拖拉機變速箱箱體快速設計方法與軟件開發

張延安，辛 喆，杜岳峰，邵明璽,2，孫恩鑫，張發旺

拖拉機變速箱箱體快速設計方法與軟件開發

張延安1，辛 喆1※，杜岳峰1，邵明璽1,2，孫恩鑫1，張發旺1

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083；2. 濰坊科技學院，濰坊 262700）

針對目前拖拉機變速箱箱體產品開發周期長、設計與制造成本高的問題，該研究提出了一種基于知識的拖拉機變速箱箱體快速設計方法。首先，研究并建立箱體設計知識庫、推理機制及參數化模型；然后，運用Visual Studio 2015的MFC編寫快速設計系統的人機交互界面，聯合SQL Server2012、Creo4.0完成快速設計系統與知識庫、模型庫的連接，建立拖拉機動力換擋變速箱箱體快速設計系統，并進行實例驗證；最后，運用ANSYS workbench18.1對系統輸出模型進行有限元仿真分析，箱體最大等效應力為206.19 MPa，最大變形為0.450 mm，最大間隙變化量為0.007 8 mm，最大錯移量為0.026 mm，一階固有頻率為405.28 Hz，與ZF公司相同傳動方案產品相比，箱體質量減少了28.8 kg。結果表明：該系統能高效、快速地完成拖拉機變速箱箱體開發，系統設計的拖拉機變速箱箱體具有良好的強度、剛度、密封性與動態特性，產品質量更輕，這對于縮短產品開發周期、降低設計與制造成本具有重要意義。

拖拉機；設計；軟件；變速箱箱體；知識工程；快速設計

0 引 言

拖拉機在農業生產過程中使用廣泛，起著非常重要的作用[1]。拖拉機變速箱箱體結構復雜，產品系列及用戶需求多樣，產品開發多為基于原有產品的仿照或改型設計，設計準確性差，存在大量重復性工作，后期需進行大量的有限元仿真與試驗，存在產品開發周期長，設計成本高等問題[2-3]。

快速設計即將產品詳細設計流程與知識工程[4]、計算機輔助設計、數據庫等技術相結合，以快速得到高質量產品。Zimmermann等[5]指出，將知識工程技術集成到計算機輔助設計系統中，可以更好地實現船舶結構設計的自動質量保證和標準化任務；Chang等[6]提出了一個開放和集成的工具環境，使工程師能夠以CAD實體模型的形式進行具有最佳運動學和動態性能的快速機構設計，該環境集成眾多商業化模塊，以實現高級參數化建模、仿真和優化；Calkins等[7]基于虛擬原型概念，將知識與硬件、軟件相結合，開發了汽車設計支持系統，簡化設計人員的勞動，大大縮短設計周期；Chandel等[8]開發了用于設計低馬力農用拖拉機傳動系的決策支持系統，能夠有效地預測不同型號拖拉機傳動系統的設計；陳雨等[9]在獲取典型收獲機械變速箱設計知識的基礎上，研究了變速箱參數化設計推理機，提出了一種基于推理的參數化設計方法；賈劍[10]提出基于參數化的多骨架模型自頂向下設計方法，并應用到某氣象雷達設計過程中，參數修改簡便，參數控制清晰，大大提高了設計效率。

目前，快速設計在船舶、汽車與變速箱整體設計等領域均有所應用，但還沒有專門針對拖拉機變速箱箱體的快速設計系統，本文針對拖拉機動力換擋變速箱，開發拖拉機動力換擋變速箱箱體快速設計系統，結合有限元理論，對系統輸出實例進行仿真驗證，以驗證設計結果的合理性。

1 快速設計關鍵技術

1.1 知識庫

根據箱體設計流程，從國家標準與企業設計規范、設計手冊、已有科研成果、專家設計經驗獲取設計知識，構建設計知識庫[11]。為便于計算機對知識的理解與重用，將變速箱箱體設計知識按照規則類知識和實例類知識[12]進行分類、表示與存儲。

1.1.1 知識表示

規則類知識指國家標準與設計規范、理論書籍、已有科研成果、設計經驗包含的設計準則，主要包括公式類知識、參數與表格類知識等。規則類知識的表示主要使用產生式表示法，其基本形式為→或，當滿足前提條件時，得出結論或執行操作。對于公式類知識，在產生式表示法的基礎上增加計算規則>value=function(->value)。

實際上，產品設計是對產品迭代設計的過程，在產品更新過程中不斷改善以提高性能。實例類知識指對設計過程具有指導或輔助意義的設計范例，包括整機、系統、零部件等。實例類知識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，額定功率162 kW，額定轉速2 200 r/min，變速箱擋數30F+25R，箱體材料HT250，箱體尺寸1 183 mm×580 mm×748 mm。該實例的框架表示為

<東方紅LF2204拖拉機>

發動機：額定功率：162 kW

額定轉速：2 200 r/min

變速箱：擋數：30F+25R

箱體：材料：HT250

尺寸：1 183 mm×580 mm×748 mm

1.1.2 知識存儲

為了便于知識調用，建立便于管理與維護的知識庫，并且對各條知識進行有序編碼標識。變速箱箱體屬于專用零件，其編碼遵循以下規則：XX_XX_XX_XXXX_X，其中，第1組2個字母為整機種類標識，輪式拖拉機標識即為MX；第2組2個數字為系統種類標識，傳動系統標識即為01；第3組2個數字為部件種類標識，變速箱部件標識即為04；第4組4個數字為零件標識，變速箱箱體標識即為0301；最后的數字為知識存儲或修改的版本標識。

參數與表格類知識的存儲格式如表1所示，以ID作為知識的唯一標識，將參數與表格數據選取過程中的結果與前提一一存儲，注明知識來源，并對知識作簡要說明。

例如，基于知識存儲的鑄鐵箱體最小壁厚的選取結果為外壁厚、內壁厚，選取前提為當量尺寸與材料，知識來源為機械設計手冊。根據公式類知識進行計算，球墨鑄鐵材質的箱體長565 mm，寬390 mm，高572 mm時，計算得到當量壁厚尺寸為0.69，外壁厚選取結果為10 mm。

表1 參數與表格類知識存儲格式

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

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

1.2 推理機制

在變速箱箱體正向設計流程和所建立拖拉機變速箱箱體設計知識庫的基礎上，正確應用知識進行求解是快速設計的關鍵。完善的推理機制能夠充分運用知識進行推導計算，是實現快速設計的核心。

1.2.1 基于實例的推理

基于實例的推理是指對已有經驗或實例進行必要的改動來解決實際問題的推理方式。根據相似度計算獲取可參考的實例結果。

數值型屬性信息以具體數值表征，因此其屬性距離為

式中DIST為屬性距離。

描述型屬性信息無法以具體數值表征，如方案、功能等屬性信息，其屬性具有獨一性，特征間只有相同與不同，因此其屬性距離為

實例間相似度可以認為是各條屬性相近程度的累積作用，因此根據各條屬性信息的重要程度為其設置權值，然后進行累加求和，即

實例相似度數值在0～1之間，此值越大，實例相近程度越大，當實例相似度數值大于某個閾值（一般為0.6左右）時即認為該實例具有極大地參考價值，該閾值需根據經驗設定，反復嘗試以得到最優結果。例如，為設計發動機額定功率110 kW、額定轉速2 200 r/min、最高車速50 km/h、最低車速3 km/h的動力換擋變速箱及其箱體，根據以上屬性信息在實例庫進行檢索，利用式（1）～（3）計算實例1、2（表2）與設計目標的相似度。額定功率、額定轉速、最高車速與最低車速均為數值型屬性信息，通過計算得到實例1、2與設計目標的相似度結果分別為0.48和0.77，實例2與設計目標的相似度較高，具有較高的參考和實用價值，可以利用該實例進行適當調整解決當前問題。

1.2.2 基于規則的推理

基于規則的推理是指根據設定好的設計規則進行推理計算。在快速設計新產品時，利用基于規則的推理方法進行設計計算，推理效率高且結構簡單，易于實現。將拖拉機變速箱箱體詳細設計流程移植到推理規則。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構設計、基于強度要求的箱體截面系數選擇、基于液壓與潤滑系統要求的箱體油道設計、基于密封性要求的連接結構設計；最后，對箱體進行鑄造工藝性與加工工藝性檢查，并改進。

表2 變速箱箱體檢索實例

1.2.3 變速箱箱體設計混合推理

針對拖拉機變速箱箱體的特點，采用基于規則和基于實例相結合的混合推理方法[13]。拖拉機變速箱箱體混合推理流程如圖1所示，系統根據設計要求與輸入推導變速箱箱體主要特征參數，以主要參數在實例庫進行實例檢索，如果實例庫存在相似度滿足要求的實例，則交付用戶進行確認；如果無相似度滿足要求的實例或用戶對已存在實例不滿意，系統則基于規則進行新產品開發，用戶確認后輸出設計結果，并保存至實例庫。

圖1 拖拉機變速箱箱體混合推理流程圖

1.3 模型參數化

參數化設計是將定量信息量化[14]，采用基于骨架模型的自頂向下設計方法進行箱體的參數化建模。以中連式箱體為例，基于骨架模型的變速箱箱體[15]建模過程如圖2所示，首先，創建變速箱箱體總成，在箱體總成下創建箱體總成設計骨架，箱體總成設計骨架表征各分箱體布局信息及箱體設計內外約束信息，包含各關鍵軸線、定位面及內部部件包絡，包括前驅軸孔、中間軸孔（動力換擋輸出軸孔）、輸出軸孔（動力換擋中間軸孔）、PTO軸孔（動力換擋輸入軸孔）、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（動力換擋箱前端面）、動力換擋箱中間面、動力換擋箱后端面（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應截面以表征箱體內部物體輪廓的約束信息。通過發布幾何，利用4個信息骨架，將箱體總成骨架的信息分塊共享給各分箱體。在箱體總成設計骨架集中建立參數與關系，以實現參數驅動模型生成與修改，得到箱體總成設計骨架模型。然后，創建各分箱體總成，在各分箱體總成下創建設計骨架，利用Creo的復制幾何功能，接收分箱體總成所需的約束信息，完善設計骨架的細節，通過發布幾何功能，建立信息骨架，將設計骨架的信息傳遞給其他相鄰分箱體設計單元[16-17]。最后，根據分箱體設計骨架完成箱體零件詳細設計，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程

2 軟件開發與實例應用

以Windows10操作系統為開發平臺，運用Visual Studio 2015的MFC編寫系統人機交互界面及底層推理機制，采用動態鏈接庫模式（DLL）對Creo4.0進行二次開發，采用ADO方式建立與SQL Server 2012的連接。

例如，在傳動方案與參數界面，輸入一款額定功率110 kW的動力換擋變速箱關鍵參數，包括額定功率、額定轉速、中心距、最高和最低擋傳動比及齒輪參數等，進行實例檢索，由于實例庫不存在相似實例，系統提示進行基于規則的新產品開發。部分系統界面與應用如圖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程參數，亦可選擇直接輸出設計結果與三維模型，系統在設計結果與三維模型界面展示箱體的設計參數，并預覽骨架與箱體三維模型，用戶確認后，系統連接Creo4.0打開骨架與箱體三維模型并更新，最終輸出并保存該新設計實例。

2.1 應用結果與分析

為了驗證快速設計效果，采用有限元仿真分析對應用所開發軟件設計的變速箱箱體進行靜力學與模態分析。

2.1.1 有限元仿真分析

建立拖拉機前橋、發動機、后橋殼的簡化剛體模型，與箱體模型一同導入ANSYS workbench18.1。各部分之間建立裝配關系，在螺栓孔添加梁單元，按照8.8級螺栓強度施加標準預緊力91 000 N，以模擬螺栓連接。設置箱體材料為QT450-10，泊松比0.27，彈性模量169 GPa，密度7 100 kg/m3[18-19]。定義網格大小為10 mm，節點數747 694，單元數446 308，平均網格質量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源為齒輪傳動所帶來的軸承支點載荷[20]，不同的變速箱擋位與整車工作狀況下，變速箱箱體會產生不同程度的組合變形。

1）最危險工況下的軸承受力分析

前進一擋四驅爬行擋（1L-KR-4WD）與倒擋一擋四驅爬行擋（1R-KR-4WD）的傳動比最大，所帶來的軸承支點載荷最大，所以本文選擇這2種工況作為最危險變速箱工況。2種工況下各軸承支點受力分析如表3所示。

2）整車工況下的變速箱箱體受力分析

拖拉機在靜載工況、普通路面行駛工況、前橋或后橋車輪同時駛上田間地壟或駛入溝渠、農具提升與下降等工況下，箱體發生垂向彎曲變形，經分析，以最大提升力提升農具時，垂向彎曲變形最大，故選取后懸掛農具提升工況作為箱體發生垂向彎曲變形的最危險工況。約束前橋兩端沿、軸的平移自由度及繞軸的旋轉自由度，約束后橋兩端沿、、軸的平移自由度及繞、軸的旋轉自由度。考慮地面不平度的影響，動載荷系數設置為1.5[18-19]，將前配重重力、駕駛室總成重力、后懸掛農具最大提升力以遠程集中力的方式分別施加到各自安裝位置。對于不同變速箱工況，按照表3施加各軸支點載荷。

表3 2種工況下各軸支點受力

注：軸沿拖拉機前后方向，向前為正；軸沿拖拉機橫向，向右為正；軸沿拖拉機縱向，向下為正；表中正值表示力的方向與坐標軸的正方向相同，負值表示力的方向與坐標軸的負方向相同；1L-KR-4WD表示前進一擋四驅爬行擋，1R-KR-4WD表示倒擋一擋四驅爬行擋。

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.

拖拉機在緊急轉向、橫向坡道行駛、側向風作用下等工況下，車架將受到垂向以及側向的前、后橋支承力，箱體將產生垂向以及側向的組合彎曲變形，經分析，在以最小轉彎半徑和最大轉向速度行駛時，側向彎曲變形最大，故選取緊急轉彎工況作為箱體發生側向彎曲變形的最危險工況。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自由度。調整動載荷系數為1.3，并增加最大側向離心加速度0.8[18-19]；其他載荷條件與后懸掛農具提升工況一致。

當拖拉機一輪遭遇較大路面凸起或凹坑，拖拉機將發生整車傾斜，前橋擺動至與限位塊相碰，一輪懸空不再支撐整車質量，車架將發生較大的扭轉變形，故選取一輪懸空工況作為箱體發生扭轉變形的最危險工況。約束前橋右端沿、軸的平移自由度及繞的旋轉自由度，約束后橋兩端沿、、軸的平移自由度及繞、的旋轉自由度。調整動載荷系數為1.2[18-19]，其他載荷條件與后懸掛農具提升工況一致。

對變速箱箱體在如表4所示的6種組合工況下進行仿真分析。

表4 組合工況

各工況下變速箱的靜力學仿真結果和約束模態分析結果如圖4～5所示。

圖4 靜力學分析結果

圖5 約束模態分析結果

仿真結果顯示，在工況6時，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時的最大等效應力最大，為206.19 MPa，安全系數為1.50，所設計的箱體滿足結構強度要求[21]；各工況下大部分位置間隙變化量為0 mm，在工況1時，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時最大錯移量最大，為0.026 mm，小于最大允許錯移量0.07 mm，箱體結合面密封性達到要求[22]。模態分析結果顯示，箱體工作狀態下一階固有頻率為405.28 Hz，發動機激振頻率約為100～200 Hz[22]，路面激振頻率約為2.75～43.33 Hz[18]，因此，所設計的箱體很好地避開了激振頻率，具有良好的動態特性。

為了驗證快速設計系統的準確性，將本文設計結果與ZF公司相同傳動方案的變速箱箱體進行對比，如表所示。由表5可知，本系統設計的箱體高度減小28 mm，箱體質量減少28.8 kg，設計時間縮短為1 h。

表5 變速箱箱體設計結果對比

3 結 論

本文針對拖拉機動力換擋變速箱，研究快速設計關鍵技術，設計了拖拉機動力換擋變速箱箱體快速設計系統，并以一款額定功率110 kW的動力換擋變速箱箱體為例進行實例驗證，主要結論如下：

1）該系統能高效、快速地完成拖拉機變速箱箱體開發，實現了拖拉機變速箱箱體的快速設計。

2）在典型仿真工況下，箱體最大變形0.450 mm，最大等效應力為206.19 MPa，最大間隙變化量為0.007 8 mm，最大錯移量為0.026 mm，一階固有頻率為405.28 Hz，箱體具有良好的強度、剛度、密封性及動態特性；相比于ZF公司同傳動方案產品，質量減少28.8 kg，材料利用率更高，設計時間縮短為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. 拖拉機變速箱箱體快速設計方法與軟件開發[J]. 農業工程學報，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

國家重點研發計劃項目（2017YFD0700101）

張延安，博士生，主要從事車輛數字化設計及智能控制技術研究。Email：15063511839@163.com

辛喆，博士，教授，博士生導師，主要從事車輛數字化設計及智能化技術研究。Email：xinzhe@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.006

S219.02

A

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