发动机零件的造型设计研究

夏新艳 侯伟 陈子聪

（潍柴动力股份有限公司，潍坊 261061）

近年来，柴油发动机产品的技术越来越先进，发动机本体热效率不断突破，陆续推出国六国七产品，随着国内外几大发动机产品品牌之间的技术较量，它们的造型也越来越受到关注。发动机的造型也如其他产品的发展一样，从一开始“笨拙冷漠”的机器，到现在精致人性化的“心脏”，体现出形式创新的力量[1]。作为功能性极强的产品，发动机零件的造型取决于功能需求。反过来说，造型可以反映出产品的功能诉求，只有结构与造型统一，才能塑造出完美、具有竞争力的发动机产品。在产品造型设计的过程中，需要从产品的形态、色彩和质感角度体现产品设计的特点，而功能、结构、人机等是造型设计阶段的技术指引[2]。结构是造型的基础，造型是结构的表现形式。

1 影响发动机零件的造型设计因素

为了探究发动机零件的造型设计，需要找出影响发动机零件造型的设计因素，下面从发动机零件的设计流程入手，对影响造型设计的因素进行分析。

由图1 基于零件设计的流程分析可知，影响零件造型的设计因素有功能因素，即满足既定的技术要求、设计边界等；人机因素，即造型需体现人文关怀，实现易用性，保证安全性；生产因素，即零件需易加工，拆装便利。

图1 基于设计流程分析设计因素

1.1 功能因素

零部件的设计首先需要满足既定的功能要求，如支架需要满足支撑强度要求，油底壳需要满足油量容积及倾斜角等要求。造型要在满足功能的前提下，与周围零件相呼应，即保持风格的统一。不同排量机器上的同一零件虽然体量不同，但可以进行模块化设计，打造家族化、系族化产品。例如，BMW 系列车型，均采用双肾型进气格栅的造型设计，作为BMW 的典型视觉识别特征[3]，形成了家族化产品。

1.2 人机因素

工程机械产品的应用场景非常复杂，对该类产品的维修保养工作要求已经从起初的能用转变为现在的易用、好用。因此，对此类产品在使用安全性、操作舒适性等方面具有更高的要求[4]，发动机零件上的人机要求体现在两个方面：安全性和操作舒适性。

任何零件的设计都必须满足安全性要求，避免出现尖角、锐边。发动机的高温区域要注重防护，可通过标签警示或添加隔热罩等形式。为避免泄漏及着火，燃油滤清器、机油滤清器朝下布置时需要设计接油盘，而接油盘的设计不能影响滤芯的拆卸。发动机上的旋转件要有防护装置或警示标识。禁止踩踏的位置要有警示标识或从结构设计角度将零件设计为不可踩踏的形态。

零件的设计及布置要结合人机工程学考虑人员维护保养操作的舒适性、便利性。如需要经常拧下的加机油口盖结构、需要插拔的油尺结构等。设计时应该减少人员的操作疲劳感，提升操作舒适性，同时应布置在人能迅速可视及可达的位置，通过零件色彩设计来提升用户体验。发动机的日常维护保养零件，如机油滤清器、燃油滤清器、空气滤清器应布置在便于人员操作的位置，同时留出滤芯拆装足够的操作空间。

1.3 生产因素

零件的三维设计必须基于工艺的可实现性。虽然现在增材技术提升了工艺的可实现性，但是发动机常用零件因数量较大，还应采用相对比较传统的制造工艺。因此，在进行造型设计时，要注重工艺性，以及能转化为实际应用的产品。零件实物应满足拆装便利、不与周围零件发生干涉、不影响零件的拆卸等要求。零件本身类似铸造管路，在进行造型设计时，不能影响遮挡固定管路的螺栓装卸，即避让螺栓套筒的操作空间。

通过上述分析可知，发动机零件在进行造型设计时需要考虑零件的功能因素、人机因素及生产因素。造型必须要保证在这些设计因素的基础上进行设计。

2 发动机零件造型设计的思路

作为机械产品，发动机零件设计需满足形式追随功能的要求，造型设计一方面需要满足设计因素的要求，达到与结构的融合统一；另一方面需要遵循美学原则，追求形式美。

2.1 造型设计需以结构为基础

安全可靠性是机械产品设计的首要条件，产品造型需要以结构为基础，才可以设计出造型美观的产品[5]。设计时需要借助仿真工具进行形态的探索，使造型建立在满足结构强度、刚度等的基础上。

充分利用造型与结构强度之间的关系,可以设计出具有创意的产品。例如，气缸盖罩、油底壳、谐振腔等塑料件可采用拱形、弧形，添加造型特征来提高塑料零件的刚度。如图2 某款发动机塑料油底壳所示，形态的起伏增大了油底壳的刚度，同时遍布的筋结构减缓了行车中石子等对油底壳的撞击作用。

对于表面较大的铸件,可采用丰富表面造型来增加刚度及提升工艺性、隔音性及隔热性。造型与结构强度相结合，不仅增大了铸造产品的强度，而且丰富了该产品的形态，提升了产品的颜值，为发动机零件的造型设计提供了依据。

2.2 造型设计需与美学原则相结合

发动机作为复杂的动力产品，零部件结构复杂、功能性强，具有开发周期长、使用周期长，更新换代慢的特点。因此，发动机的造型设计需要达到一种长期稳定的视觉美感[6]。构成美学与形式美法则作为基础的设计美学原则，符合美学规律，而且视觉恒久稳定。

2.2.1 造型设计需与构成美学原则相结合

体育旅游是人与自然的高度互动和人与自然最贴近的旅游方式，体育旅游往往以自然生态环境为载体。在开发民族传统体育旅游资源过程中，应以保护生态环境和风景名胜为前提，合理开发和科学管理。避免重开发、轻保护，造成许多不可再生资源人为的破坏和浪费。加强民族传统体育旅游资源的保护意识，树立生态体育旅游的观念，将民族传统体育旅游与生态环境保护有机结合起来，生态环境与人文环境都得到良好的治理和改善，为民族传统体育旅游的发展营造一个健康的环境。

构成美学中的构成元素分为点、线、面、体。

点作为基本的元素，能够带来丰富观众视觉效果的作用。在构成中，它不等同于数学概念上的点[7]，具有较小面积和体积的形态元素都可以作为点元素。发动机较小的零件可以化为点元素，起到画龙点睛的作用，如油尺、加油口盖、标识等。

点运动形成线，从造型角度来看，线元素是富于个性和活力的。人们的心理会受到外观造型设计的影响[8]，发动机零件设计应使用直线、折线、几何曲线，因为这些线型相对比较稳定，符合工程机械产品严谨、理性的产品形象[9]。管路、支架上的筋结构表现为线元素。

线运动形成面，面的表现形式非常丰富。面元素能给人以视觉上的充实感，使用面元素可以使画面丰富，具有层次感。发动机零件大多精密复杂，因此在面比较大的位置上添加造型特征，一方面能提升零件的刚度，另一方面能丰富零件的造型感，保持风格统一，体现出发动机零件的机械感、力量感。

体元素包含长、宽、高三个维度，给人直观的视觉感受。发动机的每个零部件都可作为单独的个体存在，对于整个发动机而言，上面布置了各个系统，各个系统又包含了各个零件。因此，作为一个整体要求零部件的布置应协调，充分利用空间，并能从形式上呼应。

图3 为某款发动机上的进气接管，该管路的设计体现出构成元素在发动机造型设计中的应用。螺栓的布置是点元素的呈现，筋结构连接了螺栓，呈现出点运动成线，最后管路截面及筋形成了面，使整个进气接管作为一个整体。

图3 某款发动机进气接管

形式美法则是人类在创造美的形式、美的过程中对美的形式规律的经验总结和抽象概括[10]。运用形式美法则去表现事物的美，能使美的形式与美的内容高度统一[11]。

形式美法则主要有以下形式：比例与尺度、对称与均衡、变化与统一、对比与调和、节奏与韵律。

比例与尺度：恰当的比例不仅能给人带来和谐的视觉美感，还能正确地反映事物内在的逻辑性[12]。尺度是形容各个方面都已经平衡到了较好的关系，稍有变化就会失去平衡。发动机零件作为严谨的机械产品，必须满足相应的比例与尺度要求，如发动机标识必须遵循既定的比例关系。

对称与均衡：对称是形式美法则中的基本原则，大自然中的绝大多数生物都是对称存在的。对称的事物总会给人带来视觉上的平衡感、心理上的舒适感、安全感。即便是解构主义、未来主义等不对称风格，也会以某种形式使它在视觉上保持对称[13]，这就是均衡。发动机作为机械产品，应给人一种对称、严谨、稳重的视觉感受，在布置零件时应做到尽量左右对称。

变化与统一：变化是指造型元素受到材质、工艺、位置、大小、方向、排布、形态等方面的影响产生一定的变化，但是同一台机器的不同零件需与同系族的机器造型元素达到统一状态，即造型风格的统一，实现家族化设计。

节奏与韵律：节奏是指构成要素有规律、周期性地变化。韵律是在节奏的基础上形成的，但又比节奏的变化更丰富。如一片花海，从近往远，从左往右看会呈现出一起一伏，有鲜明的规律性，这就是节奏。再如一片梯田，一层层的往外扩展，每一层都会有变化，这就形成了韵律。在设计中韵律多指视线移动时，外观造型表现出的形态美[14-15]。图4 为某款V 型发动机设计，它的上摇臂罩及线圈排列形成了秩序感、节奏感。

3 典型发动机零件的造型设计实践

通过前期的分析研究，将设计原则应用到具体零件的造型设计中。下面针对发动机上典型的零件，即支架类、箱体类、管路类、罩壳类进行设计说明。

3.1 支架类零件造型设计实践

发动机作为一个复杂的机械产品，外围布置有各种零件，零件与本体的连接需要各种支架的设计，发动机上的支架根据成型工艺主要分为两种：一种是铸造类；另一种是钣金类。支架首先需满足结构的可靠性，确定设计边界后，进行拓扑优化去探索支架形态。钣金支架相对来说工艺简单，造型主要涉及随型设计与镂空去重设计。铸造支架的造型基本体现在筋结构的设计上，支架作为支撑件，在满足结构强度的前提下，造型设计需要符合形式美法则的对称原则。图5 为某款发动机燃油滤清器支架，此支架设计左右高度对称统一，镂空设计降低了重量，筋结构形式都统一成弧线型，起伏弧度整齐划一，使弧线形的筋结构在视觉上形成一种韵律感。

图5 某款发动机燃油支架

3.2 箱体类零件造型设计实践

发动机上箱体类的零件有油底壳、中冷器、膨胀水箱、热交换器等，设计首先要满足容积要求。由于发动机零件表面比较复杂，因此箱体类零件不能过于简洁，应提升表面的凹凸，提升造型感，同时也可以提升零件的刚度与强度。箱体类零件造型设计需要遵循构成美学法则，充分利用点线面构成元素达到美观，并与周围零件保持造型元素统一，产生呼应。图6 为某款发动机顶部造型设计，左右两侧分别为中冷器与热交换器，两者的造型风格与中间罩壳的造型风格相统一。

图6 某款发动机顶部设计

3.3 管路类零件造型设计实践

发动机上的管路有焊接钢管及铸造管路，造型研究主要针对铸造管路。管路需要满足截面的大小要求、流体顺畅，同时添加筋结构，避免出现应力集中，还可以添加工艺凸台结构。筋结构设计需要依据美学原则，表现为线元素，管路上的长筋结构应位于管路中间的分型面上，呈现出对称均衡，同时可避免分型面造成的瑕疵结构，提升零件的精致感。

3.4 罩壳类零件造型设计实践

发动机上的罩壳主要起到防护、隔热、隔音、美观的作用，罩壳往往是人们看到发动机的第一视觉点，是发动机的门面担当。罩壳设计在保证结构强度的基础上，应遵循形式美法则，造型元素既要有变化又要统一，体现机械产品的机械感、科技感，同时针对不同的应用场景体现发动机的不同设定。如图7 为某游艇用发动机罩壳设计，流畅的线条、统一元素的包裹设计，展现了游艇机的科技感、速度感、激情感，传达了游艇机的高端形象。

图7 某游艇用发动机

4 结论

文章从发动机零件设计流程入手分析影响造型设计的设计因素，得出造型设计要以结构为基础。同时利用美学原则对发动机零件造型设计进行了分析，并从支架类、箱体类、管路类、罩壳类四大典型发动机零件出发，进行了基于造型设计原则的造型实践设计。针对发动机零件的造型设计，文章从理论研究到实践应用进行了阐述，对发动机零件造型设计具有一定的指导意义。受篇幅及时间的约束，文章未对造型进行相应的评价，应结合层次分析法等理论针对发动机零件造型设计进行评价，建立适合的评价方法，增强方案评价的科学性和合理性。