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現(xiàn)代設計方法課程論文 現(xiàn)代設計方法在傳動系統(tǒng)中的應用汽車發(fā)動機與驅(qū)動輪之間的動力傳遞裝置稱為汽車的傳動系。它應保證汽車具有在各種行駛條件下所必需的牽引力、車速，以及保證牽引力與車速之間協(xié)調(diào)變化等功能，使汽車具有良好的動力性和燃油經(jīng)濟性；還應保證汽車能倒車，以及左、右驅(qū)動輪能適應差速要求，并使動力傳遞能根據(jù)需要而平穩(wěn)地結(jié)合或徹底、迅速地分離。傳動系包括離合器、變速器、傳動軸、主減速器、差速器及半軸等部分?，F(xiàn)代設計方法是隨著當代科學技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應用而在涉及領域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學科。它是以設計產(chǎn)品為目標的一個總的知識群體的總稱。目前它的內(nèi)容主要包括：優(yōu)化設計、可靠性設計、計算機輔助設計、工業(yè)藝術(shù)造型設計、虛擬設計、疲勞設計、三次設計、相似性設計、模塊化設計、反求工程設計、動態(tài)設計、有限元法、人機工程、價值工程、并行工程、人工神經(jīng)元計算方法等。在運用他們進行工程設計時，一般都以計算機作為分析、計算、綜合、決策的工具。本門課程以計算機輔助設計、優(yōu)化設計、可靠性設計、有限元法等為重點。一、計算機輔助設計計算機輔助設計（Computer Aided Design)，簡稱CAD。他是把計算機技術(shù)引入設計過程并用來完成計算、選型、繪圖及其他作業(yè)的一種現(xiàn)代設計方法。計算機、繪圖積極其他外圍設備構(gòu)成CAD硬件系統(tǒng)，而操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和應用軟件等構(gòu)成CAD的軟件系統(tǒng)。通常所說的CAD系統(tǒng)是只由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成，兼有計算、圖形處理、數(shù)據(jù)庫等功能，并能綜合利用這些功能完成設計作業(yè)的系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)的設計包括離合器設計、變速器設計、液壓機械變速器與其他無極變速器設計、萬向傳動裝置設計、驅(qū)動橋設計。其中變速器設計為主方向, 為整個傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵，以齒輪欲為例，齒輪的原始設計方法已被淘汰 ，取而代之是現(xiàn)代的齒輪參數(shù)化設計，這種參數(shù)化設計方法通過為產(chǎn)品建立一個產(chǎn)品知識庫，不僅能完成參數(shù)化設計的尺寸驅(qū)動和特征驅(qū)動 ，而且能實時地驗設計，是一種智能化CA D這種設計方法的提出使得齒輪的設計精度迅速提高。由于齒輪種 類繁多，有關(guān)于齒輪的材料 、設計、計算理論、制造檢驗等比較復雜 。這樣給設計人員帶來了沉重的負擔 ，且在設計過程中很容易出錯。為此對齒輪進行參數(shù)化設計，參數(shù)化設計的引入使齒輪設計不僅在質(zhì)量上提高了而且在選材、設計工作量上也減少了負擔 ，而且提 高了齒輪的設計精度 。利用CAD技術(shù)取得積極效果,必須以通用CAD軟件為基礎 ，進行CAD軟件二次開發(fā) 。其中CAD二次開發(fā)方法種類及特點如下:(1) AutoLISP ( A u t o C A D LIST Processing Language ) 語言是一種運行在 AutoCAD環(huán)境下并嵌入到其內(nèi)部的 L I s P 語言,特點是可以調(diào)用幾乎所有的AutoCAD命令。靈活多變，簡單易學。但速度較慢，效率較低。(2) ADS (AutOCAD Development System )是一個函數(shù)庫。用戶 利用c語言編寫程序，然后調(diào)用ADS中的庫函數(shù)，并通過c語言編譯器的編譯連接生成ADS應用程序，最后在AutoCA環(huán)境中直接運行。其優(yōu)點是程序處理數(shù)據(jù)能力很強，保密性好，編譯后的程序代碼運行速度快，且能直接控制硬件設備，比較適合用于專業(yè)CAD的應用開發(fā)。但ADS程序源代碼比較復雜，不易掌握。 14(3) VBA易于掌握，代碼運行效率非常高，使用VB語言進行二次開發(fā)使用的是ActiveX技術(shù)，ActiveX技術(shù)的核心是ActiveX控件，它以動態(tài)鏈接庫( DLL，Dynami c 一1 i n k Librar y )的形式提供，避免了重復開發(fā)，又保證了操作的合法性。保證了開發(fā)成果。VBA和Au toCAD集成運行時，可以把客戶開發(fā)的程序看做客戶端，Auto CAD系統(tǒng)看做服務器端。它們之間是通過一個ActiveXAutomation 的技術(shù)相協(xié)調(diào)，該技術(shù)安排他們之間的消息傳遞 。但是VBA程序設計不能充分利用AutoCAD的操作技巧，運行速度相對A R X 方式也有差距。 13在設計中需用到齒輪設計的一些參數(shù)，具體課件機械設計手冊中提供的經(jīng)驗公式或數(shù)據(jù)。具體見文獻4。按齒根彎曲強度設計設計程序步驟：1.根據(jù)齒面硬度，查文獻3得出小齒輪的齒根彎曲疲勞強度極限和大齒輪的齒根彎曲疲勞強度極限(MPa)。2.查文獻3圖1018得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)K。3.計算彎曲許用應力:選用彎曲疲勞安全系數(shù)S =1.21.4。查文獻3得各個齒輪的計算公式得小齒輪的彎曲許用應力和大齒輪的彎曲許用應力式。4.計算載荷系數(shù)K。K=KAKVKFKF 式中KF可依據(jù)KH和bh，查文獻3圖1013得。5選取齒形系數(shù)和應力校正系數(shù)根據(jù)齒數(shù)，查文獻1表10-5得出小齒和大齒的齒形系數(shù)YF1、YF2和應力校正系數(shù)YS1、YS2。6計算大、小齒輪的YFYSF的數(shù)值，并加以比較。7計算模數(shù)m2KT1dZ1 2YFYSF與前面模數(shù)進行比較,選取合適的模數(shù)并將模數(shù)標準化。8.計算出齒輪幾何尺寸齒輪分度圓直徑d=zm(單位mm)；中心距a = (d1+d2)2(單位mm) ,齒寬b=dd1，小齒輪的齒寬略微放大。9.驗算齒輪:圓周力Ft=2T1d1 (單位N ) ;計算(單位Nmm)的數(shù)值 并與前面的比較，驗證是否合適10.依據(jù)設計的結(jié)果參數(shù)化繪圖。二、優(yōu)化設計優(yōu)化設計（Optimal Design）是把最優(yōu)化數(shù)學原理應用于工程設計問題，在所有可行方案中尋求最佳設計方案的一種現(xiàn)代設計方法。在進行工程優(yōu)化設計時，首先把工程問題按優(yōu)化設計所規(guī)定的格式建立數(shù)學模型，然后選用合適的優(yōu)化計算方法在計算機上對數(shù)學模型進行尋優(yōu)求解，得到工程設計問題的最優(yōu)設計方案。在建立優(yōu)化設計數(shù)學模型的過程中，把影響設計方案選取的那些參數(shù)稱為設計變量；設計變量應當滿足的條件稱為約束條件；而設計者選定來衡量設計方案優(yōu)劣并期望得到改進的指標表示為設計變量的函數(shù)，稱為目標函數(shù)。設計變量、約束函數(shù)、目標函數(shù)組成了優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型。優(yōu)化設計需要把數(shù)學模型和優(yōu)化算發(fā)放到計算機程序中用計算機自動尋優(yōu)求解。常用的優(yōu)化算法有：0.618法、鮑威爾（Power）法、變尺度法、復合型法、懲罰函數(shù)法。汽車的動力性、經(jīng)濟性能是車輛的重要性能，其中汽車的動力裝置參數(shù)（發(fā)動機的參數(shù)；變速器的擋位及傳動比；主減器的速比；輪胎的規(guī)格及型號）和排氣消聲參數(shù)對上述性能的影響最大。過去研究動力傳動系的匹配，是通過對不同的參數(shù)選擇進行匹配試驗，靠大量積累的試驗數(shù)據(jù)和反復測試的結(jié)果進行設計，然后選擇適用此車型的一組參數(shù)。這種方法耗時、耗力和耗費大量的費用。隨著計算機的應用和測試手段的提高，可以通過模擬計算與試驗相結(jié)合的方法來對汽車傳動系優(yōu)化設計。參考文獻7可得，其具體方法是，先建立優(yōu)化設計數(shù)學模型：對給定發(fā)動機傳動系參數(shù)的進行優(yōu)選，由于變速箱的速比和擋位數(shù)及傳動比對汽車的行使功率和燃料消耗量有著決定的影響。變速器參數(shù)的選擇及主減速比的選擇不僅應當滿足汽車行駛動力性要求，而且應使多數(shù)常用工況都處于發(fā)動機特性曲線的最低油耗區(qū)?？赏ㄟ^優(yōu)選整個傳動系的速比達到動力性和經(jīng)濟性最佳匹配。編寫目標函數(shù)，優(yōu)化設計的目標是汽車的燃料經(jīng)濟性，故應根據(jù)汽車燃料消耗量試驗方法的要求，分別選擇，汽車的多工況燃料消耗量與汽車最高擋及次高擋等速行駛的百公里體積油耗作為目標函數(shù)，可根據(jù)汽車等速燃料消耗量與工況燃料消耗量的模擬計算方法編寫目標函數(shù)。然后是設計變量的確定，最后約束條件的建立通過計算機編程的傳動系優(yōu)化計算和試驗結(jié)合，證明了文中提出方法的可行性和正確性。這種模擬計算與試驗結(jié)合的方法適用于所有的車輛匹配，大大的節(jié)省了時間與費用。但是整個傳動系統(tǒng)的匹配設計是一個很復雜的過程，要考慮的因素也比較多，如速比的變化將影響到最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，影響到操縱的舒適性能等，文中僅僅是從速比的選擇來說明模擬計算與試驗結(jié)合的方法在汽車匹配上的應用，如果要進行整車系統(tǒng)的匹配設計，根據(jù)約束條件把所有不同的參數(shù)代入設定的程序，分別計算、調(diào)整，然后選取計算調(diào)整的參數(shù)進行試驗驗證，最終得到比較好的傳動系統(tǒng)。 7三、可靠性設計可靠性設計（Reliability Design）是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎，是以失效分析、失效預測及各種可靠性試驗為依據(jù)，以保證產(chǎn)品的可靠性為目標的現(xiàn)代設計方法?？煽啃栽O計的基本內(nèi)容是：選定產(chǎn)品的可靠性指標及量值，對可靠性指標進行合理的分配，再把規(guī)定的可靠性指標設計到產(chǎn)品中去。在傳動軸的可靠性設計中，參考文獻8可得顫動軸的可靠度分配模型可視為：Rs=RzRz RcRc RJ 式中Rz-軸剛度的可靠度 Rz -軸強度的可靠度 Rc-花鍵齒接觸疲勞的可靠度 Rc -花鍵齒彎曲強度的可靠度 RJ-花鍵擠壓強的可靠度文獻8中的計算結(jié)果為：附表除了表示出可靠性優(yōu)化設計方法的結(jié)果外,還示出了常規(guī)化設計出來的傳動軸尺寸及靜強度安全系數(shù)法設計的結(jié)果。比較三個 方案發(fā)現(xiàn),按一般優(yōu)化設計出來的傳動軸,盡管重量比靜強度設計方案 下降較多,但還是過分保守,沒有挖掘潛力,而按可靠性優(yōu)化設計的傳動軸,在滿足實際要求的情況下,重量還可進一步減小,能夠取得較好的經(jīng)濟效益。這個結(jié)果與一般可靠性分析中得出的常規(guī)設計往往偏于保守的結(jié)論是吻合的。由此可見,用可靠性優(yōu)化設計方法設計出的傳動軸更趨合理。四、有限元法有限元法（Finite Method）是以電子計算機為工具的一種數(shù)值計算方法。目前，該方法不僅能用于工程中復雜的非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題（如結(jié)構(gòu)力學、流體力學、熱傳導、電磁場等方面的問題）的求解，而且還可以用于工程設計中進行復雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動力學分析，并能準確地計算復雜零件的應力分布和變形，成為復雜零件強度和剛度計算的有利分析工具。有限元分析軟件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四個比較知名比較大的公司。隨著計算機技術(shù)的日益普及和FEA技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們已經(jīng)廣泛采用計算機有限元仿真分析來作為傳動軸強度校核的方法。而傳動軸向重載、高速、低噪、高可靠性方向發(fā)展，現(xiàn)代傳動軸設計對傳動系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性提出了更高的要求。傳動軸設計的主要內(nèi)容之一是傳動軸。參考文獻10可得，有限元分析的基本步驟預處理階段：（1）建立求解域并將之離散化成有限元，即將問題分解成節(jié)點和單元。（2）假設代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。（3）對單元建立方程。（4）將單元組合成總體的問題，構(gòu)造總體剛度矩陣。（5）應用邊界條件、初值條件和負荷。解決階段：（6）求解線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點的值。后處理階段：（7）得到其他重要的信息。參考文獻11可得，傳動軸的整軸設計：(1) 根據(jù)設計的傳動軸的尺寸。在ANSYS軟件中建立整傳動軸的三維實體模型。(2)定義單元的類型。傳動軸屬于三維實體塊模型。所有的分析都采用SOLID45號單(SOUD45號單元不需要定義實常數(shù)1(3)確定整軸零件材料.一般為4 5 #鋼和40Cr。(4)網(wǎng)格劃分生成物理模型。采用網(wǎng)格劃分工具對其進行網(wǎng)格劃分。 劃分的時候要注意。不同材料的結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格的時弱盎擇與之對應的單元類型和材料特性。網(wǎng)格劃分完成后要將重合的節(jié)點合并為個節(jié) 點。劃分網(wǎng)格后的整傳動軸的模型，其中總節(jié)點個數(shù)13290個。2.加載和求解3.后處理 (1)繪制傳動軸的位移云圖 (2)繪制傳動軸的應力云圖(3)結(jié)果分析 參考文獻中的結(jié)果如下圖由以上數(shù)據(jù)可得出在整個傳動軸中后花鍵軸是該傳動軸的薄弱環(huán)節(jié)，振幅最大。 11五、反求工程設計反求工程設計（Reverse Engineering）是消化吸收并改進國內(nèi)外先進技術(shù)的一系列工作方法和技術(shù)的總和。它是通過實物或技術(shù)資料對已有的先進產(chǎn)品進行分析、解剖、試驗，了解其材料、組成、結(jié)構(gòu)、性能、功能，掌握其工藝原理和工作機理，已進行消化仿制、改進或發(fā)展、創(chuàng)造新產(chǎn)品的一種方法和技術(shù)。它是針對消化吸收先進技術(shù)的系列分析方法和應用技術(shù)的組合。在實際的產(chǎn)品中，只由一張曲面構(gòu)成的情況不多，產(chǎn)品型面往往由多張曲面混合而成（如過渡、相交、裁剪等），因而，只用一張曲面去重構(gòu)其數(shù)學模型是很難保證其模型精度的。于是，人們采用不同的方法來處理數(shù)據(jù)的分塊問題。CBradey和GWVicker等提出一種兩步方案，首先用函數(shù)方法（測量點插值，如Shepard插值）構(gòu)造曲面的數(shù)學模型，然后在曲面上構(gòu)造拓撲矩形網(wǎng)格。交互定義特征線，利用此矩形網(wǎng)格數(shù)據(jù)構(gòu)造曲面。對于圖像形數(shù)據(jù)（具有行、列）特點的數(shù)據(jù)，B.Sarkar和C.H.Menq運用圖像處理的原理，獲取曲面的特征線，然后根據(jù)這些曲線將曲面劃分為不同的塊，每塊用B樣條曲面擬合，最終使所有小塊均滿足要求為止。 12結(jié) 論通過現(xiàn)代設計方法的課程學習讓我學習到了很多現(xiàn)代設計理念，也解決了很多以前我的很多知識的盲點。通過寫論文在圖書館，網(wǎng)絡上等查閱了大量的文獻，學習到很多相關(guān)領域的設計方法，拓展了知識面。這次寫論文鍛煉了自己寫論文的能力，查閱文獻的能力，也為將來的研究學習打下良好的基礎。參考文獻1 王鳳岐,張連洪,邵宏宇等. 現(xiàn)代設計方法.天津大學出版社2 李巖等,齒輪機構(gòu)的計算機輔助設計. 科學論壇. 20103 濮良貴.機械設計第七版.西北工業(yè)出版社. 2005年1月4 李華敏,李瑰賢等齒輪機構(gòu)的設計與應用北京：機械工業(yè)出版社20075 余志生,汽車理論 北京；機械工業(yè)出版社,19966 劉惟信,汽車設計 北京：清華大學出版社，20017 張寶生,汽車優(yōu)化設計理論與方法 北京：機械工業(yè)出版社，20008 潘公宇,高宗英,衛(wèi)修敬.汽車傳動