過(guò)去，我國(guó)在半掛車車軸部件的國(guó)產(chǎn)化方面，往往只注意到產(chǎn)品自身的幾何形狀、尺寸公差等，缺乏產(chǎn)品理念、運(yùn)行實(shí)況、加工環(huán)境、材質(zhì)狀態(tài)等方面集成的考慮方式，造成了一些國(guó)產(chǎn)化試制過(guò)程的失誤。半掛車車軸是車體上較復(fù)雜的關(guān)鍵件，必須滿足多方面的性能要求，遵循一些法規(guī)和公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)要求。以某企業(yè)半掛車配件有限公司車軸系列產(chǎn)品而言，目前該企業(yè)在高速發(fā)展的過(guò)程中，產(chǎn)品市場(chǎng)訂單很多，不同用戶對(duì)產(chǎn)品的需求不同，型號(hào)、規(guī)格多種多樣，產(chǎn)品研發(fā)能力跟不上。在產(chǎn)品開發(fā)工作中，由于缺乏先進(jìn)技術(shù)手段的應(yīng)用，導(dǎo)致圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作量大、重復(fù)勞動(dòng)多、研發(fā)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)的分析計(jì)算和優(yōu)化，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤經(jīng)常導(dǎo)致制造過(guò)程中圖紙修改，造成廢品、返工等不必要的損失。我國(guó)在此領(lǐng)域的研究與開發(fā)水平與有關(guān)發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有很大差距，急需在半掛車配套關(guān)鍵零部件(如車袖、支承、懸架、牽引座和牽引銷等)設(shè)計(jì)制造方面開展科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)工作，提升我國(guó)在半掛車配件設(shè)計(jì)與制造方面的技術(shù)水平。

就目前來(lái)說(shuō)，該企業(yè)車軸系列的設(shè)計(jì)方法依然停留在人工計(jì)算上，因此導(dǎo)致設(shè)計(jì)的精度和效率大為降低。車軸設(shè)計(jì)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的行業(yè)，設(shè)計(jì)人員在長(zhǎng)期工作中積累的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)對(duì)車軸設(shè)計(jì)過(guò)程起著十分重要的影響。盡管CAX技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但目前CAX技術(shù)大部分還停留在計(jì)算機(jī)輔助層次，難以勝任對(duì)產(chǎn)品開發(fā)的CAX技術(shù)提升到智能設(shè)計(jì)層次，實(shí)現(xiàn)這一飛躍可以通過(guò)人工智能和工程領(lǐng)域知識(shí)，構(gòu)建自動(dòng)設(shè)計(jì)( Knowledge Based Engineering，KBE) 系統(tǒng)來(lái)達(dá)到。本文通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助車軸設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，將參數(shù)變型設(shè)計(jì)技術(shù)融于自動(dòng)設(shè)計(jì)建模過(guò)程中，基于該模型建立了一種自動(dòng)裝配系統(tǒng)框架。在描述和分析該框架的基礎(chǔ)上，給出了一個(gè)原型系統(tǒng)，并敘述了其實(shí)施過(guò)程。

1 參數(shù)化變型設(shè)計(jì)基本原理

變型設(shè)計(jì)是在不破壞原設(shè)計(jì)的基本原理和基本結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，選取相似實(shí)例，對(duì)此相似實(shí)例進(jìn)行修改和完善。當(dāng)進(jìn)行變型設(shè)計(jì)時(shí)，首先將用戶要求或設(shè)計(jì)任務(wù)分解，得到產(chǎn)品的基本功能原理和基本性能參數(shù)。依照-定的算法，把這些基本性能參數(shù)與事物特性表中的參數(shù)相匹配，從實(shí)例庫(kù)中搜索出最相似的實(shí)例。提取此相似實(shí)例，參照優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，在此基礎(chǔ)上按照用戶的要求進(jìn)行實(shí)例的修改。

在修改的過(guò)程中，可能是簡(jiǎn)單的零部件局部的尺寸修改，而結(jié)構(gòu)完全一樣，這屬于產(chǎn)品規(guī)格的變化，可以通過(guò)參數(shù)化的零件模型來(lái)實(shí)現(xiàn)也有可能是產(chǎn)品型號(hào)的改變，這時(shí)候產(chǎn)品始結(jié)構(gòu)發(fā)生了局部的變化，同時(shí)尺寸也有可能發(fā)生變化，這就要通過(guò)零件實(shí)側(cè)的穩(wěn)互組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)改變某個(gè)零件的結(jié)構(gòu)形式或幾何尺寸時(shí)，由于零件與零件之間不但有尺寸聯(lián)接關(guān)系，而且都存在隱性的裝配約束關(guān)系(包括位置關(guān)系，聯(lián)接關(guān)系，運(yùn)動(dòng)關(guān)系等)，所以整個(gè)裝配體也隨零部件的變化發(fā)生指應(yīng)的變化，而此時(shí)裝配模型并沒(méi)有被破壞。

在變型過(guò)程中，首先要兼顧裝配模型的基本裝配關(guān)系和裝配約束，同時(shí)對(duì)修改后的裝配體進(jìn)行裝配性能的分析，基于提醒規(guī)則和知識(shí)進(jìn)行推理，對(duì)裝配性能做出判斷和決策。必要時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互，通過(guò)裝配模型的自學(xué)習(xí)功能使規(guī)則和知識(shí)不斷完善，最后得到變型結(jié)果。在進(jìn)行裝配性能分析時(shí)，可能產(chǎn)生一些新的規(guī)則和知識(shí)，應(yīng)將這些新規(guī)則存入裝配規(guī)則庫(kù)和知識(shí)庫(kù)中，由于變型過(guò)程中也有可能產(chǎn)生一些新約裝配關(guān)系秘裝配約束，所以裝配模罵道會(huì)不斷更新，下次變型時(shí)參照的將是新的裝配模型。變型結(jié)果也應(yīng)該以新的實(shí)例符入實(shí)例庫(kù)。

半掛車車軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)是專門針對(duì)半掛車車軸而開發(fā)的一種實(shí)現(xiàn)裝配圖參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的軟件。軟件通過(guò)語(yǔ)言編程來(lái)建立半掛車車軸零件之間的裝配約束，企業(yè)只需要根據(jù)客戶需要輸入必要的參數(shù)，就可以通過(guò)該軟件驅(qū)動(dòng)圖形，最終變型后裝配圖輸出到CAD界面，通過(guò)打印設(shè)備即可出工程圖指導(dǎo)工作實(shí)際。當(dāng)然，在軟件開發(fā)之前，要對(duì)其進(jìn)行成本效益、市場(chǎng)需求、生產(chǎn)規(guī)模和費(fèi)用估計(jì)，以及可行性分析。變型過(guò)程中依據(jù)的整個(gè)產(chǎn)品模型也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的模型。半掛車車軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)軟件建摸過(guò)程，如圖l所示。

2 車軸參數(shù)化變型自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)研制過(guò)程

在車軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)軟件的研制過(guò)程中，首先主要了解和分析用戶的問(wèn)題，以及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和時(shí)間等方面的可行性。然后將用戶的需求規(guī)范化、形式化，編寫成需求說(shuō)明書及初步的系統(tǒng)用戶手冊(cè)，

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

提交評(píng)審將軟件需求設(shè)計(jì)為軟件過(guò)程描述，即設(shè)計(jì)人員將確定的各項(xiàng)需求轉(zhuǎn)化成一個(gè)相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的每一組成部分都是意義明確的模塊，每個(gè)模塊都與某些需求將對(duì)應(yīng)。編輯代碼，就是把過(guò)理描述編輯成機(jī)器可執(zhí)行的代碼。測(cè)試目的是發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)行改正。維護(hù)主要包括故障的排斥以及為適應(yīng)使用環(huán)境的變化和用戶對(duì)軟件提出新的要求所作的更改。考慮用戶使用本系統(tǒng)的便捷與高效，本次開發(fā)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試與修改，最終采用圖2的系統(tǒng)功能摸塊。

2.2 半掛車車軸力學(xué)模型

工程上常用的塑性材料，除低碳鋼外，還有中碳鋼、某些高碳鋼和合金鋼、鋁合金、青銅、黃鋼等。其中有些材抖，如16Mn鋼，和低碳鋼一樣，有明顯的彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和局部變形階段。有些材料，如1黃銅H62，沒(méi)有屈服階段，但其他三個(gè)階段很明顯。還有些材料，如高碳鋼Y10A，沒(méi)有屈服階段和局部變形階段，只有彈性階段和強(qiáng)化階段，在工程實(shí)際中，常見(jiàn)的彎曲應(yīng)力問(wèn)題多為橫力彎曲，純彎曲情況很少。且和掛車車軸在工作過(guò)程中主要受到車體的壓力和剎車是摩擦片抱軸時(shí)的扭矩。 而車軸部件的薄弱點(diǎn)在軸頭的焊接處，此處容易在工作過(guò)程中被撕裂。因此此處的校核，是設(shè)計(jì)過(guò)程的重點(diǎn)同時(shí)也是難點(diǎn)，參數(shù)化變型設(shè)計(jì)不但要滿足結(jié)構(gòu)合理同樣要滿足剛度和強(qiáng)度要求。因此在開發(fā)半掛車車軸參數(shù)化變型系統(tǒng)前，簡(jiǎn)要考慮軸的受力強(qiáng)度校核。

車軸在工作的始過(guò)程中一般要受到扭曲力、各種沖擊和振動(dòng)，但最主要的是車體本身以及車的載重

圖2 半掛車車軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)主要功能模塊

作用在軸上的合力。機(jī)械振動(dòng)影響各種機(jī)械的工作性能，導(dǎo)政結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，危害機(jī)器的安全運(yùn)行及產(chǎn)生噪聲。半掛車車軸在工作過(guò)程中會(huì)受到各種隨機(jī)的振動(dòng)和沖擊。 車軸的力學(xué)分析部分適用于按許用彎曲應(yīng)力法計(jì)算出軸的軸徑、軸承個(gè)數(shù)（支承點(diǎn)個(gè)數(shù)）等。 如需進(jìn)行其它設(shè)備產(chǎn)品校核可對(duì)程序校核部分稍加修改并預(yù)留二次開發(fā)接口。部分代碼如下：

T = 9550000*P/n1

Ft = 2*T/ d1 //圓周力

Fr = Ft*Tan (20*3.1415926 /180)/COS

(beta) //徑向力

Fa = Ft*Tan(beta) //軸向力

Dim Mbl As Double //各點(diǎn)彎矩

Dim Mb2 As Double

Dim Mc As Double

Mbl= Sqr(Mhbl*Mhb1+Mvb*Mvb)

Mb2= Sqr(Mhb2*Mhb2+Mvb*Mvb)

Mc= Sqr(Mhc*Mhc+Mv*Mvc)

Form4. Text9. Text = Mbl

Form4. Text10. Text = Mb2

Form4. Text11. Text = Mc

數(shù)據(jù)庫(kù)的定義和自動(dòng)調(diào)用的部分程序代碼如下：

Privat Sub Combol _Click（）

sql = "select*from jcl where 軸材料的強(qiáng)度極限="+ + ",

Adodcl. RecordSource=sq1

Adodcl. Refresh

With Adodcl. Recordset

If. RecordCount> 0 Then

Text11. Text =  Fields ( "對(duì)稱循環(huán)許用彎曲應(yīng)力")

Text12. Text =  Fields(" 脈動(dòng)錨環(huán)許用彎曲應(yīng)力" )

End If

End With

End Sub

Adodcl. RecordSource = "select*from jcl"

Adodcl. Refresh

rs = "select 軸材料的強(qiáng)度極釀from jc1 "

Adodel. ReeordSource = rs

Adodcl. Refresh

Combol. Addltem (Trim (Adodcl. RecordsetFields( "軸材料的強(qiáng)度極限")

圖3 車軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)交互式操作

3 實(shí)例應(yīng)用

基于參數(shù)化變型設(shè)計(jì)技術(shù)，以某型號(hào)車軸為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)?；具^(guò)程是:當(dāng)用戶輸入正確的用戶名和密碼后，可進(jìn)入變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。進(jìn)入?yún)?shù)維護(hù)界面，可調(diào)入或輸入各種參數(shù)，也可以進(jìn)行維護(hù)、修改等操作。應(yīng)注意不要輸入不符合實(shí)際要求的參數(shù)，否則，無(wú)法進(jìn)行變型設(shè)計(jì)(系統(tǒng)會(huì)提示相關(guān)信息) 。如圖3所示。當(dāng)正確輸入完所有相關(guān)參數(shù)后， 點(diǎn)擊圖中"確定"按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算后，將進(jìn)入車軸力學(xué)分析界面，如圖4 所示， 同時(shí)在程序中進(jìn)行材料、優(yōu)化計(jì)算， 將車軸模型實(shí)例化，就得到一個(gè)車軸實(shí)例。用戶發(fā)現(xiàn)車軸變型設(shè)計(jì)并不理想，可重新"返回"操作。圖5和圖6可以直觀感受到參數(shù)化變型的實(shí)際應(yīng)用。 圖5是企業(yè)目前產(chǎn)品的一種規(guī)格，而圖6是通過(guò)本軟件參數(shù)化變型后輸出的一種新的規(guī)格尺寸的產(chǎn)品。

圖4 車軸力學(xué)分析

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析基于參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的原理和方法，結(jié)合車軸系列產(chǎn)品的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)地闡述了其設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，運(yùn)用

圖5 YORK車軸已有型號(hào)

圖6 參數(shù)化變型后的新規(guī)格車軸

參數(shù)化變型設(shè)計(jì)技術(shù)，不僅能減少常規(guī)文件的大小，加快了設(shè)計(jì)與開發(fā)而且易學(xué)易懂。目前該系統(tǒng)巳部分交付使用和維護(hù)，運(yùn)行效果很好。

（轉(zhuǎn)載）