（机械工程专业论文）动力换档变速器设计方法的研究.pdf

四川大学工程硕士学位论文 y 6 543 39 动力换档变速器设计方法的研究 机械工程 研究生李成江指导教师侯力童维璜 由于当今市场竞争口益激烈与科学技术的快速发展，使得产品开发的技术 含量与复杂程度目益增加，同时也使产品的生命周期不断地缩短，因此，缩短 新产品开发的周期、提高新产品开发的技术水平、降低新产品开发的成本是当 前新产品开发着重要解决的问题。 本文以动力换档变速器为研究对象，应用模糊优化与虚拟设计等相关技术 理论，重点对动力换档变速器的模糊优化设计、柴油机与变矩器的匹配及牵引 特性、齿轮的参数化建模及动力换档变速器的虚拟建模、虚拟装配、运动仿真、 干涉分析和工程图生成及零件工艺等方面进行了深入的研究。 根据模糊优化设计理论，运用i a t l a b 语言，采用优化设计的方法，针对动 力换档变速器的实际使用情况，对动力换档变速器的齿轮进行模糊优化设计， 确定了动力挽档变速器的总体参数，优化结果存储在数据文件中，保证了数据 的准确性和完整性，提高了工作效率，为动力换档变速器的三维实体建模、虚 拟装配、运动伪真及装载机的性能计算奠定了基础。 运用m a t l a b 语言，根据m a7 z a b 图形用户界面的特点，采用曲线拟合、优 化计算、图形处理等方法，对配置该动力换档变速器装载机的禁油机与变矩器 进行匹配计算。完成了装载机牵引特性曲线分析工具箱，通过牵引特性计算， 证明了该动力换档变速器的优越性。完成液力交矩器和动力换档变速器的散热 计算，保证了液力变矩器、动力换档变速器的正常工作。 运用i a t l a b 语言的s i m u l i n k 及s i l 枷e c h a n i c s 仿真模块，按照动力换档变 速器的运动关系，建立其数学模型，并对动力换档变速器在特定工况下的丁= 作 谨行运动仿真，在计算机上直观地了解该产品的运动规律。由于采用计算机仿 萋技术能在产品未生产出来就可以知道其运动性能和其它工作性能，因此大大 提高了工作效率。 1 雩懿客奎蕊。 四j i f 夫学工程硕士学位论文 基于p o g n g i n e e r 虚拟环境，利用族表和程序设计工具对渐开线圆柱齿轮 进行参数化建模，实现了齿轮的参数化设计，避免了齿轮的重复造犁；通过调 入模糊优化设计结果的数据文件，完成了动力换档变速器渐开线圆柱齿轮的自 动化设计，有效地减少了人为误差，使复杂的设计计算和造型过程变得快速、 准确，极大地提高了设计齿轮的效率；采用基于特征的参数化建模方法，对动 力换档变速器进行j 虚拟建模、虚拟装配，然后对动力换档变速器虚拟模犁进 行干涉分析。 运用p r o e n g i n e e r 软件，完成三维( 3 d ) 向二维( 2 d ) 自动转换建立工程 图，结合a u t o c a d 2 0 0 0 的二维工程圈强火编辑功能，生成了动力换档变速器的 一j 维工程图，运用天喻c a p p 填 系统完成了零件的工艺设计，减少了重复劳动， 提高_ 广工作效率。 关键词：动力换档变速器模糊优化设计虚拟设计 i a t l a b 三维文体 四川大学工程硕学位论文 r e s e a r c ho nd e s i g nm e t h o d so f p o w e r - s h i f t i n g t r a n s m i s s i o n m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l ic h e n g j i a n gs u p e r v i s o r ：h o ul it o n gw e i h u a n g b e c a u s eo fm o r ei n t e n s em a r k e tc o m p e t i t i o na n dt h er a p i dd e v e l o p m e mo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g ya n dc o m p l e x i t yi nt h ed e s i g nh a v eb e e n i n c r e a s e da tt h es a m et i m e , t h el i f e c y c l eo f t h ep r o d u c th a sb e e nc u t s o ，打i s s h o r t e n i n gn e wd e s i g nc y c l e ，d e v e l o p i n gt e c h n o l o g yl e v e lo f n e wd e s i g n ，c u t t i n gc o s t o fn e w d e s i g nt h a ta r em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m s t os o l v e i nt h e p a p e r , b a s e do nf u z z yo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dv i r t u a ld e s i g n , t h e p o w e r - s h i f t i n gt r a n s m i s s i o ni ss t u d i e d , e m p h a t i c a l l y , f u z z yo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h e r e a s o n a b l em a t c h i n go ft h e t o r q u e c o n v e r t e ra n dt h ee n g i l l o , t h ep a r a m e t e r i z e d d e s i g n e ft h e g e a v i m u a lm o d e l i n g , v i r t u a la s s e m b l i n g , m o t i o n ss i m u l a t i o n ， i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o n ，c r e a t i n go fe n g m e e f i n ga r a w i n g s ，a n dp a r tp r o c e s se t o a r e r e s e a r c h e da n ds t u d i e d a i m i n ga tp r a c t i c eu s i n go ft h et h ep o w e r - s h i f t i n gn 锄m i s s i o n ，a c o r r d i n gt o g r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e s s p e c i a l i t i e s o fm a t l a ba n da d o p t i n gt h em e t h o do f o p t i m i z a 缸o nd e s i g n t h ep o w e r - s h i f t i n gt r a n s m i s s i o nh a sb e e l ld e s i g n e d p r i m a r y p a r a m e t e r so ft h ef u z z yo p t i m t z a f i o nd e s i g nh a v eb e e ns a v e di nd a t af i l e ，w h i c h k e e p e d t h ev e r a e 时a n d i n t e g r i t yo f t h ed a t a t h ep a r a m e t e r sa r et h eb a s eo ft h e3 d s o l i dm o d e l i n g ，v i r t u a la s s e m b l i n g ，k i n e m a t i cs i m u l a t i o na n dt h et r a c t i o nf i g u r e c a l c u l a t i n go f t h ew h e e ll o a d e r b yi i s e o fg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e so fm a t l a ba n db ym e a n so fc l l l w e f i t t i n g ，o p t i m i z a t i o n c a l c u l a t i o na n d g r a p h i c a lp r o c e s s i n g ，t h em a t c h i n g o ft h e t o r q u e c o n v e r t e ra n dt h ee n g i n eh a sb e e nc o m p u t e d , t h et m a i o nc u r v e a n a l y s i s t o o l b o xh a sb e e nm a d e ，t h et r a c t i o nf i g u r eh a sb e e nv i e w e di nt o o l b o x ，w h a th a v e o b t a i n e dp r o v e dt h a tt h en e w d e s i g ni ss u p e r i o rt ot h eo l do n e t h er a d i a t eo ft h e 四川大学工程硕士学位论文 t o r q u e c o n x , e r t e ra n d p o w e r - s l a i f t i n ，gt r a n s m i s s i o n 。h a s b e e n c a l c u l a t e d , w h i c h c o u l d g u a r a n t e e t h e t o r q u eg ：o n v e r t g ra n dp o w e r - s h i l l i n gt r a n s m i s s i o nt ow o r k n o r m a l l y ， ： a c c o r d i n g t om o t i o n sr e l a t i o no ft h ep o w e r - s h i f t i n gt r a n s m i s s i o na n d b y u s eo f s i m u l i n ka n ds i m m e c h a n i c so f m a t l m 3 ，t h em o t i o n sm o d e la n dt h es i m u l a t i o n o ft h es p e c i a lw o r k p o i n th a v e 溉m a d e ，a n d t h em o t i o n sl a wo f t h i sp r o d u c th a s b e e nd i r e c tv i e w e d w i t ht h eh e l po f t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nw ec a nk n o wt h e m o t i o n sp r o p e r t ya n dw o r k p r o p e r t y o f t h ep r o d u c t w h i c hh a sn o t b e e nm a n u f a c t u r e d , a n d i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y o nt h e p l a t f o r m o f p r o e n g i n e e r , b y i j t s e o ft a b l ea n dp r o g r a md e s i g n i m p l e m e n t t h ep a r a m e t e r i z e dm o d e l i n go f t h ei n v o l u t ec y l m d f i 耐。g e m h a sb e e n a c c o m p l i s h e d , t h er e p e a t e dm o d e t i n go f t h eg e a rh a sb e e n + a v o i d e d , t h er e s u l to f t h ef u z z yo p t i m i z a t i o nd e s i g ni nt h ed a t a i f i l eh a sb e e nl o a d e d , w h i c h 、a c c o m p l i s h e d t h ea u t o m a t i c d e s i g no f t h eg e a r i nt h ep i m - 曲甜由臻m m m n i s s i o n , a v , d o e i n gm i s t a k e i nt h e d e s i g n ；a n d c a l lm a k e t h e - d e s i g nq u i c k l y ：- a n d , a v e u r a t e l y d d n e ：w i t h p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g m e t h o do nf e a t u r e , t h ep o w e r - s m i l i n gt r a n s m i s s i o n sv i r t u a l m o d e la n dv i r t u a la s s e m b l i n g a 豫e s t a b l i s h e d t h e n , i n t e r f e r e n c e ：a n a l y s i s i sd o n e w i t ht h eh e l po f 。p r o e n g i n e e r jt h ee n 咖e e r i n gd r a w i n g s 。瓣c o m i n gi n t o b e i n gb yt r a n s f o r m a t i o nf o r m 。3 dt o2 1 ) b yi t ：a a dt h e 鲈随t l y - e o m p i l i 姆d r a w i n g s f u n c t i o no f a u t o c a d 2 0 0 0 , t h ep o w e r - s h i f t i n gt 撇s m i s s i o n se n g i n e e r i n gd r a w i n g s a r em a d eu p ：w i t ht h ei n t e c a p pr u l i n gc a r ds y s t e m t h e 、，p a r tp r o c e s sh a sb e e n m a d e ，a n d w o r k e f f i c i e n c y h a sb e e n ，a d v a n c e d ， k e yw o r d s ：p o w e r - s h i f t i n gt r a n s m i s s i o n ，f u z z yo p t i m i z a t i o n 。d e s i g n ，v i r t u a ld e s i g n m a t l a b3 ds o l i d 4 四川夫学工程硕士学位论文 1 绪论 在市场经济条件下，顾客对产品的要求愈来愈高，这些要求可以归纳为5 个方面：完善实用的功能( f u n c t i o n ) 、尽可能短的交货时间( t i m e t o - m a r k e t ) 、 高的质最( q u a l i t y ) 、低的价格( c o s t ) 、优质的服务( s e r v i c e ) ，这5 个要素缺 一不可。制造商与用户构成对矛盾，为了赢得激烈竞争豹市场，就应尽可能 满足用户的要求。 随着科学技术的发展，新材料，新工艺，新技术的不断出现，产品的更新 换代周翘日益缩短。现代产品的特点主要表现在广泛采用现代技术，对产品的 功能、可靠性、效益提出更为严格的要求，而这些特点中。有5 0 6 0 是取决 于设计，新兴技术对机械产品渗透、改造和应用，使产品的功能和结构产生很 大的变化。视械产品在功能上的大踌越是现代产品最突出的特点，也是设计者 为之奋斗韵最主要的目标。因此，要不断研究和采用新的设计方法和技术。 1 ，1 现代设计与传统设计的发展过程 传统设计是一种经历了直觉设计、经验设计、半理论半经验设计3 个发展 阶段并于2 0 世纪5 0 年代后期形成的，至今仍被广泛采用的设计方法。它基本 上是凭借直接或间接的经验i 通过类比法来确定方案，然后以机械零件的强度 和刚度理论对确定的形状和尺寸进行必要的计算和验算，以满足限定的约束条 件。 由于运用的数据和计算是经验的总结和概括，因此总要受劐当时科学技术 条件的限制，其中疏忽了许多重要的因素而造成设计结果的不确切和错误。另 外，一个产品的开发需要经过设计、试翩、修改的反复循环，在当今机械产品 的功能、原理要创新，经济寿命周期缩短，技术更新速度加快的情况下，传统 的常规设计方法在设计科学性和周期上都显得十分不足： 现代设计法是- - i 新兴的多元交叉学科，于2 0 世纪6 0 年代初开始孕育， 经过多年的探索、研究和实践，已形成概括为功能论、优化论、智能论、系统 论、离散论、控制论、对应论、模糊论、艺术论等的科学方法学，是以设计产 巴删盔兰三堡堡主堂堡堡茎 品为目标的一个知识群体的总称。它运用了系统工程，实行人一机一环境系统一 体化设计，使设计思想更先进、设计进程更快、设计组织更合理化、现代化； 大力采用许多动态分析方法，使问题分析动态化；设计进程和设计战略、设计 方案和数据的选择广义优化；计算绘图计算机化，所以有人以动态、优化、计 算机化来概括其核心。现代设计方法有如下特点“。： 1 、程式性：现代设计法研究设计的全过程，要求设计者从产品规划、方 案设计、总体设计、技术设计、施工设计到试验、试制进行全面考虑，按部骤 有计划地进行设计。强调设计、生产与销售的一体化。设计不是单纯的科学技 术问题，要把市场需求、社会效益、经济成本、加工工艺、生产管理等问题统 一考虑，最终反映到质高、价廉的产品上。 2 、创造性：现代设计突出人的创造性，充分发挥设计者的创造性思维能 力及集体智慧，运用各种创造技法，力求探寻更多的突破性方案，开发创新产 品。 3 、系统 生：现代设计强调用系统工程处理技术系统问题。设计时分析各 部分的有机联系，力求系统整体最优，同时要考虑系统与外界的联系，即人机 环境的大系统关系。 4 、最优性：通过优化理论和技术，对技术系统进行方案优选、参数优化、 结构优化，争取使技术系统整体最优，以获得功能全、性自好、成本低价值优 的产品。 5 、综合性：现代设计法是一门综合性学科，突破了传统、经验、类比的 设计。采用逻辑、理论、系统的设计方法。在系统工程、创造工程的基础上运 用信息论、相似论、模糊论、可靠性、有限元、人机工程学及价值工程、预测 学等理论，同时采用集合、矩阵、图论等数学工具和计算机，总结设计规律， 提供多种解决问题的途径。 全面引入计算机辅助设计，提高设计速度和质量。计算机辅助设计不仅仅 在于汁算和绘图，在信息储存、预测、评价决策、动态模拟，特别是人工智能 方面，将发挥更大的作用。表1 1 即为传统设计与现代设计的区别。 2 四川大学工程硕士学位论文 比较内容传统设计现代设计 面向功能目标，将技术、经济和社会 设计性质侧重技术环境凶素结合在一起统筹考虑 在战略进程和战术 设计进程部骤有随意性强调设计进程及其步序的模式化 计算器、图板加手册充分利用电子计算机进行计算、自动 设计手段的个体手工业绘图和数据库管理，集团分工协作 以经验总结，规范依强调预测与信号分析及创造性的相互 设计方式据为主配合 只限于从方案到工贯穿开发的全过程，考虑全寿命周期 设计部署作图这个阶段的质量信息反馈 朝向结构方案的“收 设计思维敛性思维”面向总体功能目标的“发散性思维” 采用少数的验证性 分析以满足限定的多元性方法学直接综合使其在各种条 设计方法约束条件件下实现方案与全域优化目标 注重全局构成及协调，包括造型设计、 设计目标局限在微观和结构 宜人设计 设计考虑的工按确定工况与静态 况考虑研究动态的随机工况、模糊性 采用单项与人为准 4 f 设计评估 则采用科学的模糊综合评判 表1 1传统设计与现代设计比较表 1 2 模糊优化设计方法概述 关于最优化的概念在机械设计中其实早已存在。设计人员总是力图使自己 的设计能得到结构最紧凑、用料最省、成本最低、工作性能最好，即技术经济 指标最佳的结果。传统的设计方法往往是由设计人员作出几个候选方案，通过 分析评价后，选出较好的方案加以采用。这种选优的方案，在很大程度上带有 经验性，也有它一定的局限性。传统的选优思想，受到了时间、条件( 经费等) 和经验的限制。所能提供的方案数目非常有限，真正最优的方案通常不一定在 1 四川大学工程硕学位论文 提供的这些候选方案之中，因而要想取得一个最优方案很不容易。这种选优的方 案，只能称之为认可的方案。在计算机应用之前，人们曾用经典的函数极小化 概念，处理简单结构的优化设计问题，由于工程问题的复杂性，这种理论在实 际应用中受到了限制。 国外从7 0 年代、国内从8 0 年代开始，以数学规划论为基础，以计算机为 工具的优化设计技术取得了不断的发展和广泛的应用，收到了显著的效益。机 械优化设计愈来愈多地应用于产品的设计中，如零部件的优化设计、机构的优 化设计、工艺设备基本参数的优化设计、分系统的优化设计等，都取得了较明 显的技术和经济效果。许多机构经过优化设计后显著改善了动力学性能、提高 运动精度；机械结构设计应用优化方法较传统设计方法一般可节省材料7 4 0 。国际市场上更是不少产品依靠采用最优化设计来获取专利与竞争力。机械 优化设计方法的建立和得到发展距今并不算长，但进展速度却相当快。它可阱 使许多复杂的设计问题能够取得最优方案，提高设计质量和设计效率，改进产 品的效能，取得较大的经济效益，越来越受到工程技术人员的重视。机械优化 设计已成为现代机械设计理论和方法的一个十分重要的组成部分，它与计算机 机辅助设计结合起来，使设计过程实现基本自动化，是设计方法的一个重要发 展方向。可以预期：优化设计近几年内在我国将会被更多的工程技术人员掌握 和运用，为我国机械工业的现代化，在进一步提高产品质量、降低成本、缩短 生产周期等方面产生十分积极的、深远的影响。 模糊优化设计是将模糊理论与普通优化技术相结合的一种新的优化理论与 方法，是普通优化设计的延伸与发展。但是常规的优化设计把设计中的各种因 素均处理成确定的二值逻辑，忽略了事物客观存在的模糊性，使得设计变量和 目标函数不能达到应有的取值范围，往往会漏掉一些真正的优化方案，甚至会 带来一些矛盾的结果。事实上，不仅由于事物差异之间的中介过渡过程所带来 的事物普遍存在的模糊性，而且由于研究对象的复杂化，因此大部分要涉及到 模糊由于信息技术、人工智能的研究必然要考虑到模糊信息的识别与处理， 以及由于工程发计不仅要面向用户需求的多样化和个性化，还要以满足社会需 求为目标，并依赖社会环境、条件、自然资源、政治经济政策等比较强烈的模 糊性问题等等，这些都必然使上述领域的优化设计涉及种种模糊因素。如何处 理t 程设计中客观存在的大量模糊性，这正是模糊优化设计所要解决的问题。 4 四川大学工程硕士学位论文 1 3 虚拟设计方法 13 、1 虚拟设计及其主要研究内容 虚拟设计( v i r t u a d e s i g n ，v d ) 属于新兴设计方法，它是随着科学技 术的发展，特别是计算机辅助技术的发展，开始广泛地应用于企业的生产与制 造之中。由于虚拟设计技术在新产品开发过程中的应用，使产品设计更容易实 现人机交互，采用并行设计工作模式，系统考虑各种因素，使相关的人员之间 相互理解、相互支持，把握了新产品开发周期的全过程，提高了产品设计的一 次性成功l ”1 。运用虚拟设计方法，可以在产品设计初期，设计、分析和评估 产品的性能，确定和优化物理样机的参数，从而能降低新产品的开发风险、缩 短开发周期、提高产品性能。 虚拟设计和传统的c a d 技术之间主要差别在于： ( i ) v d 继承了原有c a d 的技术资源和成果，v d 是以硬件相对的高投入为代 价的： ( 2 ) 传统的c a d 技术往往重在交互、设计阶段，可视化程度不高，到原型生 产出来后才暴露问题； ( 3 ) 传统的c a d 技术无法利用除视觉以外的其他感觉功能； ( 4 ) 传统的c a d 技术无法进行深层次的设计，如可装配性分析和干涉检验 等。 另外，虚拟产品设计与其它设计过程进行数字连接，可实现新产品开发过 程的集成，使并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 得到充分体现与实施。从 而缩短开发时间，降低开发成本，发挥设计人员的创造性潜能。虚拟装配设计 ( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g n ) 是虚拟设计在新产品开发方面具有较大影响力的 一个方面。虚拟装配( v i r t u a la s s e m b y ) 采用计算机仿真与虚拟现实技术， 通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、装 配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。目前，就其技术而言， 已经成熟，虽尚没有商用虚拟装配系统，也尚未充分地应用于新产品开发的分 析和评价，但这项技术在新产品开发中已得到肯定，并具有很重要的意义。 随着计算机软硬件及网络环境技术的迅速发展，虚拟设计与制造技术作为 四川大学工程硕士学位论文 一门新兴的综合技术学科将逐步地应用到各个领域，它可以迅速建立起适应批 量生产能力快速转换的制造系统集成应用平台，在计算机上实现产品的虚拟设 计、性能分析和仿真、工艺设计、制造、装配，进行生产过程的质量控制，大 大缩短生产周期，提高产品质量，降低产品的生产成本。虚拟设计与制造技术 将成为产品开发、设计、制造的重要技术手段。与传统研制方法相比较，虚拟 设计采用动态数据交换，公用平台和高速网络通讯等手段，可以大幅度地减少 数据传递错误和缩短发计周期”l 。 32 虚拟设计特点 进行虚拟设计时，首先要在计算机中生成虚拟原型。通过这个虚拟原型， 我们可以做很多工作。 ( 1 ) 进行多方案对比，从中选出最佳方案。 ( 2 ) 设计者通过虚拟原型可以进行虚拟装配，以检查各零部件尺寸以及可装 配性，及时修改错误。 ( 3 ) 通过虚拟原型，可以进行虚拟试验，而不用再去做更多的实物试验，这 样既节省了时间又节约了费用。 1 、虚拟模型的建立 虚拟模型的建立包括如下方面的研究： ( 1 ) 基于微机的虚拟环境体系结构，计算机硬件发展的日新月异为基于微机 的普及型虚拟环境体系结构的建立提供了物质基础。 ( 2 ) 基于几何建模和图像相结合的建模方法和相关算法，采用虚物实化、实 物虚化、虚实结合、增强现实的方法既可以使模型的真实感强，又可以有效地 减少模型的数据量，以满足实时交互性的要求。 ( 3 ) 基于图像的虚拟现实关键技术，图像建模具有模型简单、数据量小的优 点，适台于微机环境的实时建模和浏览。 2 、物理属性的虚拟模型的建立 建立具有物理属性的虚拟模型有着巨大的应用价值。如果用它来进行虚拟 试验，既可以节省产品开发时间，又可以节约试验费用。在某些情况下，试验 的费用可能很大，甚至无法做试验。采用这种技术，设计人员将能设计出价格 低廉、满足顾客各种各样需求的产品。 6 四川大学工程硕学位论文 3 、分布式虚拟现实关键技术 ( i ) 通过利用客户瑞和服务器端的密码机来完成加密和解密工作，防止未 经授权的用户访问企业数据。 ( 2 ) 建立基于网络的虚拟企业。 ( 3 ) 研究不同设计方之间的标准数据交换格式。 ( 4 ) 实现机械产品网上交易和b2b 电子商务，完成企业内部和外部的电 子商务集成化。 随着多媒体技术软硬件发展，特别是虚拟现实技术与多媒体技术有机结合， 加快了设计人员从键盘和鼠标上解脱下来的速度，使虚拟设计技术在新产品开 发应用方面也得到提升。虽然目前仅是起步阶段，在通过多种传感器与多维的 信息环境进行自然的交互方面，及实现全方位的认识方面还有待于进一步提高， 但在新产品开发设计应用方面具有很大的潜力，而且应用前景广阔。应该深入 开发研究，使虚拟设计技术更好地帮助设计人员在新产品开发中提升设计创新 思维能力与产品设计水平。 1 3 3 虚拟设计软件的选择 “工欲善其事，必先利其器”，随着硬件性能的不断提高，作为能在p c 机 = | 进行虚拟设计的软件是相当重要的。市场上有很多商业化三维c a d 系统，比 如u g 、p r o e n g i n e e r 、t 等众多的软件，这些三维c a d 系统生成的产品模型， 可以直接输入到相应的系统中进行有限元分析、运动分析、加工模拟等工作， 从而可以大大地缩短产品的开发周期。 p r o e n g i n e e r 系统是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，简称p t c ) 的产品。p t c 公司提出的单一数据库、参数化、基于 特征、全相关的概念改变了机械c a d c a e c 埘的传统观念，这种全新的概念已 成为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代 机械c a d c a e c a m 产品p r o e n g i n e e r 软件能将设计至生产全过程集成到一起， 让所有的设计人员能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行 工程。以p r o e n g i n e e r 为代表的软件产品的总体设计思想体现了m d a ( m e c h a n i e ad e s i g na u t o m a t i o n ) 软件的新发展，p t c 也成为全球最大的、发 展最快的d a 厂商之一。p t c 公司开发、销售和支持的软件整体解决方案，实 7 四川大学工程硕士学位论文 现帮助制造企业先于其竞争对手而开发出优秀产品，并快速推向市场的根本目 标。p r o e n g in e e r 系统主要功能如下： ( 1 ) 真正的全相关住，任何地方的修改都会自动反映到所有棺关地方。 ( 2 ) 具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。 ( 3 ) 具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。 ( 4 ) 容易使用，可以极大地提高设计效率。 p r o e n g i - l e e r 在提供强大的造型、分析、加工、生产、制造、模具与钣金 功能的同时，也为用户提供了多种二次开发工具。如：族表( f a m i l yt a b l e ) 、 p r o p r o g r a m 、用户定义特征( u d f ) 、p r o t o o l k i t 等。 因为p r o e n g i n e e r 集成系统基本能实现虚拟设计过程中的建模、装配、分 析、仿真等功能，而且易于进行二次开发，因此选择p r o e n g i n e e r 作为动力换 档变速箱虚拟设计的软件平台。 m a t l a b 的含义是矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) ，它能方便矩阵的存 取，其摹本元素是无需定义维数的矩阵。m a t l a b 语言是一种优秀的数学软件， 它的核心是一个基于矩阵运算的快速解释程序，它以交互式接受用户输入的各 种指令，输出计算结果，它提供了一个开放式的集成环境，用户可以运行系统 的大量命令。为了使不同领域的人进行研究与处理工作中的问题，m a t l a b 提供 了大量的二 具箱。m a t l a b 经过十几年的完善和扩充，现已发展成为线性代数课 程的标准t 其。由于它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门 的痒函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的 问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。姒t l a b 语言是当今国际上科学界( 尤其是自动控制领域) 最具影响力、也是最有活力 的软件，它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言”1 。 它提供了丰富可靠的矩阵运算、数据照理、图形绘制、图像处理等便利工 具，用m a t l a b 编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题i 所以又被称为 演算纸式科学算法语言。在m a l l l a b 集应用程序和图形于一体的集成环境下，对 所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以数值或图形方 式显示出来。使用m a t l a b ，工作效率可以快速提高。另外，k l t a b 的工具箱很 多是由该领域的的权威人士编写的，跟踪着世界的前沿，所以基本上代表着世 界彰7 前沿。 四川大学工程硕士学位论文 m a t l a b 具有强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化 与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。所以选择_ 【a t l a b 作为动力 换档变速器模糊优化设计、柴油机与变矩器的匹配及牵引特性工具箱及动力换 档变速器运动仿真的软件平台。 1 4 本文的课题背景、研究意义和主要工作 141 课题的研究背景及意义 工程机械是各项基础设施建设必需的施工机械装备。十j 五期间，随着我国 国民经济加大基础设施的投入，特别是我国西部大开发战略的实施，工程机械 行业进入了高速发展阶段。工程机械的产品数量，生产规模及技术水平又上了 一个新台阶。我国的工程机械产品行业经过几十年的奋斗，在机械工业中已经 由一个弱小的行业发展成为仅次于电工机械、汽车、石化通用机械和农机，占 第五位的重要行业，在国际上也已成为名列第七位的生产大国m 。 动力换档变速器采用液力变矩器，大大改善了动力装置的输出特性，使得 机械在正常作业时，其原动机功率能得到充分发挥，当载荷增大时，变矩器能 在一定范围内降低转速，增大输出扭矩，保持原动机负荷变化较小，从而充分 利用原动机额定功率，提高传动系统零件的使用寿命。在液力机械传动系统中， 液力变矩器用液体作为传递动力的工作介质，原动机与传动系统无刚性联接， 能吸收来自外界及原动机的冲击和震动，减少传动系统的动载荷，因而提高了 机械的使用寿命。机械起步平稳，可得到任意小行驶速度，与机械传动系统相 比，操纵省力、简便，液力变矩器本身就相当于一个无级自动变速器，故变速 器排档可显著减少，加之采用动力换档，大大降低了司机的劳动强度。 动力换档变速器作为工程机械最重要的传动部件，从某种意义上来说决定 了工程机械的整体品质，特别对装载机、推土机、平地机等牵引型工程机械具 有特别重要的意义。当前世界工程机械向两极方向发展，特别是向小犁化及微 型化方向发展的趋势特别明显m ，。我国国产的动力换档变速器与国外公司的产 品相比有较大的差距，美国的卡特匹勒公司、日本的小松公司、德国的z f 公司 凭错强大的实力取得了很大的优势。因此，面对国外产品的竞争，如何满足工 程机械行业对动力换档变速器的巨大需求是一个重要问题。 9 四川大学工程硕士学位论文 本文将模糊优化设计、虚拟设计等快速开发设计技术应用于动力换档变速 器的新产品开发中，以提高新产品开发的质量与可靠性，同时也可降低新产品 开发的成本。从而能快速地对市场和用户需求作出反应，增强产品的市场竞争 力。、 142 论文的主要工作 ( 1 】分析实现动力换档变速器模糊优化与虚拟设计的方法和技术。 ( 2 ) 对动力换档变速器进行模糊优化设计。建立动力换档变速器模糊优化设 计数学模型，运用m a t l a b 优化工具箱的优化方法完成动力换档变速器模糊优化 改计，优化结果存储在数据文件中，保证了数据的准确性和完整性，方便后续 工作的调用。 ( 3 ) 完成柴油机与液力变矩器的匹配及装载机牵引特性曲线图。通过调用相 应的数据文件，对配置该动力换档变速器的装载机进行柴油机与液力变矩器匹 配，运用y a t l a b 软件完成匹配计算并绘制各曲线，编制装载机牵引特性曲线工 具箱。完成液力变矩器、动力换档交速器的散热计算。 ( 4 ) 运用雌t l a b 的s i m u l i n k 及s i m m e c h a n i c s 模块完成动力换档变速器的运 动仿真，对动力换档变速器在特定工况下的工作进行运动仿真，在计算机上直 观地了解该产品的运动规律。 ( 5 娘t 动力换档变速器进行虚拟建模。明确虚拟设计中产品的建模技术和方 法，充分利用p r o e n g i n e e r 所提供的各项造型命令和功能，完成动力换档变速 器的三维建模。完成渐开线圆柱齿轮的参数化建模，实现齿轮的参数化设计， 通过调入模糊优化设计结果的数据文件，完成动力换档变速器渐开线圆柱齿轮 的自动化没计。 ( 6 ) 对动力换档变速器进行虚拟装配仿真。明确动力换档变速器的虚拟装配 需要的技术和实现方法，在p r o e n g i n e e r 软件平台完成动力换档变速器的虚拟 装配。 ( 7 ) 运用p r o e n g i n e e r 完成由三维模型自动生成二维工程图纸，并结合 a u t o c a d 2 0 0 0 软件完成产品零部件的产品图。利用天喻c a p p 填卡系统完成产 品零部件的工艺单编制。 l o 四川大学工程硕士学位论文 1 5 小结 本章明确了现代设计方法在新产品设计开发中的重要作用，提出实现模糊 优化和虚拟设计实体建模的软件平台，介绍了动力换档变速器发展的背景以及 殴计动力换档变速器的重要意义和主要研究工作。 四川大学工程硕士学位论文 2 动力换档变速器模糊优化设计 2 1 机械优化设计的基本要素和数学模型 优化设计方法是一种规格七的设计方法，它首先要求将设计问题按优化设 计所规定的格式建立数学模型，选择合适的优化方法及计算机程序，然后再通 过计算机的计算，自动获得最优设计方案”。 工程设计问题的优化，可以表达为优选一组参数，使其设计指标达到最佳 值，且须满足一系列对参数选择的限制条件。这样的问题在数学上可以表述为： 在以等式或不等式表示的约束条件下求多变量函数的极小值或极大值问题，即 求 m i n f ( x ) = f ( x + ) x 矗 。】，x 2 ，x n 】1 对 受约束于g 。( x ) o u = l ，2 ，m h 。( x ) 2 0v 2 1 ，2 t ，pp n 吲此，优化设汁都应按此形式将工程设计问题作出数学上的描述，以适应 采用优化设计方法求解的需要，这就是所谓优化设计的数学模型。完整的规格 化厂的数学模型，包含二个内容，即数学模型二要素，它们足设计变量，目标 函数，约束函数“1 。 1 、设计变量 在工程设计中，区别不同的设计方案，通常是以一组取值不同的参数来表 示。这些参数可以足表示构件形状、大小、位置等的几何量，也可以足表示构 件质量、速度、加速度、力、力矩等的物理量。在构成一项设计方案的全部参 数中，可能有一部分参数根据实际情况预先确定了数值，它们在优化设计过程 中始终保持不变，这样的参数称为给定参数。另一部分参数则是需要优选的参 数它们的数值在优化设计过程中足变化的，这类参数称为设计变量，它们相 当于数学上的独立自变量。 设汁变量的数目越多，其设计空间的维数越高，能够组成的设计方案的数 最也就越多，因而设计的自由度也就越大，从而也就增加了问题的复杂程度。 四川大学工程硕士学位论文 一般来说，优化设计过程的计算量是随设计变量数目的增多而迅速增加的。因 此，对于个优化设计问题来说，应该恰当媳确定设计变量的灵敏度。尽可能 把那些对设计指标影响不大的参数取作给定参数，只保留那些对设计指标影响 显著的、比较活跃的参数作为设计变量，这样可以使优化设计的数学模型得到 简化。 设计变量通常是有取值范围的，即 ，x ，! 甄 ( i - 1 ，2 ，n ) 式中，a i 、b 。分别表示设计变量x i 的下界约束值和上界约束值。 2 、目标函数 每一个设计问题，都有一个或多个设计中所追求的目标，它们可以用设计 变量的函数来加以描述，在优化设计中称它们为目标函数。当给定一组设计变 量值时，就可计算出相应的目标函数值。因此，在优化设计中，就是用目标函 数值的大小来衡量设计方案的优劣的。优化设计的目的就是要求所选择的设计 变量使目标函数值达至最佳值。最佳值可能是极大值，也可能是极小值，由于 求目标函数f ( x ) 的极大化等价于求目标函数f ( x ) 的极小化，因此，为算 法和程序的统一，通常最优化就是指极小化，即f ( x ) 一m 幻。 在工程设计问题中，设计所追求的目标可能是各式各样的，当目标函数只 包含一项设计指标极小化时，称它为单目标设计问题。当目标函数包含多项设 计指标极小化时，这就是所谓的多目标设计问题。单目标优化设计问题，由于 指标单一，易于衡量设计方案的优劣，求解过程比较简单明确。而多目标问题 则比较复杂。多个指标往往构成矛盾，很难或者不可能同时达到极小值。多目 标问题的求解，较为简单的方法是采用线性加权的和的形式将多目标问题转为 一个单蜀标闯题求解，