吳占文

(武警工程學(xué)院基礎(chǔ)部,陜西 西安 710086)

0 引 言

輪式裝載機(jī)作為鏟土運(yùn)輸機(jī)械的典型機(jī)種,以其靈活機(jī)動(dòng)、承載量大而廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)的各個(gè)部門,并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)與軍事效益,因而形成了國內(nèi)外研制、生產(chǎn)激烈競爭的局面.我國工程機(jī)械行業(yè)目前尚不夠先進(jìn),產(chǎn)品研制過程基本沿襲傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[1],設(shè)計(jì)計(jì)算與繪圖繁復(fù),難以形式化,囿于二維工程圖和手工操作機(jī)床制造的落后狀況;完成產(chǎn)品改型或更新周期長,費(fèi)用大,難以應(yīng)對(duì)激烈的市場(chǎng)競爭和滿足工程建設(shè)急需.因此,必須積極探求新的機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法,以期提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造速度、精度與水平、更新?lián)Q代的能力及其市場(chǎng)競爭力.

快速設(shè)計(jì)與自動(dòng)化制造技術(shù)可以有效地提高機(jī)器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造速度、精度、質(zhì)量、性能和可靠性水平,降低開發(fā)成本,加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代,以適應(yīng)市場(chǎng)競爭和滿足工程建設(shè)需要;計(jì)算機(jī)軟硬件的快速計(jì)算與自動(dòng)繪圖功能,給產(chǎn)品研發(fā)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算、技術(shù)分析與性能模擬[2,3]和數(shù)控機(jī)床編程加工制造[4]提供了有力的工具,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)化創(chuàng)造了條件.

本文擬綜合運(yùn)用仿真設(shè)計(jì)理論與實(shí)體參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件 Pro/Engineer[5],根據(jù)國產(chǎn) ZL50C輪式裝載機(jī)變速箱總成零部件的結(jié)構(gòu)圖樣,進(jìn)行裝載機(jī)變速箱總成零部件的實(shí)體參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)研究,以期改變工程機(jī)械傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造方法的落后狀況,降低開發(fā)費(fèi)用,提高設(shè)計(jì)速度與水平,為工程機(jī)械總體零部件的技術(shù)分析與性能模擬以及數(shù)控機(jī)床編程無紙自動(dòng)化加工制造奠定基礎(chǔ).

1 工程機(jī)械參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)的基本思想

仿真的基本含義是通過對(duì)極為復(fù)雜的現(xiàn)象系統(tǒng)高度精確程度的相似模擬(物理模擬、數(shù)學(xué)模擬和綜合模擬)來獲得與實(shí)際情況基本一致的結(jié)果[6].

優(yōu)良機(jī)器產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和可靠性水平,取決于采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論獲得的優(yōu)化零部件及機(jī)器整體結(jié)構(gòu)、合理的成分配比和冶煉熱處理工藝產(chǎn)生的性能優(yōu)越的制造材料和精密數(shù)控加工形成的精確零件結(jié)構(gòu)尺寸.筆者近年來從事工程機(jī)械仿真設(shè)計(jì)研究的基本思想內(nèi)容,是對(duì)一個(gè)實(shí)際機(jī)器系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)圖形和技術(shù)性能的仿真.結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的仿真采用各種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和建立在相似理論[7]基礎(chǔ)上的仿真設(shè)計(jì)算法[8],獲得滿足設(shè)計(jì)要求的機(jī)器總體零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)性能參數(shù),為機(jī)器總體零部件的圖形仿真提供依據(jù);圖形仿真采用繪圖與圖形處理功能日臻完善的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件,來獲得新設(shè)計(jì)機(jī)器零部件及總體的幾何結(jié)構(gòu)形態(tài).

本文進(jìn)行裝載機(jī)變速箱參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)研究,基本思想體現(xiàn)在將仿真設(shè)計(jì)理論與實(shí)體參數(shù)化軟件Pro/Engineer結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)秀樣機(jī)零部件結(jié)構(gòu)形態(tài)和技術(shù)性能的精確再現(xiàn),從而形成理論性強(qiáng),速度快,通用性好,費(fèi)用低的工程機(jī)械研制開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助仿真設(shè)計(jì)新途徑.文獻(xiàn)[8]用相似公式進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)計(jì)算,可實(shí)現(xiàn)由大到小或由小到大對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)性能的相似轉(zhuǎn)變.本文擬運(yùn)用 Pro/Engineer進(jìn)行優(yōu)秀樣機(jī)零部件結(jié)構(gòu)形狀的原值仿真[9](文獻(xiàn) [8]相似公式中由樣機(jī)參數(shù)決定的比例系數(shù)值等于 1)造型來完成設(shè)計(jì),一方面簡便,可以避免因結(jié)構(gòu)尺寸改變而產(chǎn)生的性能畸變;另一方面,可以克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法理論的繁復(fù)和難以形式化的不足,在設(shè)計(jì)階段按照優(yōu)秀樣機(jī)的已知特性可以預(yù)測(cè)新機(jī)器的性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平.優(yōu)秀樣機(jī)零部件基于 Pro/Engineer的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)形狀原值仿真造型一經(jīng)建立,運(yùn)用相似公式就可以實(shí)現(xiàn)樣機(jī)與新設(shè)計(jì)機(jī)器大小不同的仿真設(shè)計(jì)計(jì)算,然后修改已有零件造型的結(jié)構(gòu)參數(shù)即可獲得新機(jī)器零件模型;也可利用這些零件模型及其裝配件進(jìn)行各種技術(shù)分析與性能模擬,驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的力學(xué)與運(yùn)動(dòng)特性;機(jī)加工零件模型經(jīng)計(jì)算機(jī)編程可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化加工,可以徹底改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造過程對(duì)二維工程圖的依賴.同時(shí),在模型不斷優(yōu)化或優(yōu)秀樣機(jī)發(fā)展變化的同時(shí),適時(shí)修改產(chǎn)品的實(shí)體造型,可以保證新設(shè)計(jì)機(jī)器型式亦按相同規(guī)律變化.這就為仿真設(shè)計(jì)硬件化創(chuàng)造了條件,為建立機(jī)器設(shè)備快速設(shè)計(jì)與自動(dòng)化制造系統(tǒng)提供了完善的理論與計(jì)算機(jī)工具,對(duì)提高機(jī)器產(chǎn)品新方案的設(shè)計(jì)速度和水平、技術(shù)分析與性能模擬水平以及加工制造精度具有積極意義,最終獲得質(zhì)量、性能可靠的新機(jī)器.

實(shí)體參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件 Pro/Engineer具有直觀的模型設(shè)計(jì)空間(Model space),簡單快捷的三維實(shí)體造型方法和強(qiáng)大的實(shí)體編輯功能.其基于零件結(jié)構(gòu)特征化,每種特征具有單一數(shù)據(jù)庫和零件結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化的設(shè)計(jì)方式,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生和修改三維零件(Part)造型、二維工程圖(Drawing)、三維裝配件(Assembly)、模具(Mold)設(shè)計(jì)等工作達(dá)到了同步進(jìn)行;Pro/Engineer也能使用零件與裝配件的實(shí)體模型計(jì)算零件的體積、重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,進(jìn)行各種技術(shù)分析與性能模擬和數(shù)控加工.這種全方位的工業(yè)設(shè)計(jì)模式,可以徹底改變傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)、繪圖、技術(shù)分析與性能模擬以及制造理論的繁復(fù)與難以形式化的不足,為開發(fā)者提供工業(yè)設(shè)計(jì)至數(shù)控加工的全套技術(shù)解決方案,極大地提高了業(yè)界的競爭力;也為創(chuàng)造性的開發(fā),實(shí)現(xiàn)機(jī)器產(chǎn)品的快速仿真設(shè)計(jì),計(jì)算機(jī)技術(shù)分析與性能模擬以及數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化制造創(chuàng)造了條件,提供了完善的 CAD/CAE/CAM工具.

2 裝載機(jī)變速箱零部件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)

裝載機(jī)變速箱是體現(xiàn)機(jī)器變速、變向性能的中樞單元總稱.在操作系統(tǒng)控制下,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)變矩器輸送到變速箱,按照工作性質(zhì)的具體要求,通過變速箱中不同齒輪組的嚙合傳動(dòng),輸出方向、大小不同的轉(zhuǎn)速到主傳動(dòng)器及前、后驅(qū)動(dòng)橋的差速器,減速增扭后通過左、右半軸傳送到最終傳動(dòng)輪邊,減速器進(jìn)一步增大輪胎的驅(qū)動(dòng)力矩,最后通過輪胎與地面間的牽引附著特性,實(shí)現(xiàn)機(jī)器整體的速度控制與改變.ZL50C輪式裝載機(jī)的變速箱主要零件、組件包括：箱體、大超越離合器外環(huán)齒輪、花鍵齒輪輸入軸與軸承、雙排行星輪系、制動(dòng)器、離合器、變速箱輸出軸、中間軸輸出齒輪、輸出軸齒輪、前后輸出軸[10]等.

運(yùn)用 Pro/Engineer的零件(Part)和裝配(Assembly)功能,根據(jù) ZL50C輪式裝載機(jī)變速箱總成零部件結(jié)構(gòu)圖樣,進(jìn)行變速箱零件的參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)造型和部件總成的裝配連接.

2.1 變速箱零件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)

變速箱零件有標(biāo)準(zhǔn)件、常用件和一般件.軸承與螺紋緊固件等標(biāo)準(zhǔn)件可用“族表”命令進(jìn)行造型設(shè)計(jì);軸齒輪兼具軸類零件與盤蓋類零件的結(jié)構(gòu)特征;箱體為箱殼類零件,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜.本文結(jié)合這些零件的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn),簡述其參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)造型過程.

圖1 族表零件選取Fig.1 Part selecting from g roup table

1)變速箱軸承、螺紋緊固件、銷和彈簧等標(biāo)準(zhǔn)件使用“族表”命令造型設(shè)計(jì).首先創(chuàng)建一個(gè)代表性零件,接著根據(jù)尺寸、參數(shù)、特征、組件內(nèi)容編輯族表項(xiàng)目,包括尺寸、特征、參數(shù)、元件、組輪[11].齒輪是盤蓋類零件,設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)多,計(jì)算麻煩,可利用Pro/Engineer的“參數(shù)”和“關(guān)系”工具,建立一個(gè)模數(shù) m,齒數(shù) Z(=最小齒數(shù)),齒寬 B,壓力角 T,齒頂高 HA,齒根高 HF,齒頂高系數(shù) HAX,頂隙系數(shù) CX,變位系數(shù) X(=0)等參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值且符合齒輪參數(shù)關(guān)系式、參數(shù)化了的標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒輪,隨后設(shè)計(jì)可直接調(diào)用,修改模數(shù)、齒數(shù)和齒寬即可獲得一新的齒輪.具體制作過程是：草繪生成 4同心圓,編輯 4直徑屬性,分別與齒頂圓直徑 da,分度圓直徑 d,齒根圓直徑 df,基圓直徑 db對(duì)應(yīng);在“關(guān)系”選項(xiàng)表中輸入 m,Z,T,HAX,CX等參數(shù)值及其與 4直徑的關(guān)系式,再生后切換尺寸,得到可隨參數(shù)改變的齒頂圓、分度圓、齒根圓和基圓;設(shè)坐標(biāo)中心,輸入漸開線參數(shù)方程繪制漸開線,并將漸開線鏡像、旋轉(zhuǎn),與齒頂圓和齒根圓組成齒槽的截面輪廓,用拉伸、切除命令生成齒槽,運(yùn)用軸陣列形成齒輪模型.最后在齒輪模型上用拉伸命令添加所需零件的其它設(shè)計(jì)特征,并修飾而成.圖 2為變速箱軸齒輪的參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)造型圖.——自定義特征、陳列表、合并元件、參考模型等.完成后進(jìn)行校驗(yàn),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)逐一再生該群零件.打開裝配好的族表零件時(shí),系統(tǒng)會(huì)提示用戶選擇零件型號(hào)并再生之,如圖 1所示.

圖2 軸齒輪結(jié)構(gòu)仿真造型圖Fig.2 Simulated model of an axle gear

2)ZL50C裝載機(jī)變速箱行星輪系各齒輪均為漸開線直齒

3)變速箱箱體為箱體類零件,具有較大容納空腔、安裝和支承軸及軸承的座孔以及與機(jī)架相連接的部分.箱體常見局部功能結(jié)構(gòu)為肋板和凸臺(tái),安裝、定位用的凸臺(tái)、凹坑或凸、凹導(dǎo)軌,定位用的銷孔,安裝連接用的螺孔,定位和潤滑用的溝槽等.利用 Pro/Engineer進(jìn)行上述箱體結(jié)構(gòu)特征創(chuàng)建的過程是：先后用拉伸功能生成箱體主體本體結(jié)構(gòu)和座孔,增加抽殼、倒角和圓角等規(guī)則設(shè)計(jì)特征,再增加肋、銷孔、螺孔、凸臺(tái)、凹坑、溝槽等不規(guī)則設(shè)計(jì)特征.關(guān)鍵要能理清零件結(jié)構(gòu)間的主從關(guān)系,合理安排草繪平面和參照平面,善于把握本體特征與設(shè)計(jì)特征構(gòu)建的順序,所建模型如圖3所示.箱體零件著色渲染時(shí)作透明處理,以便裝配后觀看內(nèi)部其它零部件.變速箱零件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)為零件數(shù)控機(jī)床編程加工制造和零部件裝配連接、技術(shù)分析與性能模擬提供了實(shí)體模型.

圖3 透明處理的變速箱箱體結(jié)構(gòu)仿真造型圖Fig.3 Simulated model of the gear box case

2.2 變速箱部件裝配連接

完成變速箱組成零件的參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)造型后,本文運(yùn)用 Pro/Engineer裝配功能,進(jìn)行了變速箱部件的裝配連接.一個(gè)部件的裝配過程由多個(gè)子裝配組成,部件裝配時(shí)先進(jìn)行子裝配,再將各子組件按照相互位置關(guān)系進(jìn)行總裝配,形成部件的裝配連接模型.圖 4為二軸、三軸組件裝配連接圖.

圖4 二軸、三軸組件裝配連接圖Fig.4 Assembly connection of axle2and axle3

圖5 變速箱總成仿真裝配連接圖Fig.5 Simulated assembly connection of the gear box

2.3 變速箱總成裝配連接

以變速箱部件裝配為基礎(chǔ),本文進(jìn)一步完成了變速箱總成的仿真裝配圖(見圖 5),其裝配順序?yàn)椋阂惠S組件→超越離合器組件→二軸組件→三軸組件→輸出軸組件→齒輪泵組件→切斷閥組件.

變速箱總成裝配連接可以演示零件的裝配連接關(guān)系和總成的工作原理,檢驗(yàn)組成零部件的結(jié)構(gòu)尺寸合理性和運(yùn)動(dòng)干涉性,為零部件結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)修改提供依據(jù),并為變速箱總成的技術(shù)分析與性能模擬奠定基礎(chǔ).

3 結(jié)束語

綜合運(yùn)用仿真設(shè)計(jì)理論和實(shí)體參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件 Pro/Engineer,根據(jù) ZL50C輪式裝載機(jī)變速箱總成零部件圖樣,完成了變速箱總成零部件的參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)、裝配連接.

1)輪式裝載機(jī)變速箱總成零部件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)理論性強(qiáng)、速度快、費(fèi)用低、通用性好,為工程機(jī)械研制開發(fā)開辟了新途徑.實(shí)體參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件 / 為實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的快速仿真設(shè)計(jì)、技術(shù)分析與性能模擬以及自動(dòng)化制造提供了完善的 CAD/CAE/CAM工具.

2)變速箱總成零件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)造型為運(yùn)用相似公式實(shí)現(xiàn)樣機(jī)與新設(shè)計(jì)機(jī)器大小不同的仿真設(shè)計(jì)(修改已有零件造型參數(shù)即可獲得新機(jī)器零件模型),進(jìn)行零件的各種計(jì)算機(jī)技術(shù)分析與性能模擬以及數(shù)控機(jī)床編程無紙自動(dòng)化制造奠定了基礎(chǔ);變速箱部件總成裝配連接為演示零件間的裝配連接關(guān)系和總成的工作原理,檢驗(yàn)組成零部件的結(jié)構(gòu)尺寸合理性和運(yùn)動(dòng)干涉性,進(jìn)行機(jī)器部件總體的各種技術(shù)分析與性能模擬提供了逼真模型.

3)研究工作對(duì)于改變工程機(jī)械傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造計(jì)算與繪圖的繁復(fù)、難以形式化的不足及其囿于二維工程圖和手工操作機(jī)床制造的落后現(xiàn)狀,提高探求工程機(jī)械新方案的設(shè)計(jì)速度和水平具有意義,進(jìn)一步為工程機(jī)械總成零部件及總體的技術(shù)分析與性能模擬以及數(shù)控機(jī)床編程無紙自動(dòng)化制造奠定了基礎(chǔ).借此可以提高工程機(jī)械的質(zhì)量、性能、更新?lián)Q代的能力及其市場(chǎng)競爭力.

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