多功能翻转机架的功能重构与创成设计＊

李建心

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

多功能拆装用翻转机架技术和功能方面的提升改进在国内还没有明显的进步。它应该在发动机的展示、拆装、维修等方面实现功能上的统一，并且在人机工程方面应该更趋合理化；基于这些因素，进行详细的传动系统及结构外形计算和三维创成设计，巧妙设计出了多功能拆装用翻转机架。它具有的优点是：承载部分带动发动机可以在整周内自由转动，而且在任何位置可以实现多点自锁，底座上的万向转轮可以实现多功能拆装用翻转机架的灵活运动和在不同场合使用它的需求。机架体设计采用上下箱体装配重构式，而不是通常的焊接式的箱体，以便于传动系统的离散重构，从而把用两端承载轴的传统性设计进行了创成优化。

1 创成设计

1.1 传动件创成设计

在概念设计阶段考虑到多功能拆装用翻转机架在其工作过程当中，要实现大减速比的要求，功能满足手动和电动操作要求。手轮在转动时承载部分带动安装在上面的发动机的转速要明显的减少，即要有较大的传动比。手轮的工作平面与承载部分的工作平面不在同一个平面上，并且要求承载部分能在整周范围内转动，而且可以在任何点上能实现自锁。权衡比较了所有的机电传动方案，譬如齿轮传动、凸轮传动和链轮传动等，最后选择了多功能拆装用翻转机架的蜗杆蜗轮传动方案，该传动方案占据空间小、结构紧凑和大传动比，两者啮合处的当量摩擦角度同蜗杆螺旋线的升角度相比较，蜗轮只可做从动件、蜗杆只可是主动件，反之而不能。下面阐述关键传动件蜗轮及蜗杆的三维创成设计过程。

绘制蜗轮的四个基本圆：新建文件将类型设置为实体→取消使用缺省模板复选框→定义草绘环境后草绘蜗轮的基本圆曲线。

绘制蜗轮的渐开线：在曲线选项对话框中点选笛卡尔坐标系→在弹出的对话框里添加渐开线的参数方程→绘制的蜗轮的渐开线。

绘制蜗轮的扫描轨迹及投影线：通过旋转命令→在旋转操纵区中定义草绘环境后绘制蜗轮的扫描轨迹（如图1所示）→选择编辑菜单中的投影命令→选取基准平面和参照平面绘制蜗轮投影线（如图2 所示）。

创建蜗轮的实体及蜗轮的轮齿：采用拉伸命令→定义草绘环境后绘制蜗轮草图→创建蜗轮实体→再通过变截面扫描绘制蜗轮的轮齿→将轮齿阵列后进行相应的修整。

创建蜗轮的键槽及配合的轴：根据键的尺寸创建键后完成蜗轮的创建→依据蜗轮的尺寸参数创建与其相配合的轴（如图3所示）。

创建蜗杆的难点是螺旋部分：定义草绘环境选取基准平面和参照平面→绘制草图后完成蜗杆轴的创建→通过螺旋扫描中的伸出项命令定义好草绘环境→绘制草图设置螺距后在创建的实体上创建键槽即完成蜗杆的创建（如图4所示）。

图1 绘制扫描轨迹

图2 绘制蜗轮投影线

图3 蜗轮数模

图4 蜗杆数模

1.2 结构件创成设计

翻转机架箱体盖的创建：定义草绘环境并选取基准平面与参照平面，绘制翻转机架基体的草图后通过拉伸等命令创建翻转机架的基体；在所创建的翻转机架箱盖的基体上，参照轴承孔及其螺栓孔的尺寸参量，定义草绘环境后并选取草绘平面，绘制轴承孔和螺栓孔的草图并完成轴承孔和螺栓孔的创建；在所创建的箱体盖顶部，如前面操作的方法创建方形透视窗孔，完成后进行倒角操作即完成箱体盖的创成设计如图5所示。

图5 箱盖数模

图6 绘制蜗轮投影线

图7 蜗轮数模

在构建全部零件的基础上开始翻转机架的总装。

定义装配环境后新建文件并选择整体按钮，将子类型选为设计并取消使用缺省模板复选框，在装配操作界面中的工程特征用户界面里单击将元件添加到组件按钮，打开名称是XIAXIANGTI.PRT 的下箱体零件数模，在装配定义区中把约束的形式定为坐标系，再把绘图界面中两坐标系进行重合。

装配蜗轮蜗杆传动机构是通过将元件添加到组件的命令，打开已创建的蜗杆蜗轮及配合轴承的零件数模，在安装定义区中的约束的形式里点选匹配，然后单击安装定义区上的放置区中的新建约束按钮和对齐、插入等约束完成小装配如图6所示。

装配箱体箱盖及承载结构是通过将元件添加到组件命令，打开已创建的箱盖及承载部分的零件数模，通过匹配、对齐等约束完成装配。装配底座操作手轮是通过将元件添加到组件命令，打开已创建的底座及手轮的零件后通过匹配、对齐等约束完成组装，再将所有的紧固件螺栓螺母装配上。将所有已经创建的零件数模组装完成后即完成多功能拆装用翻转机架的总体装配如图7所示。

2 功能重构设计

为了满足不同应用场合的汽车手动、自动变速器和汽油、柴油发动机的拆卸、安装与测绘展示，所以把手动及自动翻转机架设计为一系列的A、B、C、D 等四种类型的功能结构，根据需要实现多种功能的重构，重构实体类型如图8所示。

图8 功能重构设计的四种类型

3 多态优算分析

因为多功能拆装用翻转机架工作在静态、动态、模态等状态下，受温度场、重力场等的耦合作用，需要对集中载荷、冲击载荷、非周期振动载荷的响应做有限元分析，依据优算设计参量重构功能优化方案。譬如上箱盖的有限元静态分析：导入Pro／e数模如图9所示、网格划分效果图如图10所示、X-direction位移图如图11所示、总应变强度图如图12所示。

图9 导入Pro／e数模

图10 网格划分效果图

图11 X-direction位移图

图12 总应变强度图

4 结束语

多功能拆装用翻转机架作为车辆专业创新实验中必不可少的装备，基于大型集成化三维设计软件的建模平台，采用模块化创成设计理念，完成了多功能拆装用翻转机架的数模总装。不仅保留了传统的移动和固定式拆装翻用转机架所具有的结构特点，而且把翻转机架设计成整周内任意点可转动自锁，功能重构扩大了其在不同场合应用范围，优算分析提高了使用可靠性和效率，更加简约精益化的设 计必然是汽车部件发动机拆装翻转机架的发展趋势，对其结构创成设计和多态分析是汽车技术创新思维模式的有益探索。

［1］凌桂龙，李战芬.ANSYS14.0从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2013：91-98.

［2］纪名刚，濮良贵.机械设计［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006：162-169.