汽车传统设计方法与现代设计方法之比较

1、机械零部件传统设计方法与现代设计方法的比较 孙玉山 机械工程及自动化2011级3班 20110130323 一、前言 机械零件的设计方法，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。本文将将两者进行比较。 二、机械零部设计的发展历程 （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。直觉设计阶段在人类历史中经历了一个很长的时期，17世纪以前基本都属于这

2、一阶段。 （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

3、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。所谓“传统”是指这套设计方法已延用了很长时间，直到现在仍被广泛地采用着。传统设计又称常规设计。 （3）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

4、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。此外，还需考虑汽车的燃料供应和污染、车辆存放、道路发展等问题。 三、机械零部件传统设计方法与现代设计方法的比较 1.传统设计方法

5、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

6、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。 2.现代设计方法

7、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

8、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。 共存于突破的关系。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

9、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。 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，用从抽象到具体的发散的思维方法，以“功能原理结构”框架为模型的横向变异和纵向综合，用计算机构造多种方案，评价决策选出最优方案。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

10、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。设计过程中的功能分析、原理方案确定、结构方案确定、造型方案确定，都要随时按市场经济规律进行尽可能定量的市场分析、经济分析、价值分析。现代设计要求，以并行工程方法指导企业生产管理体制的改革和新产品设计工作，以相似性设计、模块化设计来更好地满足广泛的变化的社会

11、需求，以反求工程技术消化、应用国际先进技术，以摩擦学设计方法来提高机械效率，已三次设计方法来有效地提高产品性能价格比。 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

12、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。他要求从人的生理和心理特征出发，通过功能分析、界面安排和系统综合，满足人一机一环境等之间的协调关系，发挥系统潜力，提高效率。工业艺术造型设计和人机工程提高了产品的精神功能，不断满足宜人性要求。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，而仅凭经验或自发地考虑人一机一环境之间的关系，强调训练用户来适应机器的要求。 （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

13、参数。它利用优化设计、人工神经网络算法和工程遗传算法等求出各种工作条件下的最优解。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，因而受任何效率的限制，难以对多变量系统在广泛影响因素下进行定量优化。 （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（如产品工作可靠性问题中的考虑载荷谱、负载率等随机变量）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。传统设计以静态分析和少变量为主。

14、如机械学中将载荷、应力等因素做集中处理，由此考虑安全系数，这与实际工况相差较远。 （7） 设计过程智能化 这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。现代设计认为，各种生物在自己的某些领域里具有极高的水平。仿生学研究如何模仿生物的某些高水平的能力。由于生物中人的只能最高，人能通过知识和信息的获取、推理和运用，解决极复杂的问题。在已被认识的人的思维规律的基础上，在智能工程理论的指导下，以计算机为主模仿人的职能活动，能够设计出高度智能化的产品和系统。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

15、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。特别是网络和数据库技术的应用，加速了设计进程，提高了设计质量，便于对设计进程的管理，方便了各有关部门及协作企业间的信息交换。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。并行设计的团队工

16、作精深和有关专家协同工作，有利于得到整体最优解。设计手段的拟实化，三维造型技术、仿真及虚拟制造技术以及快速成型技术，使得人们在零件制造之前就可以看到它的形状甚至摸到它，可以大大改进设计的效果。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。 现代设计与传统设计的比较 系统 方法 手段 传统设计 静态 经验 手工 现代设计 动态 科学 计算机 现代设计的理论与方法 1)机械零件的可靠性设计 零件的可靠性设计是指在规定的时间内、规定的条件下、完成规定功能的能力可靠性设计的主要特征是将常规设计方法中所涉及的设计变量如材料强度、疲劳寿命、尺寸、应

17、力等，看成服从某种分布的随机变量然后根据产品的可靠性指标要求，用概率统计的方法得出零部件和元器件的主要结构参数和尺寸根据概率论的观点，再孤立地讲安全系数是没有意义的，必须和对应的可靠性联系起来比如：按常规设计方法，安全系数大于1的零件是不应该失效的，但在实际中，安全系数很大的零件也有发生失效的事件，这种现象从我们常规的设计方法是不能理解的，而从概率设计的观点来讲是完全合乎规律的 如将引起零件失效的因素统称为“应力”，用S表示，则S可表示为各种失效因素， S (i=1、2? 、 )的函数S=厂(s1，s2，? ，s )同样将零件抵抗失效的因素称为“强度”，用r 表示，则r可表示为各种影响强度的因

18、素 (i=1、2、? 、 )的函数 r=g( l，r2，? ，rn) 在可靠性设计中，由于应力S和强度r都是随机变量，因此，判断一个零件是否安全可靠，是以强度r大于应力S所发生的概率来表示的，其设计准则为 R()=P(r>S) R 式中R()表示零件在运行中的安全概率，即可靠度它是指零件在工作时间内的一种能力 R称为零件的许用可靠度，它表示零件在规定时间内和规定的条件下实现设计要求的一种能力，即许用安全概率 2)机械零件的优化设计 按传统的常规设计方法，对绝大多数零件(如齿轮模数、齿数、轮齿宽、螺旋角等参数)所设计的结果尽管在刚度、强度两方面可以满足设计要求，但由于经验性和盲目性，而不能

19、达到最优化结果优化设计跳出了传统的设计思想，它是在符合一系列限制条件的前提下，求出满足最优效果的设计参数解，由于计算量大，在计算机出现前只是推断，近年来该技术有了很快的发展这里借助一个例子简单介绍几个基本概念 例 设计一容积为、r的无盖圆柱筒，要求用料最省 (1)设计变量：设计中必须最后确定的各个 参数如上例中圆柱筒底面半径 l，桶高X2 (2)约束条件：各个变量从实际工程出发，其取值范围所受到各种各样的限制和条件约束分为等式约束和不等式约束 如上例中 桶的容积 V=舵12z2 等式约束 桶底圆半径 l>0 不等式约束 桶高 z2>0 不等式约束 (3)目标函数：目标函数是预期优化

20、目标中各设计变量关系的数学表达式如上例中，用料最省 (4)最优化方法：最优化问题也称数学规划问题，根据数学模型中是否包含约束条件分为无约束优化问题和约束优化问题常见无约束化方法有：一维搜索法、梯度法、牛顿法、共轭方向法常见约束优化法有：约束一维搜索、可行方向法、惩罚函数法等如上例即可构造惩罚函数求解 l、 2 3)机械零件的计算机辅助设计 在主要是人工资料检索、手工计算和绘图的传统设计中，往往需要较多的人力和较长的设计周期特别是对一些复杂的计算及绘图，只能采取近似计算及作图，影响了设计的质量计算机辅助设计(CAD)可把人们的经验、智慧和创造力与计算机高速运算的功能有机地结合起来。有利于发挥人和

21、机器的各自特长，大大加速设计进程借助于CAD系统，我们可以用精确计算代替近似计算，用计算机绘图代替手工绘图，从而使设计理论和结果日趋完善 基于机械加工的参数化汽车变速器零件设计方法 在机械设计中常常涉及到实体表面为空间去面构成的零件，如蜗杆、蜗轮和斜齿轮的齿廓表面、螺纹和螺旋的形成表面。对于这一类零件用简单的并、交和差运算方法来造型是非常困难的，在这种情况下可采用机械加工的方法来构造零件的实体模型。程序的基本算法为： （1） 分别定义表示零件和加工刀具的AcDb3dSolid类指针； （2） 调用AcDb3dSolid类的成员函数构造零件毛坯和刀具； （3） 利用三维几何变换矩阵将刀具移到零件

22、毛坯的加工位置； （4） 调用Acad:ErrorStatus booleanOper()函数进行差运算，在零件毛坯上除去被加工部分； （5） 用循环结构和三维几何变换矩阵改变刀具和零件毛坯的位置，重复进行差运算，直到模型建立完成。 在每调用一次booleanOper()函数进行差运算时，表示刀具的实体将从数据库中删除。因此，生成的刀具只能在循环结构中使用一次。解决的方法为：一是每进行一次差运算，重新成一把刀具，二是只生成一把刀具，然后在每次差运算中利用复制的刀具参加运算。 显然，采用第二种方法有利于缩短刀具生成时间。在ARX应用程序中，实体的复制不宜用ads-command（）函数调用系统的

23、“COPY”命令，而应调用ARX库中的克隆函数clone()来完成。调用形式为： AcDbEntity*Clone=AcDbEntity:cast(p0Bj->clone(): 其中，pClone表示生成的复制对象指针：p0b表示源对象的指针。 下面通过变速器斜齿轮齿廓成实例，说明在ARX应用程序中三维实体造型的设计方法和关键技术。 程序的设计思路和斜齿轮齿廓成原理 首先，按斜齿轮齿顶圆等尺寸要求生成圆柱体；第二，按齿形的尺寸要求生成刀具；第三，用循环结构进行差运算，逐步形成齿轮齿廓。为了减少对实体进行布尔运算的次数、缩短齿廓生成时间，在循环结构中只成一个齿槽，其余部分利用复制技术和交运

24、算生成。 齿轮齿廓的生成原理为：将斜齿轮倾斜角和齿轮宽度分成n等份，在齿轮圆柱体要轴线每旋转1/n转，刀具沿轴线移动1/n齿宽时，做一次布尔差运算，重复执行。当一个齿形完成后，用同样的方法生成第二个齿的齿廓，直到形成一个360°的完整齿轮。 零件模型的参数控制方法 零件的特征系统文件是与实体描述文件紧密相关的。实体描述文件可以独自构成实体模型，而特征系统文件仅将实体中部分信息提取出来，不具备生成实体的能力，不能脱离实体而存在。 在基于ObjectARX的AutoCAD二次开发环境下，采用参数驱动对已生成的模型进行修改。设计人员可以在特征系统文件中定义各种参数，包括数值量尺寸值、布尔量

25、是否包括某一特征，还可以在特征系统文件中利用尺寸符号表达式建立尺寸的关系，实现对模型的参数控制。 因此，对于汽车变速器这样的系列产品，建立了零件参数化特征模型后，利用特征系统文件可以实现对零件的特征组成及定型尺寸及定位尺寸的参数控制，从而实现各种结构及尺寸的零件生成。 另一方面，修改零件操作命名文件可以生成图形，因此修改特征系统文件和修改操作命令文件都可以生成图形，实现图形参数控制。对于复杂零件，编写参数化操作命令文件比较困难，不容易得到需要的结果；而建立了零件参数化模型后采用修改特征系统文件的方法则有较大的灵活性。但在生成零件时，执行的是操作命令文件，特征系统文件只能作为操作命令文件执行中调

26、用的一部分，用来执行修改操作。在变速器零件图型参数化生成中，采用了这两种修改方法。 变速器的设计方法 1. 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。 2. 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，

27、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

28、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。

29、 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，因此所设计出的产品性能如何设计人员也不很清楚，而只能通过试制、试验来确定。如果设计结果不能满足设计要求，就重新修改结构设计甚至方案设计来进行下一轮设计。在手工设计中经验非常重要，而如果缺少设计经验产品的设计就需要多次反复进行，这样影响产