基于模型分析的汽车变速箱参数化变型设计方法

李法孔，谌炎辉

（广西科技大学 机械与汽车工程学院，广西 柳州 545616）

0 引言

变型设计是在功能结构和基本工作原理都不变的前提下，更改产品的配置和参数以满足新的设计要求。参数化设计也是一种变型设计，是计算机辅助设计技术在长期发展过程中产生的课题。在进行参数化设计时，工程师只需设计出原型，以便于更好地研究设计对象的形状及拓扑关系，同时在系统内部建立各元素之间的关系，使结构得以更新。

变型设计概念的提出显著地提高了设计者的设计效率和企业的生产效率。目前国内外的变型设计研究主要分为4种。1）基于实例推理的变型设计研究。该类研究通过构建实例库，利用过去成功的经验和实例在实例库中检索出相似的产品来进行快速变型设计。例如，王国新等基于实例推理方法对枪械方案进行变型设计，实现了枪械方案的变型设计；刘艳梅基于实例推理方法对毛衫进行变型设计，实现了毛衫的快速设计。2）基于装配模型的变型设计研究。装配模型能够很好地反映装配体之间的关系和设计者的设计意图，方便进行创新设计。该类研究主要是研究装配体各零部件之间的装配约束关系，实现装配体的变型设计。例如齐从谦等基于产品装配模型对产品进行变型设计研究，在装配模型层次化的基础上，提出将顶层基本骨架作为建模时传递信息纽带的建模方法，实现了产品装配模型的变型设计。3）基于知识表示和规则设立的变型设计研究。该类研究主要是通过对产品进行知识表示和规则设计来进行变型设计，从而实现产品的快速设计。例如代浩等基于对飞机结构件的知识表示和规则设立对飞机进行变型设计，实现了飞机的快速设计；张延安等基于对拖拉机变速箱的知识表示和规则设立，进行拖拉机变速箱的变型设计，实现了拖拉机变速箱的快速设计。4）基于参数化的变型设计研究。该类研究主要是通过一定量的参数对零件尺寸进行约束，确定零件形状结构，从而改变参数来驱动零部件结构变型。例如刘晓洁在对齿轮减速器进行参数化设计的基础上，实现了齿轮减速器的变型设计；张道明等基于对加热炉的参数化设计实现了加热炉的非标变型设计；汪永辉等在对白车身进行参数化设计的基础上，通过改变关键控制点来驱动整个模型的变更，从而实现白车身的变型设计。

现有研究对于多特征复杂结构的变型研究较少，未能给出一套系统的汽车变速箱箱体的变型设计方法。因此，为了有效解决汽车变速箱箱体变型困难的问题，实现汽车变速箱箱体结构的变型设计，本文结合特征模块化思想分析了汽车变速箱箱体各特征模块间的位置关联关系和参数关联关系，从而实现汽车变速箱箱体的变型设计，并给出了一套汽车变速箱箱体变型设计的具体思路和方法。

1 模型位置分析研究

1.1 基于特征模块化的位置关联分析方法

参数化模型的建立首先就是要分析模型上的各个特征的位置关系。由于汽车变速箱箱体是一个多特征的复杂零件，特征种类多而杂，不易进行表达和展示，故结合特征模块化思想，对不可拆卸的整个零部件模型进行特征分解，并进行归类合并，实现模型特征模块化划分；通过特征模块之间的位置拓扑关系的表达以及模块内部之间的位置拓扑关系，形象直观地揭示模型内部各个特征单元之间的拓扑位置关系。据此提出一种基于特征模块化的位置关联分析方法，主要由以下几个步骤组成：

对模型进行特征分解。将模型特征分成主特征单元、从动特征单元，主动特征单元是位置受主动参数直接驱动的特征，从动特征单元是除主动特征单元外的特征。

把主动特征单元划分成主特征模块，把从动特征单元按照功能和结构合理划分成不同的模块，称为从动特征模块子模块。

通过分析每个不同的从动特征子模块与主动特征模块的几何约束关系和尺寸约束关系，得出位置关联关系，构建模块位置关联图。

1.2 方法实例演示

变速箱模型如图1所示。

图1 变速箱模型

由图1可知，该模型含有众多复杂特征。主动参数主要是3根轴的轴心距以及模型外形轮廓的圆弧半径，故对该模型进行特征分解可得主动特征单元为：3根轴的轴孔特征、轴孔处的凸台型腔特征以及模型圆弧状外形轮廓特征；从动特征单元为除主特征外的其他特征。因此，主动特征模块就是3根轴的轴孔型腔模块以及圆弧外形轮廓模块，从动特征单元可以划分成螺栓孔模块、侧板模块、加强筋模块、油孔通孔模块、螺纹孔盲孔模块、槽孔模块、轴承座模块等，分析各模块之间的几何约束和尺寸约束，最后构建出各个模块的位置关联图。

主特征模块位置关联图如图2所示。三角形代表3根轴之间的轴心距，轴心圆分别代表各自的轴孔大小，模型圆弧外形轮廓用3条曲线来表示。

图2 主特征模块位置关联图

螺栓孔模块与主特征模块位置示意图如图3所示。螺栓孔模块主要是由6个圆心在圆弧与直线的切点处的定位孔分别按照不同步距阵列构成。

图3 螺栓孔模块位置关联图

侧板模块位置关联图如图4所示。侧板模块主要由3个圆柱及其螺纹孔、侧板组成，板的外形轮廓由与主特征模块所形成的角度关系、共线关系、相切约束等关联关系确定。

图4 侧板模块位置关联图

加强筋模块位置关联图如图5所示。加强筋模块由10种加强筋构成：1加强筋是由与过点的切线成一角度的筋体阵列得来；2 加强筋是过点的切线；3 加强筋是的连接线；4 加强筋是的连接线；5加强筋是与侧板模块的连接筋体，靠侧板模块定位。

图5 加强筋模块位置关联图

2 模型参数分析研究

2.1 基于特征模块化的变型参数分析方法

变型设计中的各个特征单元或者是零部件模型中所涉及的参数即为变型参数。变型参数可以划分为以下4种：1）主动参数，是模型最关键的尺寸参数，驱动模型进行变型；2）从动参数，是模型的一般关键尺寸参数，与主动参数关联，随着主动参数的变化而变化；3）可变参数，是模型较为关键的参数，与主动参数不产生关联，可以手动改变；4）常量参数，是模型的一般关键参数，与主动参数不产生关联，保持常量。对变型参数进行分析，就是对变型参数相互之间的关联影响进行分析和对变型参数的范围进行分析约束，能够清楚直观地表现参数化变型过程，保证变型准确性与可行性。

该方法步骤是：

对模型进行特征模块化划分，再对模块的模型参数进行分析。这里的模型参数可以是描述模块特征的形状参数和位置参数，可以表达模型的变型情况，再对每一个变型参数进行分类。

绘制模块草图，分析草图之间的尺寸关联约束关系，构建参数化变型草图。

选取主动参数，对参数传递过程进行研究分析，分析主动参数对从动参数的影响，构建每个模块的主动、从动变型参数传递网络，此参数传递网能够形象表达变型参数之间的传递情况和变型情况。

对变型参数进行变型范围分析，分析模块与模块之间的变型干涉情况以及可以确保模块结构和功能正常进行的条件，确保特征与特征之间不发生干涉；约束变型参数的变型范围，保证变型的准确性；构建变型参数明细表。

2.2 方法实例演示

对主特征模块进行实例演示。

1）主特征模块草图尺寸关联分析。

对草图尺寸关联关系进行分析，推理出草图函数化关系，利用ug 表达式功能实现草图的参数化变型。参数化草图如图6 所示。

图6 参数化草图

由图6 可知，骨架底座外形轮廓部分主要是3条线段与3个圆两两相切，相切点约束在直线线段和圆上，并且切点与圆心的连线与线段垂直。3个圆的圆心连接起来即是一个三角形，三角形3条线段的线长即是汽车变速箱的轴心距。要实现草图的参数化变型，还得结合数学几何知识进行草图的参数约束关系推理，将草图的约束关系用函数表达式表达出来。

将3 个圆的圆心点分别用点、点、点来表示；半径长度分别用、、来表示；圆心构成的三角形3 条边、、的长度分别用、、来表示；三角形3 个内角大小分别用、、来表示；、、3 边所对应的切线线段长度分别用L、L、L来表示；以、、3 个点为圆心的3个圆弧所对应角的大小分别用、、来表示；圆弧对应弧线长用、、来表示；其他表示见图6。长度单位均为mm，角度单位均为“°”。

由余弦定理：

同理，可得：

结合切线定理及其性质可以得出3个圆弧所对应的角度分别为：

三角形3边、、所对应的L、L、L切线段长为：

最后，利用ug 的表达式功能实现草图模型的参数化变型，把函数关系导进表达式功能。变型前和变型后的效果分别如图7、图8 所示。变型前：=122 mm，=85 mm，=181 mm；变型后：=120 mm，=200 mm，=160 mm。

图7 变型前

图8 变型后

2）构建主动从动参数传递网

确定主动参数，再根据各参数之间的函数关联关系和尺寸约束关系构建出主动从动参数传递网。由图6 可见，主特征模块的结构形状主要由3 根轴的轴心距、、，各段圆弧半径、、确定，因此，主动参数可确定为、、、、、。当主动参数改变，其他主动参数不变时，由式（8）可知会直接引起L的改变，由式（5）、式（6）可知会引起、的改变，由式（2）—式（4）可知会引起、、的改变，最终引起的改变。其他主动参数分析同理。最终构建出参数传递图如图9所示。

图9 主特征模块参数传递图

由图9可以看出各从动参数随着主动参数的改变而更改的规律，并且参数传递没有出现闭环，表明变型成功。

3）变型参数变型范围分析，构建变型参数明细表

为了3轴轴心处空心凸台不相互发生干涉且不与圆形加强筋发生干涉，应使得：

为了正确变型，3根轴的轴心距应该满足：

同理，可求得其他变型参数范围约束：

变型参数明细表见表1。

表1 变型参数明细表

3 参数化变型建模方法研究

3.1 基于模型分析的参数化变型建模方法

基于上文对模型所做的基于特征模块的关联位置分析和基于特征模块化的变型参数分析和研究，提出了一种基于模型分析的参数化变型建模方法。此方法可以快速实现模型的变型设计，并且模块内部和模块与模块之间可以实现个性化、多样化、系列化配置。该方法具体步骤为：

运用特征模块化的位置关联分析方法对模型进行特征模块化划分和模块位置关联定位分析。

运用基于特征模块化的参数变型分析方法对模型进行变型参数分析，理清模型变型情况，绘制模块模型草图，寻找各变型参数之间尺寸关联约束关系，结合ug 表达式功能，构建模块参数化变型草图。

对每个模块草图进行拉伸、求差、求和等操作，建立每个模块的参数化变型模型。

依据模块位置关联图对每个模块实现参数化关联定位，实现整个模型变型设计。

方法步骤示意图如图10所示。

图10 方法步骤示意图

3.2 方法实例演示结果

变型前主动参数尺寸为：=122 mm，=85 mm，=150 mm，=107 mm，=78 mm，=80 mm。

变型后主动参数尺寸为：=120mm，=200mm，=160 mm，=100 mm，=80 mm，=88 mm。

变型前后效果见图11。

图11 变型前后效果图

4 结论

通过结合特征模块化思想对汽车变速箱的模型做了模块位置关联分析以及变型参数分析，系统地提出了汽车变速箱参数化变型方法，实现了变速箱的参数化变型设计，设计时间由几天缩短成几个小时，大大提高了汽车变速箱的设计效率，对企业降低生产成本有着重要意义。与已有研究相比，本项汽车变速箱变型研究能够形象直观地展现汽车变速箱的变型机理，为其他复杂零部件变型研究提供新思路和新方法，提高了汽车变速箱设计的直观性和准确性。不足之处在于，汽车变速箱特征单元模块的划分有一定主观性。希望在今后的研究中能减少特征模块化的主观性，提高变型研究的客观规律性。