汽车零部件传统设计方法与现代设计方法之比较.pdf

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1、一、绪论 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、汽车零部件的传统设计 目前大中专院校所使用的教材，主要研究的是机构的原 理、运动分析和零部件的设计 当前所采用的设计方法仍是以直觉设 计、经验设计、 静态设计为基础的常规设计方法其不足之处是没有 把设计本身当作一门学科来对待，所使用的设计方法主要有 1) 理论设计 根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论 设计如对简单受拉杆的强度设计 设计强度计算式 lims

2、 或FAlim式中 F：作用在杆上的外载荷 A：拉杆的横截面积 urn ：拉杆材料的极限应力 S：安全系数 可以利用上面公式直接求解杆件必须的横截面积，也可以按其他方 法先初步设计杆件的横截面尺寸，然后用强度计算公式去校核 由于 实际情况复杂多变，若安全系数选择过大，则产品傻、大、粗若安 全系数过小，则很难保证安全性 2) 经验设计 根据某类零件已有的设计方法与经验关系式，或根据设计者个人的 工作经验用类比办法所进行的设计叫经验设计随着设计产品的技术 系统越来越复杂。技术含量不断提高，产品更新发展速度加快，经验 类比的设计方法已不能满足市场需要 3）模型实验设计 对于一些尺寸巨大而结构又很复杂

3、的重要零件，尤其是一些重型整 体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。即把 初步设计的零部件或机器制成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段 对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改， 从而达到完善。这样的设计过程叫做模型实验设计。 三、汽车零部件的现代设计 现代设计方法是新理论与计算机应用相结合的产物它是以思维科 学、设计理论系统工程为基础，以方法论为手段，以计算机为工具的 各种技术和程序的总和 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

4、劳寿命、尺寸、应力等，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， Si(i=1 、2? 、 ) 的函数 S=(s1，s2，? ，s ) 同样将零件抵抗失效的因素称为“强度

5、”，用r 表示，则 r可表示 为各种影响强度的因素ri(i=1 、2、? 、 ) 的函数 r=g( rl，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(rS) 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

6、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 现前只是经验推断， 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 v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1，桶高2 (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可分为等式约束和不等式约束 如上例中 桶的容积 V=1 2 2 等式约束 桶底圆半径10

7、不等式约束 桶高 z20 不等式约束 (3) 目标函数：目标函数是预期优化目标中各设计变量关系的数学表 达式 如上例中，用料最省 )(xf =1 2+2 12 (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1、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

8、，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 四、汽车零部件传统设计方法与现代设计方 法的比较 比较 项目 传统设计方法现代设计方法 设计 的系 统 静态的系统动态的系统 设计 方法 主要是利用经验利用科学的方法 设计 手段 手工设计计算机设计 设计 依据 依据用户对产品提出的功 能、性能、 质量及成本要求来设计 依据环境属性与产品的基本属 性来设计 设计 人员 很少考虑

9、产品的环境属性要求设计人员在产品构思及设 计阶段必须考虑降低能耗、资 源重复利用及环保 设计 工艺 在制造和使用中很少考虑 产品回收、仅优先考虑贵重 金属材料的回收 在产品制造和使用中可拆卸易 回收、不产生毒副作用、保证 产生最少的废弃物 设计 目的 为需求而设计为需求和环境而设计、满足可 持续发展的要求 设计 出的 产品 传统意义上的产品绿色产品 五、汽车零部件设计方法的展望 由于科学技术的急速发展和市场竞争的日益加剧，以CAD/CAE/CAM 为代表的现代汽车零部件的设计方法正逐渐代替手工传统的设计方 法, 许多汽车零部件的设计软件不断出现，这些大型软件包含的设计 内容从零件建模到参数选取

10、， 尺寸计算，有限元分析到零件参数优化 设计以及模拟仿真，通过建立虚拟样机，缩短开发周期，节省设计成 本。 计算机在设计中的应用已从早期的辅助分析计算和辅助绘图，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在设计中的应 用，加快了设计进程，提高了设计质量，方便了与其他部门或协作企 业的信息交换。随着科学技术的不断发展，有限元分析、优化设计、 可靠性设计、计算机辅助设计和计算等现代设计技术不断应用到汽车 零部件的设计领域中。 在今后汽车零部件的设计领域，汽车零部件现 代设计方法的地位将会显得越来越重要！ 六、现代设计方法在

11、实例中的应用 变速箱齿轮设计 1）变速箱齿轮的设计准则： 由于汽车变速箱各档齿轮的工作情况是不相同的，所以按齿轮受 力、转速、噪声要求等情况，应该将它们分为高档工作区和低档工作 区两大类。齿轮的变位系数、压力角、螺旋角、模数和齿顶高系数等 都应该按这两个工作区进行不同的选择。 高档工作区：通常是指三、四、五档齿轮，它们在这个区内的工 作特点是行车利用率较高， 因为它们是汽车的经济性档位。在高档工 作区内的齿轮转速都比较高， 因此容易产生较大的噪声， 特别是增速 传动，但是它们的受力却很小，强度应力值都比较低，所以强度裕量 较大， 即使削弱一些小齿轮的强度， 齿轮匹配寿命也在适用的范围内。 因此

12、，在高档工作区内齿轮的主要设计要求是降低噪声和保证其传动 平稳，而强度只是第二位的因素。 低档工作区：通常是指一、二、倒档齿轮，它们在这个区内的 工作特点是行车利用率低，工作时间短，而且它们的转速比较低，因 此由于转速而产生的噪声比较小。但是它们所传递的力矩却比较大， 轮齿的应力值比较高。所以低档区齿轮的主要设计要求是提高强度， 而降低噪声却是次要的。 在高档工作区，通过选用较小的模数、较小的压力角、较大的 螺旋角、较小的正角度变位系数和较大的齿顶高系数。通过控制滑动 比的噪声指标和控制摩擦力的噪声指标以及合理选用总重合度系数、 合理分配端面重合度和轴向重合度，以满足现代变速箱的设计要求， 达

13、到降低噪声、传动平稳的最佳效果。而在低档区工作区，通过选用 较大的模数、较大的压力角、较小的螺旋角、较大的正角度变位系数 和较小的齿顶高系数， 来增大低档齿轮的弯曲强度，以满足汽车变速 箱低档齿轮的低速大扭矩的强度要求。以下将具体阐述怎样合理选择 这些设计参数。 2）变速箱各档齿轮基本参数的选择 a、合理选用模数 b、合理选用压力角 c、合理选用螺旋角 d、合理选用正角度变位 e、提高齿顶高系数 3）变速箱齿轮啮合质量指标的控制 a、分析齿顶宽 b、 分析最小侧隙 c、分析重合度 d、分析滑动比 e、分析压强比 4）降低变速箱齿轮噪声的设计 a、控制滑动比的噪声指标cg db 基圆直径； db

14、 相配齿轮的基圆直径； dfa 啮合起始 圆直径； tn 法向齿距； A 齿轮中心距； D 相配齿轮的外径； t 端面压力角； b、控制摩擦力的噪声指标RF c、控制重合度来降低噪声 d、采用小模数和小压力角来降低噪声 5）变速箱齿轮强度的计算方法： 6）ISO齿轮强度计算方法 a、齿面接触强度计算 b、轮齿弯曲强度计算 7）变速箱齿轮的优化设计： a、数学模型： 设计变量：模数、齿数、压力角、齿宽、螺旋角、变位系数、中心 距； 约束条件：基本参数约束：模数系数限制、齿宽系数限制、螺旋角 限制、压力角限制、齿数限制； 啮合质量约束：齿顶宽限制、重合度限制、压强比限制、滑动比限 制、主动轮根切限

15、制、被动轮根切限制； nnbtbfa fa nb cg mtdDAdd d td ;sin2;0 .1 1.0 2 1 2 222 强度约束：接触强度限制、弯曲强度限制； 目标函数：一档齿轮：以中心距最小为目标； 二、三、四、五、倒档齿轮：在一档优化结果的基础上，以齿宽最 小为目标； 优化算法：增广拉格朗日乘子法。 b、约束条件： 其通用的约束条件有以下一些( 以下 fu (x)为取 x 的符号 ) ： 为保证数学尺度一致，约束全部化为与1 比较。 基本参数限制：模数系数限制fu(K mn)(0.8/Kmn-1)0.3Mn 重合度限制 fu(Er) (1.15/Er-1)1.15 压强比限制

16、fu(NN)(NN/1.5-1)0 即 NN1.5 滑动比限制 n/4+10 即 n-4 主动轮跟切限制fu(Xmin1)(1-X1/Xmin1)0 即 Xmin1X1 被动轮跟切限制fu(Xmin2)(1-X2/Xmin2)0 即 Xmin2X2 强度限制：主动轮接触强度限制 -Sth10 被动轮接触强度限制 -Sth20 主动轮弯曲强度限制 -Stf10 被动轮弯曲强度限制 -Stf20 对倒档齿轮，有两对齿轮啮合。在约束条件中应加入保持输入齿 轮与输出齿轮不产生干涉， 即：(G1da1+G2 da2)/2+0.5)/A1-1)0 式中：G1 da1 第一对啮合齿轮中主动齿轮的齿顶圆直径；

17、 G2 da2 第二对啮合齿轮中被动齿轮的齿顶圆直径； 这样保证了输入与输出齿轮齿顶间差0.5 毫米。 对于各种约束，界面中都提供了惩罚调整系数的输入。在初次计 算后，可根据结果及其分析，判断具体哪些约束较易满足，哪些还没 有满足，依此来调整各惩罚值，进行第二次运算。循环类似的工作， 直至所构造的空间曲面都较易找到一个极值点。 c、目标函数： 对于一档齿轮， 以中心距最小为目标。 对齿轮的齿数先作为离散的 变量处理，在将第一次优化的结果取整， 将整数型的齿数作为固定参 数，进行第二次优化。 对于二至五档齿轮在中心距固定的情况下，即加一个等式约束： A/A1-1=0。进行以齿宽最小为目标的优化计

18、算。对齿数的处理类似一 档。 d、初值选择： 对于一至五档齿轮的优化设计还提供了初值的选择，而倒档不提供 是因为倒档为两对齿轮啮合，不易给出合适的曲线。 初值选择的原理是， 在给定的五个基本参数的情况下，可以在一个 平面上分析另两个参数间的关系。根据某个约束g(X)0 可以绘出这 两个参数满足g(X)=0 时的曲线。利用多个约束可以得到一组曲线， 甚至可以得到一些封闭的区域。 利用这些图形可以方便直观地得到一 组合理的初值点。 用户可以选择七个参数中的任意两个分别作为横坐标和纵坐标。并 且提供了齿顶宽、重合度、滑动比、根切、压强比、接触强度和弯曲 强度等七个主要约束，可以绘出这两个参数能满足这

19、些约束的区域。 8）壳体设计 基于以上齿轮等设计硬点后, 便可进行壳体轮廓设计, 然后根 据 CAE分析方法进行轻量化设计工作. 七、参考文献 【1】应锦春 , 现代设计方法【 M 】. 北京：机械工业出版社 ,2000.3 【2】刘惟信 , 机械可靠性设计【 M 】. 北京: 清华大学出版社 ,1998 【3】黄纯颖 , 设计方法学【 M 】. 北京: 机械工业出版社， 1992 【4】王国强，常绿等 . 现代设计技术 . 化学工业出版社， 2005 【5】刘鸿文，材料力学 . 高等教育出版社， 2002 【6】孙靖民，机械优化设计 . 机械工业出版社， 2001 【7】吉林工业大学汽车教研

20、室. 汽车设计 . 机械工业出版社 .1981 【8】张洪欣，汽车设计 . 机械工业出版社， 1989 【9】余志生，汽车理论 . 机械工业出版社， 2000 【10】张宝生，李杰，林明芳 .汽车优化设计理论与方法. 机械工业出 版社， 2000 【11】濮良贵，纪名刚 . 机械设计（第八版） . 高等教育出版社 2006.5 目录 一、绪论 二、汽车零部件的传统设计方法 三、汽车零部件的现代设计方法 四、汽车零部件传统设计方法与现代设计方法的比较 五、汽车零部件设计方法的展望 六、现代设计方法在实例中的应用 变速箱齿轮设计 七、参考 汽 车 零 部 件 的 现 代 设 计 方 法 vs 汽 车 零 部 件 的 传 统 设 计 方 法