诌议模块化工程机械零部件通用性设计

　　摘要:本文将模块化方法与零部件的通用性设计有机结合起来,论述了模块化的通用性设计方法,提出将其应用于工程机械大故障比较集中的行驶传动系统,可增加通用零部件的设计与选用比例,最终提高设计与维修的效率和经济性。
　　关键词:工程机械；通用性；模块化；传动系统
　　1通用性设计方法的定义及步骤
　　通用性设计方法,是在通过相近或相似的机械应用和作业特点的比较分析和归纳用户需求异同的基础上进行机械功能分析和分解后才提出来的。然后综合运用基于信息流的模块和基于相关度的模块的划分方法进行机械的功能模块划分。再将功能模块映射到结构域,对现有产品零部件的结构加以比较分析,对通用化可行性较高的结构模块提出通用方案。
　　1.1需求分析
　　综合用户的需求使其转化成机械要实现的功能要求,是系统功能分析与分解的基础,是设计过程中起决定作用的第一步。本方法采用“需求—功能—结构”逐层深入的思路,从产品族的角度进行模块划分。因此,对产品族中相似产品的功能要求和工作特性进行比较,归纳其异同点,为模块划分提供依据,更容易实现模块结构的通用化。
　　1.2功能分解
　　功能分解是进行模块划分的基础。首先根据需求确定机械系统总功能,进而对其具体功能进行定义。由于机械系统结构上的层次性对应着功能上的层次性,故总功能可依次逐级分解为一阶分功能、二阶分功能,直到不能再分的n阶分功能即末端功能为止。末端功能不再需要下位功能作为手段,是一些能够直接找到解法的分功能,称为功能元。在进行功能分解时,应保持功能的独立性,即任一功能要求都必须能与其他功能要求无关。
　　1.3模块划分
　　在功能结构图的基础上,首先采用基于信息流的方法来完成模块的初步划分。对于可能存在的未被划分到模块中去的单独功能元,借助于相关度的计算来完成最终的系统模块划分方案。
　　1．3．1功能结构图的构建
　　功能结构图表示各分功能之间联系与配合关系的框图，它是在功能分解的基础上,进一步分析为实现总功能与各主要分功能之间应有的先后次序或相互保证关系后构建起来的。在构建功能结构图时应注意:①对于新的开发性设计要以设计基本要求为出发点,对于仅作部分改变的适应性设计要以分析现有产品的功能和结构为出发点；②应能完整表达预期的能量流、物料流和信息流的转换过程；③应尽可能简单,并便于寻找各分功能的原理解法或载体。
　　1．3．2基于信息流的模块初步划分
　　基于信息流的模块初步划分是在功能结构基础上,根据不同类型的信息流形式来划分模块。该方法将信息流分为三类:①第一类信息流是产品中用户需求重要性最高并且没有分支的信息流,从进入产品开始直到消失或转化为其他的形式,它所经过的功能元可以被划分为一个模块；②第二类信息流存在分支,它的每一个分支都定义为一个模块；③第三类信息流是经过某个功能元后转化为其他形式的信息流,这个功能元本身可定义为一个模块。对于三类信息流划分的模块存在重叠的部分,可以考虑结合成更大的模块。
　　1．3．3基于相关度的模块划分
　　对于在上一步中未确定归属的功能元,采用基于相关度的方法来完成最终的模块划分方案。功能元fi与功能元fj的相关程度称为相关度,用r(i,j)表示,其具有以下性质:0≤r(i,j)≤1,r(i,i)=1,r(i,j)=r(j，i)。设功能元之间的相关条件有n种,第k种相关条件对相关度的影响系数为wk,则功能元fi与fj之间的相关度为
　　r(i,j)=rk(i,j)wk(1)
　　式中,当功能元fi异常的公式结尾和功能元fj之间满足第k种相关条件时,rk(i,j)=1；当功能元fi和功能元fj之间不满足第k种相关条件时,rk(i,j)=0。确定不同相关条件对相关度的影响系数可参照文献[2]中介绍的方法而采用其结果:功能相关影响系数w1=0.455,装配相关影响系数w2=0.263,空间相关影响系数w3=0.141,信息相关影响系数w4=0.141。这里需要指出的是,相关度计算中所说的“功能元”包括传统意义上的功能元和模块这种特殊意义上的功能元。
　　对各模块及功能元之间的相关度按公式(1)分别进行计算,形成相关度矩阵R={r(i,j)},1≤i,j≤S,这里S是已划分的模块数和未划分的功能元数之和。最终的模块划分方案是将相关度达到一定数值的功能元聚合成模块。如果聚合涉及的是功能元和模块之间或功能元与功能元之间，那么就直接聚合成为模块。模块与模块之间存在的相关度可以通过接口解决。当模块与模块之间相关度较高时,就需要设计人员根据实际情况结合设计经验选择是否合成一个更大的模块。当然,模块聚合的功能元越多,结构就会变得越复杂,通用性也会变差。最后,将上述功能模块映射到结构域,完成相应功能的零部件形成结构模块。
　　1.4结构分析与通用性方案设计
　　对结构模块的特性进行对比分析,并以此分类。一类是结构形式相同或相似的模块;另一类是结构形式不同的模块。对于后者,确定其通用化的可行性。对于第一类模块和可通用化的第二类模块,提出其结构通用化方案。
　　2应用实例
　　轮式推土机和装载机的行驶传动系统结构型式相似,但在实际的设计、生产中其通用性较差,无形地增加了生产维修成本。现以此作为所提出方法的应用实例。
　　步骤1:需求分析。轮式推土机和装载机对传动系统的需求具有较多的相同之处,主要有:①传递原动机的最大转矩,并能使其与工作机分离；②将动力增大成不同的转矩；③实现多级转速；④使发动机保持在比较有利的范围内工作；⑤能使机械后退行驶；⑥自动地、无级地变化其输出扭矩和转速；⑦大幅降低系统动载荷,防止载荷骤然增大；⑧能平稳起步；⑨以稳定的牵引力和速度工作。不同之处主要体现在:①需要满足的动态牵引性能不同；②推土机需要具有多个倒退挡,而装载机需要较少。
　　步骤2:功能分解。依据功能分解方法和上述推土机、装载机对传动系统动力传递的需求,将传动系统总功能分解,如图2所示。

　　
　　
　　图2传动系统功能分解图
　　步骤3:模块划分。在功能分解的基础上创建功能结构图,以此为基础进行基于信息流的模块划分。传动系统中存在扭矩和控制两种信息流,两种信息流都属第一类信息流,扭矩流有分支,又属于第二类信息流。无级变速功能元内部存在信息转化,因此按第三类信息流将其划分为一个模块。
　　步骤4:结构分析与通用方案设计。从结构型式上将轮式推土机和装载机传动系统的结构模块进行对比,分析结果如下:①变矩器结构的差异导致性能上的不同,将两者进行改进达到通用是不现实的,可以重新设计通用型的变矩器；②变速器存在行星式和定轴式两种型式,但都采用动力换挡,结构布置灵活；③万向传动装置在传动系统中比较通用,其结构型式基本相同；④驱动桥采用的主传动、差速器、半轴和最终传动的型式都相同。综上所述,传动系统中结构模块特性相同或相近的较多,进行通用化是切实可行的。下面给出了变速器模块的通用化方案。
　　方案1:将一个扭矩范围的变速器作为一个系列,每个系列所有变速器箱体设计为通用的,其区别在于或是传动比不同,或是传动比和挡数不同。相当数量的变速器的齿轮、轴与轴承也同样实现通用。方案2:将变速器分解成主变速器和副变速器(或者多个副变速器)等部分,每个部分由变速传动部分、换挡操纵部分等组成,并作为独立的标准模块进行设计。对标准模块进行优化组合,模块间联接装置也选用通用件,这样即可完成复杂变速器的通用化设计。
　　3结束语
　　将基于模块化理论的通用性设计方法应用于典型工程机械的传动系统,在原有产品基础上,以模块为研究对象,对相似零部件进行创新性设计,实现了变速器等模块的通用性设计方案。结果表明,该方法对工程机械产品的通用性设计是行之有效的。
　　参考文献:
　　[1]姜慧,徐燕申,谢艳.机械产品模块划分方法的研究[J].制造技术与机床,1999
　　[2]符炜.机械创新设计构思方法[M].湖南科学技术出版社,2006