减速机箱体造型创新设计与参数化建模研究

李 勇， 孙千涛， 付晓莉

(中原工学院 机电学院， 河南 郑州 450007)

随着经济全球化的发展，越来越多的国内工业产品外观造型设计相互模仿，缺乏自主创新，产品造型较为呆板。减速机箱体外观造型设计也不例外，众多国外产品设计思潮涌入我国，导致国内减速机企业对欧美设计思想纯粹模仿甚至照搬。为建立适用于我国国情的工业产品设计思想，相关学者进行了大量的研究，如付晓莉等从概念设计和品牌文化等方面对工业通用减速机造型设计进行了研究[1]，张家祺等研究了五行学说对产品创新设计的影响[2]。本文在分析适用于减速机外观造型设计的中国传统文化元素的基础上，利用工业设计方法，对减速机外观造型进行参数化建模和结构分析。

1 减速机箱体外观造型创新设计方法

对减速机箱体外观造型进行设计时，可以借鉴我国历史器物、标志性图案和文化特质产品，将传统文化元素有机地融入产品造型设计中。例如，将"中国奥运"标志融入笔记本设计中，从而形成谭玉燕笔记本；将龙的形态融入音响设备设计中，形成具有龙传人韵味的音响产品。但是，目前大部分设计多有拿来成分，缺乏新颖性和实质性的创新。好的产品外观设计不仅可把传统文化元素体现于产品表面，起到美化产品外观的作用，而且能够将传统文化的精髓包含其中。

1.1 整体形态抽象设计

整体形态抽象设计方法是对传统文化元素中有代表性的器物整体形态、寓意等进行有效提取，巧妙地组织到新产品设计之中，赋予产品一定文化内涵，达到对传统文化元素的继承。例如，减速机箱体整体造型与中国传统器物“钟”的主体感知和思维结构巧妙融合，浑然天成，使减速机箱体外观大方、稳重(见图1)。

(a)大钟 (b)箱体整体形态图1 整体形态抽象设计示例

1.2 模块化融合设计

模块化融合设计方法是结合现代产品外观造型设计特点，对传统文化中某些具有特定文化寓意的图案元素进行有效提取，融入新产品某个模块造型设计中，从而颠覆人们对指定产品的传统心态。例如，将减速机箱体盖板外观和中国传统文化“盘肠”有效结合，设计出具有浓郁中国味的产品(见图2)。

(a)“盘肠” (b)箱体盖板外观图2 模块化融合设计示例

1.3 组合协调设计

对不同文化元素进行组合协调设计是实现形态创新的重要前提。运用组合协调设计方法时，首先要分析产品外观造型整体和部分形态的大致设计情况，然后将整体形态抽象设计方法和模块化融合设计方法有效组合起来，找出能够充分体现该产品文化特征的表达方式。该设计方法一般是将多种文化元素融入产品外观造型设计中，巧妙运用多学科理论，通过感性与现实的碰撞，让客户更快地接纳新产品。组合协调设计的程序如图3所示。

图3 组合协调设计的程序

2 减速机箱体外观造型创新设计元素

中国传统文化丰富多彩，博大精深。在深厚的中华民族情结中,吉祥纹案、吉祥造型及吉祥色彩的象征性语言承载着丰厚的中国传统民俗文化内涵，对于现代产品创新设计具有重要的借鉴意义和应用价值。在产品创新设计中，可运用这些吉祥寓意传播祝福文化, 满足消费者祈福纳祥的美好愿望。

2.1 大钟、编钟构型

在古代，“钟”是一种计时和打击乐器；现今“钟”代表着话语权、文化主导权。钟的外形大方、稳重，其铸造工艺是古代铸造技术的一个缩影。分析大钟、编钟造型元素有助于现代工业产品设计与创新。对编钟、大钟符号的造型提取可从如下三方面考量：外形提取、纹饰提取、整体提取(见图4)。

(a)外形提取 (b)纹饰提取 (c)整体提取图4 大钟构型

2.2 龙字构型

龙文化在中国传统文化中举足轻重，是中国文化的代表符号。龙的精神积极向上，是坚毅、强大、奋发、进取的代表，也是造福人类的精神。将龙造型元素与减速机主体特征的散热加强筋造型有机结合起来，可以把中华民族最具代表性的图腾融入减速机造型设计中(见图5)。

(a)“龙”字 (b)加强筋纹路 (c)盖板纹路图5 龙字构型

2.3 回纹构型

回纹的形状源自中国汉字"回"，在中国民间被称为富贵不断头的一种纹样。在减速机造型设计中，散热功能线的主要表现特征就是直线条的变化，可以运用回纹的象征寓意来展示企业品牌文化，实现对中国传统文化的传播(见图6)。

(a)“回纹”图案 (b)提取纹路 图6 回纹构型

3 减速机箱体外观造型参数化建模

3.1 散热筋的参数化建模

本文以K系减速机箱体散热筋为研究对象，设计了龙字构型的散热筋。对该构型进行参数化设计[3]时，首先考虑散热筋的结构，确定散热筋的合理形状和全部结构尺寸；其次设法让散热筋纹路具有良好的可加工性。在选取尺寸时，不仅要考虑散热筋在减速机箱体上合理的位置，还要考虑散热筋的长度和宽度以及散热筋之间的距离。一般可根据设计经验来确定散热筋在减速机箱体整体造型中的位置关系。散热筋设计参数选取如图7所示。

注：散热筋之间的距离H=11 mm；散热筋的设计长度L=72 mm；设计宽度W=6 mm。图7 散热筋设计参数示意图

利用CATIA软件，以表格驱动方式[4]建立散热筋的参数化模型时，首先，在箱体上建立散热筋的三维实体原始模型，选择知识工程函数，将散热筋的约束参数用函数的形式表示出来；其次，应用表格驱动，将散热筋各尺寸的可能取值添加到相应表格中并保存，建立表中数据与三维模型参数特征的联系[5]。用户只需改变表中相关参数值就可获得所需模型。例如，针对散热筋的三维实体原始模型，改变散热筋宽度W可得三维实体参数化模型(见图8)。

(a)原始模型 (b)参数化模型图8 散热筋模型

3.2 轴承座的参数化建模

改变轴承座的设计参数，可以对其进行参数化建模。在轴承座尺寸选取时，一般应考虑其横截面轮廓形状的完整性。以四角圆弧轴承座设计为例，首先要确定轴承座在减速机箱体上合理的位置(一般由箱体内部齿轮关系确定)；其次要考虑轴承座的长度、宽度以及四角圆弧半径和轴孔半径。设轴承座设计长度为L1，宽度为W1，四角圆弧半径为r，轴孔半径为r1(见图9),则：

L1=θW1

(1)

l=L1-2r

(2)

式中：θ为L1和W1之间的比例系数，当θ=1时，轴承座的横截面为正方形；l为轴承座底边长度，当r等于1/2L1时，l为零，轴承座的横截面轮廓形状为圆形。

图9 轴承座尺寸示意图

根据以上约束原则，本文轴承座尺寸设计为：L1=72 mm，W1=70 mm，l=40 mm。

同样，利用CATIA设计软件，以表格驱动方式可完成轴承座的三维参数化建模。轴承座的参数化建模过程类似于散热筋建模过程，但二者也有不同之处。

首先，建立轴承座的三维实体模型，根据所选参数建立轴的基本轮廓；其次，进行实体拉伸和适当修饰，完成轴承座的原始模型；然后，将轴承座的相关尺寸用函数的形式表示出来；最后，建立表中数据与三维模型参数特征的联系，改变表中相关参数便可获得所需模型。改变轴承座四角圆弧半径参数得到的三维参数化模型如图10所示。

(a)原始模型 (b)参数化模型图10 轴承座模型

为了对新型减速机箱体的使用性能进行验证，将新箱体导入HyperMesh软件中进行网格划分，然后导入Ansys有限元分析软件进行力学分析，检查其综合力学性能是否具有机械制造的可行性，以及新的造型特征是否满足铸造工艺和使用性能要求。如果它不满足减速机箱体的使用性能要求，就需要再次进行设计，直至达到要求为止。

4 结 语

对大量国内外减速机箱体外观造型分析和研究的基础上，以打造减速机自主品牌为理念，将我国优秀传统文化元素应用到减速机外观造型创新设计中，提出一些创新性的造型设计方案，并对其进行了设计验证。这不仅有利于我国减速机企业打造自主品牌，同时也能够增强消费者对减速机新型外观的认同感。在减速机设计环节，充分融入优秀文化元素，能够提升减速机产品的附加值。

参考文献：

[1] 付晓莉，孙许方，陈芳.工业通用减速机造型设计研究[J].机械设计，2014，31(4)：108-110.

[2] 张家祺，张荣，张秋涵.基于五行学说的产品设计策略[J].设计,2016(12)：116-117.

[3] 李世国,何建军.基于Pro/E零件模型的参数化设计技术研究[J].机械设计与研究,2003,19(3):36-37.

[4] 李建.基于CATIA的三维参数化零件特征库的创建与使用[J].成都大学学报(自然科学版), 2011,30(1):58-61.

[5] 陈靖芯，余晶.基于CATIA的三维参数化建模方法及其应用[J].机械设计，2003，20(8):48-50.