新型机械设计理论对汽车工程的运用

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摘要：围绕新型机械设计理论的发展过程、主要特点两个方面，对该理论的内涵进行了介绍。在此基础上，从汽车零部件抗磨损性能提升、发动机变速器性能提升、噪声程度及振动幅度降低、结构强度提升、结构模态优化、车身及外观设计六个方面，对新型机械设计理论在汽车工程中的具体应用加以研究，并分析了新型机械设计理论未来在汽车工程中的运用发展趋势。

关键词：汽车工程；新型机械设计理论；零部件磨损；结构模态；结构强度

1前言

机械设计是指设计人员根据特定的要求，围绕机械的工作原理、结构、运动方式、力度和能量的传递方式、外部形态、各个零部件的尺寸、润滑方法等进行构思、分析、计算，最终使设备具备特定的功能。机械设备诞生至今已经有数百年之久，随着各项技术逐渐更新换代，传统的机械设计思路、原理等也同样与时俱进。基于此，在传统机械设计的理论基础上，结合现代思维理念，逐渐形成了新型机械设计理论。将该理论应用于现代汽车工程时，能够使新型汽车满足消费者提出的多项新要求，可促进汽车工业的创新与发展，故必须予以重视。

2新型机械设计理论内涵分析

2.1新型机械设计理论的发展

新型机械设计理论是在传统机械设计理论的基础上一步一步发展而来的。传统机械设计理论的形成及应用时间跨度较大——自西方社会第一次工业革命以来，一直到20世纪五六十年代，均属于机械设计发展的第一阶段，机械设计理论相对单一，计算公式较为传统，普遍根据以往的经验、传统的规定，完成“定向设计”［1］。受此影响，机械产品的生产规模始终无法扩大，产品质量无法得到保证。但需要注意，从20世纪初期开始，尽管全世界范围内的机械设计技术条件、设计工艺水平，能够应用的资源依然处于较为有限的状态，但人类思维层面已经开始进步——很多机械设计人员、工人开始认识到传统机械设计方法及技术存在的局限性，越来越多的人试图创造出新的技术，希望解决传统设计理论以及技术对产品造成的缺陷。其中不得不提的一件事情为：随着计算机信息技术的发展及推广，设计者在机械设计期间，基于计算机设备提供的高精设计成果，使很多设想逐渐成为现实。在更多先进技术融入之后，机械设计水平、机械制造先进程度均得到了大幅度提升，传统机械设计中存在的问题也得到了明显改善。20世纪80年代以来，几乎每间隔5～10年，全球范围内的机械设计便会得到一次整体性的更新。机械制造领域从最初的手工化，逐渐发展为半自动化、自动化、数字化。时至今日，人工智能已经广泛应用于现代机械设计之中。总体而言，新型机械设计理论本质上是更加可靠的智能化、科学化设计。

2.2新型机械设计理论的主要特点

新型机械设计理论的特点可以笼统地总结为“集百家之长”。原因在于：计算机、互联网相关的先进技术、性能更高及更加人性化的现代机械设备需要在机械设计过程中得到有机融合［2］。为了达到这一目的，多个学科的知识必须得到融合应用，在打破学科壁垒的情况下，方可实现机械设计理论的创新与发展。具体而言：a.机械设计应呈现出系统化、创新化的特点。现阶段，“机械设计”已经成为一个广义概念——各行各业都需要高精尖的机械设备，设备的创新意味着生产力的创新。特别是对一些制造业企业来说，成功完成新设计，生产方案具有可行性，意味着该企业在行业内处于技术领先地位。综合考虑之下，要求现代机械设计研究人员在传统的设计理念基础上“取其精华去其糟粕”，对一些广泛受到市场认可，且不存在明显短板的技术及设计思路应该沿用；对一些为广大消费者造成不同程度困扰，已经显示出缺陷的产品及技术，应该不断尝试新的设计思路，从而早日解决问题。总体而言，设计人员应该发散思维、大胆创新，将机械设计与先进的科学技术有机结合，在产品结构设计、产品质量保证机制等方面实现全面升级的同时，还应注意控制成本，最终使制造业企业、消费者的需求均能得到满足。b.机械设计应呈现出前瞻性、融合性的特点。在传统的消费市场中存在一个共识——先有需求，再有创新。但到了现代社会，该理念本身已经呈现出一定的滞后性——如果制造业企业缺乏主动求变的精神，等到市场提出新的需求之后才开始创新，那么必定呈现出迟滞性。基于此，设计人员应该“主动出击”，通过多元渠道收集消费者的反馈，并制定阶段性的创新方案。比如智能手机领域，最初的显示屏较小、电池续航能力较差、内存空间充裕度较低、经常出现卡顿。手机制造商对此问题有着充分的认知，每一次发布新产品时，各项广受市场关注的性能都会在不同程度上得到升级，从而满足消费者的新需求，市场销售额度自然也更容易达到预期。总体而言，新型机械设计理论是在现代机械设计层面，需要融合先进的力学、电气自动化、物理学、计算机等各种学科的先进知识与内容，使得机械设计理念更加丰富，设计出的产品创新性进一步得到体现［2］。

3新型机械设计理论在汽车工程中的运用

3.1汽车零部件抗磨损性能提升方面的运用

新型机械设计理论应用于现代汽车工程时，首先需要解决零部件磨损过快的问题。之所以将这一问题放在首位，是因为随着我国综合国力的提升、公路交通网络规模越来越大，私家车的拥有数量正在逐渐提升。根据我国交通部门发布的调查报告，我国2020年的私家车保有量（不考虑报废回收以及在4S店内售卖的车辆，能够随时上路且有牌照登记的私家车数量）已经超过6亿辆。大多车主都是出于以下方面考虑：很多车主购买私家车的目的仅仅是为了代步，解决日常生活的出行问题。因此，尽量降低车辆养护成本是这些车主的核心诉求。如果车辆中的某些零部件使用一段时间后便严重磨损，在更换的过程中会导致很多额外的成本支出，这并不是广大车主希望看到的事情。基于此，新型机械设计理论应用于汽车零部件磨损性能提升方面时，设计人员需要对零部件的材质、形态、精细化程度、润滑辅助等内容进行充分考量，最终目的是增加汽车零部件的使用寿命，尽量提高抗磨损性能。

3.2汽车发动机变速器性能提升方面的运用

汽车发动机是汽车的核心设备，其中，变速器的性能不仅影响汽车驾驶人的操作感觉，而且会影响汽车行驶过程中的安全性［3］。因此，应用新型机械设计理论设计发动机变速器时，设计人员需要做到：通过多元渠道采集发动机、变速器、各个零部件在各种工况下的数据信息。以自动挡汽车为例，对驾驶员来说，驾驶自动挡汽车的难度远不如手动挡汽车，这是因为在行驶过程中，自动挡汽车只有前行挡、倒挡、空挡三种选择，在前行期间，无论油门踩到什么样的程度都处于前行挡的控制范围内。而手动挡汽车则不同，前行挡共分为五个挡，要求驾驶员根据不同的行车速度，手动完成调整。从操作便捷性方面来看，自动挡汽车的受欢迎程度远远超过手动挡汽车。但从操作感方面来看，一些资深驾驶员更愿意选择手动挡汽车，其中一个关键原因为：在车辆的刹车系统失灵时，自动挡汽车很难通过降挡的方式实现降速。而手动挡汽车如果当前为五挡，驾驶员可以逐渐降挡，在一定程度上达到辅助降速的目的。对设计人员来说，充分考虑手动挡发动机变速器及相关机械零部件在升降速变化过程中的运行原理与自动挡车辆之间的区别，在完成精密度较高的计算之后，结合运动学、动力学原理，对汽车发动机变速器的原动件功率、可调整转速区间、线速度等参数进行综合考量，最后完成对各项设备、各机械零部件在特定条件下承受的荷载具体值、特性的梳理，找到提高发动机变速器稳定性、安全性、特殊情况下可操作性的方法，令车辆的性能更加人性化。

3.3汽车噪声程度及振动幅度降低方面的运用

包括汽车在内的诸多机械设备提高了人类生产、生活的便捷程度，但其运转过程中会产生不同程度的噪声，部分设备也会频繁振动［4］。这种情况会大幅度降低使用设备时的舒适感。比如人们坐车时，车辆带来的震动感和噪声会刺激耳膜，影响人的中枢神经系统，一些抵抗力较差之人极其容易晕车。基于此，应用新型机械设计理论时，降低噪声程度和车载机械设备的振动幅度同样是重点考虑的内容。根据物理学原理可知，两个距离相近的机械结构，如果振动的频率较为相似，则极有可能产生共振。一旦这种情况出现，则整体振动的振幅会大幅度增加。为避免发生此种情况，设计人员可以在频率分布方面着手设计，对振动频率进行适当匹配，尽量降低振动耦合的发生率，最终达到降低噪声分贝值和振动幅度的目的。

3.4汽车结构强度提升方面的运用

在现代社会，每年都会有数百万人死于交通事故。其中，私家车的主要车型——小轿车和吉普、SUV车型在与大型货车、半挂车碰撞时，损毁率远远高于大型车辆，一些小型车辆乘客的死亡过程可以用“惨不忍睹”来形容。如很多媒体发布的小型车辆与大货车碰撞之后，在数秒时间内便被挤压成“片状”。这种情况已经引起了人们的广泛重视——社会迫切需求汽车的结构强度应该尽可能提升，但同时保证汽车性能。当前的主流设计思路为：车身重量应该尽量降低、车身框架的结构强度必须尽量提升。为达到这一目的，设计人员可以在实际设计期间，围绕车身结构进行有限元分析，即对车身的各个区域、各部分构件开展模态分析，最终达到提高车身整体结构强度的目的。

3.5汽车结构模态优化方面的运用

具体开展有限元结构模态优化设计时，要素如下：a.与时间无关的结构静力分析。设计人员应重点围绕车辆齿轮、车架、钢板弹簧等结构件在承受应力作用后出现的变形程度进行分析。b.围绕汽车机械的固有频率、振型结构进行动态分析，并对汽车结构在动态荷载作用下呈现出的响应效果进行分析。c.模拟多种环境，对汽车在不同环境下运行不同时间后各个构件内部温度的变化情况、热应力的变化趋势、受高温影响而产生的热变形情况进行分析。d.对具有不同外形结构的汽车在相同环境下行驶时面临的行驶阻力、发动机冷却系统的工况变化情况等进行分析。总体而言，围绕汽车结构模态进行分析，基于相关特点进行优化升级的目的在于：全面改善车辆的各项性能，降低车辆行驶过程中对能源的消耗率，提高能源应用率，最终助力我国环保事业的发展。

3.6汽车车身及外观设计方面的运用

汽车的车身、整体外观效果是决定消费者是否愿意购买车辆的重要因素。原因在于：汽车本身属于“消费品”，如果具有一定优良属性的同时还兼具令人满意的外在形象，必定会增加在消费者心目中的良好印象。从新型机械设计理论角度来看，提高汽车车身和外观效果属于“汽车制造商和消费者的共同需求”，故必须予以重视。具体而言：a.汽车车身及外观应该呈现出“艺术性美感”。比如车身如果已经具备了“流线型”的特点，则升级改进之处应该集中在“更加柔滑”方面，提高车辆外观各部件之间的整体性，杜绝“碎片化”。b.重点计算车辆行驶过程中承受的空气阻力情况，并为内部多个设备预留充足的空间。比如保时捷等知名品牌汽车之所以拥有较高的市场热度、市场认可度，原因之一是保时捷汽车的外表看起来十分“平滑”，但车辆内部空间却在精巧的设计下，在最大程度上得到了保留。因此，性能没有下降、外观更加符合消费者的预期，保时捷成为知名汽车品牌便是顺理成章的事。

3.7新型机械设计理论在汽车工程中的运用发展趋势

新型机械设计理论在汽车工程未来的运用发展趋势为：a.进一步提高设计的整体性。对“一体化”的概念应该从更加广义的角度进行理解，形成机械、人、环境的一体化，降低行驶过程的突兀感，提高舒适程度。b.加强智能化、可控化。特斯拉的教训为：车辆智能化程度提高固然是大趋势，但在关键时刻，汽车驾驶员不能完全失去对车辆的控制权，因此，实现二者的有机结合至关重要。

4结语

对“新型机械设计理论”的正确理解是，应用成熟的科学技术、已经经过实验证明且具有可行性的新技术，对过去没有的新型机械设备进行设计的技术。以汽车工程为例，设计出性能更加优越的发动机、变速器，更改汽车的外形结构进而使汽车的操作感、安全性得到提升，更改汽车的能源系统使汽车具备更大的环保性等，属于“技术性创新”，均可以被归纳为“新型机械设计”的范畴内。事实上，在现代社会，随着各行各业技术的不断更新换代，诸多新概念层出不穷，汽车工程行业必须重点聚焦于“新”，只有将美观度、性能、环保度更加优秀的汽车产品不断推向市场，才能满足消费者与日俱增的需求，才能令汽车工程行业更好的发展。

参考文献：

［1］刘斐.新型机械设计理论在汽车工程方向的研究与应用［J］.内燃机与配件，2021（13）：186-187.

［2］林梅，何婷，仲文清，等.新型机械设计理论在汽车工程方向的研究与应用［J］.内燃机与配件，2020（22）：199-200.

［3］张梦.新型机械设计理论在汽车工程方向的研究与应用［J］.中小企业管理与科技（中旬刊），2020（6）：174-175.

［4］景大鹏.新型机械设计理论在汽车工程中的运用研究［J］.内燃机与配件，2020（1）：255-256.

［5］王皓.新型机械设计理论在汽车工程方向的研究与应用［J］.山东工业技术，2019（9）：51.

作者：杜玺 单位：西安汽车职业大学