新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車工程中的運(yùn)用探討

郭亞娟，倫佳琪

（鄭州工商學(xué)院，河南 鄭州 451450）

回顧人類的發(fā)展歷程，我們可以看到，是經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展促進(jìn)了社會(huì)的持續(xù)發(fā)展?？萍甲鳛樯a(chǎn)力，不僅極大地改變了人們的生存狀態(tài)，也極大地改變了人們的出行習(xí)慣。隨著汽車工程的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備也在不斷發(fā)展，推動(dòng)著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。隨著人類生活質(zhì)量的不斷提高，對(duì)機(jī)械的要求越來越高，機(jī)械產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用也越來越廣泛。

1 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論

新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論，主要涉及機(jī)械性能和功能，這些都是機(jī)械工程學(xué)的范疇，用定量方法來綜合分析和理解結(jié)構(gòu)。從機(jī)械設(shè)計(jì)角度來看，主要有驅(qū)動(dòng)控制、仿生、環(huán)保和節(jié)能、機(jī)器人的開發(fā)和研究、輕工業(yè)機(jī)械傳動(dòng)原理等。因而，運(yùn)用新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論，不但可以使人們更好地認(rèn)識(shí)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的基本情況，而且還可以對(duì)其進(jìn)行更細(xì)致的定位和設(shè)計(jì)工作，從而歸納出一些基本工作原則。當(dāng)前，新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論主要應(yīng)用于工業(yè)、科技、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域，主要以控制、裝配和傳動(dòng)為主，涉及信息學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、人機(jī)學(xué)、仿生學(xué)等領(lǐng)域。

總體而言，新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在總體上應(yīng)用廣泛，知識(shí)結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因而具有一定的學(xué)術(shù)特色和學(xué)科優(yōu)勢。在機(jī)械制造和設(shè)計(jì)中，復(fù)合材料的使用是最常見的；理論研究方向傾向于CAD 和自動(dòng)化機(jī)械工程；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，都需要使用現(xiàn)代測試技術(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。尤其是近年來，由于新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，使得汽車工程管理和設(shè)計(jì)質(zhì)量得到了極大的提升，為今后汽車工程制造發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 汽車工程概述

在工業(yè)革命期間，人類歷史上第一次有了車。在漫長發(fā)展過程中，汽車行業(yè)得到了飛速發(fā)展，逐漸地融入人們的日常生活和生產(chǎn)中。同時(shí)，汽車給人們交通出行提供了極大便利，使人們的生活節(jié)奏速度更快，并進(jìn)一步促進(jìn)人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。近10 年來，汽車工程發(fā)展迅速，但由于科技發(fā)展的制約，還有待于加強(qiáng)對(duì)汽車綜合性能的研究。而新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車工程中的應(yīng)用，將會(huì)對(duì)汽車工程技術(shù)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

3 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論研究意義及方向

縱觀汽車工程發(fā)展歷程，機(jī)械設(shè)備是汽車工程的主要組成部分。在整個(gè)社會(huì)發(fā)展過程中，機(jī)械化也是不可或缺的一部分。當(dāng)今人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈穩(wěn)定增長態(tài)勢，而在此背景下，對(duì)機(jī)械設(shè)備的需求也逐漸增加。而機(jī)械設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，使人們擺脫了原來的工作和交通負(fù)擔(dān)。21 世紀(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)理論也隨之產(chǎn)生了巨大變化。

3.1 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論研究意義

從個(gè)體觀點(diǎn)出發(fā)，合理地將新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論運(yùn)用于汽車設(shè)計(jì)制造，可以產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)利益，從而吸引越來越多的廠商投入資金、時(shí)間、精力，研發(fā)出更加科學(xué)、更加先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，既能滿足人們的日常生活和出行需求，又能取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)階段，社會(huì)發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力來自科學(xué)技術(shù)，所以，在一定意義上，汽車工程的機(jī)械產(chǎn)品也能帶動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這是一種互惠互利的關(guān)系。要使機(jī)械設(shè)計(jì)在未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到正面推動(dòng)作用，必須確保其能適應(yīng)當(dāng)前時(shí)期和人們的需要。所以，在此背景下，必須將新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相融合，從而使其達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的雙重需求。

3.2 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論發(fā)展趨勢

現(xiàn)在市場，已經(jīng)有了多元化趨勢，包括制造業(yè)，隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械設(shè)備的需求也在不斷增加，這就導(dǎo)致新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論要適應(yīng)市場需求，發(fā)生一系列變化?？傊覀儑倚滦蜋C(jī)械設(shè)計(jì)理論是要符合現(xiàn)實(shí)要求，符合社會(huì)需要，要符合智能化、多元化、高效率要求?？梢哉f，目前國內(nèi)所從事的機(jī)械設(shè)計(jì)工作，已不再是單純的制造零件，而是要從多方面去考量，以最大限度地滿足民眾需求，來推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。此外，對(duì)設(shè)計(jì)外觀、設(shè)計(jì)時(shí)間和使用壽命提出了更高要求。

4 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論的研究

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)變速器的研究

發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)汽車結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，變速器是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件。因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，變速器的轉(zhuǎn)速是非常高的，所要達(dá)到最大扭矩和最大功率。在制造時(shí)，我們必須通過精確計(jì)算，來分析各零件的相互關(guān)系，以及在操作中所扮演的角色，從而使變速器發(fā)揮其最大作用。在汽車結(jié)構(gòu)中，變速器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作原理是利用零件表面的齒輪運(yùn)動(dòng)來改變汽車行駛時(shí)的檔位。即使只有一個(gè)變速器齒輪出現(xiàn)了問題，也會(huì)對(duì)變速器的工作造成很大影響，因此必須確保變速器齒輪的質(zhì)量，確保變速器的壽命。

4.2 零件磨損度的研究

目前，我國公路運(yùn)輸體系日趨完善，各種交通線路遍布全國各地。在這種情況下，對(duì)汽車的需求量越來越大。從工業(yè)革命開始，就可以看出，工業(yè)是一個(gè)新紀(jì)元，而機(jī)器也在不斷發(fā)展。隨著汽車工程的發(fā)展，零部件生產(chǎn)企業(yè)逐漸增多，為解決汽車零部件在使用中出現(xiàn)的磨損問題，國內(nèi)汽車制造業(yè)和零部件制造業(yè)都必須對(duì)零部件進(jìn)行深入研究，以提高零部件的耐磨性。

4.3 噪聲和振動(dòng)的研究

在汽車正式投入使用后，更多的是在公路上行駛時(shí)，要控制車輛所發(fā)出的噪聲。所以，機(jī)械生產(chǎn)商必須采用更加科學(xué)的方式來減少汽車運(yùn)行時(shí)的噪聲和振動(dòng)。在進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過不同的方法促使汽車噪聲和振動(dòng)減少。另外，還要考慮到大眾對(duì)汽車的需求，以及相應(yīng)的市場定位，并符合國家可持續(xù)發(fā)展理念。

5 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車工程中的具體運(yùn)用

5.1 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車工程噪聲和振動(dòng)上的應(yīng)用

汽車作為企業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運(yùn)行和人們出行的主要載體，汽車的安全、高效運(yùn)行，關(guān)系到人們的人身安全。所以，汽車在行駛時(shí)，如果一個(gè)零件或其他裝置發(fā)生了問題，將會(huì)對(duì)汽車行駛造成很大傷害。在此情況下，噪聲和失效振動(dòng)最為常見。要想克服這個(gè)問題，首先要把汽車常見的噪音和振動(dòng)問題放在首位。在汽車行駛時(shí)，根據(jù)汽車噪聲、振動(dòng)的粗糙程度，可以對(duì)汽車的整體性能做出全面評(píng)價(jià)。而這個(gè)指數(shù)又是衡量汽車舒適度的重要因素，其直接關(guān)系汽車品牌知名度。因此，要降低系統(tǒng)的噪聲和振動(dòng)，必須避免輸入加載與結(jié)構(gòu)固有頻率過于相近。通過使振動(dòng)頻率與降低的耦合作用相結(jié)合，使汽車振動(dòng)特性得到進(jìn)一步改善，從而使汽車在行駛中的振動(dòng)和噪聲得到極大地降低。此外，技術(shù)工作者還可以利用NVH 客觀、準(zhǔn)確地獲得新產(chǎn)品的各項(xiàng)性能參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。從設(shè)計(jì)費(fèi)用和研發(fā)周期兩個(gè)方面來看，新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論都能為汽車新產(chǎn)品設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

5.2 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的應(yīng)用

當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展勢頭良好，對(duì)現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)、性能和行駛技術(shù)提出了更高的要求，需要滿足汽車節(jié)能、舒適、安全、減少排放等方面的要求。因此，車身輕量化是汽車發(fā)展的主攻方向，對(duì)車體的設(shè)計(jì)和構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)，在車體生產(chǎn)中運(yùn)用高強(qiáng)度低密度材料。而車身是一輛車的主要部件，其堅(jiān)固程度足以保障汽車的使用年限，同時(shí)，車身也要具備一定的剛性，才能滿足汽車裝備及使用符合要求。在機(jī)械結(jié)構(gòu)革新和測試技術(shù)的運(yùn)用中，機(jī)械的FEM 能夠很好地適應(yīng)汽車的實(shí)際使用需求，主要包括兩個(gè)部分：第一部分是對(duì)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度的分析。第二部分是將有限單元方法應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)，進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算。同時(shí)，通過計(jì)算機(jī)可以清楚地看到各部件的振動(dòng)模態(tài)，從而使結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)工作更加容易。所以，在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中利用有限元分析法可以極大地改善汽車設(shè)計(jì)質(zhì)量。

5.3 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在變速器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汽車在使用過程中，可以對(duì)機(jī)械變速器進(jìn)行優(yōu)化。由于變速器的高輸出、變速特性，需要在某一轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)最大輸出和扭矩，為了使其更好地發(fā)揮其功能，需要在實(shí)際應(yīng)用中增設(shè)變速裝置，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用需要。在此基礎(chǔ)上，可以將新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)對(duì)變速器進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，使各部件功能更加清晰，從而達(dá)到最大限度地減輕車身重量的目標(biāo)。機(jī)械式變速器通常是變速器中最常用的一種，在設(shè)計(jì)上要兼顧整體重量和穩(wěn)定性，齒輪的體積總和必須達(dá)到汽車輕量化要求，同時(shí)還要保證汽車螺旋角與倒車齒輪模數(shù)保持一致，所以在設(shè)計(jì)好后要注意余檔參數(shù)設(shè)計(jì)。此外，還可以與變速器配合，改變車輛的驅(qū)動(dòng)模式，用多個(gè)擋位實(shí)現(xiàn)換擋。如果某一傳動(dòng)設(shè)備發(fā)生故障，將直接影響減速器的總體性能，所以在優(yōu)化變速器時(shí)，要視具體情況而定，增加或減少齒輪個(gè)數(shù)和大小。

5.4 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車零部件抗磨損中的應(yīng)用

隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，運(yùn)輸體系日趨成熟，對(duì)汽車的要求也越來越高，因此，汽車已成為主要的運(yùn)輸方式。自工業(yè)革命以來，由于工業(yè)的迅速發(fā)展，機(jī)械行業(yè)獲得了巨大發(fā)展機(jī)會(huì)，汽車的到來讓人們的生活和交通形式都發(fā)生了巨大變化，隨著汽車工程的發(fā)展，對(duì)汽車的研發(fā)也越來越多，越來越多的高精度零件被用于汽車設(shè)計(jì)和制造中，所以在汽車研發(fā)和制造過程中，必須重視起汽車零件的抗磨性能。在實(shí)際使用中，零件表面會(huì)有較大磨損，不同零件在接觸時(shí)，接觸部位的溫度會(huì)迅速升高，從而造成潤滑層破損，從而引起零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，造成零件磨損或零件銹蝕。在此條件下，可以在零件表層噴涂一層防磨劑，并對(duì)零件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，確保零件的基本物理特性。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用激光淬火、碳氧共滲、擠壓表面等技術(shù)手段來提高零件的耐磨性能，此外，采用網(wǎng)格磨具對(duì)零件的初期磨損也是有益的，因此要選用適當(dāng)技術(shù)，才能得到高質(zhì)量制品。

5.5 新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論在汽車外觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于車輛越來越多，在車輛的運(yùn)用中，不僅要注意車輛的舒適度，還要注意外形的美觀性和藝術(shù)性。另外，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重車身結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與外觀的優(yōu)化。隨著汽車生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，各種型號(hào)和功能的汽車數(shù)量也在逐年增長，各種零件都要在生產(chǎn)過程中進(jìn)行系列化和品牌化，方便日后維修和保養(yǎng)。在具體設(shè)計(jì)中，每一個(gè)部件都要經(jīng)過莫泰分析，每一部件的穩(wěn)定性和強(qiáng)度都要有清晰定義，再利用電腦軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以確保汽車的整體質(zhì)量。比如，在汽車涂裝方面，根據(jù)環(huán)保理念，必須采用綠色、無害涂料，同時(shí)還要兼顧空氣動(dòng)力學(xué)等方面的因素，確保汽車整體的壓合件和配合件必須符合汽車設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)還必須滿足整體造型，同時(shí)還要兼顧美觀、審美和加速要求。另外，工作椅背設(shè)計(jì)，無論是材料還是椅背角度，都要根據(jù)力學(xué)原理來進(jìn)行精確計(jì)算，既要符合設(shè)計(jì)的合理性，又要兼顧駕駛者的舒適度，確保汽車整體設(shè)計(jì)符合科學(xué)要求。

6 結(jié)語

綜上所述，在國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，汽車在人們工作和生活中所起的作用越來越大，給汽車廠商工作和生活帶來了巨大挑戰(zhàn)，所以汽車廠商必須把新型機(jī)械設(shè)計(jì)理論應(yīng)用在汽車外觀、變速器、零部件以及噪音、振動(dòng)等設(shè)計(jì)中，并考慮各種因素，才能使汽車工程在高速發(fā)展的大環(huán)境中得到快速發(fā)展。