基于模型分析的汽車變速箱參數(shù)化變型設計方法

李法孔，諶炎輝

（廣西科技大學 機械與汽車工程學院，廣西 柳州 545616）

0 引言

變型設計是在功能結構和基本工作原理都不變的前提下，更改產品的配置和參數(shù)以滿足新的設計要求。參數(shù)化設計也是一種變型設計，是計算機輔助設計技術在長期發(fā)展過程中產生的課題。在進行參數(shù)化設計時，工程師只需設計出原型，以便于更好地研究設計對象的形狀及拓撲關系，同時在系統(tǒng)內部建立各元素之間的關系，使結構得以更新。

變型設計概念的提出顯著地提高了設計者的設計效率和企業(yè)的生產效率。目前國內外的變型設計研究主要分為4種。1）基于實例推理的變型設計研究。該類研究通過構建實例庫，利用過去成功的經驗和實例在實例庫中檢索出相似的產品來進行快速變型設計。例如，王國新等基于實例推理方法對槍械方案進行變型設計，實現(xiàn)了槍械方案的變型設計；劉艷梅基于實例推理方法對毛衫進行變型設計，實現(xiàn)了毛衫的快速設計。2）基于裝配模型的變型設計研究。裝配模型能夠很好地反映裝配體之間的關系和設計者的設計意圖，方便進行創(chuàng)新設計。該類研究主要是研究裝配體各零部件之間的裝配約束關系，實現(xiàn)裝配體的變型設計。例如齊從謙等基于產品裝配模型對產品進行變型設計研究，在裝配模型層次化的基礎上，提出將頂層基本骨架作為建模時傳遞信息紐帶的建模方法，實現(xiàn)了產品裝配模型的變型設計。3）基于知識表示和規(guī)則設立的變型設計研究。該類研究主要是通過對產品進行知識表示和規(guī)則設計來進行變型設計，從而實現(xiàn)產品的快速設計。例如代浩等基于對飛機結構件的知識表示和規(guī)則設立對飛機進行變型設計，實現(xiàn)了飛機的快速設計；張延安等基于對拖拉機變速箱的知識表示和規(guī)則設立，進行拖拉機變速箱的變型設計，實現(xiàn)了拖拉機變速箱的快速設計。4）基于參數(shù)化的變型設計研究。該類研究主要是通過一定量的參數(shù)對零件尺寸進行約束，確定零件形狀結構，從而改變參數(shù)來驅動零部件結構變型。例如劉曉潔在對齒輪減速器進行參數(shù)化設計的基礎上，實現(xiàn)了齒輪減速器的變型設計；張道明等基于對加熱爐的參數(shù)化設計實現(xiàn)了加熱爐的非標變型設計；汪永輝等在對白車身進行參數(shù)化設計的基礎上，通過改變關鍵控制點來驅動整個模型的變更，從而實現(xiàn)白車身的變型設計。

現(xiàn)有研究對于多特征復雜結構的變型研究較少，未能給出一套系統(tǒng)的汽車變速箱箱體的變型設計方法。因此，為了有效解決汽車變速箱箱體變型困難的問題，實現(xiàn)汽車變速箱箱體結構的變型設計，本文結合特征模塊化思想分析了汽車變速箱箱體各特征模塊間的位置關聯(lián)關系和參數(shù)關聯(lián)關系，從而實現(xiàn)汽車變速箱箱體的變型設計，并給出了一套汽車變速箱箱體變型設計的具體思路和方法。

1 模型位置分析研究

1.1 基于特征模塊化的位置關聯(lián)分析方法

參數(shù)化模型的建立首先就是要分析模型上的各個特征的位置關系。由于汽車變速箱箱體是一個多特征的復雜零件，特征種類多而雜，不易進行表達和展示，故結合特征模塊化思想，對不可拆卸的整個零部件模型進行特征分解，并進行歸類合并，實現(xiàn)模型特征模塊化劃分；通過特征模塊之間的位置拓撲關系的表達以及模塊內部之間的位置拓撲關系，形象直觀地揭示模型內部各個特征單元之間的拓撲位置關系。據此提出一種基于特征模塊化的位置關聯(lián)分析方法，主要由以下幾個步驟組成：

對模型進行特征分解。將模型特征分成主特征單元、從動特征單元，主動特征單元是位置受主動參數(shù)直接驅動的特征，從動特征單元是除主動特征單元外的特征。

把主動特征單元劃分成主特征模塊，把從動特征單元按照功能和結構合理劃分成不同的模塊，稱為從動特征模塊子模塊。

通過分析每個不同的從動特征子模塊與主動特征模塊的幾何約束關系和尺寸約束關系，得出位置關聯(lián)關系，構建模塊位置關聯(lián)圖。

1.2 方法實例演示

變速箱模型如圖1所示。

圖1 變速箱模型

由圖1可知，該模型含有眾多復雜特征。主動參數(shù)主要是3根軸的軸心距以及模型外形輪廓的圓弧半徑，故對該模型進行特征分解可得主動特征單元為：3根軸的軸孔特征、軸孔處的凸臺型腔特征以及模型圓弧狀外形輪廓特征；從動特征單元為除主特征外的其他特征。因此，主動特征模塊就是3根軸的軸孔型腔模塊以及圓弧外形輪廓模塊，從動特征單元可以劃分成螺栓孔模塊、側板模塊、加強筋模塊、油孔通孔模塊、螺紋孔盲孔模塊、槽孔模塊、軸承座模塊等，分析各模塊之間的幾何約束和尺寸約束，最后構建出各個模塊的位置關聯(lián)圖。

主特征模塊位置關聯(lián)圖如圖2所示。三角形代表3根軸之間的軸心距，軸心圓分別代表各自的軸孔大小，模型圓弧外形輪廓用3條曲線來表示。

圖2 主特征模塊位置關聯(lián)圖

螺栓孔模塊與主特征模塊位置示意圖如圖3所示。螺栓孔模塊主要是由6個圓心在圓弧與直線的切點處的定位孔分別按照不同步距陣列構成。

圖3 螺栓孔模塊位置關聯(lián)圖

側板模塊位置關聯(lián)圖如圖4所示。側板模塊主要由3個圓柱及其螺紋孔、側板組成，板的外形輪廓由與主特征模塊所形成的角度關系、共線關系、相切約束等關聯(lián)關系確定。

圖4 側板模塊位置關聯(lián)圖

加強筋模塊位置關聯(lián)圖如圖5所示。加強筋模塊由10種加強筋構成：1加強筋是由與過點的切線成一角度的筋體陣列得來；2 加強筋是過點的切線；3 加強筋是的連接線；4 加強筋是的連接線；5加強筋是與側板模塊的連接筋體，靠側板模塊定位。

圖5 加強筋模塊位置關聯(lián)圖

2 模型參數(shù)分析研究

2.1 基于特征模塊化的變型參數(shù)分析方法

變型設計中的各個特征單元或者是零部件模型中所涉及的參數(shù)即為變型參數(shù)。變型參數(shù)可以劃分為以下4種：1）主動參數(shù)，是模型最關鍵的尺寸參數(shù)，驅動模型進行變型；2）從動參數(shù)，是模型的一般關鍵尺寸參數(shù)，與主動參數(shù)關聯(lián)，隨著主動參數(shù)的變化而變化；3）可變參數(shù)，是模型較為關鍵的參數(shù)，與主動參數(shù)不產生關聯(lián)，可以手動改變；4）常量參數(shù)，是模型的一般關鍵參數(shù)，與主動參數(shù)不產生關聯(lián)，保持常量。對變型參數(shù)進行分析，就是對變型參數(shù)相互之間的關聯(lián)影響進行分析和對變型參數(shù)的范圍進行分析約束，能夠清楚直觀地表現(xiàn)參數(shù)化變型過程，保證變型準確性與可行性。

該方法步驟是：

對模型進行特征模塊化劃分，再對模塊的模型參數(shù)進行分析。這里的模型參數(shù)可以是描述模塊特征的形狀參數(shù)和位置參數(shù)，可以表達模型的變型情況，再對每一個變型參數(shù)進行分類。

繪制模塊草圖，分析草圖之間的尺寸關聯(lián)約束關系，構建參數(shù)化變型草圖。

選取主動參數(shù)，對參數(shù)傳遞過程進行研究分析，分析主動參數(shù)對從動參數(shù)的影響，構建每個模塊的主動、從動變型參數(shù)傳遞網絡，此參數(shù)傳遞網能夠形象表達變型參數(shù)之間的傳遞情況和變型情況。

對變型參數(shù)進行變型范圍分析，分析模塊與模塊之間的變型干涉情況以及可以確保模塊結構和功能正常進行的條件，確保特征與特征之間不發(fā)生干涉；約束變型參數(shù)的變型范圍，保證變型的準確性；構建變型參數(shù)明細表。

2.2 方法實例演示

對主特征模塊進行實例演示。

1）主特征模塊草圖尺寸關聯(lián)分析。

對草圖尺寸關聯(lián)關系進行分析，推理出草圖函數(shù)化關系，利用ug 表達式功能實現(xiàn)草圖的參數(shù)化變型。參數(shù)化草圖如圖6 所示。

圖6 參數(shù)化草圖

由圖6 可知，骨架底座外形輪廓部分主要是3條線段與3個圓兩兩相切，相切點約束在直線線段和圓上，并且切點與圓心的連線與線段垂直。3個圓的圓心連接起來即是一個三角形，三角形3條線段的線長即是汽車變速箱的軸心距。要實現(xiàn)草圖的參數(shù)化變型，還得結合數(shù)學幾何知識進行草圖的參數(shù)約束關系推理，將草圖的約束關系用函數(shù)表達式表達出來。

將3 個圓的圓心點分別用點、點、點來表示；半徑長度分別用、、來表示；圓心構成的三角形3 條邊、、的長度分別用、、來表示；三角形3 個內角大小分別用、、來表示；、、3 邊所對應的切線線段長度分別用L、L、L來表示；以、、3 個點為圓心的3個圓弧所對應角的大小分別用、、來表示；圓弧對應弧線長用、、來表示；其他表示見圖6。長度單位均為mm，角度單位均為“°”。

由余弦定理：

同理，可得：

結合切線定理及其性質可以得出3個圓弧所對應的角度分別為：

三角形3邊、、所對應的L、L、L切線段長為：

最后，利用ug 的表達式功能實現(xiàn)草圖模型的參數(shù)化變型，把函數(shù)關系導進表達式功能。變型前和變型后的效果分別如圖7、圖8 所示。變型前：=122 mm，=85 mm，=181 mm；變型后：=120 mm，=200 mm，=160 mm。

圖7 變型前

圖8 變型后

2）構建主動從動參數(shù)傳遞網

確定主動參數(shù)，再根據各參數(shù)之間的函數(shù)關聯(lián)關系和尺寸約束關系構建出主動從動參數(shù)傳遞網。由圖6 可見，主特征模塊的結構形狀主要由3 根軸的軸心距、、，各段圓弧半徑、、確定，因此，主動參數(shù)可確定為、、、、、。當主動參數(shù)改變，其他主動參數(shù)不變時，由式（8）可知會直接引起L的改變，由式（5）、式（6）可知會引起、的改變，由式（2）—式（4）可知會引起、、的改變，最終引起的改變。其他主動參數(shù)分析同理。最終構建出參數(shù)傳遞圖如圖9所示。

圖9 主特征模塊參數(shù)傳遞圖

由圖9可以看出各從動參數(shù)隨著主動參數(shù)的改變而更改的規(guī)律，并且參數(shù)傳遞沒有出現(xiàn)閉環(huán)，表明變型成功。

3）變型參數(shù)變型范圍分析，構建變型參數(shù)明細表

為了3軸軸心處空心凸臺不相互發(fā)生干涉且不與圓形加強筋發(fā)生干涉，應使得：

為了正確變型，3根軸的軸心距應該滿足：

同理，可求得其他變型參數(shù)范圍約束：

變型參數(shù)明細表見表1。

表1 變型參數(shù)明細表

3 參數(shù)化變型建模方法研究

3.1 基于模型分析的參數(shù)化變型建模方法

基于上文對模型所做的基于特征模塊的關聯(lián)位置分析和基于特征模塊化的變型參數(shù)分析和研究，提出了一種基于模型分析的參數(shù)化變型建模方法。此方法可以快速實現(xiàn)模型的變型設計，并且模塊內部和模塊與模塊之間可以實現(xiàn)個性化、多樣化、系列化配置。該方法具體步驟為：

運用特征模塊化的位置關聯(lián)分析方法對模型進行特征模塊化劃分和模塊位置關聯(lián)定位分析。

運用基于特征模塊化的參數(shù)變型分析方法對模型進行變型參數(shù)分析，理清模型變型情況，繪制模塊模型草圖，尋找各變型參數(shù)之間尺寸關聯(lián)約束關系，結合ug 表達式功能，構建模塊參數(shù)化變型草圖。

對每個模塊草圖進行拉伸、求差、求和等操作，建立每個模塊的參數(shù)化變型模型。

依據模塊位置關聯(lián)圖對每個模塊實現(xiàn)參數(shù)化關聯(lián)定位，實現(xiàn)整個模型變型設計。

方法步驟示意圖如圖10所示。

圖10 方法步驟示意圖

3.2 方法實例演示結果

變型前主動參數(shù)尺寸為：=122 mm，=85 mm，=150 mm，=107 mm，=78 mm，=80 mm。

變型后主動參數(shù)尺寸為：=120mm，=200mm，=160 mm，=100 mm，=80 mm，=88 mm。

變型前后效果見圖11。

圖11 變型前后效果圖

4 結論

通過結合特征模塊化思想對汽車變速箱的模型做了模塊位置關聯(lián)分析以及變型參數(shù)分析，系統(tǒng)地提出了汽車變速箱參數(shù)化變型方法，實現(xiàn)了變速箱的參數(shù)化變型設計，設計時間由幾天縮短成幾個小時，大大提高了汽車變速箱的設計效率，對企業(yè)降低生產成本有著重要意義。與已有研究相比，本項汽車變速箱變型研究能夠形象直觀地展現(xiàn)汽車變速箱的變型機理，為其他復雜零部件變型研究提供新思路和新方法，提高了汽車變速箱設計的直觀性和準確性。不足之處在于，汽車變速箱特征單元模塊的劃分有一定主觀性。希望在今后的研究中能減少特征模塊化的主觀性，提高變型研究的客觀規(guī)律性。