基于NX的拖拉機(jī)最終傳動參數(shù)化模板設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王宜君， 王 斌

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇鹽城 224005； 2.鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

基于NX的拖拉機(jī)最終傳動參數(shù)化模板設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王宜君1， 王 斌2

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇鹽城 224005； 2.鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

輪式拖拉機(jī)底盤屬于典型的系列化機(jī)械產(chǎn)品，其最終傳動由參數(shù)化設(shè)計(jì)逐漸向模塊化方向發(fā)展。為了適應(yīng)市場多樣化的客戶需求，總結(jié)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，將最終傳動設(shè)計(jì)流程性知識融合到NX設(shè)計(jì)平臺中，設(shè)計(jì)出最終傳動產(chǎn)品參數(shù)化變型設(shè)計(jì)模板。通過應(yīng)用產(chǎn)品部件級設(shè)計(jì)模板，設(shè)計(jì)人員輸入功能參數(shù)并修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主參數(shù)，便可自動更新獲得產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，從而提高該系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、減輕工程師的重復(fù)勞動工作量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的重用。

NX；最終傳動；參數(shù)化；變型設(shè)計(jì)

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，雖然農(nóng)業(yè)人口眾多，但是隨著工業(yè)化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)的主要勞動力轉(zhuǎn)向其他產(chǎn)業(yè)，同時老齡化問題也越來越嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)勞動力問題將日益凸現(xiàn)，拖拉機(jī)是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的農(nóng)業(yè)機(jī)械，耕地、播種、施肥、收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都離不開拖拉機(jī)，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位[1]。拖拉機(jī)最終傳動主要由半軸組件、驅(qū)動軸組件和殼體等零部件構(gòu)成，是拖拉機(jī)的主傳動系中必不可少的部分，其主要作用是增扭減速，在部分小型輪式拖拉機(jī)中，主要是為了提高后橋的離地間隙。由于最終傳動在拖拉機(jī)正常行駛過程中受力較大，一般來說在空間布局上接近車輪，因此，其整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量影響著拖拉機(jī)的安全性能。目前，輪式拖拉機(jī)產(chǎn)品越來越趨于系列化，尤其在小馬力拖拉機(jī)的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，開發(fā)人員需要大量重用已有的設(shè)計(jì)資料和成熟產(chǎn)品模型，才能滿足市場化的產(chǎn)品更新需求，適應(yīng)更多地區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀。為了減輕設(shè)計(jì)人員重復(fù)性的勞動工作量，提升企業(yè)的產(chǎn)品更新效率和質(zhì)量，本研究試圖采用NX軟件和二次開發(fā)技術(shù)結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)開發(fā)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)模板，以幫助企業(yè)快速設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品。

目前，知識工程領(lǐng)域里很多企業(yè)采用的是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來完成已有產(chǎn)品的變形設(shè)計(jì)和局部設(shè)計(jì)，這些方法缺乏可變性和通用性。隨著基于NX的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的誕生，如設(shè)計(jì)變量驅(qū)動法、程序設(shè)計(jì)驅(qū)動法以及程序控制表達(dá)式驅(qū)動法等[2]，很大程度上縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期，為企業(yè)節(jié)省設(shè)計(jì)成本。但是，針對具體產(chǎn)品的組件和部件參數(shù)化模板的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用較為缺乏，本研究為進(jìn)一步給拖拉機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)產(chǎn)品的多樣化設(shè)計(jì)提供方便，設(shè)計(jì)開發(fā)輪式拖拉機(jī)最終傳動參數(shù)化設(shè)計(jì)模板。產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)化模板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的沉淀、繁衍、傳承和更新，可實(shí)現(xiàn)行業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的準(zhǔn)確性和一致性。

1 產(chǎn)品模板總體設(shè)計(jì)

所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中可以便捷地修改零件三維模型，還可以方便地建立各尺寸與參數(shù)、參數(shù)與參數(shù)間的關(guān)系，這樣模型便可以自動按照關(guān)系和參數(shù)值進(jìn)行更新獲得準(zhǔn)確的外形，從而保證修改一致性，保證零件準(zhǔn)確的相對關(guān)系[3]。許多機(jī)械零部件都實(shí)現(xiàn)了零件級的參數(shù)化設(shè)計(jì)，但是對于大小相同、形狀相似、結(jié)構(gòu)相近的系列化組件、部件和產(chǎn)品來說，尚未實(shí)現(xiàn)參數(shù)化變形驅(qū)動。

本研究以某企業(yè)的40-70A系列輪式拖拉機(jī)為研究對象，設(shè)計(jì)了最終傳動產(chǎn)品模板，模板設(shè)計(jì)的總體功能在于設(shè)計(jì)人員在最終傳動設(shè)計(jì)初期，通過輸入產(chǎn)品功能參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主參數(shù)，利用軟件的內(nèi)部融合，通過相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動生成所需產(chǎn)品的三維裝配模型，從而完成最終傳動產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)，最終提高拖拉機(jī)系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、減輕設(shè)計(jì)工程師勞動強(qiáng)度，完成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識和三維模型的重用。

1.1 產(chǎn)品功能參數(shù)

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程實(shí)際上就是不斷驗(yàn)證和修改一個流程，中間的每個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都是相互關(guān)聯(lián)的，當(dāng)某個環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)問題，便可根據(jù)流程反饋至上一級，進(jìn)行修改。根據(jù)一般的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，也就是概念設(shè)計(jì)階段，需要定義產(chǎn)品的功能，為后續(xù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)等做好鋪墊。拖拉機(jī)中最終傳動的功能在于減速和提高扭矩，將動力輸送給兩側(cè)的驅(qū)動輪，其主要有2種結(jié)構(gòu)形式，分別是外嚙合圓柱齒輪和行星齒輪傳動。根據(jù)輪式拖拉機(jī)的整個動力傳遞路線可知，發(fā)動機(jī)輸出的動力經(jīng)過主離合器傳送至變速箱，再傳遞至中央傳動，再經(jīng)過轉(zhuǎn)向離合器輸送到最終傳動，最終帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動。最終傳動連接著中央傳動和驅(qū)動齒輪，因此，最終提取的功能參數(shù)如表1所示。

表1 功能參數(shù)

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主參數(shù)

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度去考慮，產(chǎn)品的最底層是基本的幾何體，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是基本體在設(shè)計(jì)工程師設(shè)定的約束下，逐層建立起零件、組件、部件、乃至最終的產(chǎn)品。從“1.1”節(jié)可知，提取的是最終傳動的功能參數(shù)，也就是最終傳動產(chǎn)品的全局主參數(shù)，為了下一步更好地完成和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化模板設(shè)計(jì)，需要細(xì)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，根據(jù)上下級元素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和幾何約束，最終確定最終傳動的部件級產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主參數(shù)如表2所示。

表2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主參數(shù)

1.3 設(shè)計(jì)與應(yīng)用約束

產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)包含的要素眾多，主要包含產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)驅(qū)動參數(shù)(功能參數(shù))、各類基準(zhǔn)(坐標(biāo)系、面、軸線、點(diǎn))、幾何線。在設(shè)計(jì)最終傳動產(chǎn)品時，需要確定其控制結(jié)構(gòu)，通過分析可知根據(jù)不同馬力要求，最終傳動的尺寸和型號也會發(fā)生相應(yīng)變化，通過研究最終產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)可以確定：將驅(qū)動軸的軸線位置設(shè)置為y軸作為產(chǎn)品的中心軸線，在軸線附近自定義一個軸線作為周向的定位基準(zhǔn)，將最終傳動安裝面確定為軸向的定位基準(zhǔn)，且保持最終傳動安裝面和后橋面之間的距離不變，具體布置如圖1所示。

2 基于NX的拖拉機(jī)最終傳動模板設(shè)計(jì)

2.1 模板設(shè)計(jì)流程

(1)依據(jù)產(chǎn)品工作原理、工作要求確定動力輸出變形需求的功能參數(shù)；(2)分析確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主參數(shù)，然后結(jié)合功能參數(shù)生成其他結(jié)構(gòu)參數(shù)；(3)在最終傳動設(shè)計(jì)界面輸入功能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，檢查其他結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理；(4)生成部件裝配模型；(5)編輯零件模型、標(biāo)準(zhǔn)件等模型；(6)通過裝配二維圖主參數(shù)尺寸來校驗(yàn)?zāi)Ｐ妥兏恼_性。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

2.2.1 根據(jù)傳動路線分析零件關(guān)系 最終傳動的輸入部分為后橋差速器，輸出為后輪轂，中間由半軸經(jīng)行星輪、行星架傳遞至驅(qū)動軸，齒圈起支撐作用，固定在殼體上，構(gòu)成了傳動的關(guān)鍵路徑，其他零件安裝在其上，完成最終傳動的結(jié)構(gòu)功能。因此，得到最終傳動的傳動路線如圖2所示，圖中注明了主要零件的安裝位置和關(guān)聯(lián)關(guān)系等。

2.2.2 劃分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹 依據(jù)零件在產(chǎn)品傳動路線中的功能，將最終傳動分為3個組件，半軸組件、驅(qū)動軸組件和殼體。根據(jù)上述分析，將關(guān)鍵路徑上的零件作為次組件級，其他零件作為零件級，形成4級樹狀的最終傳動產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，如圖3所示。

2.3 WAVE技術(shù)的應(yīng)用

WAVE技術(shù)的主要功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品中各個構(gòu)成子部件之間關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)，也就是說可以利用已有零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)或者幾何特征來間接地設(shè)計(jì)出與之相關(guān)聯(lián)的零部件。三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究[4-5]基本上都是。對于一般產(chǎn)品來說，往往只要做到簡單的參數(shù)化驅(qū)動便可完成驅(qū)動，但是對于較為復(fù)雜的大型機(jī)械產(chǎn)品來說， 其設(shè)計(jì)過程中不太好實(shí)現(xiàn)上級

參數(shù)更改的傳遞，借助WAVE技術(shù)，可以通過建立產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化布局，將產(chǎn)品的功能信息傳遞到零件級，最終完成產(chǎn)品級的全相關(guān)設(shè)計(jì)。

NX/WAVE技術(shù)中包含關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體的方法，可以復(fù)制幾何體的類型趨于多樣化，包括點(diǎn)(線或邊的控制點(diǎn))、線(實(shí)體或片體的邊)、面、體、基準(zhǔn)等[6]。因此，在最終傳動設(shè)計(jì)過程中，主要是將在NX Modeling 裝配模式下建立最終傳動的總體控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)各個子部件之間的相對位置、尺寸記憶幾何關(guān)聯(lián)得出最終傳動的總體驅(qū)動參數(shù)，再分別得到半軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)和驅(qū)動軸組件的主參數(shù)，為交互界面的設(shè)計(jì)鋪墊。

3 最終傳動參數(shù)化模板的應(yīng)用

3.1 模板應(yīng)用流程

在所示交互界面中，包括3部分內(nèi)容：主界面、半軸組件參數(shù)和驅(qū)動軸組件參數(shù)。主界面中包含了最終傳動產(chǎn)品的功能參數(shù)，半軸組件和驅(qū)動軸組件界面中以輸入結(jié)構(gòu)主參數(shù)為主，輔以檢查其他派生的參數(shù)。使用最終傳動設(shè)計(jì)交互界面進(jìn)行設(shè)計(jì)的流程如圖4所示。

3.2 裝配件設(shè)計(jì)應(yīng)用

以使用設(shè)計(jì)模板實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)為例，具體說明參數(shù)化模板如何快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)，具體步驟如下：(1) 通過點(diǎn)擊模板瀏覽器，啟動最終傳動交互設(shè)計(jì)界面，界面中顯示出了初始最終傳動的功能參數(shù)，手動修改部件級參數(shù)，交互設(shè)計(jì)界面如圖5所示；(2)修改半軸組件的主參數(shù)，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行查驗(yàn)，半軸的組件參數(shù)如圖6所示，其中可變更的只有半軸齒輪齒數(shù)與變位系數(shù)，齒圈寬度與變位系數(shù)修改后其他部分參數(shù)根據(jù)尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系自動更新；(3)修改驅(qū)動軸組件的主參數(shù)，主要修改的是花鍵模數(shù)和齒數(shù)，詳細(xì)步驟參考步驟(2)；(4)檢查模型的更新狀況，完成裝配件的設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊確定并應(yīng)用所作修改，此時系統(tǒng)便自動生成新的模型，產(chǎn)生的新模型可以命名為新名稱并保存入庫。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)件替換實(shí)例

以花鍵為例，當(dāng)連接花鍵的尺寸變化后，驅(qū)動軸軸徑的最小直徑發(fā)生變化，其他軸段會依次增加或減小，故軸上安裝的軸承、密封圈墊圈等標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)會隨之變化。但標(biāo)準(zhǔn)件不能自動更新，需手動完成組件的替換。具體步驟以及最終生成的最終傳動三維數(shù)字化模型如圖7所示。

4 結(jié)論

本研究在充分分析拖拉機(jī)零部件設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)知識理論的基礎(chǔ)上，在NX軟件平臺上設(shè)計(jì)開發(fā)了部件級的全相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)模板，該模板的應(yīng)用可以方便小批量定

制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，提高系列化產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)程度，在變形設(shè)計(jì)過程中減輕設(shè)計(jì)工程師的重復(fù)性工作。拖拉機(jī)部件級乃至產(chǎn)品級參數(shù)化設(shè)計(jì)模板的設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用為其他機(jī)械產(chǎn)品自動化、智能化的設(shè)計(jì)起到了一定的借鑒作用。

[1]管 文. 拖拉機(jī)離合器設(shè)計(jì)與研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[2]李光伍. UG參數(shù)化設(shè)計(jì)的概述[J]. 湖南農(nóng)機(jī)，2011，38(1)：86-88.

[3]王 銳. 基于Pro/E的減速器參數(shù)化設(shè)計(jì)裝配及其運(yùn)動仿真[D]. 濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2012.

[4]李玉萍. 基于Pro/E的減速器大齒輪三維建模及參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，23(3)：84-86.

[5]劉文生，閃 靂，張 智. 基于Pro/TOOLKIT的齒輪減速器的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動化，2007，29(9)：72-75.

[6]陳 軍，惠為東，陸鳳祥. 基于NX/WAVE的拖拉機(jī)制動器自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014，43(9)：50-53.

10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.059

2015-12-03

江蘇省教育廳省屬高校自然科學(xué)研究面上自籌經(jīng)費(fèi)(編號：12KJD520010)；江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(編號：ZBZZ-043)；2015年江蘇省政策引導(dǎo)類計(jì)劃(編號：BY2015057-38)。

王宜君(1963—)，男，江蘇東臺人，副教授，主要從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的研究和機(jī)械方面的教學(xué)工作。E-mail：ycgywyj@126.com。

S229+.1

A

1002-1302(2017)02-0202-05

王宜君，王 斌. 基于NX的拖拉機(jī)最終傳動參數(shù)化模板設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(2)：202-206.