基于NX的拖拉機(jī)最終傳動(dòng)參數(shù)化模板設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王宜君， 王 斌

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇鹽城 224005； 2.鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

基于NX的拖拉機(jī)最終傳動(dòng)參數(shù)化模板設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王宜君1， 王 斌2

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇鹽城 224005； 2.鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

輪式拖拉機(jī)底盤(pán)屬于典型的系列化機(jī)械產(chǎn)品，其最終傳動(dòng)由參數(shù)化設(shè)計(jì)逐漸向模塊化方向發(fā)展。為了適應(yīng)市場(chǎng)多樣化的客戶需求，總結(jié)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，將最終傳動(dòng)設(shè)計(jì)流程性知識(shí)融合到NX設(shè)計(jì)平臺(tái)中，設(shè)計(jì)出最終傳動(dòng)產(chǎn)品參數(shù)化變型設(shè)計(jì)模板。通過(guò)應(yīng)用產(chǎn)品部件級(jí)設(shè)計(jì)模板，設(shè)計(jì)人員輸入功能參數(shù)并修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主參數(shù)，便可自動(dòng)更新獲得產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，從而提高該系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、減輕工程師的重復(fù)勞動(dòng)工作量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的重用。

NX；最終傳動(dòng)；參數(shù)化；變型設(shè)計(jì)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，雖然農(nóng)業(yè)人口眾多，但是隨著工業(yè)化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)的主要?jiǎng)趧?dòng)力轉(zhuǎn)向其他產(chǎn)業(yè)，同時(shí)老齡化問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力問(wèn)題將日益凸現(xiàn)，拖拉機(jī)是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的農(nóng)業(yè)機(jī)械，耕地、播種、施肥、收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)拖拉機(jī)，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位[1]。拖拉機(jī)最終傳動(dòng)主要由半軸組件、驅(qū)動(dòng)軸組件和殼體等零部件構(gòu)成，是拖拉機(jī)的主傳動(dòng)系中必不可少的部分，其主要作用是增扭減速，在部分小型輪式拖拉機(jī)中，主要是為了提高后橋的離地間隙。由于最終傳動(dòng)在拖拉機(jī)正常行駛過(guò)程中受力較大，一般來(lái)說(shuō)在空間布局上接近車(chē)輪，因此，其整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量影響著拖拉機(jī)的安全性能。目前，輪式拖拉機(jī)產(chǎn)品越來(lái)越趨于系列化，尤其在小馬力拖拉機(jī)的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員需要大量重用已有的設(shè)計(jì)資料和成熟產(chǎn)品模型，才能滿足市場(chǎng)化的產(chǎn)品更新需求，適應(yīng)更多地區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀。為了減輕設(shè)計(jì)人員重復(fù)性的勞動(dòng)工作量，提升企業(yè)的產(chǎn)品更新效率和質(zhì)量，本研究試圖采用NX軟件和二次開(kāi)發(fā)技術(shù)結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)模板，以幫助企業(yè)快速設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品。

目前，知識(shí)工程領(lǐng)域里很多企業(yè)采用的是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來(lái)完成已有產(chǎn)品的變形設(shè)計(jì)和局部設(shè)計(jì)，這些方法缺乏可變性和通用性。隨著基于NX的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的誕生，如設(shè)計(jì)變量驅(qū)動(dòng)法、程序設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)法以及程序控制表達(dá)式驅(qū)動(dòng)法等[2]，很大程度上縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的周期，為企業(yè)節(jié)省設(shè)計(jì)成本。但是，針對(duì)具體產(chǎn)品的組件和部件參數(shù)化模板的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用較為缺乏，本研究為進(jìn)一步給拖拉機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)產(chǎn)品的多樣化設(shè)計(jì)提供方便，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)輪式拖拉機(jī)最終傳動(dòng)參數(shù)化設(shè)計(jì)模板。產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)化模板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的沉淀、繁衍、傳承和更新，可實(shí)現(xiàn)行業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)確性和一致性。

1 產(chǎn)品模板總體設(shè)計(jì)

所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中可以便捷地修改零件三維模型，還可以方便地建立各尺寸與參數(shù)、參數(shù)與參數(shù)間的關(guān)系，這樣模型便可以自動(dòng)按照關(guān)系和參數(shù)值進(jìn)行更新獲得準(zhǔn)確的外形，從而保證修改一致性，保證零件準(zhǔn)確的相對(duì)關(guān)系[3]。許多機(jī)械零部件都實(shí)現(xiàn)了零件級(jí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，但是對(duì)于大小相同、形狀相似、結(jié)構(gòu)相近的系列化組件、部件和產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，尚未實(shí)現(xiàn)參數(shù)化變形驅(qū)動(dòng)。

本研究以某企業(yè)的40-70A系列輪式拖拉機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了最終傳動(dòng)產(chǎn)品模板，模板設(shè)計(jì)的總體功能在于設(shè)計(jì)人員在最終傳動(dòng)設(shè)計(jì)初期，通過(guò)輸入產(chǎn)品功能參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主參數(shù)，利用軟件的內(nèi)部融合，通過(guò)相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動(dòng)生成所需產(chǎn)品的三維裝配模型，從而完成最終傳動(dòng)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)，最終提高拖拉機(jī)系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、減輕設(shè)計(jì)工程師勞動(dòng)強(qiáng)度，完成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)和三維模型的重用。

1.1 產(chǎn)品功能參數(shù)

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)際上就是不斷驗(yàn)證和修改一個(gè)流程，中間的每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都是相互關(guān)聯(lián)的，當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)問(wèn)題，便可根據(jù)流程反饋至上一級(jí)，進(jìn)行修改。根據(jù)一般的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，也就是概念設(shè)計(jì)階段，需要定義產(chǎn)品的功能，為后續(xù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)等做好鋪墊。拖拉機(jī)中最終傳動(dòng)的功能在于減速和提高扭矩，將動(dòng)力輸送給兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪，其主要有2種結(jié)構(gòu)形式，分別是外嚙合圓柱齒輪和行星齒輪傳動(dòng)。根據(jù)輪式拖拉機(jī)的整個(gè)動(dòng)力傳遞路線可知，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)主離合器傳送至變速箱，再傳遞至中央傳動(dòng)，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向離合器輸送到最終傳動(dòng)，最終帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。最終傳動(dòng)連接著中央傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)齒輪，因此，最終提取的功能參數(shù)如表1所示。

表1 功能參數(shù)

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主參數(shù)

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度去考慮，產(chǎn)品的最底層是基本的幾何體，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是基本體在設(shè)計(jì)工程師設(shè)定的約束下，逐層建立起零件、組件、部件、乃至最終的產(chǎn)品。從“1.1”節(jié)可知，提取的是最終傳動(dòng)的功能參數(shù)，也就是最終傳動(dòng)產(chǎn)品的全局主參數(shù)，為了下一步更好地完成和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化模板設(shè)計(jì)，需要細(xì)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，根據(jù)上下級(jí)元素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和幾何約束，最終確定最終傳動(dòng)的部件級(jí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主參數(shù)如表2所示。

表2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主參數(shù)

1.3 設(shè)計(jì)與應(yīng)用約束

產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)包含的要素眾多，主要包含產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)參數(shù)(功能參數(shù))、各類(lèi)基準(zhǔn)(坐標(biāo)系、面、軸線、點(diǎn))、幾何線。在設(shè)計(jì)最終傳動(dòng)產(chǎn)品時(shí)，需要確定其控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析可知根據(jù)不同馬力要求，最終傳動(dòng)的尺寸和型號(hào)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)研究最終產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)可以確定：將驅(qū)動(dòng)軸的軸線位置設(shè)置為y軸作為產(chǎn)品的中心軸線，在軸線附近自定義一個(gè)軸線作為周向的定位基準(zhǔn)，將最終傳動(dòng)安裝面確定為軸向的定位基準(zhǔn)，且保持最終傳動(dòng)安裝面和后橋面之間的距離不變，具體布置如圖1所示。

2 基于NX的拖拉機(jī)最終傳動(dòng)模板設(shè)計(jì)

2.1 模板設(shè)計(jì)流程

(1)依據(jù)產(chǎn)品工作原理、工作要求確定動(dòng)力輸出變形需求的功能參數(shù)；(2)分析確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主參數(shù)，然后結(jié)合功能參數(shù)生成其他結(jié)構(gòu)參數(shù)；(3)在最終傳動(dòng)設(shè)計(jì)界面輸入功能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，檢查其他結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理；(4)生成部件裝配模型；(5)編輯零件模型、標(biāo)準(zhǔn)件等模型；(6)通過(guò)裝配二維圖主參數(shù)尺寸來(lái)校驗(yàn)?zāi)Ｐ妥兏恼_性。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)

2.2.1 根據(jù)傳動(dòng)路線分析零件關(guān)系 最終傳動(dòng)的輸入部分為后橋差速器，輸出為后輪轂，中間由半軸經(jīng)行星輪、行星架傳遞至驅(qū)動(dòng)軸，齒圈起支撐作用，固定在殼體上，構(gòu)成了傳動(dòng)的關(guān)鍵路徑，其他零件安裝在其上，完成最終傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)功能。因此，得到最終傳動(dòng)的傳動(dòng)路線如圖2所示，圖中注明了主要零件的安裝位置和關(guān)聯(lián)關(guān)系等。

2.2.2 劃分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù) 依據(jù)零件在產(chǎn)品傳動(dòng)路線中的功能，將最終傳動(dòng)分為3個(gè)組件，半軸組件、驅(qū)動(dòng)軸組件和殼體。根據(jù)上述分析，將關(guān)鍵路徑上的零件作為次組件級(jí)，其他零件作為零件級(jí)，形成4級(jí)樹(shù)狀的最終傳動(dòng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，如圖3所示。

2.3 WAVE技術(shù)的應(yīng)用

WAVE技術(shù)的主要功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品中各個(gè)構(gòu)成子部件之間關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)可以利用已有零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)或者幾何特征來(lái)間接地設(shè)計(jì)出與之相關(guān)聯(lián)的零部件。三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究[4-5]基本上都是。對(duì)于一般產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，往往只要做到簡(jiǎn)單的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)便可完成驅(qū)動(dòng)，但是對(duì)于較為復(fù)雜的大型機(jī)械產(chǎn)品來(lái)說(shuō)， 其設(shè)計(jì)過(guò)程中不太好實(shí)現(xiàn)上級(jí)

參數(shù)更改的傳遞，借助WAVE技術(shù)，可以通過(guò)建立產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化布局，將產(chǎn)品的功能信息傳遞到零件級(jí)，最終完成產(chǎn)品級(jí)的全相關(guān)設(shè)計(jì)。

NX/WAVE技術(shù)中包含關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體的方法，可以復(fù)制幾何體的類(lèi)型趨于多樣化，包括點(diǎn)(線或邊的控制點(diǎn))、線(實(shí)體或片體的邊)、面、體、基準(zhǔn)等[6]。因此，在最終傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是將在NX Modeling 裝配模式下建立最終傳動(dòng)的總體控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)各個(gè)子部件之間的相對(duì)位置、尺寸記憶幾何關(guān)聯(lián)得出最終傳動(dòng)的總體驅(qū)動(dòng)參數(shù)，再分別得到半軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)軸組件的主參數(shù)，為交互界面的設(shè)計(jì)鋪墊。

3 最終傳動(dòng)參數(shù)化模板的應(yīng)用

3.1 模板應(yīng)用流程

在所示交互界面中，包括3部分內(nèi)容：主界面、半軸組件參數(shù)和驅(qū)動(dòng)軸組件參數(shù)。主界面中包含了最終傳動(dòng)產(chǎn)品的功能參數(shù)，半軸組件和驅(qū)動(dòng)軸組件界面中以輸入結(jié)構(gòu)主參數(shù)為主，輔以檢查其他派生的參數(shù)。使用最終傳動(dòng)設(shè)計(jì)交互界面進(jìn)行設(shè)計(jì)的流程如圖4所示。

3.2 裝配件設(shè)計(jì)應(yīng)用

以使用設(shè)計(jì)模板實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)為例，具體說(shuō)明參數(shù)化模板如何快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)，具體步驟如下：(1) 通過(guò)點(diǎn)擊模板瀏覽器，啟動(dòng)最終傳動(dòng)交互設(shè)計(jì)界面，界面中顯示出了初始最終傳動(dòng)的功能參數(shù)，手動(dòng)修改部件級(jí)參數(shù)，交互設(shè)計(jì)界面如圖5所示；(2)修改半軸組件的主參數(shù)，并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行查驗(yàn)，半軸的組件參數(shù)如圖6所示，其中可變更的只有半軸齒輪齒數(shù)與變位系數(shù)，齒圈寬度與變位系數(shù)修改后其他部分參數(shù)根據(jù)尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系自動(dòng)更新；(3)修改驅(qū)動(dòng)軸組件的主參數(shù)，主要修改的是花鍵模數(shù)和齒數(shù)，詳細(xì)步驟參考步驟(2)；(4)檢查模型的更新?tīng)顩r，完成裝配件的設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊確定并應(yīng)用所作修改，此時(shí)系統(tǒng)便自動(dòng)生成新的模型，產(chǎn)生的新模型可以命名為新名稱并保存入庫(kù)。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)件替換實(shí)例

以花鍵為例，當(dāng)連接花鍵的尺寸變化后，驅(qū)動(dòng)軸軸徑的最小直徑發(fā)生變化，其他軸段會(huì)依次增加或減小，故軸上安裝的軸承、密封圈墊圈等標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)會(huì)隨之變化。但標(biāo)準(zhǔn)件不能自動(dòng)更新，需手動(dòng)完成組件的替換。具體步驟以及最終生成的最終傳動(dòng)三維數(shù)字化模型如圖7所示。

4 結(jié)論

本研究在充分分析拖拉機(jī)零部件設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)知識(shí)理論的基礎(chǔ)上，在NX軟件平臺(tái)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了部件級(jí)的全相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)模板，該模板的應(yīng)用可以方便小批量定

制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，提高系列化產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)程度，在變形設(shè)計(jì)過(guò)程中減輕設(shè)計(jì)工程師的重復(fù)性工作。拖拉機(jī)部件級(jí)乃至產(chǎn)品級(jí)參數(shù)化設(shè)計(jì)模板的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用為其他機(jī)械產(chǎn)品自動(dòng)化、智能化的設(shè)計(jì)起到了一定的借鑒作用。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.059

2015-12-03

江蘇省教育廳省屬高校自然科學(xué)研究面上自籌經(jīng)費(fèi)(編號(hào)：12KJD520010)；江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(編號(hào)：ZBZZ-043)；2015年江蘇省政策引導(dǎo)類(lèi)計(jì)劃(編號(hào)：BY2015057-38)。

王宜君(1963—)，男，江蘇東臺(tái)人，副教授，主要從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的研究和機(jī)械方面的教學(xué)工作。E-mail：ycgywyj@126.com。

S229+.1

A

1002-1302(2017)02-0202-05

王宜君，王 斌. 基于NX的拖拉機(jī)最終傳動(dòng)參數(shù)化模板設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(2)：202-206.