發(fā)動(dòng)機(jī)零件的造型設(shè)計(jì)研究

夏新艷 侯偉 陳子聰

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊 261061）

近年來(lái)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體熱效率不斷突破，陸續(xù)推出國(guó)六國(guó)七產(chǎn)品，隨著國(guó)內(nèi)外幾大發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品品牌之間的技術(shù)較量，它們的造型也越來(lái)越受到關(guān)注。發(fā)動(dòng)機(jī)的造型也如其他產(chǎn)品的發(fā)展一樣，從一開(kāi)始“笨拙冷漠”的機(jī)器，到現(xiàn)在精致人性化的“心臟”，體現(xiàn)出形式創(chuàng)新的力量[1]。作為功能性極強(qiáng)的產(chǎn)品，發(fā)動(dòng)機(jī)零件的造型取決于功能需求。反過(guò)來(lái)說(shuō)，造型可以反映出產(chǎn)品的功能訴求，只有結(jié)構(gòu)與造型統(tǒng)一，才能塑造出完美、具有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要從產(chǎn)品的形態(tài)、色彩和質(zhì)感角度體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，而功能、結(jié)構(gòu)、人機(jī)等是造型設(shè)計(jì)階段的技術(shù)指引[2]。結(jié)構(gòu)是造型的基礎(chǔ)，造型是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式。

1 影響發(fā)動(dòng)機(jī)零件的造型設(shè)計(jì)因素

為了探究發(fā)動(dòng)機(jī)零件的造型設(shè)計(jì)，需要找出影響發(fā)動(dòng)機(jī)零件造型的設(shè)計(jì)因素，下面從發(fā)動(dòng)機(jī)零件的設(shè)計(jì)流程入手，對(duì)影響造型設(shè)計(jì)的因素進(jìn)行分析。

由圖1 基于零件設(shè)計(jì)的流程分析可知，影響零件造型的設(shè)計(jì)因素有功能因素，即滿(mǎn)足既定的技術(shù)要求、設(shè)計(jì)邊界等；人機(jī)因素，即造型需體現(xiàn)人文關(guān)懷，實(shí)現(xiàn)易用性，保證安全性；生產(chǎn)因素，即零件需易加工，拆裝便利。

圖1 基于設(shè)計(jì)流程分析設(shè)計(jì)因素

1.1 功能因素

零部件的設(shè)計(jì)首先需要滿(mǎn)足既定的功能要求，如支架需要滿(mǎn)足支撐強(qiáng)度要求，油底殼需要滿(mǎn)足油量容積及傾斜角等要求。造型要在滿(mǎn)足功能的前提下，與周?chē)慵嗪魬?yīng)，即保持風(fēng)格的統(tǒng)一。不同排量機(jī)器上的同一零件雖然體量不同，但可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，打造家族化、系族化產(chǎn)品。例如，BMW 系列車(chē)型，均采用雙腎型進(jìn)氣格柵的造型設(shè)計(jì)，作為BMW 的典型視覺(jué)識(shí)別特征[3]，形成了家族化產(chǎn)品。

1.2 人機(jī)因素

工程機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景非常復(fù)雜，對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品的維修保養(yǎng)工作要求已經(jīng)從起初的能用轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的易用、好用。因此，對(duì)此類(lèi)產(chǎn)品在使用安全性、操作舒適性等方面具有更高的要求[4]，發(fā)動(dòng)機(jī)零件上的人機(jī)要求體現(xiàn)在兩個(gè)方面：安全性和操作舒適性。

任何零件的設(shè)計(jì)都必須滿(mǎn)足安全性要求，避免出現(xiàn)尖角、銳邊。發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫區(qū)域要注重防護(hù)，可通過(guò)標(biāo)簽警示或添加隔熱罩等形式。為避免泄漏及著火，燃油濾清器、機(jī)油濾清器朝下布置時(shí)需要設(shè)計(jì)接油盤(pán)，而接油盤(pán)的設(shè)計(jì)不能影響濾芯的拆卸。發(fā)動(dòng)機(jī)上的旋轉(zhuǎn)件要有防護(hù)裝置或警示標(biāo)識(shí)。禁止踩踏的位置要有警示標(biāo)識(shí)或從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度將零件設(shè)計(jì)為不可踩踏的形態(tài)。

零件的設(shè)計(jì)及布置要結(jié)合人機(jī)工程學(xué)考慮人員維護(hù)保養(yǎng)操作的舒適性、便利性。如需要經(jīng)常擰下的加機(jī)油口蓋結(jié)構(gòu)、需要插拔的油尺結(jié)構(gòu)等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該減少人員的操作疲勞感，提升操作舒適性，同時(shí)應(yīng)布置在人能迅速可視及可達(dá)的位置，通過(guò)零件色彩設(shè)計(jì)來(lái)提升用戶(hù)體驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng)零件，如機(jī)油濾清器、燃油濾清器、空氣濾清器應(yīng)布置在便于人員操作的位置，同時(shí)留出濾芯拆裝足夠的操作空間。

1.3 生產(chǎn)因素

零件的三維設(shè)計(jì)必須基于工藝的可實(shí)現(xiàn)性。雖然現(xiàn)在增材技術(shù)提升了工藝的可實(shí)現(xiàn)性，但是發(fā)動(dòng)機(jī)常用零件因數(shù)量較大，還應(yīng)采用相對(duì)比較傳統(tǒng)的制造工藝。因此，在進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)，要注重工藝性，以及能轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品。零件實(shí)物應(yīng)滿(mǎn)足拆裝便利、不與周?chē)慵l(fā)生干涉、不影響零件的拆卸等要求。零件本身類(lèi)似鑄造管路，在進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)，不能影響遮擋固定管路的螺栓裝卸，即避讓螺栓套筒的操作空間。

通過(guò)上述分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)零件在進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮零件的功能因素、人機(jī)因素及生產(chǎn)因素。造型必須要保證在這些設(shè)計(jì)因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)零件造型設(shè)計(jì)的思路

作為機(jī)械產(chǎn)品，發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足形式追隨功能的要求，造型設(shè)計(jì)一方面需要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)因素的要求，達(dá)到與結(jié)構(gòu)的融合統(tǒng)一；另一方面需要遵循美學(xué)原則，追求形式美。

2.1 造型設(shè)計(jì)需以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)

安全可靠性是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首要條件，產(chǎn)品造型需要以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，才可以設(shè)計(jì)出造型美觀的產(chǎn)品[5]。設(shè)計(jì)時(shí)需要借助仿真工具進(jìn)行形態(tài)的探索，使造型建立在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等的基礎(chǔ)上。

充分利用造型與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的關(guān)系,可以設(shè)計(jì)出具有創(chuàng)意的產(chǎn)品。例如，氣缸蓋罩、油底殼、諧振腔等塑料件可采用拱形、弧形，添加造型特征來(lái)提高塑料零件的剛度。如圖2 某款發(fā)動(dòng)機(jī)塑料油底殼所示，形態(tài)的起伏增大了油底殼的剛度，同時(shí)遍布的筋結(jié)構(gòu)減緩了行車(chē)中石子等對(duì)油底殼的撞擊作用。

對(duì)于表面較大的鑄件,可采用豐富表面造型來(lái)增加剛度及提升工藝性、隔音性及隔熱性。造型與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相結(jié)合，不僅增大了鑄造產(chǎn)品的強(qiáng)度，而且豐富了該產(chǎn)品的形態(tài)，提升了產(chǎn)品的顏值，為發(fā)動(dòng)機(jī)零件的造型設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2.2 造型設(shè)計(jì)需與美學(xué)原則相結(jié)合

發(fā)動(dòng)機(jī)作為復(fù)雜的動(dòng)力產(chǎn)品，零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能性強(qiáng)，具有開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、使用周期長(zhǎng)，更新?lián)Q代慢的特點(diǎn)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的造型設(shè)計(jì)需要達(dá)到一種長(zhǎng)期穩(wěn)定的視覺(jué)美感[6]。構(gòu)成美學(xué)與形式美法則作為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)美學(xué)原則，符合美學(xué)規(guī)律，而且視覺(jué)恒久穩(wěn)定。

2.2.1 造型設(shè)計(jì)需與構(gòu)成美學(xué)原則相結(jié)合

體育旅游是人與自然的高度互動(dòng)和人與自然最貼近的旅游方式，體育旅游往往以自然生態(tài)環(huán)境為載體。在開(kāi)發(fā)民族傳統(tǒng)體育旅游資源過(guò)程中，應(yīng)以保護(hù)生態(tài)環(huán)境和風(fēng)景名勝為前提，合理開(kāi)發(fā)和科學(xué)管理。避免重開(kāi)發(fā)、輕保護(hù)，造成許多不可再生資源人為的破壞和浪費(fèi)。加強(qiáng)民族傳統(tǒng)體育旅游資源的保護(hù)意識(shí)，樹(shù)立生態(tài)體育旅游的觀念，將民族傳統(tǒng)體育旅游與生態(tài)環(huán)境保護(hù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，生態(tài)環(huán)境與人文環(huán)境都得到良好的治理和改善，為民族傳統(tǒng)體育旅游的發(fā)展?fàn)I造一個(gè)健康的環(huán)境。

構(gòu)成美學(xué)中的構(gòu)成元素分為點(diǎn)、線(xiàn)、面、體。

點(diǎn)作為基本的元素，能夠帶來(lái)豐富觀眾視覺(jué)效果的作用。在構(gòu)成中，它不等同于數(shù)學(xué)概念上的點(diǎn)[7]，具有較小面積和體積的形態(tài)元素都可以作為點(diǎn)元素。發(fā)動(dòng)機(jī)較小的零件可以化為點(diǎn)元素，起到畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用，如油尺、加油口蓋、標(biāo)識(shí)等。

點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形成線(xiàn)，從造型角度來(lái)看，線(xiàn)元素是富于個(gè)性和活力的。人們的心理會(huì)受到外觀造型設(shè)計(jì)的影響[8]，發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)應(yīng)使用直線(xiàn)、折線(xiàn)、幾何曲線(xiàn)，因?yàn)檫@些線(xiàn)型相對(duì)比較穩(wěn)定，符合工程機(jī)械產(chǎn)品嚴(yán)謹(jǐn)、理性的產(chǎn)品形象[9]。管路、支架上的筋結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為線(xiàn)元素。

線(xiàn)運(yùn)動(dòng)形成面，面的表現(xiàn)形式非常豐富。面元素能給人以視覺(jué)上的充實(shí)感，使用面元素可以使畫(huà)面豐富，具有層次感。發(fā)動(dòng)機(jī)零件大多精密復(fù)雜，因此在面比較大的位置上添加造型特征，一方面能提升零件的剛度，另一方面能豐富零件的造型感，保持風(fēng)格統(tǒng)一，體現(xiàn)出發(fā)動(dòng)機(jī)零件的機(jī)械感、力量感。

體元素包含長(zhǎng)、寬、高三個(gè)維度，給人直觀的視覺(jué)感受。發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)零部件都可作為單獨(dú)的個(gè)體存在，對(duì)于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，上面布置了各個(gè)系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)又包含了各個(gè)零件。因此，作為一個(gè)整體要求零部件的布置應(yīng)協(xié)調(diào)，充分利用空間，并能從形式上呼應(yīng)。

圖3 為某款發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)氣接管，該管路的設(shè)計(jì)體現(xiàn)出構(gòu)成元素在發(fā)動(dòng)機(jī)造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。螺栓的布置是點(diǎn)元素的呈現(xiàn)，筋結(jié)構(gòu)連接了螺栓，呈現(xiàn)出點(diǎn)運(yùn)動(dòng)成線(xiàn)，最后管路截面及筋形成了面，使整個(gè)進(jìn)氣接管作為一個(gè)整體。

圖3 某款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣接管

形式美法則是人類(lèi)在創(chuàng)造美的形式、美的過(guò)程中對(duì)美的形式規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和抽象概括[10]。運(yùn)用形式美法則去表現(xiàn)事物的美，能使美的形式與美的內(nèi)容高度統(tǒng)一[11]。

形式美法則主要有以下形式：比例與尺度、對(duì)稱(chēng)與均衡、變化與統(tǒng)一、對(duì)比與調(diào)和、節(jié)奏與韻律。

比例與尺度：恰當(dāng)?shù)谋壤粌H能給人帶來(lái)和諧的視覺(jué)美感，還能正確地反映事物內(nèi)在的邏輯性[12]。尺度是形容各個(gè)方面都已經(jīng)平衡到了較好的關(guān)系，稍有變化就會(huì)失去平衡。發(fā)動(dòng)機(jī)零件作為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋C(jī)械產(chǎn)品，必須滿(mǎn)足相應(yīng)的比例與尺度要求，如發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)識(shí)必須遵循既定的比例關(guān)系。

對(duì)稱(chēng)與均衡：對(duì)稱(chēng)是形式美法則中的基本原則，大自然中的絕大多數(shù)生物都是對(duì)稱(chēng)存在的。對(duì)稱(chēng)的事物總會(huì)給人帶來(lái)視覺(jué)上的平衡感、心理上的舒適感、安全感。即便是解構(gòu)主義、未來(lái)主義等不對(duì)稱(chēng)風(fēng)格，也會(huì)以某種形式使它在視覺(jué)上保持對(duì)稱(chēng)[13]，這就是均衡。發(fā)動(dòng)機(jī)作為機(jī)械產(chǎn)品，應(yīng)給人一種對(duì)稱(chēng)、嚴(yán)謹(jǐn)、穩(wěn)重的視覺(jué)感受，在布置零件時(shí)應(yīng)做到盡量左右對(duì)稱(chēng)。

變化與統(tǒng)一：變化是指造型元素受到材質(zhì)、工藝、位置、大小、方向、排布、形態(tài)等方面的影響產(chǎn)生一定的變化，但是同一臺(tái)機(jī)器的不同零件需與同系族的機(jī)器造型元素達(dá)到統(tǒng)一狀態(tài)，即造型風(fēng)格的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)家族化設(shè)計(jì)。

節(jié)奏與韻律：節(jié)奏是指構(gòu)成要素有規(guī)律、周期性地變化。韻律是在節(jié)奏的基礎(chǔ)上形成的，但又比節(jié)奏的變化更豐富。如一片花海，從近往遠(yuǎn)，從左往右看會(huì)呈現(xiàn)出一起一伏，有鮮明的規(guī)律性，這就是節(jié)奏。再如一片梯田，一層層的往外擴(kuò)展，每一層都會(huì)有變化，這就形成了韻律。在設(shè)計(jì)中韻律多指視線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，外觀造型表現(xiàn)出的形態(tài)美[14-15]。圖4 為某款V 型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，它的上搖臂罩及線(xiàn)圈排列形成了秩序感、節(jié)奏感。

3 典型發(fā)動(dòng)機(jī)零件的造型設(shè)計(jì)實(shí)踐

通過(guò)前期的分析研究，將設(shè)計(jì)原則應(yīng)用到具體零件的造型設(shè)計(jì)中。下面針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上典型的零件，即支架類(lèi)、箱體類(lèi)、管路類(lèi)、罩殼類(lèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。

3.1 支架類(lèi)零件造型設(shè)計(jì)實(shí)踐

發(fā)動(dòng)機(jī)作為一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品，外圍布置有各種零件，零件與本體的連接需要各種支架的設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)上的支架根據(jù)成型工藝主要分為兩種：一種是鑄造類(lèi)；另一種是鈑金類(lèi)。支架首先需滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的可靠性，確定設(shè)計(jì)邊界后，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化去探索支架形態(tài)。鈑金支架相對(duì)來(lái)說(shuō)工藝簡(jiǎn)單，造型主要涉及隨型設(shè)計(jì)與鏤空去重設(shè)計(jì)。鑄造支架的造型基本體現(xiàn)在筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，支架作為支撐件，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，造型設(shè)計(jì)需要符合形式美法則的對(duì)稱(chēng)原則。圖5 為某款發(fā)動(dòng)機(jī)燃油濾清器支架，此支架設(shè)計(jì)左右高度對(duì)稱(chēng)統(tǒng)一，鏤空設(shè)計(jì)降低了重量，筋結(jié)構(gòu)形式都統(tǒng)一成弧線(xiàn)型，起伏弧度整齊劃一，使弧線(xiàn)形的筋結(jié)構(gòu)在視覺(jué)上形成一種韻律感。

圖5 某款發(fā)動(dòng)機(jī)燃油支架

3.2 箱體類(lèi)零件造型設(shè)計(jì)實(shí)踐

發(fā)動(dòng)機(jī)上箱體類(lèi)的零件有油底殼、中冷器、膨脹水箱、熱交換器等，設(shè)計(jì)首先要滿(mǎn)足容積要求。由于發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面比較復(fù)雜，因此箱體類(lèi)零件不能過(guò)于簡(jiǎn)潔，應(yīng)提升表面的凹凸，提升造型感，同時(shí)也可以提升零件的剛度與強(qiáng)度。箱體類(lèi)零件造型設(shè)計(jì)需要遵循構(gòu)成美學(xué)法則，充分利用點(diǎn)線(xiàn)面構(gòu)成元素達(dá)到美觀，并與周?chē)慵３衷煨驮亟y(tǒng)一，產(chǎn)生呼應(yīng)。圖6 為某款發(fā)動(dòng)機(jī)頂部造型設(shè)計(jì)，左右兩側(cè)分別為中冷器與熱交換器，兩者的造型風(fēng)格與中間罩殼的造型風(fēng)格相統(tǒng)一。

圖6 某款發(fā)動(dòng)機(jī)頂部設(shè)計(jì)

3.3 管路類(lèi)零件造型設(shè)計(jì)實(shí)踐

發(fā)動(dòng)機(jī)上的管路有焊接鋼管及鑄造管路，造型研究主要針對(duì)鑄造管路。管路需要滿(mǎn)足截面的大小要求、流體順暢，同時(shí)添加筋結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中，還可以添加工藝凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要依據(jù)美學(xué)原則，表現(xiàn)為線(xiàn)元素，管路上的長(zhǎng)筋結(jié)構(gòu)應(yīng)位于管路中間的分型面上，呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)均衡，同時(shí)可避免分型面造成的瑕疵結(jié)構(gòu)，提升零件的精致感。

3.4 罩殼類(lèi)零件造型設(shè)計(jì)實(shí)踐

發(fā)動(dòng)機(jī)上的罩殼主要起到防護(hù)、隔熱、隔音、美觀的作用，罩殼往往是人們看到發(fā)動(dòng)機(jī)的第一視覺(jué)點(diǎn)，是發(fā)動(dòng)機(jī)的門(mén)面擔(dān)當(dāng)。罩殼設(shè)計(jì)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，應(yīng)遵循形式美法則，造型元素既要有變化又要統(tǒng)一，體現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)械感、科技感，同時(shí)針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同設(shè)定。如圖7 為某游艇用發(fā)動(dòng)機(jī)罩殼設(shè)計(jì)，流暢的線(xiàn)條、統(tǒng)一元素的包裹設(shè)計(jì)，展現(xiàn)了游艇機(jī)的科技感、速度感、激情感，傳達(dá)了游艇機(jī)的高端形象。

圖7 某游艇用發(fā)動(dòng)機(jī)

4 結(jié)論

文章從發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)流程入手分析影響造型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)因素，得出造型設(shè)計(jì)要以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。同時(shí)利用美學(xué)原則對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件造型設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并從支架類(lèi)、箱體類(lèi)、管路類(lèi)、罩殼類(lèi)四大典型發(fā)動(dòng)機(jī)零件出發(fā)，進(jìn)行了基于造型設(shè)計(jì)原則的造型實(shí)踐設(shè)計(jì)。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的造型設(shè)計(jì)，文章從理論研究到實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行了闡述，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件造型設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。受篇幅及時(shí)間的約束，文章未對(duì)造型進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)，應(yīng)結(jié)合層次分析法等理論針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件造型設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立適合的評(píng)價(jià)方法，增強(qiáng)方案評(píng)價(jià)的科學(xué)性和合理性。