淺析新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論對汽車工程的運(yùn)用

摘要：圍繞新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論的發(fā)展過程、主要特點(diǎn)兩個方面，對該理論的內(nèi)涵進(jìn)行了介紹。在此基礎(chǔ)上，從汽車零部件抗磨損性能提升、發(fā)動機(jī)變速器性能提升、噪聲程度及振動幅度降低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升、結(jié)構(gòu)模態(tài)優(yōu)化、車身及外觀設(shè)計(jì)六個方面，對新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車工程中的具體應(yīng)用加以研究，并分析了新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論未來在汽車工程中的運(yùn)用發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車工程；新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論；零部件磨損；結(jié)構(gòu)模態(tài)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

1前言

機(jī)械設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)人員根據(jù)特定的要求，圍繞機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方式、力度和能量的傳遞方式、外部形態(tài)、各個零部件的尺寸、潤滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析、計(jì)算，最終使設(shè)備具備特定的功能。機(jī)械設(shè)備誕生至今已經(jīng)有數(shù)百年之久，隨著各項(xiàng)技術(shù)逐漸更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)思路、原理等也同樣與時(shí)俱進(jìn)?；诖耍趥鹘y(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代思維理念，逐漸形成了新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論。將該理論應(yīng)用于現(xiàn)代汽車工程時(shí)，能夠使新型汽車滿足消費(fèi)者提出的多項(xiàng)新要求，可促進(jìn)汽車工業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展，故必須予以重視。

2新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論內(nèi)涵分析

2.1新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論的發(fā)展

新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論是在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上一步一步發(fā)展而來的。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)理論的形成及應(yīng)用時(shí)間跨度較大——自西方社會第一次工業(yè)革命以來，一直到20世紀(jì)五六十年代，均屬于機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的第一階段，機(jī)械設(shè)計(jì)理論相對單一，計(jì)算公式較為傳統(tǒng)，普遍根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)、傳統(tǒng)的規(guī)定，完成“定向設(shè)計(jì)”［1］。受此影響，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模始終無法擴(kuò)大，產(chǎn)品質(zhì)量無法得到保證。但需要注意，從20世紀(jì)初期開始，盡管全世界范圍內(nèi)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)條件、設(shè)計(jì)工藝水平，能夠應(yīng)用的資源依然處于較為有限的狀態(tài)，但人類思維層面已經(jīng)開始進(jìn)步——很多機(jī)械設(shè)計(jì)人員、工人開始認(rèn)識到傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法及技術(shù)存在的局限性，越來越多的人試圖創(chuàng)造出新的技術(shù)，希望解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論以及技術(shù)對產(chǎn)品造成的缺陷。其中不得不提的一件事情為：隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展及推廣，設(shè)計(jì)者在機(jī)械設(shè)計(jì)期間，基于計(jì)算機(jī)設(shè)備提供的高精設(shè)計(jì)成果，使很多設(shè)想逐漸成為現(xiàn)實(shí)。在更多先進(jìn)技術(shù)融入之后，機(jī)械設(shè)計(jì)水平、機(jī)械制造先進(jìn)程度均得到了大幅度提升，傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中存在的問題也得到了明顯改善。20世紀(jì)80年代以來，幾乎每間隔5～10年，全球范圍內(nèi)的機(jī)械設(shè)計(jì)便會得到一次整體性的更新。機(jī)械制造領(lǐng)域從最初的手工化，逐漸發(fā)展為半自動化、自動化、數(shù)字化。時(shí)至今日，人工智能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)之中?？傮w而言，新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論本質(zhì)上是更加可靠的智能化、科學(xué)化設(shè)計(jì)。

2.2新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論的主要特點(diǎn)

新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論的特點(diǎn)可以籠統(tǒng)地總結(jié)為“集百家之長”。原因在于：計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)、性能更高及更加人性化的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備需要在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中得到有機(jī)融合［2］。為了達(dá)到這一目的，多個學(xué)科的知識必須得到融合應(yīng)用，在打破學(xué)科壁壘的情況下，方可實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)理論的創(chuàng)新與發(fā)展。具體而言：a.機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、創(chuàng)新化的特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，“機(jī)械設(shè)計(jì)”已經(jīng)成為一個廣義概念——各行各業(yè)都需要高精尖的機(jī)械設(shè)備，設(shè)備的創(chuàng)新意味著生產(chǎn)力的創(chuàng)新。特別是對一些制造業(yè)企業(yè)來說，成功完成新設(shè)計(jì)，生產(chǎn)方案具有可行性，意味著該企業(yè)在行業(yè)內(nèi)處于技術(shù)領(lǐng)先地位。綜合考慮之下，要求現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)研究人員在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上“取其精華去其糟粕”，對一些廣泛受到市場認(rèn)可，且不存在明顯短板的技術(shù)及設(shè)計(jì)思路應(yīng)該沿用；對一些為廣大消費(fèi)者造成不同程度困擾，已經(jīng)顯示出缺陷的產(chǎn)品及技術(shù)，應(yīng)該不斷嘗試新的設(shè)計(jì)思路，從而早日解決問題?？傮w而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該發(fā)散思維、大膽創(chuàng)新，將機(jī)械設(shè)計(jì)與先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量保證機(jī)制等方面實(shí)現(xiàn)全面升級的同時(shí)，還應(yīng)注意控制成本，最終使制造業(yè)企業(yè)、消費(fèi)者的需求均能得到滿足。b.機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)呈現(xiàn)出前瞻性、融合性的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的消費(fèi)市場中存在一個共識——先有需求，再有創(chuàng)新。但到了現(xiàn)代社會，該理念本身已經(jīng)呈現(xiàn)出一定的滯后性——如果制造業(yè)企業(yè)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(chuàng)新，那么必定呈現(xiàn)出遲滯性?；诖?，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該“主動出擊”，通過多元渠道收集消費(fèi)者的反饋，并制定階段性的創(chuàng)新方案。比如智能手機(jī)領(lǐng)域，最初的顯示屏較小、電池續(xù)航能力較差、內(nèi)存空間充裕度較低、經(jīng)常出現(xiàn)卡頓。手機(jī)制造商對此問題有著充分的認(rèn)知，每一次新產(chǎn)品時(shí)，各項(xiàng)廣受市場關(guān)注的性能都會在不同程度上得到升級，從而滿足消費(fèi)者的新需求，市場銷售額度自然也更容易達(dá)到預(yù)期。總體而言，新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論是在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)層面，需要融合先進(jìn)的力學(xué)、電氣自動化、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)等各種學(xué)科的先進(jìn)知識與內(nèi)容，使得機(jī)械設(shè)計(jì)理念更加豐富，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品創(chuàng)新性進(jìn)一步得到體現(xiàn)［2］。

3新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車工程中的運(yùn)用

3.1汽車零部件抗磨損性能提升方面的運(yùn)用

新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論應(yīng)用于現(xiàn)代汽車工程時(shí)，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?yàn)殡S著我國綜合國力的提升、公路交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，私家車的擁有數(shù)量正在逐漸提升。根據(jù)我國交通部門的調(diào)查報(bào)告，我國2020年的私家車保有量（不考慮報(bào)廢回收以及在4S店內(nèi)售賣的車輛，能夠隨時(shí)上路且有牌照登記的私家車數(shù)量）已經(jīng)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(yǎng)護(hù)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(shí)間后便嚴(yán)重磨損，在更換的過程中會導(dǎo)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?；诖?，新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論應(yīng)用于汽車零部件磨損性能提升方面時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要對零部件的材質(zhì)、形態(tài)、精細(xì)化程度、潤滑輔助等內(nèi)容進(jìn)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(fā)動機(jī)變速器性能提升方面的運(yùn)用

汽車發(fā)動機(jī)是汽車的核心設(shè)備，其中，變速器的性能不僅影響汽車駕駛?cè)说牟僮鞲杏X，而且會影響汽車行駛過程中的安全性［3］。因此，應(yīng)用新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)變速器時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要做到：通過多元渠道采集發(fā)動機(jī)、變速器、各個零部件在各種工況下的數(shù)據(jù)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(yuǎn)不如手動擋汽車，這是因?yàn)樵谛旭傔^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(nèi)。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(jù)不同的行車速度，手動完成調(diào)整。從操作便捷性方面來看，自動擋汽車的受歡迎程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)鍵原因?yàn)椋涸谲囕v的剎車系統(tǒng)失靈時(shí)，自動擋汽車很難通過降擋的方式實(shí)現(xiàn)降速。而手動擋汽車如果當(dāng)前為五擋，駕駛員可以逐漸降擋，在一定程度上達(dá)到輔助降速的目的。對設(shè)計(jì)人員來說，充分考慮手動擋發(fā)動機(jī)變速器及相關(guān)機(jī)械零部件在升降速變化過程中的運(yùn)行原理與自動擋車輛之間的區(qū)別，在完成精密度較高的計(jì)算之后，結(jié)合運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)原理，對汽車發(fā)動機(jī)變速器的原動件功率、可調(diào)整轉(zhuǎn)速區(qū)間、線速度等參數(shù)進(jìn)行綜合考量，最后完成對各項(xiàng)設(shè)備、各機(jī)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(fā)動機(jī)變速器穩(wěn)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(yùn)用

包括汽車在內(nèi)的諸多機(jī)械設(shè)備提高了人類生產(chǎn)、生活的便捷程度，但其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生不同程度的噪聲，部分設(shè)備也會頻繁振動［4］。這種情況會大幅度降低使用設(shè)備時(shí)的舒適感。比如人們坐車時(shí)，車輛帶來的震動感和噪聲會刺激耳膜，影響人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，一些抵抗力較差之人極其容易暈車。基于此，應(yīng)用新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論時(shí)，降低噪聲程度和車載機(jī)械設(shè)備的振動幅度同樣是重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。根據(jù)物理學(xué)原理可知，兩個距離相近的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如果振動的頻率較為相似，則極有可能產(chǎn)生共振。一旦這種情況出現(xiàn)，則整體振動的振幅會大幅度增加。為避免發(fā)生此種情況，設(shè)計(jì)人員可以在頻率分布方面著手設(shè)計(jì)，對振動頻率進(jìn)行適當(dāng)匹配，盡量降低振動耦合的發(fā)生率，最終達(dá)到降低噪聲分貝值和振動幅度的目的。

3.4汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升方面的運(yùn)用

在現(xiàn)代社會，每年都會有數(shù)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(shí)，損毀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。如很多媒體的小型車輛與大貨車碰撞之后，在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)便被擠壓成“片狀”。這種情況已經(jīng)引起了人們的廣泛重視——社會迫切需求汽車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)該盡可能提升，但同時(shí)保證汽車性能。當(dāng)前的主流設(shè)計(jì)思路為：車身重量應(yīng)該盡量降低、車身框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須盡量提升。為達(dá)到這一目的，設(shè)計(jì)人員可以在實(shí)際設(shè)計(jì)期間，圍繞車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，即對車身的各個區(qū)域、各部分構(gòu)件開展模態(tài)分析，最終達(dá)到提高車身整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的。

3.5汽車結(jié)構(gòu)模態(tài)優(yōu)化方面的運(yùn)用

具體開展有限元結(jié)構(gòu)模態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要素如下：a.與時(shí)間無關(guān)的結(jié)構(gòu)靜力分析。設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)圍繞車輛齒輪、車架、鋼板彈簧等結(jié)構(gòu)件在承受應(yīng)力作用后出現(xiàn)的變形程度進(jìn)行分析。b.圍繞汽車機(jī)械的固有頻率、振型結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析，并對汽車結(jié)構(gòu)在動態(tài)荷載作用下呈現(xiàn)出的響應(yīng)效果進(jìn)行分析。c.模擬多種環(huán)境，對汽車在不同環(huán)境下運(yùn)行不同時(shí)間后各個構(gòu)件內(nèi)部溫度的變化情況、熱應(yīng)力的變化趨勢、受高溫影響而產(chǎn)生的熱變形情況進(jìn)行分析。d.對具有不同外形結(jié)構(gòu)的汽車在相同環(huán)境下行駛時(shí)面臨的行駛阻力、發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的工況變化情況等進(jìn)行分析?？傮w而言，圍繞汽車結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行分析，基于相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化升級的目的在于：全面改善車輛的各項(xiàng)性能，降低車輛行駛過程中對能源的消耗率，提高能源應(yīng)用率，最終助力我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。

3.6汽車車身及外觀設(shè)計(jì)方面的運(yùn)用

汽車的車身、整體外觀效果是決定消費(fèi)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(fèi)品”，如果具有一定優(yōu)良屬性的同時(shí)還兼具令人滿意的外在形象，必定會增加在消費(fèi)者心目中的良好印象。從新型機(jī)械設(shè)計(jì)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(fèi)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(yīng)該呈現(xiàn)出“藝術(shù)性美感”。比如車身如果已經(jīng)具備了“流線型”的特點(diǎn)，則升級改進(jìn)之處應(yīng)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(diǎn)計(jì)算車輛行駛過程中承受的空氣阻力情況，并為內(nèi)部多個設(shè)備預(yù)留充足的空間。比如保時(shí)捷等知名品牌汽車之所以擁有較高的市場熱度、市場認(rèn)可度，原因之一是保時(shí)捷汽車的外表看起來十分“平滑”，但車輛內(nèi)部空間卻在精巧的設(shè)計(jì)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(fèi)者的預(yù)期，保時(shí)捷成為知名汽車品牌便是順理成章的事。

3.7新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車工程中的運(yùn)用發(fā)展趨勢

新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車工程未來的運(yùn)用發(fā)展趨勢為：a.進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的整體性。對“一體化”的概念應(yīng)該從更加廣義的角度進(jìn)行理解，形成機(jī)械、人、環(huán)境的一體化，降低行駛過程的突兀感，提高舒適程度。b.加強(qiáng)智能化、可控化。特斯拉的教訓(xùn)為：車輛智能化程度提高固然是大趨勢，但在關(guān)鍵時(shí)刻，汽車駕駛員不能完全失去對車輛的控制權(quán)，因此，實(shí)現(xiàn)二者的有機(jī)結(jié)合至關(guān)重要。

4結(jié)語

對“新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論”的正確理解是，應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)、已經(jīng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明且具有可行性的新技術(shù)，對過去沒有的新型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的技術(shù)。以汽車工程為例，設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)越的發(fā)動機(jī)、變速器，更改汽車的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)而使汽車的操作感、安全性得到提升，更改汽車的能源系統(tǒng)使汽車具備更大的環(huán)保性等，屬于“技術(shù)性創(chuàng)新”，均可以被歸納為“新型機(jī)械設(shè)計(jì)”的范疇內(nèi)。事實(shí)上，在現(xiàn)代社會，隨著各行各業(yè)技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，諸多新概念層出不窮，汽車工程行業(yè)必須重點(diǎn)聚焦于“新”，只有將美觀度、性能、環(huán)保度更加優(yōu)秀的汽車產(chǎn)品不斷推向市場，才能滿足消費(fèi)者與日俱增的需求，才能令汽車工程行業(yè)更好的發(fā)展。

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