減速機箱體造型創(chuàng)新設(shè)計與參數(shù)化建模研究

李 勇， 孫千濤， 付曉莉

(中原工學(xué)院 機電學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，越來越多的國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)品外觀造型設(shè)計相互模仿，缺乏自主創(chuàng)新，產(chǎn)品造型較為呆板。減速機箱體外觀造型設(shè)計也不例外，眾多國外產(chǎn)品設(shè)計思潮涌入我國，導(dǎo)致國內(nèi)減速機企業(yè)對歐美設(shè)計思想純粹模仿甚至照搬。為建立適用于我國國情的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計思想，相關(guān)學(xué)者進行了大量的研究，如付曉莉等從概念設(shè)計和品牌文化等方面對工業(yè)通用減速機造型設(shè)計進行了研究[1]，張家祺等研究了五行學(xué)說對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的影響[2]。本文在分析適用于減速機外觀造型設(shè)計的中國傳統(tǒng)文化元素的基礎(chǔ)上，利用工業(yè)設(shè)計方法，對減速機外觀造型進行參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)分析。

1 減速機箱體外觀造型創(chuàng)新設(shè)計方法

對減速機箱體外觀造型進行設(shè)計時，可以借鑒我國歷史器物、標(biāo)志性圖案和文化特質(zhì)產(chǎn)品，將傳統(tǒng)文化元素有機地融入產(chǎn)品造型設(shè)計中。例如，將"中國奧運"標(biāo)志融入筆記本設(shè)計中，從而形成譚玉燕筆記本；將龍的形態(tài)融入音響設(shè)備設(shè)計中，形成具有龍傳人韻味的音響產(chǎn)品。但是，目前大部分設(shè)計多有拿來成分，缺乏新穎性和實質(zhì)性的創(chuàng)新。好的產(chǎn)品外觀設(shè)計不僅可把傳統(tǒng)文化元素體現(xiàn)于產(chǎn)品表面，起到美化產(chǎn)品外觀的作用，而且能夠?qū)鹘y(tǒng)文化的精髓包含其中。

1.1 整體形態(tài)抽象設(shè)計

整體形態(tài)抽象設(shè)計方法是對傳統(tǒng)文化元素中有代表性的器物整體形態(tài)、寓意等進行有效提取，巧妙地組織到新產(chǎn)品設(shè)計之中，賦予產(chǎn)品一定文化內(nèi)涵，達到對傳統(tǒng)文化元素的繼承。例如，減速機箱體整體造型與中國傳統(tǒng)器物“鐘”的主體感知和思維結(jié)構(gòu)巧妙融合，渾然天成，使減速機箱體外觀大方、穩(wěn)重(見圖1)。

(a)大鐘 (b)箱體整體形態(tài)圖1 整體形態(tài)抽象設(shè)計示例

1.2 模塊化融合設(shè)計

模塊化融合設(shè)計方法是結(jié)合現(xiàn)代產(chǎn)品外觀造型設(shè)計特點，對傳統(tǒng)文化中某些具有特定文化寓意的圖案元素進行有效提取，融入新產(chǎn)品某個模塊造型設(shè)計中，從而顛覆人們對指定產(chǎn)品的傳統(tǒng)心態(tài)。例如，將減速機箱體蓋板外觀和中國傳統(tǒng)文化“盤腸”有效結(jié)合，設(shè)計出具有濃郁中國味的產(chǎn)品(見圖2)。

(a)“盤腸” (b)箱體蓋板外觀圖2 模塊化融合設(shè)計示例

1.3 組合協(xié)調(diào)設(shè)計

對不同文化元素進行組合協(xié)調(diào)設(shè)計是實現(xiàn)形態(tài)創(chuàng)新的重要前提。運用組合協(xié)調(diào)設(shè)計方法時，首先要分析產(chǎn)品外觀造型整體和部分形態(tài)的大致設(shè)計情況，然后將整體形態(tài)抽象設(shè)計方法和模塊化融合設(shè)計方法有效組合起來，找出能夠充分體現(xiàn)該產(chǎn)品文化特征的表達方式。該設(shè)計方法一般是將多種文化元素融入產(chǎn)品外觀造型設(shè)計中，巧妙運用多學(xué)科理論，通過感性與現(xiàn)實的碰撞，讓客戶更快地接納新產(chǎn)品。組合協(xié)調(diào)設(shè)計的程序如圖3所示。

圖3 組合協(xié)調(diào)設(shè)計的程序

2 減速機箱體外觀造型創(chuàng)新設(shè)計元素

中國傳統(tǒng)文化豐富多彩，博大精深。在深厚的中華民族情結(jié)中,吉祥紋案、吉祥造型及吉祥色彩的象征性語言承載著豐厚的中國傳統(tǒng)民俗文化內(nèi)涵，對于現(xiàn)代產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計具有重要的借鑒意義和應(yīng)用價值。在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中，可運用這些吉祥寓意傳播祝福文化, 滿足消費者祈福納祥的美好愿望。

2.1 大鐘、編鐘構(gòu)型

在古代，“鐘”是一種計時和打擊樂器；現(xiàn)今“鐘”代表著話語權(quán)、文化主導(dǎo)權(quán)。鐘的外形大方、穩(wěn)重，其鑄造工藝是古代鑄造技術(shù)的一個縮影。分析大鐘、編鐘造型元素有助于現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計與創(chuàng)新。對編鐘、大鐘符號的造型提取可從如下三方面考量：外形提取、紋飾提取、整體提取(見圖4)。

(a)外形提取 (b)紋飾提取 (c)整體提取圖4 大鐘構(gòu)型

2.2 龍字構(gòu)型

龍文化在中國傳統(tǒng)文化中舉足輕重，是中國文化的代表符號。龍的精神積極向上，是堅毅、強大、奮發(fā)、進取的代表，也是造福人類的精神。將龍造型元素與減速機主體特征的散熱加強筋造型有機結(jié)合起來，可以把中華民族最具代表性的圖騰融入減速機造型設(shè)計中(見圖5)。

(a)“龍”字 (b)加強筋紋路 (c)蓋板紋路圖5 龍字構(gòu)型

2.3 回紋構(gòu)型

回紋的形狀源自中國漢字"回"，在中國民間被稱為富貴不斷頭的一種紋樣。在減速機造型設(shè)計中，散熱功能線的主要表現(xiàn)特征就是直線條的變化，可以運用回紋的象征寓意來展示企業(yè)品牌文化，實現(xiàn)對中國傳統(tǒng)文化的傳播(見圖6)。

(a)“回紋”圖案 (b)提取紋路 圖6 回紋構(gòu)型

3 減速機箱體外觀造型參數(shù)化建模

3.1 散熱筋的參數(shù)化建模

本文以K系減速機箱體散熱筋為研究對象，設(shè)計了龍字構(gòu)型的散熱筋。對該構(gòu)型進行參數(shù)化設(shè)計[3]時，首先考慮散熱筋的結(jié)構(gòu)，確定散熱筋的合理形狀和全部結(jié)構(gòu)尺寸；其次設(shè)法讓散熱筋紋路具有良好的可加工性。在選取尺寸時，不僅要考慮散熱筋在減速機箱體上合理的位置，還要考慮散熱筋的長度和寬度以及散熱筋之間的距離。一般可根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗來確定散熱筋在減速機箱體整體造型中的位置關(guān)系。散熱筋設(shè)計參數(shù)選取如圖7所示。

注：散熱筋之間的距離H=11 mm；散熱筋的設(shè)計長度L=72 mm；設(shè)計寬度W=6 mm。圖7 散熱筋設(shè)計參數(shù)示意圖

利用CATIA軟件，以表格驅(qū)動方式[4]建立散熱筋的參數(shù)化模型時，首先，在箱體上建立散熱筋的三維實體原始模型，選擇知識工程函數(shù)，將散熱筋的約束參數(shù)用函數(shù)的形式表示出來；其次，應(yīng)用表格驅(qū)動，將散熱筋各尺寸的可能取值添加到相應(yīng)表格中并保存，建立表中數(shù)據(jù)與三維模型參數(shù)特征的聯(lián)系[5]。用戶只需改變表中相關(guān)參數(shù)值就可獲得所需模型。例如，針對散熱筋的三維實體原始模型，改變散熱筋寬度W可得三維實體參數(shù)化模型(見圖8)。

(a)原始模型 (b)參數(shù)化模型圖8 散熱筋模型

3.2 軸承座的參數(shù)化建模

改變軸承座的設(shè)計參數(shù)，可以對其進行參數(shù)化建模。在軸承座尺寸選取時，一般應(yīng)考慮其橫截面輪廓形狀的完整性。以四角圓弧軸承座設(shè)計為例，首先要確定軸承座在減速機箱體上合理的位置(一般由箱體內(nèi)部齒輪關(guān)系確定)；其次要考慮軸承座的長度、寬度以及四角圓弧半徑和軸孔半徑。設(shè)軸承座設(shè)計長度為L1，寬度為W1，四角圓弧半徑為r，軸孔半徑為r1(見圖9),則：

L1=θW1

(1)

l=L1-2r

(2)

式中：θ為L1和W1之間的比例系數(shù)，當(dāng)θ=1時，軸承座的橫截面為正方形；l為軸承座底邊長度，當(dāng)r等于1/2L1時，l為零，軸承座的橫截面輪廓形狀為圓形。

圖9 軸承座尺寸示意圖

根據(jù)以上約束原則，本文軸承座尺寸設(shè)計為：L1=72 mm，W1=70 mm，l=40 mm。

同樣，利用CATIA設(shè)計軟件，以表格驅(qū)動方式可完成軸承座的三維參數(shù)化建模。軸承座的參數(shù)化建模過程類似于散熱筋建模過程，但二者也有不同之處。

首先，建立軸承座的三維實體模型，根據(jù)所選參數(shù)建立軸的基本輪廓；其次，進行實體拉伸和適當(dāng)修飾，完成軸承座的原始模型；然后，將軸承座的相關(guān)尺寸用函數(shù)的形式表示出來；最后，建立表中數(shù)據(jù)與三維模型參數(shù)特征的聯(lián)系，改變表中相關(guān)參數(shù)便可獲得所需模型。改變軸承座四角圓弧半徑參數(shù)得到的三維參數(shù)化模型如圖10所示。

(a)原始模型 (b)參數(shù)化模型圖10 軸承座模型

為了對新型減速機箱體的使用性能進行驗證，將新箱體導(dǎo)入HyperMesh軟件中進行網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入Ansys有限元分析軟件進行力學(xué)分析，檢查其綜合力學(xué)性能是否具有機械制造的可行性，以及新的造型特征是否滿足鑄造工藝和使用性能要求。如果它不滿足減速機箱體的使用性能要求，就需要再次進行設(shè)計，直至達到要求為止。

4 結(jié) 語

對大量國內(nèi)外減速機箱體外觀造型分析和研究的基礎(chǔ)上，以打造減速機自主品牌為理念，將我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化元素應(yīng)用到減速機外觀造型創(chuàng)新設(shè)計中，提出一些創(chuàng)新性的造型設(shè)計方案，并對其進行了設(shè)計驗證。這不僅有利于我國減速機企業(yè)打造自主品牌，同時也能夠增強消費者對減速機新型外觀的認同感。在減速機設(shè)計環(huán)節(jié)，充分融入優(yōu)秀文化元素，能夠提升減速機產(chǎn)品的附加值。

參考文獻：

[1] 付曉莉，孫許方，陳芳.工業(yè)通用減速機造型設(shè)計研究[J].機械設(shè)計，2014，31(4)：108-110.

[2] 張家祺，張榮，張秋涵.基于五行學(xué)說的產(chǎn)品設(shè)計策略[J].設(shè)計,2016(12)：116-117.

[3] 李世國,何建軍.基于Pro/E零件模型的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)研究[J].機械設(shè)計與研究,2003,19(3):36-37.

[4] 李建.基于CATIA的三維參數(shù)化零件特征庫的創(chuàng)建與使用[J].成都大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011,30(1):58-61.

[5] 陳靖芯，余晶.基于CATIA的三維參數(shù)化建模方法及其應(yīng)用[J].機械設(shè)計，2003，20(8):48-50.