新型機械設計理論在汽車工程方向的應用研究

管天福

（湖北國土資源職業(yè)學院，湖北 武漢 430090）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速增長，人們對于生活質(zhì)量的追求越來越高，汽車的需求量日益增大，汽車行業(yè)的競爭也越來越激烈。人們已經(jīng)不僅僅將汽車定位于日常的代步工具，更是一個表達自我生活理念的私人空間，是我們生活方式的體現(xiàn)，在某種程度上已經(jīng)是作為車主的第二個家。所以在各種因素的影響下，汽車的機械制造發(fā)生了相應的變化。對于汽車的環(huán)保性能、性價比、外觀設計、內(nèi)飾功能等一系列方面制定出了更高的標準，加快了機械設計制造理論的改革創(chuàng)新。

1 新型機械設計技術的概述及研究趨勢

1.1 機械設計理論的基本概述

機械設計是機械工程所屬的一個二級學科，這個學科主要是對產(chǎn)品的研發(fā)進行理論設計和對機械性能進行控制。這一學科領域主要包括了機械零件的選擇、機械結(jié)構(gòu)的設計、傳動方式的設計等方面。涉及到了動力學、力學、美學、摩擦力學、人機工程學、機械創(chuàng)新設計、生物學、機電控制、機械原理等學科之間相互融合，不斷創(chuàng)新發(fā)展以滿足消費者的需求[1]。

1.2 新型機械技術的發(fā)展趨勢

現(xiàn)如今，機械設備已經(jīng)廣泛的應用于人們的生產(chǎn)生活中。機械設計是機械生產(chǎn)的首要步驟，機械設計環(huán)節(jié)的質(zhì)量決定著機械性能、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟效益。隨著機械設計理論的不斷完善，越來越前沿的技術正在運用于機械設計中，這其中包括3D打印技術、機械動態(tài)仿真技術、機電系統(tǒng)的軟件模擬技術、機械創(chuàng)新設計與檢測技術、有限元分析技術被廣泛地應用于現(xiàn)代機械技術中[2]。

2 分析新型機械設計的相關理論的特點

傳統(tǒng)機械設計主要是根據(jù)機械設計的任務和目標，然后完全依賴設計者的生產(chǎn)經(jīng)驗來進行，通過一些類比，模擬等方法來推測設計的可靠性，最后完成設計任務。但當時實驗需要的各種測試條件和技術達不到要要求，導致實驗難以向更深層級推進，即使實驗完成了，得出的結(jié)果也不一定可以確保設計的安全可靠，而且設計不能保證一次成果，因此需要不斷地實驗不斷地修改才能得出完美的、符合時代的設計。這導致產(chǎn)品的設計研發(fā)需要大量的時間和精力，因此機械設計理論需要和其他學科（如電子信息，計算機編程等）進行有機結(jié)合，進行機械設計實驗，研究機械設計規(guī)律，創(chuàng)造新的機械設計技術（CAD,SW），來促進新型機械設計理論的發(fā)展和機械設計研究工作的創(chuàng)新。相比較于傳統(tǒng)機械設計理論，新型機械設計理論具有以下特點：

（1）系統(tǒng)性。隨著科技的發(fā)展，單一機械設計往往需要根據(jù)在系統(tǒng)中的作用和位置尺等要求進行設計，只考慮機械本身，不但會影響人們生活中的正常使用，還會導致機械在系統(tǒng)中失效。注重人機關系以及機械與系統(tǒng)的關系是現(xiàn)代機械設計的新要求。

（2）靜態(tài)性。現(xiàn)代機械設計應該考慮到機械產(chǎn)品在運行時的運動狀態(tài)，運動才是機械的常態(tài)。

（3）前瞻性。新型機械設計能夠在設計初期根據(jù)產(chǎn)品的生命周期和性能要求，以此系統(tǒng)和環(huán)境的影響，提前發(fā)現(xiàn)設計中存在的漏洞，將設計產(chǎn)品發(fā)生故障的概率降到最低，同時這樣可以減少不必要的材料損耗，有利于人類的可持續(xù)發(fā)展。例如：現(xiàn)代社會出現(xiàn)的新能源汽車，設計者就是根據(jù)時代發(fā)展的需求，進行節(jié)能環(huán)保的設計，既考慮到對環(huán)境的污染又考慮到駕駛的操作便利和乘客的舒適度，減少了對不可再生資源的消耗，同時也對解決城市布局和道路規(guī)劃等問題起到了推動作用。

（4）科學理論和技術的交融性。現(xiàn)代設計理論方法不斷地與其他新興學科（如計算機編程，有限元分析，人機工程學，三維建模等）進行融合來推動自身的發(fā)展研究。這樣不僅使設計更加人性化，而且使設計過程可以通過其他方法來優(yōu)化升級。例如，設計機械需要對機械進行必要的運動分析，傳統(tǒng)機械設計只能通過完成自己的設計進行現(xiàn)實中的實驗，而新型設計可以通過三維建模創(chuàng)造出產(chǎn)品的三維模型然后進行動態(tài)分析，還可以通過MATLAB等變成軟件計算出產(chǎn)品的受力和速度狀態(tài)。新型機械設計通過融合其他學科理論和技術減少了傳統(tǒng)設計中存在的隨機性，使機械設計變得自主，科學和標準[3]。

3 新型機械設計理論研究的作用及方向

我國的汽車制造及設計發(fā)展的歷史并不久遠，從解放初期到現(xiàn)在也就幾十年的時間，但是各方面的技術都趨于成熟，機械設計制造可以說是汽車制造最重要的一環(huán)，設計的好壞與否，以及技術的成熟與否都將是衡量一個企業(yè)甚至是一個國家工業(yè)水平的重要指標，在21世紀這種經(jīng)濟全球化的大環(huán)境下，人們對機械設備的需求和要求正在逐步上升，各種智能機器的產(chǎn)生，正在穩(wěn)步提升人們的生活質(zhì)量，不僅解放了生產(chǎn)力還大大的提高了效率，可見，新型設計理論在汽車方面的作用應該被更多的人所重視。

3.1 新型機械設計理論研究意義

從現(xiàn)在的大環(huán)境來看，各種不同品牌的汽車正在逐步的提升自己的設計，以便擁有自己的特色，從而提升產(chǎn)品辨識度，間接的提升自己的品牌價值；從某種角度來說，這正是機械設計理論轉(zhuǎn)化為的經(jīng)濟的收益一種體現(xiàn)。好的設計，可以創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品，可以帶動更好的銷售，利益也從此產(chǎn)生，這樣可以有更多的經(jīng)費投入研發(fā)和創(chuàng)新中，從而形成一個良性循環(huán)的經(jīng)濟圈。從大的方面來看，這與國家經(jīng)濟發(fā)展和科技的提升有著密切的聯(lián)系。二者相輔相成，相互依賴，因此作為新時代下了機械設計工作者，必須結(jié)合當前時代以及世界經(jīng)濟趨勢，去設計出更符合人們的需要的汽車制造技術和挖掘出更多的該進方向，這樣才能滿足經(jīng)濟效益與使用性質(zhì)的雙重要求[4]。

3.2 新型機械設計理論在汽車方面發(fā)展方向

就當前的國內(nèi)汽車制造來說，主要體現(xiàn)一個多元化的特點，大部分的汽車制造企業(yè)針對汽車的設計改革主要是在汽車的內(nèi)部，在核心部件上并沒有多大的改動。在大部分企業(yè)都著重于改動內(nèi)飾的情況下，我們機械設計工作者應該多多思考在一些核心的方面做出改進和提升，對汽車性能的提升是完美對接市場需求的，更加智能化，多樣化，高效率的產(chǎn)品，是每一位消費者都共同期盼的。這也是機械設計工作者都希望看到的，百花齊放的良性競爭環(huán)境，可以更好的促進國家經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展。另外，不僅僅是在性能上、在壽命上、材料上我們可以用更好的設計去創(chuàng)造更好的產(chǎn)品。

4 新型機械設計理論在汽車工程中的應用研究

在工業(yè)革命的的持續(xù)發(fā)展和進步的過程中，人類先先后后的發(fā)明了許多不同類型的汽車。如今工業(yè)革命發(fā)展越來越快，汽車行業(yè)也隨著水漲船高。可以說人們現(xiàn)今出行最多的方式就是汽車，在一些城鎮(zhèn)幾乎是每家每戶都有一輛代步汽車，更不用說發(fā)達城市了。汽車所具備的便利性，讓人們的生活質(zhì)量也隨之提升，不僅如此，人類文明發(fā)展更是得到巨大進步。我國的汽車行業(yè)至今也是經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展和沉淀，但應用在汽車產(chǎn)業(yè)中許多技術理論還是不能得到完美應用。新型機械設計理論的應用將會使得我國汽車產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展。新機械設計理論在汽車工程中的應用分析如下。

4.1 噪聲和振動上的應用

現(xiàn)階段，汽車早已成為我們出行和經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分。汽車的零部件能否起到應有的作用，這個直接影響到汽車的正常行駛，同時也關乎到人們出行的安全問題。在行駛過程中若汽車零部件和其他設備部件出現(xiàn)問題，這是人們行駛安全就得不到保障。故障性振動是汽車故障中一個重要問題。正常情況下，在汽車的行駛過程中，或多或少都會產(chǎn)生振動和噪聲，而這些振動和噪聲是直觀判斷汽車質(zhì)量的重要指標。要降低這些“不良反應”，輸入載荷的頻率與結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率是不能接近的，通過使用頻率分布表就能很好的完成這項工作。進而振動頻率分配可以更好的進行，工作狀態(tài)時產(chǎn)生的耦合也能得到相應消除，產(chǎn)品的振動特性也會改善。利用NVH分析我們可以了解新車型研發(fā)的性能指標，同時能夠有效的改善設計和制造過程在存在的問題，這種分析方法可以減少我們的設計成本，同時也保障了新設計車型的周期[5]。

4.2 汽車結(jié)構(gòu)強度及模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的應用

在世界經(jīng)濟日益上升的大趨勢下，人們對汽車結(jié)構(gòu)、性能及駕駛技術也有提出了更高的要求，同時也希望它能夠滿足諸多特點，例如：節(jié)能，安全等。正應如此，車輛的輕量化更被看重，汽車框架和結(jié)構(gòu)應當?shù)玫礁纳啤C械有限元分析可以有效的幫助我們實現(xiàn)這些要求。首先它能夠具體實行分析汽車設計中主體結(jié)構(gòu)件和其他零部件的相關要求，例如穩(wěn)定性，強度等。不僅如此還可以利用有限元法對零部件進行模態(tài)分析。計算機能讓我們更為直觀的感受零部件的振動模態(tài)，方便我們進行動態(tài)的結(jié)構(gòu)設計。有限元分析法在汽車應用過程占據(jù)重要地位，好的應用能讓設計的車身更為出色。

5 結(jié)語

總而言之，在如今的汽車行業(yè)，新型機械設計理論的舞臺很大，它的良好應用能讓我們事半功倍的同時也能使汽車技術工藝得到優(yōu)化。進一步深入研究和發(fā)展新型機械設計理論，也會給機械設計領域帶來更好的前景，進而推動汽車工程良性發(fā)展。