慈龍濤

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京211100）

1 概述

目前國(guó)內(nèi)眾多科研院所都應(yīng)用有限元分析方法對(duì)變速器設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，且隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高，變速器零部件有限元分析向著更加精確細(xì)致的方向發(fā)展[1]。沈陽(yáng)建筑大學(xué)的韓澤光教授介紹了對(duì)Solid Works 二次開發(fā)的核心技術(shù)與開發(fā)方法[2]。湖南大學(xué)的劉子建教授等人以參數(shù)化模型驅(qū)動(dòng)及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型規(guī)劃方法構(gòu)建了產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件架構(gòu)，最后運(yùn)用該方法構(gòu)建了塔式起重機(jī)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)[3]。貴州大學(xué)的可帥對(duì)三維畫圖軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)鎖止離合器關(guān)鍵零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)和參數(shù)化裝配，提高了設(shè)計(jì)效率[4]。但我國(guó)的快速設(shè)計(jì)技術(shù)研究與國(guó)外對(duì)比，國(guó)內(nèi)的對(duì)于快速設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用尚淺。本研究旨在對(duì)變速器的基本參數(shù)進(jìn)行選擇確定，對(duì)變速器中的關(guān)鍵零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，運(yùn)用快速設(shè)計(jì)理論、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)語(yǔ)言等技術(shù)研發(fā)一套變速器的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)和裝配系統(tǒng)，并通過CAE 分析和強(qiáng)度校核公式語(yǔ)言對(duì)設(shè)計(jì)完成的零部件進(jìn)行快速并準(zhǔn)確的性能分析與校核。

2 變速器快速開發(fā)平臺(tái)的總體架構(gòu)

本文以變速器齒輪為研究對(duì)象，對(duì)變速器產(chǎn)品快速開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行功能模塊劃分，搭建了該平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)框架。并綜合運(yùn)用模塊化、參數(shù)化等先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)了變速器快速開發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)，平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)框架

2.1 查詢模塊的設(shè)計(jì)。查詢模塊中可以通過信息化查詢界面可對(duì)現(xiàn)有齒輪的編號(hào)、齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等基本信息進(jìn)行查詢。設(shè)計(jì)查詢模塊首先需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，本文采用Access 構(gòu)建斜齒輪數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)的表如圖2 所示，字段名稱的定義方便對(duì)所需齒輪參數(shù)進(jìn)行檢索，系統(tǒng)管理人員具有對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中零部件相關(guān)信息的操作權(quán)限，包含齒輪相關(guān)數(shù)據(jù)信息的輸入增加、也可根據(jù)齒輪編號(hào)修改或刪除數(shù)據(jù)庫(kù)中的齒輪信息權(quán)限[5]。用戶可在如圖3 所示的查詢模塊中通過輸入齒輪編號(hào)等參數(shù)進(jìn)行其他信息的查詢，并在模塊的圖片窗口對(duì)所查詢齒輪進(jìn)行圖片展示。

圖2 零部件數(shù)據(jù)庫(kù)

圖3 查詢模塊

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊。參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊通過齒輪模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)把齒輪模型中的關(guān)鍵尺寸和其他尺寸關(guān)聯(lián)起來，當(dāng)設(shè)計(jì)人員修改齒輪模型的關(guān)鍵尺寸時(shí)，其關(guān)聯(lián)尺寸隨之做出對(duì)應(yīng)的修改，實(shí)現(xiàn)了尺寸驅(qū)動(dòng)[6]利用VB 控件實(shí)現(xiàn)的斜齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)話框，在此界面上可以在對(duì)話框中手動(dòng)輸入自設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改模型參數(shù)值，SolidWorks 系統(tǒng)則可自動(dòng)更新生成新的變速器齒輪三維模型[7]。如圖4 所示為利用VB控件實(shí)現(xiàn)的變速器齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)話框。

圖4 參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)話框

斜齒圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)的一般步驟為：創(chuàng)建新零件→建立齒廓數(shù)學(xué)模型→繪制螺旋線→繪制齒輪胚體→掃描切除形成單個(gè)齒槽→圓周陣列齒槽形成完整的齒形→繪制中間過渡部分→繪制傳動(dòng)轂花鍵→保存，斜齒輪創(chuàng)建的結(jié)果如圖5 所示。

圖5 斜齒輪的創(chuàng)建

2.3 CAE 分析模塊。為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力學(xué)的仿真，在本開發(fā)平臺(tái)中設(shè)置了CAE 分析模塊。

在CAE 分析模塊中，如圖6 所示，通過VB其內(nèi)部函數(shù)shell（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)Windows 應(yīng)用程序的調(diào)用。利用VB對(duì)打開的ANSYS程序?qū)懭階PDL 文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS 的控制[8]，如圖7。為ANSYS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的斜齒輪進(jìn)行的有限元分析。通過采用Shell Execute 函數(shù)直接調(diào)用ADAMS軟件，在ADAMS軟件中對(duì)零件進(jìn)行仿真分析，可以反映出齒輪嚙合的實(shí)際動(dòng)態(tài)載荷情況。

圖6 CAE 分析模塊

圖7 ANASYS 斜齒輪分析

VB連接ANSYS主要程序：

RetVal = Shell ("D:SoftwareADAMS2016commonmdi.bat aview ru-st i", 1)

VB連接ADAMS主要程序:

Shell("D:Softwareansys2016ANSYSIncv160ANSYSinwinx 64launcher160.exe")

2.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核模塊。汽車變速器齒輪有兩種失效模式很常見：斷齒和點(diǎn)蝕。斷齒是一種疲勞失效（彎曲疲勞），其疲勞源發(fā)生在受力拉伸側(cè)齒根[9]。點(diǎn)蝕也是一種疲勞失效（接觸疲勞），發(fā)生在齒面上。故需要對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核，在本開發(fā)平臺(tái)中開發(fā)了齒輪的強(qiáng)度校核模塊[10]。

在接觸強(qiáng)度校核模塊通過編寫程序以及相關(guān)公式，輸入齒輪的齒寬、分度圓直徑、載荷系數(shù)等參數(shù)可以對(duì)齒輪進(jìn)行接觸強(qiáng)度和校核彎曲強(qiáng)度校核，接觸強(qiáng)度校核模塊如圖8，彎曲強(qiáng)度校核模塊如圖9 所示。

圖8 接觸強(qiáng)度校核模塊

圖9 彎曲強(qiáng)度校核模塊

接觸強(qiáng)度校核模塊是以斜齒圓柱齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式為基礎(chǔ)所得：

σH=ZH*2E*Zε*Zβ*√（2*K*T1/bd2）

彎曲強(qiáng)度校核模塊是以斜齒圓柱齒輪的齒根彎曲疲勞程度校核公式為基礎(chǔ)所得：

σF=2*K*F6*Yε*Yβ*YFa*YSa/（b*mn）

2.5 參數(shù)化裝配模塊。裝配體參數(shù)化模型的建立的步驟為添加一軸→安裝位于一軸的齒輪→添加二軸→安裝位于二軸的齒輪→添加中間軸→安裝位于中間軸的齒輪→添加倒擋軸→安裝倒擋齒輪→總體裝配。如圖10 所示的變速器整機(jī)參數(shù)化裝配界面。

圖10 裝配體人機(jī)交互界面

裝配部分程序如下：

Set Part = swApp.OpenDoc6 (App.Path & " 裝配件union.SLDASM", 2, 0, "",longstatus, longwarnings) '打開自動(dòng)裝配模板文件

swApp.ActivateDoc2 "union.SLDASM", False, longstatus '激活當(dāng)前部件

myModelView.FrameState = swWindowState_e.swWindowMaximized '更新模型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配

3 結(jié)論

本文建立了以變速器為對(duì)象的快速開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)綜合運(yùn)用了數(shù)據(jù)庫(kù)管理、參數(shù)化建模、CAE 分析等技術(shù)，設(shè)計(jì)了查詢、參數(shù)化、CAE 分析等應(yīng)用模塊，對(duì)提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率、縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期有很大的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)提供了可行的方法和技術(shù)路線給其他的智能化設(shè)計(jì)開發(fā)。