔5～10年，全球范圍內的機械設計便會得到一次整體性的更新。機械制造領域從最初的手工化，逐漸發展為半自動化、自動化、數字化。時至今日，人工智能已經廣泛應用于現代機械設計之中?？傮w而言，新型機械設計理論本質上是更加可靠的智能化、科學化設計。

2.2新型機械設計理論的主要特點

新型機械設計理論的特點可以籠統地總結為“集百家之長”。原因在于：計算機、互聯網相關的先進技術、性能更高及更加人性化的現代機械設備需要在機械設計過程中得到有機融合［2］。為了達到這一目的，多個學科的知識必須得到融合應用，在打破學科壁壘的情況下，方可實現機械設計理論的創新與發展。具體而言：a.機械設計應呈現出系統化、創新化的特點。現階段，“機械設計”已經成為一個廣義概念——各行各業都需要高精尖的機械設備，設備的創新意味著生產力的創新。特別是對一些制造業企業來說，成功完成新設計，生產方案具有可行性，意味著該企業在行業內處于技術領先地位。綜合考慮之下，要求現代機械設計研究人員在傳統的設計理念基礎上“取其精華去其糟粕”，對一些廣泛受到市場認可，且不存在明顯短板的技術及設計思路應該沿用；對一些為廣大消費者造成不同程度困擾，已經顯示出缺陷的產品及技術，應該不斷嘗試新的設計思路，從而早日解決問題?？傮w而言，設計人員應該發散思維、大膽創新，將機械設計與先進的科學技術有機結合，在產品結構設計、產品質量保證機制等方面實現全面升級的同時，還應注意控制成本，最終使制造業企業、消費者的需求均能得到滿足。b.機械設計應呈現出前瞻性、融合性的特點。在傳統的消費市場中存在一個共識——先有需求，再有創新。但到了現代社會，該理念本身已經呈現出一定的滯后性——如果制造業企業缺乏主動求變的精神，等到市場提出新的需求之后才開始創新，那么必定呈現出遲滯性?；诖?，設計人員應該“主動出擊”，通過多元渠道收集消費者的反饋，并制定階段性的創新方案。比如智能手機領域，最初的顯示屏較小、電池續航能力較差、內存空間充裕度較低、經常出現卡頓。手機制造商對此問題有著充分的認知，每一次發布新產品時，各項廣受市場關注的性能都會在不同程度上得到升級，從而滿足消費者的新需求，市場銷售額度自然也更容易達到預期?？傮w而言，新型機械設計理論是在現代機械設計層面，需要融合先進的力學、電氣自動化、物理學、計算機等各種學科的先進知識與內容，使得機械設計理念更加豐富，設計出的產品創新性進一步得到體現［2］。

3新型機械設計理論在汽車工程中的運用

3.1汽車零部件抗磨損性能提升方面的運用

新型機械設計理論應用于現代汽車工程時，首先需要解決零部件磨損過快的問題。之所以將這一問題放在首位，是因為隨著我國綜合國力的提升、公路交通網絡規模越來越大，私家車的擁有數量正在逐漸提升。根據我國交通部門發布的調查報告，我國2020年的私家車保有量（不考慮報廢回收以及在4S店內售賣的車輛，能夠隨時上路且有牌照登記的私家車數量）已經超過6億輛。大多車主都是出于以下方面考慮：很多車主購買私家車的目的僅僅是為了代步，解決日常生活的出行問題。因此，盡量降低車輛養護成本是這些車主的核心訴求。如果車輛中的某些零部件使用一段時間后便嚴重磨損，在更換的過程中會導致很多額外的成本支出，這并不是廣大車主希望看到的事情。基于此，新型機械設計理論應用于汽車零部件磨損性能提升方面時，設計人員需要對零部件的材質、形態、精細化程度、潤滑輔助等內容進行充分考量，最終目的是增加汽車零部件的使用壽命，盡量提高抗磨損性能。

3.2汽車發動機變速器性能提升方面的運用

汽車發動機是汽車的核心設備，其中，變速器的性能不僅影響汽車駕駛人的操作感覺，而且會影響汽車行駛過程中的安全性［3］。因此，應用新型機械設計理論設計發動機變速器時，設計人員需要做到：通過多元渠道采集發動機、變速器、各個零部件在各種工況下的數據信息。以自動擋汽車為例，對駕駛員來說，駕駛自動擋汽車的難度遠不如手動擋汽車，這是因為在行駛過程中，自動擋汽車只有前行擋、倒擋、空擋三種選擇，在前行期間，無論油門踩到什么樣的程度都處于前行擋的控制范圍內。而手動擋汽車則不同，前行擋共分為五個擋，要求駕駛員根據不同的行車速度，手動完成調整。從操作便捷性方面來看，自動擋汽車的受歡迎程度遠遠超過手動擋汽車。但從操作感方面來看，一些資深駕駛員更愿意選擇手動擋汽車，其中一個關鍵原因為：在車輛的剎車系統失靈時，自動擋汽車很難通過降擋的方式實現降速。而手動擋汽車如果當前為五擋，駕駛員可以逐漸降擋，在一定程度上達到輔助降速的目的。對設計人員來說，充分考慮手動擋發動機變速器及相關機械零部件在升降速變化過程中的運行原理與自動擋車輛之間的區別，在完成精密度較高的計算之后，結合運動學、動力學原理，對汽車發動機變速器的原動件功率、可調整轉速區間、線速度等參數進行綜合考量，最后完成對各項設備、各機械零部件在特定條件下承受的荷載具體值、特性的梳理，找到提高發動機變速器穩定性、安全性、特殊情況下可操作性的方法，令車輛的性能更加人性化。

3.3汽車噪聲程度及振動幅度降低方面的運用

包括汽車在內的諸多機械設備提高了人類生產、生活的便捷程度，但其運轉過程中會產生不同程度的噪聲，部分設備也會頻繁振動［4］。這種情況會大幅度降低使用設備時的舒適感。比如人們坐車時，車輛帶來的震動感和噪聲會刺激耳膜，影響人的中樞神經系統，一些抵抗力較差之人極其容易暈車?；诖?，應用新型機械設計理論時，降低噪聲程度和車載機械設備的振動幅度同樣是重點考慮的內容。根據物理學原理可知，兩個距離相近的機械結構，如果振動的頻率較為相似，則極有可能產生共振。一旦這種情況出現，則整體振動的振幅會大幅度增加。為避免發生此種情況，設計人員可以在頻率分布方面著手設計，對振動頻率進行適當匹配，盡量降低振動耦合的發生率，最終達到降低噪聲分貝值和振動幅度的目的。

3.4汽車結構強度提升方面的運用

在現代社會，每年都會有數百萬人死于交通事故。其中，私家車的主要車型——小轎車和吉普、SUV車型在與大型貨車、半掛車碰撞時，損毀率遠遠高于大型車輛，一些小型車輛乘客的死亡過程可以用“慘不忍睹”來形容。如很多媒體發布的小型車輛與大貨車碰撞之后，在數秒時間內便被擠壓成“片狀”。這種情況已經引起了人們的廣泛重視——社會迫切需求汽車的結構強度應該盡可能提升，但同時保證汽車性能。當前的主流設計思路為：車身重量應該盡量降低、車身框架的結構強度必須盡量提升。為達到這一目的，設計人員可以在實際設計期間，圍繞車身結構進行有限元分析，即對車身的各個區域、各部分構件開展模態分析，最終達到提高車身整體結構強度的目的。

3.5汽車結構模態優化方面的運用

具體開展有限元結構模態優化設計時，要素如下：a.與時間無關的結構靜力分析。設計人員應重點圍繞車輛齒輪、車架、鋼板彈簧等結構件在承受應力作用后出現的變形程度進行分析。b.圍繞汽車機械的固有頻率、振型結構進行動態分析，并對汽車結構在動態荷載作用下呈現出的響應效果進行分析。c.模擬多種環境，對汽車在不同環境下運行不同時間后各個構件內部溫度的變化情況、熱應力的變化趨勢、受高溫影響而產生的熱變形情況進行分析。d.對具有不同外形結構的汽車在相同環境下行駛時面臨的行駛阻力、發動機冷卻系統的工況變化情況等進行分析。總體而言，圍繞汽車結構模態進行分析，基于相關特點進行優化升級的目的在于：全面改善車輛的各項性能，降低車輛行駛過程中對能源的消耗率，提高能源應用率，最終助力我國環保事業的發展。

3.6汽車車身及外觀設計方面的運用

汽車的車身、整體外觀效果是決定消費者是否愿意購買車輛的重要因素。原因在于：汽車本身屬于“消費品”，如果具有一定優良屬性的同時還兼具令人滿意的外在形象，必定會增加在消費者心目中的良好印象。從新型機械設計理論角度來看，提高汽車車身和外觀效果屬于“汽車制造商和消費者的共同需求”，故必須予以重視。具體而言：a.汽車車身及外觀應該呈現出“藝術性美感”。比如車身如果已經具備了“流線型”的特點，則升級改進之處應該集中在“更加柔滑”方面，提高車輛外觀各部件之間的整體性，杜絕“碎片化”。b.重點計算車輛行駛過程中承受的空氣阻力情況，并為內部多個設備預留充足的空間。比如保時捷等知名品牌汽車之所以擁有較高的市場熱度、市場認可度，原因之一是保時捷汽車的外表看起來十分“平滑”，但車輛內部空間卻在精巧的設計下，在最大程度上得到了保留。因此，性能沒有下降、外觀更加符合消費者的預期，保時捷成為知名汽車品牌便是順理成章的事。

3.7新型機械設計理論在汽車工程中的運用發展趨勢

新型機械設計理論在汽車工程未來的運用發展趨勢為：a.進一步提高設計的整體性。對“一體化”的概念應該從更加廣義的角度進行理解，形成機械、人、環境的一體化，降低行駛過程的突兀感，提高舒適程度。b.加強智能化、可控化。特斯拉的教訓為：車輛智能化程度提高固然是大趨勢，但在關鍵時刻，汽車駕駛員不能完全失去對車輛的控制權，因此，實現二者的有機結合至關重要。

4結語

對“新型機械設計理論”的正確理解是，應用成熟的科學技術、已經經過實驗證明且具有可行性的新技術，對過去沒有的新型機械設備進行設計的技術。以汽車工程為例，設計出性能更加優越的發動機、變速器，更改汽車的外形結構進而使汽車的操作感、安全性得到提升，更改汽車的能源系統使汽車具備更大的環保性等，屬于“技術性創新”，均可以被歸納為“新型機械設計”的范疇內。事實上，在現代社會，隨著各行各業技術的不斷更新換代，諸多新概念層出不窮，汽車工程行業必須重點聚焦于“新”，只有將美觀度、性能、環保度更加優秀的汽車產品不斷推向市場，才能滿足消費者與日俱增的需求，才能令汽車工程行業更好的發展。

參考文獻：

［1］劉斐.新型機械設計理論在汽車工程方向的研究與應用［J］.內燃機與配件，2021（13）：186-187.

［2］林梅，何婷，仲文清，等.新型機械設計理論在汽車工程方向的研究與應用［J］.內燃機與配件，2020（22）：199-200.

［3］張夢.新型機械設計理論在汽車工程方向的研究與應用［J］.中小企業管理與科技（中旬刊），2020（6）：174-175.

［4］景大鵬.新型機械設計理論在汽車工程中的運用研究［J］.內燃機與配件，2020（1）：255-256.

［5］王皓.新型機械設計理論在汽車工程方向的研究與應用［J］.山東工業技術，2019（9）：51.

作者：杜璽 單位：西安汽車職業大學