多功能翻轉(zhuǎn)機(jī)架的功能重構(gòu)與創(chuàng)成設(shè)計(jì)＊

李建心

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

多功能拆裝用翻轉(zhuǎn)機(jī)架技術(shù)和功能方面的提升改進(jìn)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有明顯的進(jìn)步。它應(yīng)該在發(fā)動(dòng)機(jī)的展示、拆裝、維修等方面實(shí)現(xiàn)功能上的統(tǒng)一，并且在人機(jī)工程方面應(yīng)該更趨合理化；基于這些因素，進(jìn)行詳細(xì)的傳動(dòng)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)外形計(jì)算和三維創(chuàng)成設(shè)計(jì)，巧妙設(shè)計(jì)出了多功能拆裝用翻轉(zhuǎn)機(jī)架。它具有的優(yōu)點(diǎn)是：承載部分帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以在整周內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而且在任何位置可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)自鎖，底座上的萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪可以實(shí)現(xiàn)多功能拆裝用翻轉(zhuǎn)機(jī)架的靈活運(yùn)動(dòng)和在不同場(chǎng)合使用它的需求。機(jī)架體設(shè)計(jì)采用上下箱體裝配重構(gòu)式，而不是通常的焊接式的箱體，以便于傳動(dòng)系統(tǒng)的離散重構(gòu)，從而把用兩端承載軸的傳統(tǒng)性設(shè)計(jì)進(jìn)行了創(chuàng)成優(yōu)化。

1 創(chuàng)成設(shè)計(jì)

1.1 傳動(dòng)件創(chuàng)成設(shè)計(jì)

在概念設(shè)計(jì)階段考慮到多功能拆裝用翻轉(zhuǎn)機(jī)架在其工作過(guò)程當(dāng)中，要實(shí)現(xiàn)大減速比的要求，功能滿足手動(dòng)和電動(dòng)操作要求。手輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承載部分帶動(dòng)安裝在上面的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要明顯的減少，即要有較大的傳動(dòng)比。手輪的工作平面與承載部分的工作平面不在同一個(gè)平面上，并且要求承載部分能在整周范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且可以在任何點(diǎn)上能實(shí)現(xiàn)自鎖。權(quán)衡比較了所有的機(jī)電傳動(dòng)方案，譬如齒輪傳動(dòng)、凸輪傳動(dòng)和鏈輪傳動(dòng)等，最后選擇了多功能拆裝用翻轉(zhuǎn)機(jī)架的蝸桿蝸輪傳動(dòng)方案，該傳動(dòng)方案占據(jù)空間小、結(jié)構(gòu)緊湊和大傳動(dòng)比，兩者嚙合處的當(dāng)量摩擦角度同蝸桿螺旋線的升角度相比較，蝸輪只可做從動(dòng)件、蝸桿只可是主動(dòng)件，反之而不能。下面闡述關(guān)鍵傳動(dòng)件蝸輪及蝸桿的三維創(chuàng)成設(shè)計(jì)過(guò)程。

繪制蝸輪的四個(gè)基本圓：新建文件將類型設(shè)置為實(shí)體→取消使用缺省模板復(fù)選框→定義草繪環(huán)境后草繪蝸輪的基本圓曲線。

繪制蝸輪的漸開(kāi)線：在曲線選項(xiàng)對(duì)話框中點(diǎn)選笛卡爾坐標(biāo)系→在彈出的對(duì)話框里添加漸開(kāi)線的參數(shù)方程→繪制的蝸輪的漸開(kāi)線。

繪制蝸輪的掃描軌跡及投影線：通過(guò)旋轉(zhuǎn)命令→在旋轉(zhuǎn)操縱區(qū)中定義草繪環(huán)境后繪制蝸輪的掃描軌跡（如圖1所示）→選擇編輯菜單中的投影命令→選取基準(zhǔn)平面和參照平面繪制蝸輪投影線（如圖2 所示）。

創(chuàng)建蝸輪的實(shí)體及蝸輪的輪齒：采用拉伸命令→定義草繪環(huán)境后繪制蝸輪草圖→創(chuàng)建蝸輪實(shí)體→再通過(guò)變截面掃描繪制蝸輪的輪齒→將輪齒陣列后進(jìn)行相應(yīng)的修整。

創(chuàng)建蝸輪的鍵槽及配合的軸：根據(jù)鍵的尺寸創(chuàng)建鍵后完成蝸輪的創(chuàng)建→依據(jù)蝸輪的尺寸參數(shù)創(chuàng)建與其相配合的軸（如圖3所示）。

創(chuàng)建蝸桿的難點(diǎn)是螺旋部分：定義草繪環(huán)境選取基準(zhǔn)平面和參照平面→繪制草圖后完成蝸桿軸的創(chuàng)建→通過(guò)螺旋掃描中的伸出項(xiàng)命令定義好草繪環(huán)境→繪制草圖設(shè)置螺距后在創(chuàng)建的實(shí)體上創(chuàng)建鍵槽即完成蝸桿的創(chuàng)建（如圖4所示）。

圖1 繪制掃描軌跡

圖2 繪制蝸輪投影線

圖3 蝸輪數(shù)模

圖4 蝸桿數(shù)模

1.2 結(jié)構(gòu)件創(chuàng)成設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)架箱體蓋的創(chuàng)建：定義草繪環(huán)境并選取基準(zhǔn)平面與參照平面，繪制翻轉(zhuǎn)機(jī)架基體的草圖后通過(guò)拉伸等命令創(chuàng)建翻轉(zhuǎn)機(jī)架的基體；在所創(chuàng)建的翻轉(zhuǎn)機(jī)架箱蓋的基體上，參照軸承孔及其螺栓孔的尺寸參量，定義草繪環(huán)境后并選取草繪平面，繪制軸承孔和螺栓孔的草圖并完成軸承孔和螺栓孔的創(chuàng)建；在所創(chuàng)建的箱體蓋頂部，如前面操作的方法創(chuàng)建方形透視窗孔，完成后進(jìn)行倒角操作即完成箱體蓋的創(chuàng)成設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 箱蓋數(shù)模

圖6 繪制蝸輪投影線

圖7 蝸輪數(shù)模

在構(gòu)建全部零件的基礎(chǔ)上開(kāi)始翻轉(zhuǎn)機(jī)架的總裝。

定義裝配環(huán)境后新建文件并選擇整體按鈕，將子類型選為設(shè)計(jì)并取消使用缺省模板復(fù)選框，在裝配操作界面中的工程特征用戶界面里單擊將元件添加到組件按鈕，打開(kāi)名稱是XIAXIANGTI.PRT 的下箱體零件數(shù)模，在裝配定義區(qū)中把約束的形式定為坐標(biāo)系，再把繪圖界面中兩坐標(biāo)系進(jìn)行重合。

裝配蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)將元件添加到組件的命令，打開(kāi)已創(chuàng)建的蝸桿蝸輪及配合軸承的零件數(shù)模，在安裝定義區(qū)中的約束的形式里點(diǎn)選匹配，然后單擊安裝定義區(qū)上的放置區(qū)中的新建約束按鈕和對(duì)齊、插入等約束完成小裝配如圖6所示。

裝配箱體箱蓋及承載結(jié)構(gòu)是通過(guò)將元件添加到組件命令，打開(kāi)已創(chuàng)建的箱蓋及承載部分的零件數(shù)模，通過(guò)匹配、對(duì)齊等約束完成裝配。裝配底座操作手輪是通過(guò)將元件添加到組件命令，打開(kāi)已創(chuàng)建的底座及手輪的零件后通過(guò)匹配、對(duì)齊等約束完成組裝，再將所有的緊固件螺栓螺母裝配上。將所有已經(jīng)創(chuàng)建的零件數(shù)模組裝完成后即完成多功能拆裝用翻轉(zhuǎn)機(jī)架的總體裝配如圖7所示。

2 功能重構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的汽車手動(dòng)、自動(dòng)變速器和汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的拆卸、安裝與測(cè)繪展示，所以把手動(dòng)及自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)架設(shè)計(jì)為一系列的A、B、C、D 等四種類型的功能結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)多種功能的重構(gòu)，重構(gòu)實(shí)體類型如圖8所示。

圖8 功能重構(gòu)設(shè)計(jì)的四種類型

3 多態(tài)優(yōu)算分析

因?yàn)槎喙δ懿鹧b用翻轉(zhuǎn)機(jī)架工作在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、模態(tài)等狀態(tài)下，受溫度場(chǎng)、重力場(chǎng)等的耦合作用，需要對(duì)集中載荷、沖擊載荷、非周期振動(dòng)載荷的響應(yīng)做有限元分析，依據(jù)優(yōu)算設(shè)計(jì)參量重構(gòu)功能優(yōu)化方案。譬如上箱蓋的有限元靜態(tài)分析：導(dǎo)入Pro／e數(shù)模如圖9所示、網(wǎng)格劃分效果圖如圖10所示、X-direction位移圖如圖11所示、總應(yīng)變強(qiáng)度圖如圖12所示。

圖9 導(dǎo)入Pro／e數(shù)模

圖10 網(wǎng)格劃分效果圖

圖11 X-direction位移圖

圖12 總應(yīng)變強(qiáng)度圖

4 結(jié)束語(yǔ)

多功能拆裝用翻轉(zhuǎn)機(jī)架作為車輛專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中必不可少的裝備，基于大型集成化三維設(shè)計(jì)軟件的建模平臺(tái)，采用模塊化創(chuàng)成設(shè)計(jì)理念，完成了多功能拆裝用翻轉(zhuǎn)機(jī)架的數(shù)?？傃b。不僅保留了傳統(tǒng)的移動(dòng)和固定式拆裝翻用轉(zhuǎn)機(jī)架所具有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且把翻轉(zhuǎn)機(jī)架設(shè)計(jì)成整周內(nèi)任意點(diǎn)可轉(zhuǎn)動(dòng)自鎖，功能重構(gòu)擴(kuò)大了其在不同場(chǎng)合應(yīng)用范圍，優(yōu)算分析提高了使用可靠性和效率，更加簡(jiǎn)約精益化的設(shè) 計(jì)必然是汽車部件發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝翻轉(zhuǎn)機(jī)架的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其結(jié)構(gòu)創(chuàng)成設(shè)計(jì)和多態(tài)分析是汽車技術(shù)創(chuàng)新思維模式的有益探索。

［1］凌桂龍，李戰(zhàn)芬.ANSYS14.0從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013：91-98.

［2］紀(jì)名剛，濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006：162-169.