陶瓷材料在汽车设计与制造中的应用

第一篇：陶瓷材料在汽车设计与制造中的应用

陶瓷材料在汽车工业中的应用

姓名：高洋洋

专业班级：机制0903班

学号：2011212010115 【Abstract】：Car of engineering materials and application of engineering materials choice has its own standards and plans, need to consider the cost, environment and user needs.The car key components, if bear load, temperature, fatigue stress and chemical role consideration, is located in the engine in the engine exhaust system.Some parts of engine performance play an important influence, such as spark plug, cylinder valve group and now use the camshaft catalytic convert agent, etc.In order to make these components meet engine performance requirements, people have been trying to application of ceramic materials.The application of ceramic is not only related to the selection of materials and the car manufacturing cost, also can affect to the car's performance.A ceramic material if used to make car parts, the fracture toughness values is low.But materials can be widely used as coating, especially metal matrix composites(MMC), to improve the stiffness of the high metal.【摘要】：汽车应用多种工程材料并对工程材料的选择有自己的标准与计划，需要考虑成本、环境和用户需求等问题。汽车上最关键的部件，若承受的载荷、温度、疲劳应力和化学作用等方面考虑，位于发动机内的发动机排气系统。有些部件对发动机的性能起到重要的影响，如火花塞、汽缸凸轮轴气门组和现在应用的催化转化剂等。为了使这些部件满足发动机的性能要求，人们一直在设法应用陶瓷材料。陶瓷的应用不仅关系到汽车的材料选择和制造成本，也会影响到汽车的使用性能。

【关键词】：汽车部件

陶瓷

金属基复合材料（MMC）应用

【引言】：在过去20年的时间里,为满足汽车功能多样化的要求，人们逐渐把更多的目光投向特种陶瓷方面。从最早开始采用陶瓷材料制作汽车用绝缘装置，到生产火花塞的绝缘子，又扩展到净化排气的氧传感器、蜂窝型催化剂载体、保护催化剂使用的温度传感器、提高热效率采用的爆燃传感器以及气门加热器、水泵用机械密封圈等，显示出特种陶瓷产品咄咄逼人的发展态势。近年来，人们对陶瓷发动机的研制开发兴趣不减，已经逾越不少科技方面的鸿沟与难题，据悉陶瓷发动机作为新一代汽车产品的心脏，即将投入正式使用。特种陶瓷在汽车零件与部件方面的运用将进一步扩大，从而有可能形成一大系列产品，从陶瓷产业结构与产品结构上引发一次革命性的骤变。【正文】

陶瓷材料的性能特点 由于陶瓷材料的结合键为共价键或离子键，因而陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。此外，陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高、脆性大等特点。对于功能陶瓷，还具有电、光、磁等特殊性能。按化学成分分类

按化学成分可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。氧化物陶瓷种类多，应用广，常用的有Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Cr2O3、CeO2、ThO2等。碳化物陶瓷熔点高，易氧化，常用的有SiC、B4C、WC、TiC等。氮化物陶瓷常用的有Si3N4、AlN、TiN、BN等。陶瓷在汽车制造及设计中的应用

现代的陶瓷材料有极好的工程特性，陶瓷材料在汽车上的应用较好地提高了发动机的热效率、降低了油耗、减少了排放污染，符合节能、环保的要求。因此，汽车上陶瓷零部件的开发及应用前景将十分诱人。然而他们作为发动机部件，还需要有适当的断裂韧性。技术陶瓷已经取得令人惊喜的进步，但是应用于汽车还是有较高的成本。陶瓷首先在高温燃气轮机中可用于制造叶片、燃烧筒、套管、主轴轴承等，在燃气轮机中可试用陶瓷制造的零部件有：

叶片、燃烧筒、套管、主轴轴承等。在内燃机中可用陶瓷制造的零部件有：活塞内衬、气缸、预燃烧室、挺杆、阀门、喷嘴、涡轮增压器转子及轴承等零部件。但是关于陶瓷方面技术还未成熟，所以还没有应用到主要的运动件上。据测算，若汽车发图1陶瓷涡轮增压器叶片

动机的所有零部件都采用陶瓷制造，其重量可比合金发动机轻2/3，燃料费下降20%。这是很诱人的前景。此外陶瓷还有极好的耐久性，耐久性差会引起材料外表变化，金属的湿腐蚀和氧腐蚀是很常见的，腐蚀和氧化的组合作用会导致机械失效，这对汽车部件将是灾难性的。日照特别是紫外线辐射、氧化和一些化学剂造成塑料和其它聚合物的性能恶化。通常添加稳定剂，改善加工和提高使用寿命。相比之下，陶瓷比聚合物和金属更稳定，但脆性较大。可使陶瓷作为涂层材料，用在难熔金属上及金属和聚合物的复合材料中，可使它们潜在的优势最大化而限制最小。陶瓷复合材料

如前所述，陶瓷材料若用于制造汽车部件，其断裂韧度值较低。但材料可广泛用作涂料,特别是金属基复合材料（MMC)中，能够提高较高金属的刚度。

最关键的应用是发动机顶部活塞，其工作温度至少为350摄氏度，频率为600hz，速度为0-60mile/h，产生1000g的重力加速度。共晶成分的铝/硅合金便于采用重力法铸造，用于制造活塞体。在铝/硅合金中加入5%的铜，能够承受更高的温度。在工作的温度下，这样的合金强度高、膨胀系数低。多年来活塞的质量已经减小，这主要是由于先进的设计而不是材料的改进。活塞底部和气门底座区域现在用MMC离子涂层，用氧化铝基/二氧化硅晶须增强的铝合金组成。由于提前点火及敲缸问题，这些涂层一般不能用于汽油机，但它们在柴油机上的广泛应用，柴油机能够以更高的温度有效的运转。陶瓷缸套所用的材质是国际上最先进的增韧性氧化镐材料，其断裂性为传统陶瓷的10倍左右，耐磨、耐腐性极佳。用严格控制的工艺参数和烧成制度，可制成多种规格大尺寸一体陶瓷缸套。该种缸套寿命达到5000～6000h。

活塞环起到弹性密封的作用，防止气体在活塞燃烧室空间和承载油的曲轴之间漏气及损失功率，燃烧器体不能向下泄露，机油不能进入到燃烧室，否则产生排放问题。活塞环必须耐磨损，汽缸套也必须耐磨损。它们涂有MMC这样的高硬度的镀铬层，由超细的氧化铝颗粒来增强，氧化铝位于各微型裂孔中。相类似的有发动机的轴承，如主轴和大端连杆轴承常用氧化铝基MMC涂层，大大改进了耐磨性能。

汽车靠离合器摩擦盘来传递动力，离合器的使用寿命，主要取决于从动盘摩擦片的耐磨性，铝基复合材料的耐磨性，导热性好，可用它来做离合器摩擦片。美国DWA公司采用硅/铝复合材料制造摩托车活塞，解决了其耐磨性问题，在一年内100次以上的越野赛后仍无明显磨损。

Lotus公司生产的莲花Elise车，用MMC材料代替制动盘的铸铁，这样的制动盘通常用于一级方程式赛车和Grard prix摩托车，所有的欧洲制造厂正在评价MMC用于新车型的制动盘和制动鼓。有两种主要类型的MMC,基于粉末的和基于纤维的，基于粉末的材料（PMMC）在经济上具有更大的竞争力。熔融的金属混

图3Lotus生产的莲花Elise

图2陶瓷刹车盘

合物法是制造PMMC成本最低的方法。这将生产出铸块，通常是铝或锰基的，通过标准的铸造技术，为避免机体和颗粒之间产生化学反应，温度的控制最为关键。

在催化剂的设计和制造中，还有一些材料问题。汽油在燃烧过程中不能完全地将碳转化为二氧化碳和水，虽然正在开发稀薄燃烧

图4蜂窝陶瓷 发动机，但碳氢化合物、一氧化碳和氢化物仍然存在于废气中。催化转化剂可将90%的废气排放物转变成水、二氧化碳和氮。使用稀土金属铂、钯和铑，用镍或镉作为稳定剂，防止颗粒烧结，以减少催化剂活动造成的损失。昂贵的稀土催化转化剂承载在氧化铝基的涂层，这种涂层稳定且有效。复杂的氧化铝系统用于涂在挤压的陶瓷蜂窝状结构中，由矿物精石来制造。这种结构是由一系列的内通道或管组成，每平英寸大约有400个管道，产生快速化学反应所需要的较大面积。反应面积根据氧化铝涂层系统的设计会增大，稀土催化剂金属颗粒的平均直径为10nm，可以估计最终的反应面积相当于三个足球场的面积。整体式蜂窝状结构被不锈钢盖所包围，用不锈钢网或陶瓷垫作为夹层，这可以防止不同的热膨胀及机械振动。最后转化剂与汽车排气系统的其它部分集成。催化转化剂用于柴油机还不成熟，因为涉及到处理碳粒和碳烟这样的排气成分和相关的润滑油和硫化物，这些不仅会使人类中毒，而且能使催化转化剂稀土金属中毒，致使稀土金属效果减弱。故柴油机燃料排放问题的解决需要一定的成本。【结束语】

为了保护大气环境和节约能源，国内、外汽车行业都在加紧对未来汽车的研究和开发工作。随着制造技术、加工技术、设计技术和可靠性评价技术的不断提高，陶瓷零部件成本有可能急剧下降。我国陶瓷发动机及其它陶瓷零、部件的研究工作，已取得了很大进展。相信不久的将来，陶瓷材料在汽车上应用这一领域会有更大的突破，从而大幅度改善汽车的性能。未来的汽车将向高技术化、轻型化、节能化、无污染化等方面发展。高性能陶瓷的将来发展，不可估量。

【参考文献】

【1】 张金柱等，《现代汽车设计概念》，化学工业出版社，2007.1 【2】 李世普，《特种陶瓷工艺学》，武汉工业大学出版社，1990 【3】 www.xiexiebang.com/cms/cms/infopub/infopre.jsp汽车工业信息网2010.12

第二篇：表面工程技术在汽车制造中的应用

表面工程技术在汽车制造中的应用举例

周金旭

(太原科技大学 材料科学与工程学院 030024)摘要：表面工程中防锈、电镀、表面强化及改性技术、涂装是汽车工业中应用最广泛的的技术，而喷丸技术和热喷涂技术也广泛应用于汽车的零部件，利用喷丸强化和热喷涂技术来提高、改善、修复汽车关键部件的抗疲劳寿命、耐腐蚀顿、耐高温氧化、耐磨等。喷丸技术是用来提高金属零部件疲劳断裂和应力腐蚀（氢脆）断裂抗力，并在实际使用中证明效果显著的表面强化工艺[1]而热喷涂技术利用了表面强化和表面改性来改善零件表面的性能它也有一定效果。

关键词：表面工程 喷丸技术 热喷涂技术 汽车零部件制造与修复 序言

汽车制造业越来多仰赖喷丸强化技术来和热喷涂技术改善、修复和提高汽车关键部件的抗疲劳寿命与抗腐蚀、耐高温氧化、耐磨等，并将这些因素在轿车、卡车、摩托车等设计的最初就加以充分考虑和重视。喷／抛丸强化技术和工艺热喷涂技术的应用现亦含括几乎大部分零件的设计中，包括：曲轴（去氧化皮和强化）、连杆（强化）、传动齿轮和其它轴类零件、齿圈、活塞，太阳齿和行星齿、板簧和圆簧、活塞杆、气门等

大量的汽车零部件无论是铸/锻件压铸件，机械切削件，焊接件都需要不同类型的喷抛设备与热喷涂技术进行表面处理。有确凿的数据证明(早在七十年代东风汽车公司就用喷丸强化解决了气阀弹簧和变速箱1-倒挡齿轮的早期断裂问题，该工艺已成为汽车悬挂弹簧的常规工艺方法[3].1975年美国P＆W公司就有2800件发动机零件采用热喷涂技术通用电气公司的一个发动机工厂热喷涂零件也有2000多个美国RR公司斯贝发动机有八种热喷涂涂层应用于近200多个零件[4]),通过喷丸强化,能让板簧的抗疲劳寿命延长600%,传动齿轮的抗疲劳寿命延长1500%,曲轴的抗疲劳寿命延长900%,毫无疑问,通过喷丸强化让抗疲劳性能和耐腐蚀性能的提高无论是对零件的使用寿命、使用安全性都意义重大。零件依赖该工艺，零件可以设计的更轻巧，一些原来因工艺规格要求不得不使用的昂贵材质的零件现在也可以被替换为价格低廉的材料，通过喷丸强化处理，达到同等甚至更好的性能标准[2].而热喷涂技术运用也不乏期例，QA19-2（铝青铜）喷涂层制造或修复活塞及轴瓦等车用部件；在活塞环和铝合金气缸表面喷Mo,形成减摩工左层已形成活塞环和铝合金气缸的制造和修复和修复工艺，用3Cr13电弧喷涂层修复曲轴美国Cummins公司在汽缸内壁喷涂0.5mm厚的ZrO2和0.2mmCrO2制造成耐磨耐蚀陶瓷涂层取得良好的效果在活塞表面涂Mo基中混有NiCrSi及2-Al2O3喷涂层其寿命比镀铬环更长可靠性更高，将ZrO2喷涂在内燃机燃烧室的内壁可提高内燃机的燃烧工作温度节省燃料，简化结构等[4].一、喷丸技术

1、试验方法步骤。1.1抛丸处理

作为制造流程的一环节，热处理过的曲轴需要经由抛丸处理来取出表面的热氧化皮。曲轴被置于旋转滚轮上，在滚动时曲轴所有表面被充分暴露在多个抛头抛射出的丸流下，多角度的丸粒冲击使曲轴外表面得以彻底清洗。1.2曲轴强化

由于曲轴在交变应力下工作，曲轴截面变化转接圆角处发生应力疲劳和应变破坏的危险性极大，目前，通过喷丸强化来改变曲轴抗疲劳性能已在相当广泛的范围内应用，效果让人满意。

相较于传统的滚压工艺的缺陷，即由于受曲轴加工工艺限制，各轴颈圆角很难与滚轮相吻合，往往造成圆角啃切现象，而且滚压后的曲轴变形大，效果不佳。而喷丸强化的机理是利用严格控制直径并具有一定强度的丸粒，在高速气流下，形成弹丸流，连续向曲轴金属表面喷射，犹如小锤锤击，使曲轴表面产生极为强烈塑性变形，形成冷作硬化层，由于轴在加工中受各种机械的切削力加工作用，其表面，特别是曲轴截面变化转接圆角处，应力分布极为不均匀，工作中又受交变硬力作用，因此很容易产生应力腐蚀而使曲轴疲劳寿命降低，而喷丸强化工艺就是通过引入一个预压硬力来抵消零件在以后工作周期会受到拉应力，从而提高工件抗疲劳性能和安全使用使用寿命。

对于喷丸处理，有两个重要参数，一个是应力强度，这通常采用“阿尔门试片”进行强度检测多个试片固定在曲轴不同表面特别是应力最集中的曲轴截面变化转接圆角处，一同进行喷丸试片上产生的压应力影响导致试片弓曲曲率的扩大变化与丸料冲的能量成比例，另一个喷丸质量的主要参数是覆盖率，所谓覆盖律是指强化后表面弹坑占据的面积与强化表面的比值，该参数通常在100％~200％ 有些曲轴应用可能要求覆盖率大于200％

根据曲轴的硬度和理想的导入压应力强度，通常曲轴喷丸强化使用的丸粒硬度在HRC50~55,大小在S280~S300(0.7~0.84mm),这样产生在阿尔门试片上的强度范围约在0.008~0.010C相较于抛丸清理，喷丸强化的工艺参数监控更为严苛，就曲轴强化应用，需要监控的参数包括: • 喷丸速度 • 喷丸强度 • 丸粒直径 • 喷丸的间隔 • 强化的时间 • 覆盖率这些参数中任意一个的变化，都会不同程度地影响曲轴表面强化的效果。

正确应用可控的喷丸强化技术，能使曲轴和其他在高载荷条件下工作的零件疲劳强度大大提高，大大提高了零件抗疲劳寿命，先进的喷丸设备，保证了喷丸质量的恒定行，和重复性被广泛应用于汽车等行业[2]。

二、热喷涂技术

1、热喷涂技术应用意义

随着汽车工业的发展，对零部件的性能提出了愈来愈高的要求，零件的使用寿命亦成为突出的问题，修理工作的作用不单是消极地将损坏了的零件恢复到新品的技术性能，而且还可以用比较经济的手段使零件修复后的性能超过新品。

延长汽车使用寿命的主要障碍，是零件因磨蚀早期失效，磨蚀失效的特点与零件的断裂破坏或过量变形失效不同，后者多造成整个零件报废，其原因常常是由于零件本身材料的机械性能差、或设计不合理、以及制造工艺选择不当所致。这需要从材料、设计、工艺等方面进行解决。而零件磨蚀却只是表面层的损坏及尺寸超限，就其本身而言，仍有继续使用的可能，仅需将表面磨蚀部分修复，使之在尺寸和性能上恢复到原来的状态。对于价格昂贵的重要零件，尤应注意修复，不能只靠更换配件。特别是进口汽车，由于零件品种多，标准不统一，组织配件生产困难较多，有些零件少量配制经济上也不尽合理，因而修复强化的意义更大。

2、实施方法

通常采用耐磨蚀材料覆盖磨蚀表面，修复旧件，这样不但可以使失效零件迅速恢复使用，而且可以成倍提高寿命。一般金属材料经过表面强化处理以后，在很多场合可以代替贵重的优质材料，甚至性能和工艺性方面较后者更优越。现代汽车日益向高速、高压、大功率发展，汽车零件的使用工况更加恶劣，在此情况下，只有更多的利用各种表面强化技术，提高零件的表面性能才能解决这一问题。

热喷涂技术（热喷涂加工）正是适应这种需要的一种金属表面强化技术。应用热喷涂技术在零件表面喷敷各种性能的材料(例如镍基、铁基、铜基合金以及铝、钼、锌等金属、或陶瓷等材料)，就可以使零件表面其有一些特殊性能如耐磨、耐蚀、扰氧化、绝热、导电、绝缘、密封等。这样可以简便地、大幅度地改善零件表面的工作性能。例如曲轴是汽车发动机的重要零件，当曲轴主轴颈及连杆轴颈磨损超过允许的极限时，就不能再用修理尺寸法修复了，此时如果采用喷涂法修复，不仅可以恢复原来的尺寸，而且其耐磨性还远远大于新曲轴。这不仅可以为国家节约大量钢材，井能提高社会的经济效益，特别是对于某些进口车辆的曲轴，经济效益就更为显著。汽车发动机排气门是一种用量大、易损耗的零件，也是保证发动机工作的可靠性和耐久性的零件之一。其失效形式是磨损、斑腐蚀和局部烧伤等，致使气门关闭不严，发动机动力性下降，油耗增加。目前国产汽车发动机的排气门多采用等钢材制作，这些耐热钢材、有些是要靠进口来供给的。为此，排气门的修复是很重要的。排气门的密封面采用氧乙炔焰喷焊后，其表面就可以获得一层耐高温，耐氧化、耐腐蚀的性能，使用寿命将大大超过新件，根据我们试验，经喷焊、修复后的排气门，装车使用行驶90000km的里程后，阀面仍然完好。

实践证明，热喷涂技术具有独特的优越性，在汽车修理方面有广阔的应用前景。除上述所例举的曲轴、排气门的修复之外，还有象汽车上的轴类零件、汽缸体、齿轮、键槽等都可以用热喷涂(焊)技术修复，以提高零件的使用寿命[5]。

三、结论与展望

表面工程技术对汽车制造修复意义重大，不但可以提高汽车的性能还能提高使用年限，节约资源，保护环境，而喷丸技术与热喷涂技术在汽车制造业中起到举足轻重的作用，我们应该予以重视，另外中国汽车行业发展迅速，更离不开表面工程技术。

表面工程技术在未来会有很大发展，近年来国内汽车市场的快速增长引起广泛关注，由此带来的汽车回收利用领域面临的问题日益突出。数据显示，作为世界汽车第一产销大国，我国2011年民用汽车保有量已突破1亿辆，汽车报废量超过400万辆，预计2020年报废量将超过1400万辆。

随着汽车报废数量增长，由此带来的环境资源问题日益严峻。在汽车报废后，如果不能及时拆解和回收，汽车产品中的有害物质如铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚等将对生态环境和人体健康造成严重危害；而报废汽车在回收拆解、材料分离和再利用等环节，由于缺少相关的规范监管和引导，也使得报废汽车有可能造成二次污染。

然而，与欧美日等汽车发达国家相比较，我国在汽车回收利用方面还有着明显的差距，目前在我国还没有任何一部关于报废汽车回收利用的完整规范，另一方面，长期以来，由于报废汽车回收拆解行业采取粗放式经营，从而导致该行业技术手段落后，作业流程不规范，环境保护和资源利用水平低。

另外，报废厂不按规定交售报废车辆，非法回收拆解倒卖报废汽车的现象依然存在。据不完全统计，由于法定报废回收标准过低，我国每年近八成报废汽车流入了黑市，这不仅对正规的回收拆解企业造成了冲击，扰乱了回收拆解的正常秩序，更给道路交通安全、环境保护和资源利用带来了严重隐患。

事实上，对于报废汽车带来的危害，我国并非没有关注，只是相关政策早已不适应快速发展的形势。2001年国务院颁布了报废汽车回收利用办法；2006年，国家发改委等部门联合颁布了《汽车产品回收利用技术政策》，但缺乏具体要求和实施细则，可操作性不强。过时政策难以满足现状，并将严重制约中国汽车产业健康可持续发展，强化汽车回收利用管理已刻不容缓。

为改变行业现状，国家有关部门正组织力量对2001年颁布的《报废汽车回收管理办法》进行修订。近日，工业和信息化部节能与综合利用司副司长高东升透露，国家有关部门将采取多项措施加强汽车回收利用，其中包括制定强制性的汽车回收利用标准和法规，回收拆解的市场准入制度亟须健全。

据了解，目前国家相关主管部门一方面在大力推动修订后的《报废机动车回收拆解管理条例》尽快出台，另一方面要强化汽车制造商的责任，鼓励汽车制造商加强与回收拆解企业的合作和交流，要求汽车制造商为回收拆解企业提供必要的技术支持，同时要抓紧出台机动车强制报废标准，进一步明确报废条件，严格车辆年检和转移登记制度，从源头上防止报废汽车流向社会。而表面工程技术正可以解决此些难题，所以我们应予以重视，发展前景良好[6]。

四、参考文献

[1] 表面喷丸强化技术 航空航天部621研究所 王仁智 [2] 表面工程技术在汽车零部件生产中的应用 维尔贝莱特集团 [3] 杭州余杭永伟电器有限公司

[4] 热喷涂技术极其典型应用 钱强 俞韶华 徐林刚

[5] 陕西新兴热喷涂技术有限责任公司

[6] 腾迅网·腾讯汽车

第三篇：CAM技术在汽车制造行业应用

CAD/CAM技术在汽车制造

行业中的应用

课程：CAM与自动编程姓名:学号:

日期: 2012年12月

一、CAD/CAM技术概述

CAD/CAM是先进制造技术中的重要组成部分。其中，CAD 是Computer Aided Design的英文缩写，指计算机辅助设计。狭义的计算机辅助设计是指采用计算机开展机械产品设计的技术，主要应用于计算机辅助绘图（Computer Aided Drafting），广义的计算机辅助设计指借助计算机进行设计、分析、绘图等工作，包括几何建模、装配及干涉分析DFA、制造性分析DM、产品模型的计算机辅助分析CAE等等。CAM即Computer Aided Manufacturing，指计算机辅助制造，狭义上指计算机辅助编程，即一个从零件图纸到获得数控加工程序的全过程，主要任务是计算加工走刀中的刀位点(Cutter Location Point)，包括三个主要阶段：首先是工艺处理，即分析零件图，确定加工方案，设计走刀路径等：其次是数学处理，即处理计算刀具路径上全部坐标数据；最后是自动编制出加工程序，即按数控机床配置的数控系统的指令格式编制出全部程序。广义上的CAM则还包括计算机辅助工艺规程编制CAPP（Computer Aided Program Planning）和计算机辅助质量控制CAQ（Computer Aided Quality）。

二、CAD/CAM技术的发展

CAD/CAM指的是计算机辅助设计和计算机辅助制造的集成技术，CAD/CAM将设计和工艺通过计算机有机结合起来，直接面向制造，减少中间环节。上世纪50年代CAD技术处于被动式的图形处理阶段。60年代计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想被首次提出，从而为CAD/CAM技术的发展和应用打下了基础。60年代中后期出现了许多商品化的CAD设备。1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统，出现了面向中小企业的CAD/CAM商品化系统。到了80年代，CAD/CAM技术迅猛发展，CAD/CAM技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。90年代，CAD/CAM技术进入了开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，图形接口、图形功能日趋标准化。

我国开展CAD/CAM技术应用工作在上世纪70年代，并不算晚；通过引进，不少企业的软、硬件条件与国外相比也相差不大。但是，国内的CAD/CAM应用与国外先进水平相比存在较大的差距。由于采用CAD/CAM技术投资大，有较大风险，效益回报有一定的滞后期，所以在原有经济体制下难以推广。在过去，由于条块分割，重复引进，企业相互之间缺乏必要的交流和协作，影响了CAD/CAM技术效益的发挥。另外，人才培养的不足也影响了在我国的发展，福特等企业之所以CAD/CAM技术应用得好，是因为得益于几十年来一直大力开展CAD/CAM应用而积淀下来的宝贵经验以及培养出了一支高水平的技术队伍。

三、CAD/CAM技术在汽车工业的应用状况

美国福特汽车公司在CAD/CAM技术方面处于领先地位。早在80年代初，福特公司就着手CAD/CAM系统的规划，建成了以工作站为主体的环形网络系统；1985年已经有一半以上的产品设计工作使用图形终端实现；1986年新开发的TAURUS和SABLE轿车，大约70%的外钣金件使用CAD/CAM;90年代初全面实行产品开发的CAD/CAM应用率可达100%。福特公司1990年工作站已达2000台，以FGS工作站(约占70%)和CV工作台(约占18%)为主，其应用

软件主要为自行开发的PDGS和CAD/CAM。1993年以后，福特汽车公司提出了C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)概念，并决定今后将采用I-DEAS软件作为其主流核心软件。德国各大汽车公司普遍采用CATIA作为其CAD/CAM系统的主导软件。1994年，德国大众集团决定用CATIA和Pro/Engineer作为其将来开发新车型的主导CAD系统。法国雷诺汽车公司应用Euclid软件作为CAD/CAM的主导软件，目前已有95%的设计工作量用该软件完成，并开发出很多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的Megavision,用于钣金成形分析的OPTRIS等。日本三菱汽车公司1960年从冲模的NC数控加工着手，以CAD/CAE/CAM为动力，对从设计到制作的各项工程踏踏实实地进行了改革，至今，已形成了从车型款式设计到车身组装的新车型开发的完整的CAD/CAE/CAM系统。

我国的CAD/CAM工作始于70年代，发展迅速，已取得了良好的经经济效益。少数大型企业，如一汽、二汽等，已建立起比较完整的CAD/CAM系统，其应用水平也接近国际先进水平。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一。汽车车身模具是车身制造技术的重要组成部分，也是形成汽车自主开发能力的一个关键环节。在汽车新车型的设计调试直至投产的整个周期中，模具设计和制造约占三分之二的时间，汽车覆盖件模具作为车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车的质量和新车型的开发周期。汽车覆盖件不同于一般的冲压件，它具有曲面多、尺寸大、材料薄、结构形状复杂、精度要求高等特点，其模具制造技术难度大、成本高、开发周期和质量都难以控制。CAD/CAM技术作为一种现代设计制造方法，把它引入汽车覆盖件模具生产实际中，可以大大缩短汽车开发周期，提高生产效率和市场竞争力。

在上世纪末期，CAD/CAM技术就在上海汽车公司的汽车开发方面得到了很好的应用。汽车结构的设计,主要是零部件的设计及装配设计。由于汽车零件不仅多, 而且形状复杂,自从CAD技术引进之后,传统的手工绘图已基本过时。三维建模二维出图的CAD方式,目前在汽车设计行业中占绝对主角。CAD软件一般都具有丰富的建模能力,主要分曲面建模和实体建模两大类曲面建模就是用曲面表达物体的形状, 这种建模方式适于车身这类复杂曲面形状的钣金件设计。实体建模就是过几何体布尔运算得出物体形状,这种建模方式适于底盘零部件的设计一些软件还应用工程概念提供特征建模功能,可直接生成孔,摘、抽薄壳,拔模角等。当然, 现代的CAD软件一般都兼备多种建模方式,只是各自优势不同。模型生成之后,工程师可在计算机屏幕上随意旋转设计模型,从各种不同的角度观察物体,对产品形状进行分析修改,最终得到形状、尺寸满意的零件数模。三维建模完成后,可以立即转入图纸生成方式,计算机会自动将三维模型投射成所需的各种视图,工程师只要选择图纸幅面,然后合理安排各视图。再进行尺寸标注,增加技术要求,填写明细栏等图纸完善工作。即可输到绘图机上绘制出干净整洁的工程图纸。当然，CAD应用之初,许多人对CAD的理解为用计算机出图纸。但对现代的CAD技术来说,这种看法是片面的。CAD的实质是辅助设计者进行产品设计,设计者用三维建模表达出设计思想后,相当于拥有了一个虚拟的样品,不仅可观察其形状,更可用它做一项重要的工作—盛拟装配。对于汽车这一复杂的产品, 教以万计的零部件要完全正确装配,除了制造上的要求,设计的合理也是至关重要的。零部件的三维建模正是度拟装配的得力助手,它不仅能带助设计者了解零部件的空间位置关系,还能通过一些机构分析软件,如ADAMS等了解零部件在使用过程中的运动情况,观察零部件在工作状态是否会出现运动干涉。可以说，在产品生产出来之前，设计者就能了解零部件的情况工作，对设计很有帮助。

在设计开发过程中,为了实际观察零部件的具体形状,而不仅仅是在屏幕上看到零件的图形,往往要试加工出零件,目前在世界上各大汽车厂都还保留着用木头,塑料等易成型材料手工制作模型的手段但是现在,通过用快速成型及数控加工等现代技术,尽快加工出零件进行形状分析及尺寸检查已越来越普及地得到应用。另外,更为重要的是,CAM加工出的模型,今后可以直接用来翻制模具,可节约模具制作的成本。

除了能够进行汽车的开发与设计工作，CAD/CAM技术还在汽车覆盖件模具的设计制造方

面得到了广泛的应用。一般情况下，一个基本车型全套模具的设计制造周期长达4年之久，因此汽车覆盖件模具的开发生产是汽车新产品开发的决定性环节。应用CAD/CAM/CAPP集成技术是保证模具设计、加工质量和提高生产效率最有效的途径。为适应汽车工业的发展．国外模具厂已普遍采用CAD/CAPP/CAM集成技术进行模具设计制造。大大缩短了模具设计制造周期，降低了成本。世界上较著名的汽车制造公司都有自己的模具CAD/CAM/CAPP系统。如美国AUTODIE公司采用了CAD/CAM/CAPP系统后。一种车型覆盖件的模具设计与制造只需要8个月左右。经过几十年的努力．我国一些大型汽车模具制造厂家已经广泛采用DNC/CAD/CAM等先进制造技术，取得了长足的发展。但与国外相比存在很大的差距。各项技术的相互独立，造成生产力低下，一些关键的汽车覆盖件模具仍然依靠国外来设计制造。因此，汽车覆盖件模具CAD/CAPP/CAM集成技术的应用已成为国内工业界和学术界研究的重点。

（1）汽车覆盖件的要求与特点

汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件、车身以及驾驶室的全部外部和内部形状都是由汽车覆盖件组装而成；由于汽车覆盖件属于外观装饰性零件，它不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。因此对表面质量要求很高，表面必须光顺，不允许有任何皱裂和拉痕等缺陷，任何微小的缺陷都会破坏外形的美观。这给覆盖件成形的关键工序--拉延--提出了很高的要求，而传统的手工设计制造方法难以保证拉延件的质量，这也是车身制造技术的难点和关键所在。此外，汽车覆盖件又是封闭薄壳状的受力零件，当汽车高速行驶时，如果覆盖件刚性分布不均匀，刚性较差部位受到震动会产生空洞声，从而产生较大噪音。因此在拉延成形时，我们必须克服由于塑性变形的不均匀性而产生的覆盖件刚性分布不均匀。除此之外，由于汽车覆盖件多为空间立体曲面，还具有形状复杂、结构尺寸大、材料薄等特点，所有这些，都对汽车覆盖件模具设计和制造提出了特殊的要求。

（2）CAD/CAPP/CAM技术在汽车覆盖件模具设计制造中的应用

CAD/CAPP/CAM技术以计算机和数控机床为主要设备，以覆盖件的数学、力学模型为依据，在模具设计、成形分析及制造技术各环节中直接发挥作用。

汽车覆盖件模具设计，主要包括工艺设计和结构设计。工艺设计主要是指汽车覆盖件的三维设计以及工艺补充面的三维设计，工艺设计主要解决曲面造型问题，由于汽车覆盖件空间曲面多、形状复杂，因此这个过程技术难度较高。而结构设计是依据工艺设计的结果，设计模具具体部件，对这个过程要求速度快、效率高，要解决上述问题，必须借助先进的计算机辅助设计CAD技术。汽车覆盖件模具的制造过程中，采用计算机辅助制造CAM技术具有加工精度高、生产周期短等优点。传统的车身开发是以实物模型来表示车身表面的几何信息，这样，在传递过程中，很容易发生模型变形、数据传递误差、误差积累等诸多问题，严重影响车身覆盖件模具的制造精度。同时延长生产周期，采用CAM技术制造模具，省略了制造工艺模型这一环节，首先是按产品图或数据表把零件的特征点元素输入计算机，利用软件提供的曲线-曲面功能建立零件表面的数学模型，从而生成数控加工所需的刀具轨迹文件，用来控制数控机床的运动，加工出所需的零件表面，由于加工过程是基于高准确性的计算机模型，从而减少了产生制造误差的因素，提高了制造精度。

对于一个已掌握CAD/CAM技术的厂家，更加关心的则是冲压件能否成形，产品质量能否合格，但这往往是难以预知的，由于汽车覆盖件形状复杂，冲压成形过程中板材成形性难以预先估计，模具设计正确与否无法事先知道，模具加工完成以后问题才会暴露出来，这样给模具调试带来很大困难，计算机辅助工程,CAM技术可以协助CAD/CAM对冲压成形过程进行模拟，对实际冲压件的成形性进行分析，及早发现问题，并通过计算机模拟改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期，降低制模成本。

采用CAD/CAM技术和各种数控机床及三坐标测量仪相结合，使汽车覆盖件模具的开发制

造呈现前所未有的面貌，模具精度大幅度提高，模具寿命延长，2倍以上，模具开发周期较原来缩短3倍以上，开发制造的成功率也大幅度提高。

汽车覆盖件模具CAD/CAM技术必然会朝着智能化、专业化、集成化方向继续发展。为了真正实现汽车覆盖件模具设计制造的自动化，必须开展智能化研究工作，把总结出来的以往设计、制造中的成功经验应用到模具设计中去，形成计算机里的知识库和智能库，并采用检索、修订、创成等混合决策技术和多智能体技术的综合智能化，从而形成基于知识的智能化交互式系统框架，真正实现先进性和实用性的要求。在未来几年里，对国外先进的CAD/CAM软件进行二次开发，使之更加专业化，也将是许多模具厂家的经济可行的选择。此外，汽车覆盖件模具设计制造过程是一个信息处理、交换流通和管理的过程，将CAD/CAM技术有机地集成在一起，能够更好对设计和制造过程中信息的产生、转换、存储、流通管理进行分析和控制，从而实现效益最大化。一些发达国家在这方面的应用技术已经相当成熟，我国在这方面的研究也已取得一定的进展，但还未进入实质性的应用阶段，在接下来的时间里CAD/CAM的系统集成技术也必然在我国得到广泛应用。

结束语：

CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。CAD/CAM技术是先进制造技术的重要组成部分，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化。CAD/CAM技术已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。在汽车覆盖件模具设计制造过程中引入CAD/CAM技术，不仅提高了模具设计质量，而且缩短了模具制造、调试周期，降低了制模成本。随着科研人员的不断努力，许多新技术、新设备、新工艺将陆续投入到生产实际中，从而缩短与国际先进水平的差距。而汽车覆盖件模具CAD/CAM技术的不断成熟必将推动我国汽车工业的进一步发展。

CAD/CAM技术给制造行业带来了巨大变革，使传统的制造业发生了质的飞跃，在全球范围内受到普遍关注和重视，在这一时代背景下，我国机械制造业要想跟上时代的步伐，必须把握好机械CAD/CAM技术的正确发展方向，更加深入的应用CAD/CAM技术。在国家举措的推动下，我国机械制造企业要重视CAD/CAM技术的推广应用，把CAD/CAM技术视作企业发展的关键，不惜代价投入资金、引进人才。科研单位要紧跟世界潮流，跟踪国际动态，并结合我国国情及规范，面向国内生产单位，开发出具有我国特色的CAD/CAM产品。不断加大科技创新力度，使我国的CAD/CAM产品更加方便实用，成为世界先进产品。

参考文献：

［1］《客车车身覆盖件的设计与制造》 周方寿 机械工业出版社，1998

［2］《汽车覆盖件模具CAD技术的应用与发展》 王洪俊 机械工业出版社，2000［3］《汽车车身制造工艺学》 邓仕珍 北京理工大学出版社，2001

［4］ 《CAD/CAM技术在工程设计中的应用》 周激流,何其超编

［5］ 《CAD/CAM应用技术》 汤德忠 李正吾编著 机械工业出版社，1988

第四篇：逆向设计在高职“模具设计与制造”教学设计中的应用

逆向设计在高职“模具设计与制造”教学设计中的应用

摘要：对“模具设计与制造”课程，可以结合模具相关职业岗位需要，运用逆向思维进行教学设计，在具体项目的引导下，建立以典型模具设计与制造过程为导向的项目化教学体系，将项目的内容设置成任务，通过项目任务的“教学做”调动学生自主学习的积极性，培养学生的实践能力、独立分析问题和解决问题的能力，突出实践教学的重要性，并为本课程进一步的教学改革提供理论依据。

关键词：逆向设计；高职；模具设计与制造；教学设计

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）05-0108-02

“逆向设计”（Backward Design）也叫“逆向教学设计”，指一种运用倒推思维、逆向思维来设计课程的教学活动。美国著名课程与教育专家格兰特（Grant Wiggins）提出了课程的“逆向设计”模式，其目的是使课程教学设计成为培养学生实际应用能力的工具。课程的逆向设计实质就是在明确人才培养目标的基础上，根据人才培养目标进行课程的应用技能设计。它的整个设计过程分为：确定达到的技能目标和创造能力目标，确定如何证明学生实现了预期的目标，安排各种教学实践的机会进行具体的实施。

“模具设计与制造”课程的逆向设计实质就是在明确人才培养目标的基础上进行课程的应用技能设计。应通过工学结合，建立“教学做”合一的一体化课程，构建基于工作过程的高职模具专业逆向设计，从企业实际工作任务出发，在模仿真实工作环境的实习基地的支持下，使学生循序渐进地学习各门课程的过程成为符合或接近企业工作过程的过程。

课程内容的优化

我院“模具设计与制造”课程的教学设计坚持以服务“三农”为宗旨，面向长三角经济区域，依托江苏沃得集团等大型现代加工制造业，积极开展校企合作，从企业工作岗位中提取工作任务，再转换成学习任务，最后设计成整合的工作任务作为项目课程的内容，将课堂引到车间、工厂，积极引导教师将教学与生产实践相结合，倡导职业教育在做中学，在学中做，从而让学生能多动手，多实践。

因此，课程的核心内容必须体现职业岗位的需要，应以模具相关职业岗位技能要求进行科学设计，并充分体现企业真实的工作情景。通过对模具企业的调研，高职毕业生从过去的以模具设计为主转变为只有少数人在模具设计岗位上，而更多的是在模具制造及生产一线岗位、模具管理等岗位上。结合就业岗位的需要，把“模具设计与制造”课程内容项目化。下页表1为依据的4个模具工作岗位分析得到的对应岗位主要工作任务、能力素质目标、教学项目。由于课时的限制，可以根据实际情况灵活确定具体教学项目的内容和数量。

逆向设计教学法的实施

我院“模具设计与制造”课程的教学设计研究小组以完成岗位任务应具备的综合能力作为进行课程教学设计和界定课程教学内容的依据。课程教学设计以能力培养为主线，以能力训练为轴心，将相应的实训课程部分和理论课程部分进行重新整合；建立新的岗位能力目标考核评价体系和相应支撑课程教学设计，并以岗位能力的需要作为考核内容，在总结实际教学经验的基础上重新设计了课程的教学过程。这一教学过程的特点是：首先，明确学习目标（熟悉模具结构，模具加工与设备操作）；其次，企业的专业人士和校内专任教师，在企业或实训工厂通过情境教学和独立操作，让学生现场观摩、操作，在课堂上利用现代教学手段（多媒体课件、专题录像等）进行教学，让学生了解模具的结构与基本装配关系，对模具形成深刻的感知认识；第三，在机房将学生分成几个小组，每个小组6人左右，利用教师提供的正确模具图纸，用UG等三维软件画出模具装配图，并编写主要模具零件的加工工艺，每组合作完成一套模具的制作；第四，教师补充模具设计的相关知识并辅导每组学生设计一套模具；第五，在实训基地，由教师进行以具体模具加工为目标的生产性实训教学，使专业知识学习与岗位职业技能训练一体化，学习空间与工作现场一体化。

课程团队从模具设计与制造领域高职学生的认知规律出发，让学生在具体的情境中积极主动地完成具体的学习任务。在教学方法运用上始终坚持以学生为主体，通过与课程内容紧密配合的教学活动（讨论、实际操作等），丰富教学内容，调动学生学习的兴趣，激发他们的学习热情和互动交流意识。

教学资源

本课程的教学设计研究小组成员由支持专业建设和课程改革的系部领导，具有丰富理论和实践经验的专业骨干教师，以及专业理论扎实、勇于探索的青年教师组成。教师团队年龄结构、学历结构和知识结构均合理。目前，学院已建成了能够满足本专业综合实训的真实或仿真职业环境的实训室：模具拆装实训室、数控加工实训室、机械加工实训中心、模具钳工实训车间、CAD/CAM中心。我们的模具制造实验室设备包括数控铣床、数控车床、加工中心、平面磨床、外圆磨床、摇臂钻床等普通加工机床，还包括电火花成型加工机床、电火花线切割机床等特种加工机床。

本课程拥有南京聚隆工程塑料有限公司、南京聚锋新材料有限公司、南京湘宝钛白制品有限公司、上海日之升新材料有限公司和南京金浦集团金陵塑胶有限公司等16个校外实训基地，拟建南京金城塑胶有限公司、江苏琼花集团、南京菲时特管业有限公司等3个校外实训基地。

“模具设计与制造”课程逆向设计改革，以岗位能力考核为目标，操作实施在真实的岗位上，激发学生职业意识，从而初步完成学生→学徒→职业人角色转化，为进一步实现高技能人才的培养打下基础。课程教学的改革应体现职业岗位的能力要求，课程教学的“逆向设计”理论紧密结合岗位职业群定位和岗位能力，让学生通过观察、思考去发现问题，继而产生解决问题的欲望，并通过自己的动手操作，完成任务，解决问题，从而获得成功的喜悦，树立自信心，促进学生之间相互交流，培养和增进合作能力，改进和完善专业课程设置、教学形式和专业人才培养模式，并为课程教学总体设计的进一步改革提供理论依据。

参考文献：

[1]唐田秋，张蓉.任务驱动在“模具制造工艺学”实验教学中的应用[J].中国电力教育，2012（31）：105-106.[2]肖平，肖军民，黄智.“级进模制作与设计”课程的项目化教改探索[J].机械职业教育，2013（1）：53-55.[3]黄晓燕《.模具CAD/CAM》精品课程的建设与实践[J].成都电子机械高等专科学校学报，2007（1）：31-33.（责任编辑：谢良才）

第五篇：人机工程学在汽车设计中应用

题目:

人机工程学在汽车设计中的应用

学 生 姓 名：

学 生 学 号： 专 业 名 称： 机械工程

所 属 学 院： 机械工程

2015年6月

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人机工程学在汽车设计中的应用

摘要：随着科学技术的发展，人机工程学理论在产品设计中占有越来越高的地位。而作为与人类生活息息相关的汽车，人机工程学在汽车设计之中的应用显得尤为重要。无论是以驾驶员为中心还是以乘坐人员为中心，都应最大限度地满足人们的需求。并且各种主、被动保护措施也使人们在突发危险时，能最大限度地减小伤害，确保人的安全。总之，汽车设计中的各种设计都应该将人的因素考虑其中，确保了以人为主的设计原则，使汽车更完美地服务于人们。本文主要阐述了人机工程学概念以及人机工程理论在汽车车身设计、汽车座椅设计、安全方面的设计中的应用。

关键字：人机工程学；汽车车身设计；汽车座椅设计；安全性设计

Abstract：With the development of science and technology, ergonomics theory occupies more and more high status in the product design.As a car is closely related to human life, the application of ergonomics in automobile design is particularly important.Both for the center with the driver to take people as the center, should be maximally satisfy people’s needs.And all sorts of main and passive measures also make people safety and minimize harm in immediate danger, Anyhow, all sorts of design should consider including the human factor, to ensure that the design principle is given priority to people and make the car perfectly serve the people.This article mainly expounds the concept and the theory of ergonomics in the automobile body design, automotive seat design, the application of the safety aspects of the design.Key word：ergonomics;automobile body design;automotive seat design;security design

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0.绪论

人机工程学是工业工程研究的众多重要学科领域之一。所谓的人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系以及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。在汽车设计中的人机工程学称为车辆人机工程学，它是以改善驾驶员的劳动条件和车内人员的舒适性为核心，以人的安全、健康、舒适为目标，力求使整个系统总体性能达到最优[1]。

1.人机工程学在车身设计中的应用

主动安全性是指汽车防止事故的能力。车身的主动安全性能包括：照明灯、信号灯的性能，汽车的前，后视野性能，实现操纵稳定性及制动性等。

1.1照明灯

前照灯的灯光强弱，照射距离及防炫目装置就是根据人眼的生理特点和人机工程学原理设计而成。为了满足不同驾驶环境(雨，雾和雪等)，路面状况，交通密集以及驾驶条件（高速，转弯等）下自动控制前照灯的光束模式，日KOITO公司研究的智能灯光系统，欧洲研究的先进前照灯系统，本田等公司的可动式前照灯系统、博世公司的光线叠加自适性前照灯系统以及VALEO公司的灯光系统等都能根据不同的外界条件自动控制前照灯所发出的光束形状，强度和发光方向[2]。此外，雾灯，示宽灯，倒车灯，牌照灯，踏步灯，检修用灯以及转弯指示灯等也都是根据驾驶员的不同需要而设计的。

1.2汽车的前、后视野

为保证驾驶人员有尽可能宽广的视野，前支柱（A柱）中央支柱（B柱）和后支柱（C柱）的粗细及位置很重要。设计上，必须根据驾驶员的眼椭圆范围确定风窗玻璃挂扫面积和部位，并在满足翻车安全保障和前窗振动抑制要求的前提下，以最细的支柱来减小视野死角。提供后视野的后视镜也要保证驾驶员有足够的后视范围。FIAT公司的MULTIPLA采用的双片可调式小圆镜后视镜不仅可以使驾驶员看到车后其它车辆的行驶

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状况，而且也可观察后车胎与路面的接触情况。

图1 普通后视镜与采用双片可调式小圆镜后视镜

1.3操作的稳性定与制动性

制动踏板和手柄的行程和位置，必须满足一般身材人体的需要，踏板力，手柄等也应适应一般人群，因为这些都对制动性能影响较大，据报道，美国有5%的女性司机由于身材矮小为踩上脚踏板而使身体与方向盘的距离小于2cm，当气囊膨胀时脖子常受到伤害。此外，车身总质量大小及轴荷分配，整体转动惯量，车身空气动力学特性，车身重心高度和相关部件刚度等也都对操作稳定性有一定影响。

2.人机工程学在座椅设计中的应用

汽车的座椅是汽车内部很重要的组成部分，汽车座椅设计主要包括座椅造型设计、结构设计、颜色设计等。在人体接触车辆之前，首先给人的是视觉感官冲击，好的座椅设计能在第一时间获得人们的认同，因此，一个好的座椅设计能够给使用者带来良好的驾驶环境，营造舒适、安全的驾乘环境，有效的降低交通事故的发生。能够很好的引起消费者的关注。

2.1座椅结构设计

为了保证座垫上合理的体压分布，座垫应坚实平坦。太软的椅子容易令使用者曲起身子，全身肌肉和骨骼受力不均，从而导致腰酸背痛现象的产生。研究表明：过于松软

人机工程课程论文 的椅面，使臀部与大腿的肌肉受压面积增大，不仅增加了躯干的不稳定性，而且不易改变坐姿，容易产生疲劳。

依据靠背上体压分布不均匀原则，在座椅靠背设计时应保证有靠背两点支撑，即就是人体背部和腰部的合理支撑。汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支撑，第一支撑点位于人体第5—6胸椎之间的高度上，作为肩靠；第二支撑设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证坐姿下的近似于正常的腰弧曲线。

座椅材料是座椅的主要减振元件，要想使座椅获得较低的振动传递率，使座椅有较高的振动舒适性，必须采用合适的座垫和靠背减振材料。根据驾驶室的微气候环境，调整座椅表面的湿温度特性，可以适当调节人体代谢，达到减轻疲劳的目的。

图2.1 汽车座椅的结构

2.2座椅舒适性设计

根据人机工程学原理,为保证良好的舒适度，针对静态舒适度，设计中应遵循以下原则：① 座椅尺寸应与人体测量尺寸相适宜；②座椅应可调节，能使乘坐者变换姿势，并能最大范围满足各类人体的乘坐要求；③座椅应能使乘坐者保持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给腰部 充分的支撑,使脊柱接近于正常弯曲状态[3]。

座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素，但研究发现这并非唯一最主要的影响因素。许多 文献都提及腰部支撑的重要作用。腰托的形状和位置，对于是否能使人保持良好坐姿，减少 人体疲劳具有重要作用。从人机工程学的角度来讲，腰部是体现座椅功能的关键部位。因此，座椅的腰托是影响舒适性的关键因素。腰托的安装位置在座椅靠背结构设计中十分重要。乘员正常入座时，人体身躯与大腿的连接点—胯点(hip point)简称H点，H点的位置是决定 驾驶员操作方便、乘坐舒适性相关的车内尺寸的基准。此外，座椅的调节特性对座椅的舒适度影响很大，已成为座椅舒适度设计中重点考

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虑的因素。压力分布是导致不舒适的最主要的 生物力学因素，通过界面压力对座椅舒适度进行评价是一种重要客观、有效的方法。

消除座椅不舒适性最理想的方法是能建立定量模型，预测座椅的不舒适性。国内外研究中,建立的模型主要有如下3种：利用模糊理论建立的模型、线性模型和神经网络模型。

目前，国内在座椅舒适度的研究上还存在一些缺陷：①没有针对中国人体特征尺寸的座椅舒 适性研究；②对于座椅静态舒适性评价还没有形成一套客观系统的体系；③在应用神经 网络建模方法评价舒适性中，对输入量的界定还不够清晰明确，有待进一步研究[4]。

2.3座椅空间位置设计

座椅空间位置设计就是为了达到操作舒适性的目标，而进行驾驶室座椅空间位置设计以确保驾驶员有良好的视野，同时对汽车转向盘、脚踏板等操作部件有恰当的操作要求距离，以达到操作舒适性的最终目的。图2列出了驾驶作业空间设计的主要指标。

图2.2 驾驶作业空间设计的主要指标

3.人机工程学在安全设计中的应用

随着生活水平的提高，人们对所乘坐汽车的安全性也提出了更高的要求。而ABS（刹车防抱死系统），ESP（电子稳定系统），以及EBD（电子助力转向）等的发明标志着车辆的安全性能得到提高，并且在人机工程学方面也起到了一定的作用[5]。预紧式安全带确保了车辆在发生交通事故时使人们的身体一直与座椅保持接触状态，防止了因身体的过度前倾而使身体受伤害，因为在大部分的事故中，因人的身体过分前倾而造成的伤害太多了。我们都知道在战斗机中，飞行员头盔前面的玻璃既起到保护作用，也同时起到

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了显示屏的作用。宝马公司发明的抬头显示系统便和这个大同小异。通过投影技术将相关信息显示在风挡玻璃上，在保证不影响驾驶员视野的同时提供了丰富的信息，使驾驶员不用低头，只需变化一下焦点就能做到“一切尽收眼底”，从而避免了注意力的分散，驾驶安全性得到了保证，同时也确保了人机信息的快速交换，相应的操作效率也得到大幅度的提升。在光线进入人眼的管线瞬间出现变化时，人眼会出现瞬间无法看清面前的物体，往往需要一段时间才能看清物体，这被称为适应。在夜间驾车的过程中，当两车相对行驶的过程中，由于双方的车灯亮度不同，较亮的一方的车灯就会使对方瞬间失明，甚至出现严重事故。现在人们开始对车灯进行了改良，采用了冷光车灯，并且加入了转向随动系统，当车辆转弯时，灯光的照射方向也随之发生改变，这种设计使夜间行车变得安全，危险系数也变低了[8]。虽然在夜间有了车灯，但人眼的视觉范围是有限的，距离较远是仍无法看清远处的物体。而车载夜视系统的出现无疑解决了这一问题，这样，即使是在大雾天气下也能看清周围一切，而这也同样保障了人身安全，确保了在不良视野下的安全驾驶。在未来的汽车安全方面的设计中，智能安全气囊，倒车影像，ESC电子稳定控制，胎压低压报警和侧气帘会渐渐成为主流配置。此外，车内紧急呼叫、智能巡航等也会被采用，利用雷达和传感器在保证车距的同时预测危险并在驾驶员做出反应之前刹车，避免事故发生[10]。

4.结论

随着汽车在日常生活中的广泛应用，人机工程学设计就显得更加重要，而在今后的汽车设计中，越来越多的人机工程学设计将被采纳。体现了更多的人性化的设计元素。舒适、安全正被更多的人所重视，符合安全人机工程学的产品必然会获得成功。而那些符合人机工程学的设计产品，能给人们创造一种舒适的环境，让人们的驾驶过程变得更加愉快，将会成为未来发展趋势。

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参考文献

[1] 刘东明,孙桂林.安全人机工程学［M］.北京：中国劳动出版社，1993 [2] 郭竹亭.汽车车身设计.吉林科学技术出版社,1992年 [3] 黄天泽.汽车车身结构与设计.机械工业出版社，2003年 [4] 吴翔.产品系统设计.中国轻工业出版社,2000年 [5] 谢庆森,王秉权主编.安全人机工程.天津大学出版社,1999

[6] 王宣，李宏光等.现代汽车安全［M］.北京：人民交通出版社，1998 [7] 王惠军.汽车造型设计.国防工业出版社,2007年 [8] 刘维信．汽车设计[M]．北京：清华大学出版社，2001 [9] 周一鸣，毛愚荣．车辆人机工程学[M]．北京：北京理工大学出版社．1999 [10] 用芙玉．工业设计应用人类工程学[M]．北京：中国轻工业出版社，200l [11] 袁修干．庄选民．人机工程[M]．北京：北京航空航天大学出版社.2002 [12] 黄斌，蒋祖华。严隽琪．汽车座椅系统动态舒适性的研究综述[J]．汽车科技，2001，10(6)：13216 [13] 郭伏，杨学涵．人因工程学[M]．沈阳：东北大学出版社.2001 [14] Tilly AR，朱涛译．人体工程学图解——设计中的人体因素[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998 [15] 刘峰.人体工程学[M].沈阳.辽宁美术出版社，2008 7