發(fā)動機零件的造型設(shè)計研究

夏新艷 侯偉 陳子聰

（濰柴動力股份有限公司，濰坊 261061）

近年來，柴油發(fā)動機產(chǎn)品的技術(shù)越來越先進，發(fā)動機本體熱效率不斷突破，陸續(xù)推出國六國七產(chǎn)品，隨著國內(nèi)外幾大發(fā)動機產(chǎn)品品牌之間的技術(shù)較量，它們的造型也越來越受到關(guān)注。發(fā)動機的造型也如其他產(chǎn)品的發(fā)展一樣，從一開始“笨拙冷漠”的機器，到現(xiàn)在精致人性化的“心臟”，體現(xiàn)出形式創(chuàng)新的力量[1]。作為功能性極強的產(chǎn)品，發(fā)動機零件的造型取決于功能需求。反過來說，造型可以反映出產(chǎn)品的功能訴求，只有結(jié)構(gòu)與造型統(tǒng)一，才能塑造出完美、具有競爭力的發(fā)動機產(chǎn)品。在產(chǎn)品造型設(shè)計的過程中，需要從產(chǎn)品的形態(tài)、色彩和質(zhì)感角度體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的特點，而功能、結(jié)構(gòu)、人機等是造型設(shè)計階段的技術(shù)指引[2]。結(jié)構(gòu)是造型的基礎(chǔ)，造型是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式。

1 影響發(fā)動機零件的造型設(shè)計因素

為了探究發(fā)動機零件的造型設(shè)計，需要找出影響發(fā)動機零件造型的設(shè)計因素，下面從發(fā)動機零件的設(shè)計流程入手，對影響造型設(shè)計的因素進行分析。

由圖1 基于零件設(shè)計的流程分析可知，影響零件造型的設(shè)計因素有功能因素，即滿足既定的技術(shù)要求、設(shè)計邊界等；人機因素，即造型需體現(xiàn)人文關(guān)懷，實現(xiàn)易用性，保證安全性；生產(chǎn)因素，即零件需易加工，拆裝便利。

圖1 基于設(shè)計流程分析設(shè)計因素

1.1 功能因素

零部件的設(shè)計首先需要滿足既定的功能要求，如支架需要滿足支撐強度要求，油底殼需要滿足油量容積及傾斜角等要求。造型要在滿足功能的前提下，與周圍零件相呼應(yīng)，即保持風(fēng)格的統(tǒng)一。不同排量機器上的同一零件雖然體量不同，但可以進行模塊化設(shè)計，打造家族化、系族化產(chǎn)品。例如，BMW 系列車型，均采用雙腎型進氣格柵的造型設(shè)計，作為BMW 的典型視覺識別特征[3]，形成了家族化產(chǎn)品。

1.2 人機因素

工程機械產(chǎn)品的應(yīng)用場景非常復(fù)雜，對該類產(chǎn)品的維修保養(yǎng)工作要求已經(jīng)從起初的能用轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的易用、好用。因此，對此類產(chǎn)品在使用安全性、操作舒適性等方面具有更高的要求[4]，發(fā)動機零件上的人機要求體現(xiàn)在兩個方面：安全性和操作舒適性。

任何零件的設(shè)計都必須滿足安全性要求，避免出現(xiàn)尖角、銳邊。發(fā)動機的高溫區(qū)域要注重防護，可通過標簽警示或添加隔熱罩等形式。為避免泄漏及著火，燃油濾清器、機油濾清器朝下布置時需要設(shè)計接油盤，而接油盤的設(shè)計不能影響濾芯的拆卸。發(fā)動機上的旋轉(zhuǎn)件要有防護裝置或警示標識。禁止踩踏的位置要有警示標識或從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度將零件設(shè)計為不可踩踏的形態(tài)。

零件的設(shè)計及布置要結(jié)合人機工程學(xué)考慮人員維護保養(yǎng)操作的舒適性、便利性。如需要經(jīng)常擰下的加機油口蓋結(jié)構(gòu)、需要插拔的油尺結(jié)構(gòu)等。設(shè)計時應(yīng)該減少人員的操作疲勞感，提升操作舒適性，同時應(yīng)布置在人能迅速可視及可達的位置，通過零件色彩設(shè)計來提升用戶體驗。發(fā)動機的日常維護保養(yǎng)零件，如機油濾清器、燃油濾清器、空氣濾清器應(yīng)布置在便于人員操作的位置，同時留出濾芯拆裝足夠的操作空間。

1.3 生產(chǎn)因素

零件的三維設(shè)計必須基于工藝的可實現(xiàn)性。雖然現(xiàn)在增材技術(shù)提升了工藝的可實現(xiàn)性，但是發(fā)動機常用零件因數(shù)量較大，還應(yīng)采用相對比較傳統(tǒng)的制造工藝。因此，在進行造型設(shè)計時，要注重工藝性，以及能轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的產(chǎn)品。零件實物應(yīng)滿足拆裝便利、不與周圍零件發(fā)生干涉、不影響零件的拆卸等要求。零件本身類似鑄造管路，在進行造型設(shè)計時，不能影響遮擋固定管路的螺栓裝卸，即避讓螺栓套筒的操作空間。

通過上述分析可知，發(fā)動機零件在進行造型設(shè)計時需要考慮零件的功能因素、人機因素及生產(chǎn)因素。造型必須要保證在這些設(shè)計因素的基礎(chǔ)上進行設(shè)計。

2 發(fā)動機零件造型設(shè)計的思路

作為機械產(chǎn)品，發(fā)動機零件設(shè)計需滿足形式追隨功能的要求，造型設(shè)計一方面需要滿足設(shè)計因素的要求，達到與結(jié)構(gòu)的融合統(tǒng)一；另一方面需要遵循美學(xué)原則，追求形式美。

2.1 造型設(shè)計需以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)

安全可靠性是機械產(chǎn)品設(shè)計的首要條件，產(chǎn)品造型需要以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，才可以設(shè)計出造型美觀的產(chǎn)品[5]。設(shè)計時需要借助仿真工具進行形態(tài)的探索，使造型建立在滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度等的基礎(chǔ)上。

充分利用造型與結(jié)構(gòu)強度之間的關(guān)系,可以設(shè)計出具有創(chuàng)意的產(chǎn)品。例如，氣缸蓋罩、油底殼、諧振腔等塑料件可采用拱形、弧形，添加造型特征來提高塑料零件的剛度。如圖2 某款發(fā)動機塑料油底殼所示，形態(tài)的起伏增大了油底殼的剛度，同時遍布的筋結(jié)構(gòu)減緩了行車中石子等對油底殼的撞擊作用。

對于表面較大的鑄件,可采用豐富表面造型來增加剛度及提升工藝性、隔音性及隔熱性。造型與結(jié)構(gòu)強度相結(jié)合，不僅增大了鑄造產(chǎn)品的強度，而且豐富了該產(chǎn)品的形態(tài)，提升了產(chǎn)品的顏值，為發(fā)動機零件的造型設(shè)計提供了依據(jù)。

2.2 造型設(shè)計需與美學(xué)原則相結(jié)合

發(fā)動機作為復(fù)雜的動力產(chǎn)品，零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能性強，具有開發(fā)周期長、使用周期長，更新?lián)Q代慢的特點。因此，發(fā)動機的造型設(shè)計需要達到一種長期穩(wěn)定的視覺美感[6]。構(gòu)成美學(xué)與形式美法則作為基礎(chǔ)的設(shè)計美學(xué)原則，符合美學(xué)規(guī)律，而且視覺恒久穩(wěn)定。

2.2.1 造型設(shè)計需與構(gòu)成美學(xué)原則相結(jié)合

體育旅游是人與自然的高度互動和人與自然最貼近的旅游方式，體育旅游往往以自然生態(tài)環(huán)境為載體。在開發(fā)民族傳統(tǒng)體育旅游資源過程中，應(yīng)以保護生態(tài)環(huán)境和風(fēng)景名勝為前提，合理開發(fā)和科學(xué)管理。避免重開發(fā)、輕保護，造成許多不可再生資源人為的破壞和浪費。加強民族傳統(tǒng)體育旅游資源的保護意識，樹立生態(tài)體育旅游的觀念，將民族傳統(tǒng)體育旅游與生態(tài)環(huán)境保護有機結(jié)合起來，生態(tài)環(huán)境與人文環(huán)境都得到良好的治理和改善，為民族傳統(tǒng)體育旅游的發(fā)展營造一個健康的環(huán)境。

構(gòu)成美學(xué)中的構(gòu)成元素分為點、線、面、體。

點作為基本的元素，能夠帶來豐富觀眾視覺效果的作用。在構(gòu)成中，它不等同于數(shù)學(xué)概念上的點[7]，具有較小面積和體積的形態(tài)元素都可以作為點元素。發(fā)動機較小的零件可以化為點元素，起到畫龍點睛的作用，如油尺、加油口蓋、標識等。

點運動形成線，從造型角度來看，線元素是富于個性和活力的。人們的心理會受到外觀造型設(shè)計的影響[8]，發(fā)動機零件設(shè)計應(yīng)使用直線、折線、幾何曲線，因為這些線型相對比較穩(wěn)定，符合工程機械產(chǎn)品嚴謹、理性的產(chǎn)品形象[9]。管路、支架上的筋結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為線元素。

線運動形成面，面的表現(xiàn)形式非常豐富。面元素能給人以視覺上的充實感，使用面元素可以使畫面豐富，具有層次感。發(fā)動機零件大多精密復(fù)雜，因此在面比較大的位置上添加造型特征，一方面能提升零件的剛度，另一方面能豐富零件的造型感，保持風(fēng)格統(tǒng)一，體現(xiàn)出發(fā)動機零件的機械感、力量感。

體元素包含長、寬、高三個維度，給人直觀的視覺感受。發(fā)動機的每個零部件都可作為單獨的個體存在，對于整個發(fā)動機而言，上面布置了各個系統(tǒng)，各個系統(tǒng)又包含了各個零件。因此，作為一個整體要求零部件的布置應(yīng)協(xié)調(diào)，充分利用空間，并能從形式上呼應(yīng)。

圖3 為某款發(fā)動機上的進氣接管，該管路的設(shè)計體現(xiàn)出構(gòu)成元素在發(fā)動機造型設(shè)計中的應(yīng)用。螺栓的布置是點元素的呈現(xiàn)，筋結(jié)構(gòu)連接了螺栓，呈現(xiàn)出點運動成線，最后管路截面及筋形成了面，使整個進氣接管作為一個整體。

圖3 某款發(fā)動機進氣接管

形式美法則是人類在創(chuàng)造美的形式、美的過程中對美的形式規(guī)律的經(jīng)驗總結(jié)和抽象概括[10]。運用形式美法則去表現(xiàn)事物的美，能使美的形式與美的內(nèi)容高度統(tǒng)一[11]。

形式美法則主要有以下形式：比例與尺度、對稱與均衡、變化與統(tǒng)一、對比與調(diào)和、節(jié)奏與韻律。

比例與尺度：恰當(dāng)?shù)谋壤粌H能給人帶來和諧的視覺美感，還能正確地反映事物內(nèi)在的邏輯性[12]。尺度是形容各個方面都已經(jīng)平衡到了較好的關(guān)系，稍有變化就會失去平衡。發(fā)動機零件作為嚴謹?shù)臋C械產(chǎn)品，必須滿足相應(yīng)的比例與尺度要求，如發(fā)動機標識必須遵循既定的比例關(guān)系。

對稱與均衡：對稱是形式美法則中的基本原則，大自然中的絕大多數(shù)生物都是對稱存在的。對稱的事物總會給人帶來視覺上的平衡感、心理上的舒適感、安全感。即便是解構(gòu)主義、未來主義等不對稱風(fēng)格，也會以某種形式使它在視覺上保持對稱[13]，這就是均衡。發(fā)動機作為機械產(chǎn)品，應(yīng)給人一種對稱、嚴謹、穩(wěn)重的視覺感受，在布置零件時應(yīng)做到盡量左右對稱。

變化與統(tǒng)一：變化是指造型元素受到材質(zhì)、工藝、位置、大小、方向、排布、形態(tài)等方面的影響產(chǎn)生一定的變化，但是同一臺機器的不同零件需與同系族的機器造型元素達到統(tǒng)一狀態(tài)，即造型風(fēng)格的統(tǒng)一，實現(xiàn)家族化設(shè)計。

節(jié)奏與韻律：節(jié)奏是指構(gòu)成要素有規(guī)律、周期性地變化。韻律是在節(jié)奏的基礎(chǔ)上形成的，但又比節(jié)奏的變化更豐富。如一片花海，從近往遠，從左往右看會呈現(xiàn)出一起一伏，有鮮明的規(guī)律性，這就是節(jié)奏。再如一片梯田，一層層的往外擴展，每一層都會有變化，這就形成了韻律。在設(shè)計中韻律多指視線移動時，外觀造型表現(xiàn)出的形態(tài)美[14-15]。圖4 為某款V 型發(fā)動機設(shè)計，它的上搖臂罩及線圈排列形成了秩序感、節(jié)奏感。

3 典型發(fā)動機零件的造型設(shè)計實踐

通過前期的分析研究，將設(shè)計原則應(yīng)用到具體零件的造型設(shè)計中。下面針對發(fā)動機上典型的零件，即支架類、箱體類、管路類、罩殼類進行設(shè)計說明。

3.1 支架類零件造型設(shè)計實踐

發(fā)動機作為一個復(fù)雜的機械產(chǎn)品，外圍布置有各種零件，零件與本體的連接需要各種支架的設(shè)計，發(fā)動機上的支架根據(jù)成型工藝主要分為兩種：一種是鑄造類；另一種是鈑金類。支架首先需滿足結(jié)構(gòu)的可靠性，確定設(shè)計邊界后，進行拓撲優(yōu)化去探索支架形態(tài)。鈑金支架相對來說工藝簡單，造型主要涉及隨型設(shè)計與鏤空去重設(shè)計。鑄造支架的造型基本體現(xiàn)在筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，支架作為支撐件，在滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下，造型設(shè)計需要符合形式美法則的對稱原則。圖5 為某款發(fā)動機燃油濾清器支架，此支架設(shè)計左右高度對稱統(tǒng)一，鏤空設(shè)計降低了重量，筋結(jié)構(gòu)形式都統(tǒng)一成弧線型，起伏弧度整齊劃一，使弧線形的筋結(jié)構(gòu)在視覺上形成一種韻律感。

圖5 某款發(fā)動機燃油支架

3.2 箱體類零件造型設(shè)計實踐

發(fā)動機上箱體類的零件有油底殼、中冷器、膨脹水箱、熱交換器等，設(shè)計首先要滿足容積要求。由于發(fā)動機零件表面比較復(fù)雜，因此箱體類零件不能過于簡潔，應(yīng)提升表面的凹凸，提升造型感，同時也可以提升零件的剛度與強度。箱體類零件造型設(shè)計需要遵循構(gòu)成美學(xué)法則，充分利用點線面構(gòu)成元素達到美觀，并與周圍零件保持造型元素統(tǒng)一，產(chǎn)生呼應(yīng)。圖6 為某款發(fā)動機頂部造型設(shè)計，左右兩側(cè)分別為中冷器與熱交換器，兩者的造型風(fēng)格與中間罩殼的造型風(fēng)格相統(tǒng)一。

圖6 某款發(fā)動機頂部設(shè)計

3.3 管路類零件造型設(shè)計實踐

發(fā)動機上的管路有焊接鋼管及鑄造管路，造型研究主要針對鑄造管路。管路需要滿足截面的大小要求、流體順暢，同時添加筋結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，還可以添加工藝凸臺結(jié)構(gòu)。筋結(jié)構(gòu)設(shè)計需要依據(jù)美學(xué)原則，表現(xiàn)為線元素，管路上的長筋結(jié)構(gòu)應(yīng)位于管路中間的分型面上，呈現(xiàn)出對稱均衡，同時可避免分型面造成的瑕疵結(jié)構(gòu)，提升零件的精致感。

3.4 罩殼類零件造型設(shè)計實踐

發(fā)動機上的罩殼主要起到防護、隔熱、隔音、美觀的作用，罩殼往往是人們看到發(fā)動機的第一視覺點，是發(fā)動機的門面擔(dān)當(dāng)。罩殼設(shè)計在保證結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上，應(yīng)遵循形式美法則，造型元素既要有變化又要統(tǒng)一，體現(xiàn)機械產(chǎn)品的機械感、科技感，同時針對不同的應(yīng)用場景體現(xiàn)發(fā)動機的不同設(shè)定。如圖7 為某游艇用發(fā)動機罩殼設(shè)計，流暢的線條、統(tǒng)一元素的包裹設(shè)計，展現(xiàn)了游艇機的科技感、速度感、激情感，傳達了游艇機的高端形象。

圖7 某游艇用發(fā)動機

4 結(jié)論

文章從發(fā)動機零件設(shè)計流程入手分析影響造型設(shè)計的設(shè)計因素，得出造型設(shè)計要以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。同時利用美學(xué)原則對發(fā)動機零件造型設(shè)計進行了分析，并從支架類、箱體類、管路類、罩殼類四大典型發(fā)動機零件出發(fā)，進行了基于造型設(shè)計原則的造型實踐設(shè)計。針對發(fā)動機零件的造型設(shè)計，文章從理論研究到實踐應(yīng)用進行了闡述，對發(fā)動機零件造型設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。受篇幅及時間的約束，文章未對造型進行相應(yīng)的評價，應(yīng)結(jié)合層次分析法等理論針對發(fā)動機零件造型設(shè)計進行評價，建立適合的評價方法，增強方案評價的科學(xué)性和合理性。