计算机辅助半挂车配件_车轴系统参数化变型设计

1、计算机辅助半挂车配件车轴系统参数化变型设计方喜峰1 朱成顺1 张胜文1 任建利2(1江苏科技大学机械与动力工程学院 镇江 212003；2邯矿集团盛源公司 张家口 075000)摘要：车轴是车体上较为复杂的关键件，因其品种规格多、参数约束复杂，且其是易损件，导致设计工作量大、返工频繁。如何缩短产品的研制周期，找出故障的主要原因，文中引入参数化变型设计的原理及方法，分析了计算机辅助车轴系列自动装配设计并设计了变型设计系统总体结构图。最后以某型号车轴实例应用作了分析，验证了方法的可行性。关键词：车轴 参数化 变型设计中图分类号：TP391.72 TH1660 前言半挂车车轴是车体上较复杂的关键件，

2、必须满足多方面的性能要求，遵循一些法规和公认的标准要求。过去，我国在半挂车车轴部件的国产化方面，往往只注意到产品自身的几何形状、尺寸公差等，缺乏将产品原设计者可能的产品理念、运行实况、加工环境、材质状态等方面集成的考虑方式，造成了一些国产化试制过程的失误。以镇江宝华半挂车配件有限公司车轴系列产品而言，目前该企业在高速发展的过程中，产品市场订单很多，不同用户对产品的需求不同，型号、规格多种多样，产品研发能力跟不上。在产品开发工作中，由于缺乏先进技术手段的应用，导致图纸设计工作量大、重复劳动多、研发周期长，设计主要依靠设计人员的经验，缺乏科学的分析计算和优化，设计错误经常导致制造过程中图纸修改，造

3、成废品、返工等不必要的损失。加之我国在此领域的研究与开发水平与有关发达国家相比尚有很大差距，急需在半挂车配套关键零部件（如车轴、支承、悬架、牵引座和牵引销等）设计制造方面开展科学研究和技术开发工作，提升我国在半挂车配件设计与制造方面的技术水平。就目前来说，该企业车轴系列的设计方法依然停留在人工计算上，因此导致设计的精度和效率大为降低。车轴设计是一个经验性很强的行业，设计人员在长期工作中积累的经验与知识对车轴设计过程起着十分重要的影响。尽管CAX技术应用越来越广泛，但目前CAX技术大部分还停留在计算机辅助层次，难以胜任对产品开发的CAX技术提升到智能设计层次，实现这一飞跃可以通过人工智能和工程领

4、域知识，构建自动设计KBE（Knowledge Based Engineering）)系统来达到。本文通过对计算机辅助车轴设计软件的开发，将参数变型设计技术融于自动设计建模过程中，基于该模型建立了一种自动装配系统框架。在描述和分析该框架的基础上，给出了一个原型系统，并叙述了其实施过程。系统采用了高级语言Visual BasicApplication(VBA)与SQL*server2000数据库以及AutoCAD2002应用软件等16。1 参数化变型设计基本原理分析设计就其本身而言，可以从不同角度进行多方位的理解：从工作心理学角度看，设计是一种创造性的智力活动，而设计所涉及的各个专业领域里的知识

5、和经验也是非常必要的；从方法学角度看，设计是按给定的目标和在部分地相互矛盾的条件下的求优过程；从组织学角度看，设计是创造价值过程中的主要部分，是对毛坯进行精制的过程和对产品品质提高的过程的主要部分。变型设计是在不破坏原设计的基本原理和基本结构特征的基础上，选取相似实例，对此相似实例进行修改和完善。当进行变型设计时，首先将用户要求或设计任务分解，得到产品的基本功能原理和基本性能参数。依照一定的算法，把这些基本性能参数与事物特性表中的参数相匹配，从实例库中搜索出最相似的实例。提取此相似实例，参照优化计算的结果，在此基础上按照用户的要求进行实例的修改7。在修改的过程中，可能是简单的零部件局部的尺寸修

6、改，而结构完全一样，这属于产品规格的变化，可以通过参数化的零件模型来实现。也有可能是产品型号的改变，这时候产品的结构发生了局部变化，同时尺寸也有可能发生变化，这就要通过零件实例的相互组合来实现。当改变某个零件的结构形式或几何尺寸时，由于零件与零件之间不但有尺寸联接关系，而且存在着隐性的装配约束关系（包括位置关系，联接关系，运动关系等），所以整个装配体也随零部件的变化发生相应的变化，而此时装配模型并没有被破坏。在变型过程中，首先要兼顾装配模型的基本装配关系和装配约束，同时对修改后的装配体进行装配性能的分析，基于装配规则和知识进行推理，对装配性能做出判断和决策。必要时进行人机交互，通过装配模型的自

7、学习功能使规则和知识不断完善，最后得到变型结果。在进行装配性能分析时，可能产生一些新的规则和知识，应将这些新规则存入装配规则库和知识库中。由于变型过程中也有可能产生一些新的装配关系和装配约束，所以装配模型会不断更新，下次变型时参照的将是新的装配模型。变型结果也应该以新的实例存入实例库。半挂车车轴参数化变型设计系统是专门针对半挂车车轴而开发的一种实现装配图参数化变型设计的软件。软件通过语言编程来建立半挂车车轴零件之间的装配约束，企业只需要根据客户需要输入必要的参数，就可以通过该软件驱动图形，最终变型后的装配图输出到CAD界面，通过打印设备即可出工程图指导工作实际。当然，在课题开发之前，要对其进行

8、成本效益、市场需求、生产规模和费用估计，以及可行性分析。变型过程中依据的整个产品模型也是一个动态的模型。半挂车车轴参数化变型设计软件建模过程，如图1所示。图1 系统工作流程图2 车轴参数化变型自动设计系统设计与实现2.1 半挂车车轴系统参数化变型设计系统研制过程在车轴参数化变型设计软件的研制过程中，首先要了解和分析用户的问题，以及经济、技术和时间等方面的可行性。然后将用户的需求规范化、形式化，编写成需求说明书及初步的系统用户手册，提交评审。将软件需求设计为软件过程描述，即设计人员将确定的各项需求转化成一个相应的体系结构。结构的每一组成部分都是意义明确的模块，每个模块都与某些需求相对应。编辑代码

9、，就是把过程描述编辑成机器可执行的代码。测试目的是发现错误，进行改正。维护主要包括故障的排斥以及为适应使用环境的变化和用户对软件提出新的要求所作的更改。考虑用户使用本系统的便捷与高效，本次开发过程中，经过多次调试与修改，最终采用如图2的系统功能模块。参变模菜单模块帮助模块图2 半挂车车轴参数化变型设计主要功能模块2.2 半挂车车轴力学模型工程上常用的塑性材料，除低碳钢外，还有中碳钢、某些高碳钢和合金钢、铝合金、青铜、黄铜等。其中有些材料，如16Mn钢，和低碳钢一样，有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段。有些材料，如黄铜H62，没有屈服阶段，但其他三个阶段很明显。还有些材料，如高碳

10、钢T10A，没有屈服阶段和局部变形阶段，只有弹性阶段和强化阶段。在工程实际中，常见的弯曲应力问题多为横力弯曲，纯弯曲情况很少。半挂车车轴在工作过程中主要受到车体的压力和刹车是摩擦片抱轴时的扭矩。而车轴部件的薄弱点在轴头的焊接处，此处容易在工作过程中被撕裂。因此此处的校核，是设计过程的重点同时也是难点。参数化变型设计不但要满足结构合理同样要满足刚度和强度要求。因此在开发半挂车车轴参数化变型系统前，需要考虑轴的受力强度校核。车轴在工作的过程中一般要受到扭曲力、各种冲击和振动，但最主要的是车体本身以及车的载重作用在轴上的合力。机械振动影响各种机械的工作性能，导致结构的疲劳损伤，危害机器的安全运行及产

11、生噪声。半挂车车轴在工作过程中会受到各种随机的振动和冲击。车轴的力学分析部分适用于按许用弯曲应力法计算出轴的轴径、轴承个数(支承点个数)等。如需进行其它设备产品校核可对程序校核部分稍加修改并预留二次开发接口。部分代码如下： T = 9550000 * P / n1 Ft = 2 * T / d1 /圆周力Fr = Ft * Tan(20 * 3.1415926 / 180) / Cos(beta) /径向力Fa = Ft * Tan(beta) /轴向力Dim Mb1 As Double /各点弯矩Dim Mb2 As DoubleDim Mc As DoubleMb1 = Sqr(Mhb1

12、* Mhb1 + Mvb * Mvb)Mb2 = Sqr(Mhb2 * Mhb2 + Mvb * Mvb)Mc = Sqr(Mhc * Mhc + Mvc * Mvc)Private Sub Combo1_Click()sql = "select * from jc1 where 轴材料的强度极限='" + Combo1.Text + "'" 数据库的定义和自动调用的部分程序代码如下： Adodc1.RecordSource = sqlAdodc1.RefreshWith Adodc1.RecordsetIf .RecordCount &

13、gt; 0 ThenText11.Text = .Fields("对称循环许用弯曲应力")Text12.Text = .Fields("脉动循环许用弯曲应力")End IfEnd WithEnd SubAdodc1.RecordSource = "select * from jc1"Adodc1.Refreshrs = "select 轴材料的强度极限 from jc1"Adodc1.RecordSource = rsAdodc1.Refresh图3为车轴参数化设计交互式操作界面显示。图3 车轴参数化变型设计交互式

14、操作3 实例应用基于参数化变型设计技术，以某型号车轴为研究对象，设计了一个自动设计系统。基本过程是：当用户输入正确的用户名和密码后，可进入变型设计系统进行操作。进入参数维护界面，可调入或输入各种参数，也可以进行维护、修改等操作。应注意不要输入不符合实际要求的参数，否则，无法进行变型设计（系统会提示相关信息），如图3所示。当正确输入完所有相关参数后，点击图中“确定”按钮，系统进行运算后，将进入车轴力学分析界面，如图4所示，同时在程序中进行材料、优化计算，将车轴模型实例化，就得到一个车轴实例。用户发现车轴变型设计并不理想，可重新“返回”操作。图5和图6，可以直观感受到参数化变型的实际应用。图5是企

15、业目前产品的一种规格，而图6是通过本软件参数化变型后输出的一种新的规格尺寸的产品。图4 车轴力学分析4 结束语本文通过分析基于参数化变型设计的原理和方法，结合车轴系列产品的参数化变型设计实例，详细地阐述了其设计方法。设计结果显示，运用参数化变型设计技术，不仅能减少常规文件的大小，加快了设计与开发而且易学易懂。目前该系统已部分交付使用和维护，运行效果很好。本文采用高级语言Visual Basic Application(VBA)与SQL*server2000数据库的数据接口技术以及AutoCAD2000应用软件等，从而实现了图形与非图形信息的集成，能使设计过程所见即所得，很好地实现车轴参数化变型

16、自动设计。参 考 文 献STUDY ON CARRIAGE AXLE DESIGN BASEDON PARAMETER VARIABLE DESIGN TECHNOLOGYFANG Xifeng ZHU Chengshun ZHANG Shengwen1 REN Jianli2(1. Machinery-dynamics Engineering Institute, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China;2. Shengyuan Coal Mine of Handan Mining Group,

17、 Zhangjiakou 075000, China)Abstract: Carriage axle is a key part for the carriage body. According to its many standards, parameter constraint and easydamage, the design for the axle is very complicated. How to decrease the design time and find the main failure or error of theaxle is a key problem. The parameter variable design is adopted and the computer aided carriage series axle assembling