拖拉機(jī)變速箱箱體快速設(shè)計(jì)方法與軟件開(kāi)發(fā)

張延安，辛 喆，杜岳峰，邵明璽,2，孫恩鑫，張發(fā)旺

拖拉機(jī)變速箱箱體快速設(shè)計(jì)方法與軟件開(kāi)發(fā)

張延安1，辛 喆1※，杜岳峰1，邵明璽1,2，孫恩鑫1，張發(fā)旺1

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 濰坊科技學(xué)院，濰坊 262700）

針對(duì)目前拖拉機(jī)變速箱箱體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)與制造成本高的問(wèn)題，該研究提出了一種基于知識(shí)的拖拉機(jī)變速箱箱體快速設(shè)計(jì)方法。首先，研究并建立箱體設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)制及參數(shù)化模型；然后，運(yùn)用Visual Studio 2015的MFC編寫快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，聯(lián)合SQL Server2012、Creo4.0完成快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)與知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)的連接，建立拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速箱箱體快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證；最后，運(yùn)用ANSYS workbench18.1對(duì)系統(tǒng)輸出模型進(jìn)行有限元仿真分析，箱體最大等效應(yīng)力為206.19 MPa，最大變形為0.450 mm，最大間隙變化量為0.007 8 mm，最大錯(cuò)移量為0.026 mm，一階固有頻率為405.28 Hz，與ZF公司相同傳動(dòng)方案產(chǎn)品相比，箱體質(zhì)量減少了28.8 kg。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能高效、快速地完成拖拉機(jī)變速箱箱體開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)變速箱箱體具有良好的強(qiáng)度、剛度、密封性與動(dòng)態(tài)特性，產(chǎn)品質(zhì)量更輕，這對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)與制造成本具有重要意義。

拖拉機(jī)；設(shè)計(jì)；軟件；變速箱箱體；知識(shí)工程；快速設(shè)計(jì)

0 引 言

拖拉機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用廣泛，起著非常重要的作用[1]。拖拉機(jī)變速箱箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品系列及用戶需求多樣，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)多為基于原有產(chǎn)品的仿照或改型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性差，存在大量重復(fù)性工作，后期需進(jìn)行大量的有限元仿真與試驗(yàn)，存在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成本高等問(wèn)題[2-3]。

快速設(shè)計(jì)即將產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)流程與知識(shí)工程[4]、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)相結(jié)合，以快速得到高質(zhì)量產(chǎn)品。Zimmermann等[5]指出，將知識(shí)工程技術(shù)集成到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，可以更好地實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自動(dòng)質(zhì)量保證和標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)；Chang等[6]提出了一個(gè)開(kāi)放和集成的工具環(huán)境，使工程師能夠以CAD實(shí)體模型的形式進(jìn)行具有最佳運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)態(tài)性能的快速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，該環(huán)境集成眾多商業(yè)化模塊，以實(shí)現(xiàn)高級(jí)參數(shù)化建模、仿真和優(yōu)化；Calkins等[7]基于虛擬原型概念，將知識(shí)與硬件、軟件相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了汽車設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)，大大縮短設(shè)計(jì)周期；Chandel等[8]開(kāi)發(fā)了用于設(shè)計(jì)低馬力農(nóng)用拖拉機(jī)傳動(dòng)系的決策支持系統(tǒng)，能夠有效地預(yù)測(cè)不同型號(hào)拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；陳雨等[9]在獲取典型收獲機(jī)械變速箱設(shè)計(jì)知識(shí)的基礎(chǔ)上，研究了變速箱參數(shù)化設(shè)計(jì)推理機(jī)，提出了一種基于推理的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法；賈劍[10]提出基于參數(shù)化的多骨架模型自頂向下設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用到某氣象雷達(dá)設(shè)計(jì)過(guò)程中，參數(shù)修改簡(jiǎn)便，參數(shù)控制清晰，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

目前，快速設(shè)計(jì)在船舶、汽車與變速箱整體設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均有所應(yīng)用，但還沒(méi)有專門針對(duì)拖拉機(jī)變速箱箱體的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，本文針對(duì)拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速箱，開(kāi)發(fā)拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速箱箱體快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，結(jié)合有限元理論，對(duì)系統(tǒng)輸出實(shí)例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。

1 快速設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 知識(shí)庫(kù)

根據(jù)箱體設(shè)計(jì)流程，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與企業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、已有科研成果、專家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)獲取設(shè)計(jì)知識(shí)，構(gòu)建設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)[11]。為便于計(jì)算機(jī)對(duì)知識(shí)的理解與重用，將變速箱箱體設(shè)計(jì)知識(shí)按照規(guī)則類知識(shí)和實(shí)例類知識(shí)[12]進(jìn)行分類、表示與存儲(chǔ)。

1.1.1 知識(shí)表示

規(guī)則類知識(shí)指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)范、理論書籍、已有科研成果、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)包含的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，主要包括公式類知識(shí)、參數(shù)與表格類知識(shí)等。規(guī)則類知識(shí)的表示主要使用產(chǎn)生式表示法，其基本形式為→或，當(dāng)滿足前提條件時(shí)，得出結(jié)論或執(zhí)行操作。對(duì)于公式類知識(shí)，在產(chǎn)生式表示法的基礎(chǔ)上增加計(jì)算規(guī)則>value=function(->value)。

實(shí)際上，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品迭代設(shè)計(jì)的過(guò)程，在產(chǎn)品更新過(guò)程中不斷改善以提高性能。實(shí)例類知識(shí)指對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程具有指導(dǎo)或輔助意義的設(shè)計(jì)范例，包括整機(jī)、系統(tǒng)、零部件等。實(shí)例類知識(shí)的表示主要使用框架表示法，其基本形式為

<框架名>

例如：東方紅LF2204拖拉機(jī)，額定功率162 kW，額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min，變速箱擋數(shù)30F+25R，箱體材料HT250，箱體尺寸1 183 mm×580 mm×748 mm。該實(shí)例的框架表示為

<東方紅LF2204拖拉機(jī)>

發(fā)動(dòng)機(jī)：額定功率：162 kW

額定轉(zhuǎn)速：2 200 r/min

變速箱：擋數(shù)：30F+25R

箱體：材料：HT250

尺寸：1 183 mm×580 mm×748 mm

1.1.2 知識(shí)存儲(chǔ)

為了便于知識(shí)調(diào)用，建立便于管理與維護(hù)的知識(shí)庫(kù)，并且對(duì)各條知識(shí)進(jìn)行有序編碼標(biāo)識(shí)。變速箱箱體屬于專用零件，其編碼遵循以下規(guī)則：XX_XX_XX_XXXX_X，其中，第1組2個(gè)字母為整機(jī)種類標(biāo)識(shí)，輪式拖拉機(jī)標(biāo)識(shí)即為MX；第2組2個(gè)數(shù)字為系統(tǒng)種類標(biāo)識(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)識(shí)即為01；第3組2個(gè)數(shù)字為部件種類標(biāo)識(shí)，變速箱部件標(biāo)識(shí)即為04；第4組4個(gè)數(shù)字為零件標(biāo)識(shí)，變速箱箱體標(biāo)識(shí)即為0301；最后的數(shù)字為知識(shí)存儲(chǔ)或修改的版本標(biāo)識(shí)。

參數(shù)與表格類知識(shí)的存儲(chǔ)格式如表1所示，以ID作為知識(shí)的唯一標(biāo)識(shí)，將參數(shù)與表格數(shù)據(jù)選取過(guò)程中的結(jié)果與前提一一存儲(chǔ)，注明知識(shí)來(lái)源，并對(duì)知識(shí)作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

例如，基于知識(shí)存儲(chǔ)的鑄鐵箱體最小壁厚的選取結(jié)果為外壁厚、內(nèi)壁厚，選取前提為當(dāng)量尺寸與材料，知識(shí)來(lái)源為機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。根據(jù)公式類知識(shí)進(jìn)行計(jì)算，球墨鑄鐵材質(zhì)的箱體長(zhǎng)565 mm，寬390 mm，高572 mm時(shí)，計(jì)算得到當(dāng)量壁厚尺寸為0.69，外壁厚選取結(jié)果為10 mm。

表1 參數(shù)與表格類知識(shí)存儲(chǔ)格式

注：int表示整數(shù)，varchar（50）表示最多可存放50個(gè)字符的可變長(zhǎng)度字符串。

Note: int represents the integer, varchar(50) represents a variable-length character string that can store up to 50 characters.

1.2 推理機(jī)制

在變速箱箱體正向設(shè)計(jì)流程和所建立拖拉機(jī)變速箱箱體設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，正確應(yīng)用知識(shí)進(jìn)行求解是快速設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。完善的推理機(jī)制能夠充分運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，是實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)的核心。

1.2.1 基于實(shí)例的推理

基于實(shí)例的推理是指對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)或?qū)嵗M(jìn)行必要的改動(dòng)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的推理方式。根據(jù)相似度計(jì)算獲取可參考的實(shí)例結(jié)果。

數(shù)值型屬性信息以具體數(shù)值表征，因此其屬性距離為

式中DIST為屬性距離。

描述型屬性信息無(wú)法以具體數(shù)值表征，如方案、功能等屬性信息，其屬性具有獨(dú)一性，特征間只有相同與不同，因此其屬性距離為

實(shí)例間相似度可以認(rèn)為是各條屬性相近程度的累積作用，因此根據(jù)各條屬性信息的重要程度為其設(shè)置權(quán)值，然后進(jìn)行累加求和，即

實(shí)例相似度數(shù)值在0～1之間，此值越大，實(shí)例相近程度越大，當(dāng)實(shí)例相似度數(shù)值大于某個(gè)閾值（一般為0.6左右）時(shí)即認(rèn)為該實(shí)例具有極大地參考價(jià)值，該閾值需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，反復(fù)嘗試以得到最優(yōu)結(jié)果。例如，為設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率110 kW、額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min、最高車速50 km/h、最低車速3 km/h的動(dòng)力換擋變速箱及其箱體，根據(jù)以上屬性信息在實(shí)例庫(kù)進(jìn)行檢索，利用式（1）～（3）計(jì)算實(shí)例1、2（表2）與設(shè)計(jì)目標(biāo)的相似度。額定功率、額定轉(zhuǎn)速、最高車速與最低車速均為數(shù)值型屬性信息，通過(guò)計(jì)算得到實(shí)例1、2與設(shè)計(jì)目標(biāo)的相似度結(jié)果分別為0.48和0.77，實(shí)例2與設(shè)計(jì)目標(biāo)的相似度較高，具有較高的參考和實(shí)用價(jià)值，可以利用該實(shí)例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整解決當(dāng)前問(wèn)題。

1.2.2 基于規(guī)則的推理

基于規(guī)則的推理是指根據(jù)設(shè)定好的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行推理計(jì)算。在快速設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，利用基于規(guī)則的推理方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，推理效率高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。將拖拉機(jī)變速箱箱體詳細(xì)設(shè)計(jì)流程移植到推理規(guī)則。首先，選擇箱體毛坯、材料與熱處理方式，確定箱體分段與連接方案；然后，確定箱體形狀尺寸，包括基于包容性要求的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于強(qiáng)度要求的箱體截面系數(shù)選擇、基于液壓與潤(rùn)滑系統(tǒng)要求的箱體油道設(shè)計(jì)、基于密封性要求的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；最后，對(duì)箱體進(jìn)行鑄造工藝性與加工工藝性檢查，并改進(jìn)。

表2 變速箱箱體檢索實(shí)例

1.2.3 變速箱箱體設(shè)計(jì)混合推理

針對(duì)拖拉機(jī)變速箱箱體的特點(diǎn)，采用基于規(guī)則和基于實(shí)例相結(jié)合的混合推理方法[13]。拖拉機(jī)變速箱箱體混合推理流程如圖1所示，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求與輸入推導(dǎo)變速箱箱體主要特征參數(shù)，以主要參數(shù)在實(shí)例庫(kù)進(jìn)行實(shí)例檢索，如果實(shí)例庫(kù)存在相似度滿足要求的實(shí)例，則交付用戶進(jìn)行確認(rèn)；如果無(wú)相似度滿足要求的實(shí)例或用戶對(duì)已存在實(shí)例不滿意，系統(tǒng)則基于規(guī)則進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，用戶確認(rèn)后輸出設(shè)計(jì)結(jié)果，并保存至實(shí)例庫(kù)。

圖1 拖拉機(jī)變速箱箱體混合推理流程圖

1.3 模型參數(shù)化

參數(shù)化設(shè)計(jì)是將定量信息量化[14]，采用基于骨架模型的自頂向下設(shè)計(jì)方法進(jìn)行箱體的參數(shù)化建模。以中連式箱體為例，基于骨架模型的變速箱箱體[15]建模過(guò)程如圖2所示，首先，創(chuàng)建變速箱箱體總成，在箱體總成下創(chuàng)建箱體總成設(shè)計(jì)骨架，箱體總成設(shè)計(jì)骨架表征各分箱體布局信息及箱體設(shè)計(jì)內(nèi)外約束信息，包含各關(guān)鍵軸線、定位面及內(nèi)部部件包絡(luò)，包括前驅(qū)軸孔、中間軸孔（動(dòng)力換擋輸出軸孔）、輸出軸孔（動(dòng)力換擋中間軸孔）、PTO軸孔（動(dòng)力換擋輸入軸孔）、撥叉軸孔等孔位信息，連接箱體前端面、連接箱體中間面、連接箱體后端面（動(dòng)力換擋箱前端面）、動(dòng)力換擋箱中間面、動(dòng)力換擋箱后端面（主離合器箱前端面）、主離合器箱后端面（主變速箱前端面）、主變速箱后端面等端面位置信息及各軸上物體最大直徑的圓投影至對(duì)應(yīng)截面以表征箱體內(nèi)部物體輪廓的約束信息。通過(guò)發(fā)布幾何，利用4個(gè)信息骨架，將箱體總成骨架的信息分塊共享給各分箱體。在箱體總成設(shè)計(jì)骨架集中建立參數(shù)與關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型生成與修改，得到箱體總成設(shè)計(jì)骨架模型。然后，創(chuàng)建各分箱體總成，在各分箱體總成下創(chuàng)建設(shè)計(jì)骨架，利用Creo的復(fù)制幾何功能，接收分箱體總成所需的約束信息，完善設(shè)計(jì)骨架的細(xì)節(jié)，通過(guò)發(fā)布幾何功能，建立信息骨架，將設(shè)計(jì)骨架的信息傳遞給其他相鄰分箱體設(shè)計(jì)單元[16-17]。最后，根據(jù)分箱體設(shè)計(jì)骨架完成箱體零件詳細(xì)設(shè)計(jì)，得到前、后箱體總成，即變速箱箱體總成。

圖2 基于骨架模型的變速箱箱體建模過(guò)程

2 軟件開(kāi)發(fā)與實(shí)例應(yīng)用

以Windows10操作系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用Visual Studio 2015的MFC編寫系統(tǒng)人機(jī)交互界面及底層推理機(jī)制，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)模式（DLL）對(duì)Creo4.0進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用ADO方式建立與SQL Server 2012的連接。

例如，在傳動(dòng)方案與參數(shù)界面，輸入一款額定功率110 kW的動(dòng)力換擋變速箱關(guān)鍵參數(shù)，包括額定功率、額定轉(zhuǎn)速、中心距、最高和最低擋傳動(dòng)比及齒輪參數(shù)等，進(jìn)行實(shí)例檢索，由于實(shí)例庫(kù)不存在相似實(shí)例，系統(tǒng)提示進(jìn)行基于規(guī)則的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。部分系統(tǒng)界面與應(yīng)用如圖3所示。

圖3 部分軟件操作界面示例

用戶可在界面查看和更改中間過(guò)程參數(shù)，亦可選擇直接輸出設(shè)計(jì)結(jié)果與三維模型，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)結(jié)果與三維模型界面展示箱體的設(shè)計(jì)參數(shù)，并預(yù)覽骨架與箱體三維模型，用戶確認(rèn)后，系統(tǒng)連接Creo4.0打開(kāi)骨架與箱體三維模型并更新，最終輸出并保存該新設(shè)計(jì)實(shí)例。

2.1 應(yīng)用結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證快速設(shè)計(jì)效果，采用有限元仿真分析對(duì)應(yīng)用所開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)的變速箱箱體進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)分析。

2.1.1 有限元仿真分析

建立拖拉機(jī)前橋、發(fā)動(dòng)機(jī)、后橋殼的簡(jiǎn)化剛體模型，與箱體模型一同導(dǎo)入ANSYS workbench18.1。各部分之間建立裝配關(guān)系，在螺栓孔添加梁?jiǎn)卧?，按?.8級(jí)螺栓強(qiáng)度施加標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊力91 000 N，以模擬螺栓連接。設(shè)置箱體材料為QT450-10，泊松比0.27，彈性模量169 GPa，密度7 100 kg/m3[18-19]。定義網(wǎng)格大小為10 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)747 694，單元數(shù)446 308，平均網(wǎng)格質(zhì)量0.773 25，縱橫比2.081 2，偏斜0.307 41，雅克比1.036 6。

變速箱箱體載荷主要來(lái)源為齒輪傳動(dòng)所帶來(lái)的軸承支點(diǎn)載荷[20]，不同的變速箱擋位與整車工作狀況下，變速箱箱體會(huì)產(chǎn)生不同程度的組合變形。

1）最危險(xiǎn)工況下的軸承受力分析

前進(jìn)一擋四驅(qū)爬行擋（1L-KR-4WD）與倒擋一擋四驅(qū)爬行擋（1R-KR-4WD）的傳動(dòng)比最大，所帶來(lái)的軸承支點(diǎn)載荷最大，所以本文選擇這2種工況作為最危險(xiǎn)變速箱工況。2種工況下各軸承支點(diǎn)受力分析如表3所示。

2）整車工況下的變速箱箱體受力分析

拖拉機(jī)在靜載工況、普通路面行駛工況、前橋或后橋車輪同時(shí)駛上田間地壟或駛?cè)霚锨⑥r(nóng)具提升與下降等工況下，箱體發(fā)生垂向彎曲變形，經(jīng)分析，以最大提升力提升農(nóng)具時(shí)，垂向彎曲變形最大，故選取后懸掛農(nóng)具提升工況作為箱體發(fā)生垂向彎曲變形的最危險(xiǎn)工況。約束前橋兩端沿、軸的平移自由度及繞軸的旋轉(zhuǎn)自由度，約束后橋兩端沿、、軸的平移自由度及繞、軸的旋轉(zhuǎn)自由度?？紤]地面不平度的影響，動(dòng)載荷系數(shù)設(shè)置為1.5[18-19]，將前配重重力、駕駛室總成重力、后懸掛農(nóng)具最大提升力以遠(yuǎn)程集中力的方式分別施加到各自安裝位置。對(duì)于不同變速箱工況，按照表3施加各軸支點(diǎn)載荷。

表3 2種工況下各軸支點(diǎn)受力

注：軸沿拖拉機(jī)前后方向，向前為正；軸沿拖拉機(jī)橫向，向右為正；軸沿拖拉機(jī)縱向，向下為正；表中正值表示力的方向與坐標(biāo)軸的正方向相同，負(fù)值表示力的方向與坐標(biāo)軸的負(fù)方向相同；1L-KR-4WD表示前進(jìn)一擋四驅(qū)爬行擋，1R-KR-4WD表示倒擋一擋四驅(qū)爬行擋。

Note: The axisis along the front and rear direction of the tractor, forward is positive; the axisis along the tractor's transverse direction, and the right is positive; the axisis along the tractor's longitudinal direction, and downward is positive; the positive value in the table indicates that the force direction is the same as the positive direction of the coordinate axis; negative value means that the direction of the force is the same as the negative direction of the coordinate axis; 1L-KR-4WD means forward one-speed four-wheel drive crawler gear, 1R-KR-4WD means reverse one-speed four-wheel drive crawler gear.

拖拉機(jī)在緊急轉(zhuǎn)向、橫向坡道行駛、側(cè)向風(fēng)作用下等工況下，車架將受到垂向以及側(cè)向的前、后橋支承力，箱體將產(chǎn)生垂向以及側(cè)向的組合彎曲變形，經(jīng)分析，在以最小轉(zhuǎn)彎半徑和最大轉(zhuǎn)向速度行駛時(shí)，側(cè)向彎曲變形最大，故選取緊急轉(zhuǎn)彎工況作為箱體發(fā)生側(cè)向彎曲變形的最危險(xiǎn)工況。約束前橋兩端沿、軸的平移自由度，約束后橋兩端沿、、軸的平移自由度及繞的旋轉(zhuǎn)自由度。調(diào)整動(dòng)載荷系數(shù)為1.3，并增加最大側(cè)向離心加速度0.8[18-19]；其他載荷條件與后懸掛農(nóng)具提升工況一致。

當(dāng)拖拉機(jī)一輪遭遇較大路面凸起或凹坑，拖拉機(jī)將發(fā)生整車傾斜，前橋擺動(dòng)至與限位塊相碰，一輪懸空不再支撐整車質(zhì)量，車架將發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，故選取一輪懸空工況作為箱體發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的最危險(xiǎn)工況。約束前橋右端沿、軸的平移自由度及繞的旋轉(zhuǎn)自由度，約束后橋兩端沿、、軸的平移自由度及繞、的旋轉(zhuǎn)自由度。調(diào)整動(dòng)載荷系數(shù)為1.2[18-19]，其他載荷條件與后懸掛農(nóng)具提升工況一致。

對(duì)變速箱箱體在如表4所示的6種組合工況下進(jìn)行仿真分析。

表4 組合工況

各工況下變速箱的靜力學(xué)仿真結(jié)果和約束模態(tài)分析結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 靜力學(xué)分析結(jié)果

圖5 約束模態(tài)分析結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，在工況6時(shí)，變速箱箱體變形最大，最大變形量為0.450 mm，箱體具有良好的剛度[20]；在工況2時(shí)的最大等效應(yīng)力最大，為206.19 MPa，安全系數(shù)為1.50，所設(shè)計(jì)的箱體滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求[21]；各工況下大部分位置間隙變化量為0 mm，在工況1時(shí)，最大間隙變化量最大，為0.007 8 mm，小于最大允許間隙變化量0.01 mm；工況3時(shí)最大錯(cuò)移量最大，為0.026 mm，小于最大允許錯(cuò)移量0.07 mm，箱體結(jié)合面密封性達(dá)到要求[22]。模態(tài)分析結(jié)果顯示，箱體工作狀態(tài)下一階固有頻率為405.28 Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率約為100～200 Hz[22]，路面激振頻率約為2.75～43.33 Hz[18]，因此，所設(shè)計(jì)的箱體很好地避開(kāi)了激振頻率，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

為了驗(yàn)證快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將本文設(shè)計(jì)結(jié)果與ZF公司相同傳動(dòng)方案的變速箱箱體進(jìn)行對(duì)比，如表所示。由表5可知，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的箱體高度減小28 mm，箱體質(zhì)量減少28.8 kg，設(shè)計(jì)時(shí)間縮短為1 h。

表5 變速箱箱體設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

本文針對(duì)拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速箱，研究快速設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速箱箱體快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并以一款額定功率110 kW的動(dòng)力換擋變速箱箱體為例進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

1）該系統(tǒng)能高效、快速地完成拖拉機(jī)變速箱箱體開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)變速箱箱體的快速設(shè)計(jì)。

2）在典型仿真工況下，箱體最大變形0.450 mm，最大等效應(yīng)力為206.19 MPa，最大間隙變化量為0.007 8 mm，最大錯(cuò)移量為0.026 mm，一階固有頻率為405.28 Hz，箱體具有良好的強(qiáng)度、剛度、密封性及動(dòng)態(tài)特性；相比于ZF公司同傳動(dòng)方案產(chǎn)品，質(zhì)量減少28.8 kg，材料利用率更高，設(shè)計(jì)時(shí)間縮短為1 h。

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Rapid design method and software development for tractor gear box

Zhang Yan’an1, Xin Zhe1※, Du Yuefeng1, Shao Mingxi1,2, Sun Enxin1, Zhang Fawang1

(1.,100083,;2.,262700,)

Design knowledge of tractor gear box is lacking at present. Particularly, there is no systematic design flow to support the specific design for the gear box in a tractor. The lack of design knowledge and the less evaluation of performance can lead to a long development cycle of products, unstable design quality, high cost of design and manufacturing for tractor gear box. In this study, a knowledge-based rapid design method was proposed, while a rapid design system was established for tractor gear box. The system was verified by a case study. A finite element method was used to analyze the data of system design, compared with a commercial products in the same transmission scheme. Firstly, the detailed design process of tractor gear box was summarized on the extensive knowledge in this field; Secondly, design knowledge was obtained from some national standards, enterprise design specifications and theoretical books, and then the knowledge was divided into the principle class and instance class, which were expressed by production and frame representation, respectively. A knowledge base was established in the platform of SQL Server2012. A top-down design method was explored in a skeleton model. A parametric modeling was carried out in the multi-information skeleton model. A hybrid reasoning method was used based on the rule and case using MFC of Visual Studio 2015. The human-computer interaction interface and bottom reasoning mechanism of system were compiled to complete the connection with knowledge base and model base, and further to establish the rapid design system for the gear box of power shift in a tractor. The proposed system was also applied to the specific design in the gear box of power shift with a rated power of 110 kW. Finally, the rear-suspended farm tools lifting, emergency turning and one-wheel hanging were selected as the typical working conditions of the whole vehicle, while, the forward-first gear four-wheel-drive creeping and reverse-first gear four-wheel-drive creeping were selected as the typical working conditions of the transmission. A platform (Ansys workbench 18.1) was used to simulate the output model of system, where the maximum deformation was 0.450 mm, the maximum equivalent stress was 206.19 MPa, the maximum gap change was 0.007 8 mm, the maximum offset was 0.026 mm, and the first natural frequency of gear box was 405.28 Hz, indicating that excellent characteristics, including the strength, rigidity, sealing, and dynamic in the gear box. Compared with a commercial products in the same transmission scheme, the height of gear box was reduced by 28 mm, and the mass was reduced by 28.8 kg, indicating a higher material utilization. The results demonstrated that the proposed system can be used to realize the knowledge-based rapid design of tractor gear box. The finding can provide a significant reference to shorten the design cycle, while improve the design quality.

tractors; design; software; gear box; knowledge based engineering; rapid design

張延安，辛喆，杜岳峰，等. 拖拉機(jī)變速箱箱體快速設(shè)計(jì)方法與軟件開(kāi)發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(21)：49-55. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.006 http://www.tcsae.org

Zhang Yan’an, Xin Zhe, Du Yuefeng, et al. Rapid design method and software development for tractor gear box[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 49-55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.006 http://www.tcsae.org

2020-06-29

2020-09-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0700101）

張延安，博士生，主要從事車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)及智能控制技術(shù)研究。Email：15063511839@163.com

辛喆，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)及智能化技術(shù)研究。Email：xinzhe@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.006

S219.02

A

1002-6819(2020)-21-0049-07