摘要:本文將模塊化方法與零部件的通用性設計有機結合起來,論述了模塊化的通用性設計方法,提出將其應用于工程機械大故障比較集中的行駛傳動系統,可增加通用零部件的設計與選用比例,最終提高設計與維修的效率和經濟性。
　　關鍵詞:工程機械；通用性；模塊化；傳動系統
　　1通用性設計方法的定義及步驟
　　通用性設計方法,是在通過相近或相似的機械應用和作業特點的比較分析和歸納用戶需求異同的基礎上進行機械功能分析和分解后才提出來的。然后綜合運用基于信息流的模塊和基于相關度的模塊的劃分方法進行機械的功能模塊劃分。再將功能模塊映射到結構域,對現有產品零部件的結構加以比較分析,對通用化可行性較高的結構模塊提出通用方案。
　　1.1需求分析
　　綜合用戶的需求使其轉化成機械要實現的功能要求,是系統功能分析與分解的基礎,是設計過程中起決定作用的第一步。本方法采用“需求—功能—結構”逐層深入的思路,從產品族的角度進行模塊劃分。因此,對產品族中相似產品的功能要求和工作特性進行比較,歸納其異同點,為模塊劃分提供依據,更容易實現模塊結構的通用化。
　　1.2功能分解
　　功能分解是進行模塊劃分的基礎。首先根據需求確定機械系統總功能,進而對其具體功能進行定義。由于機械系統結構上的層次性對應著功能上的層次性,故總功能可依次逐級分解為一階分功能、二階分功能,直到不能再分的n階分功能即末端功能為止。末端功能不再需要下位功能作為手段,是一些能夠直接找到解法的分功能,稱為功能元。在進行功能分解時,應保持功能的獨立性,即任一功能要求都必須能與其他功能要求無關。
　　1.3模塊劃分
　　在功能結構圖的基礎上,首先采用基于信息流的方法來完成模塊的初步劃分。對于可能存在的未被劃分到模塊中去的單獨功能元,借助于相關度的計算來完成最終的系統模塊劃分方案。
　　1．3．1功能結構圖的構建
　　功能結構圖表示各分功能之間聯系與配合關系的框圖，它是在功能分解的基礎上,進一步分析為實現總功能與各主要分功能之間應有的先后次序或相互保證關系后構建起來的。在構建功能結構圖時應注意:①對于新的開發性設計要以設計基本要求為出發點,對于僅作部分改變的適應性設計要以分析現有產品的功能和結構為出發點；②應能完整表達預期的能量流、物料流和信息流的轉換過程；③應盡可能簡單,并便于尋找各分功能的原理解法或載體。
　　1．3．2基于信息流的模塊初步劃分
　　基于信息流的模塊初步劃分是在功能結構基礎上,根據不同類型的信息流形式來劃分模塊。該方法將信息流分為三類:①第一類信息流是產品中用戶需求重要性最高并且沒有分支的信息流,從進入產品開始直到消失或轉化為其他的形式,它所經過的功能元可以被劃分為一個模塊；②第二類信息流存在分支,它的每一個分支都定義為一個模塊；③第三類信息流是經過某個功能元后轉化為其他形式的信息流,這個功能元本身可定義為一個模塊。對于三類信息流劃分的模塊存在重疊的部分,可以考慮結合成更大的模塊。
　　1．3．3基于相關度的模塊劃分
　　對于在上一步中未確定歸屬的功能元,采用基于相關度的方法來完成最終的模塊劃分方案。功能元fi與功能元fj的相關程度稱為相關度,用r(i,j)表示,其具有以下性質:0≤r(i,j)≤1,r(i,i)=1,r(i,j)=r(j，i)。設功能元之間的相關條件有n種,第k種相關條件對相關度的影響系數為wk,則功能元fi與fj之間的相關度為
　　r(i,j)=rk(i,j)wk(1)
　　式中,當功能元fi異常的公式結尾和功能元fj之間滿足第k種相關條件時,rk(i,j)=1；當功能元fi和功能元fj之間不滿足第k種相關條件時,rk(i,j)=0。確定不同相關條件對相關度的影響系數可參照文獻[2]中介紹的方法而采用其結果:功能相關影響系數w1=0.455,裝配相關影響系數w2=0.263,空間相關影響系數w3=0.141,信息相關影響系數w4=0.141。這里需要指出的是,相關度計算中所說的“功能元”包括傳統意義上的功能元和模塊這種特殊意義上的功能元。
　　對各模塊及功能元之間的相關度按公式(1)分別進行計算,形成相關度矩陣R={r(i,j)},1≤i,j≤S,這里S是已劃分的模塊數和未劃分的功能元數之和。最終的模塊劃分方案是將相關度達到一定數值的功能元聚合成模塊。如果聚合涉及的是功能元和模塊之間或功能元與功能元之間，那么就直接聚合成為模塊。模塊與模塊之間存在的相關度可以通過接口解決。當模塊與模塊之間相關度較高時,就需要設計人員根據實際情況結合設計經驗選擇是否合成一個更大的模塊。當然,模塊聚合的功能元越多,結構就會變得越復雜,通用性也會變差。最后,將上述功能模塊映射到結構域,完成相應功能的零部件形成結構模塊。
　　1.4結構分析與通用性方案設計
　　對結構模塊的特性進行對比分析,并以此分類。一類是結構形式相同或相似的模塊;另一類是結構形式不同的模塊。對于后者,確定其通用化的可行性。對于第一類模塊和可通用化的第二類模塊,提出其結構通用化方案。
　　2應用實例
　　輪式推土機和裝載機的行駛傳動系統結構型式相似,但在實際的設計、生產中其通用性較差,無形地增加了生產維修成本。現以此作為所提出方法的應用實例。
　　步驟1:需求分析。輪式推土機和裝載機對傳動系統的需求具有較多的相同之處,主要有:①傳遞原動機的最大轉矩,并能使其與工作機分離；②將動力增大成不同的轉矩；③實現多級轉速；④使發動機保持在比較有利的范圍內工作；⑤能使機械后退行駛；⑥自動地、無級地變化其輸出扭矩和轉速；⑦大幅降低系統動載荷,防止載荷驟然增大；⑧能平穩起步；⑨以穩定的牽引力和速度工作。不同之處主要體現在:①需要滿足的動態牽引性能不同；②推土機需要具有多個倒退擋,而裝載機需要較少。
　　步驟2:功能分解。依據功能分解方法和上述推土機、裝載機對傳動系統動力傳遞的需求,將傳動系統總功能分解,如圖2所示。

　　
　　
　　圖2傳動系統功能分解圖
　　步驟3:模塊劃分。在功能分解的基礎上創建功能結構圖,以此為基礎進行基于信息流的模塊劃分。傳動系統中存在扭矩和控制兩種信息流,兩種信息流都屬第一類信息流,扭矩流有分支,又屬于第二類信息流。無級變速功能元內部存在信息轉化,因此按第三類信息流將其劃分為一個模塊。
　　步驟4:結構分析與通用方案設計。從結構型式上將輪式推土機和裝載機傳動系統的結構模塊進行對比,分析結果如下:①變矩器結構的差異導致性能上的不同,將兩者進行改進達到通用是不現實的,可以重新設計通用型的變矩器；②變速器存在行星式和定軸式兩種型式,但都采用動力換擋,結構布置靈活；③萬向傳動裝置在傳動系統中比較通用,其結構型式基本相同；④驅動橋采用的主傳動、差速器、半軸和最終傳動的型式都相同。綜上所述,傳動系統中結構模塊特性相同或相近的較多,進行通用化是切實可行的。下面給出了變速器模塊的通用化方案。
　　方案1:將一個扭矩范圍的變速器作為一個系列,每個系列所有變速器箱體設計為通用的,其區別在于或是傳動比不同,或是傳動比和擋數不同。相當數量的變速器的齒輪、軸與軸承也同樣實現通用。方案2:將變速器分解成主變速器和副變速器(或者多個副變速器)等部分,每個部分由變速傳動部分、換擋操縱部分等組成,并作為獨立的標準模塊進行設計。對標準模塊進行優化組合,模塊間聯接裝置也選用通用件,這樣即可完成復雜變速器的通用化設計。
　　3結束語
　　將基于模塊化理論的通用性設計方法應用于典型工程機械的傳動系統,在原有產品基礎上,以模塊為研究對象,對相似零部件進行創新性設計,實現了變速器等模塊的通用性設計方案。結果表明,該方法對工程機械產品的通用性設計是行之有效的。
　　參考文獻:
　　[1]姜慧,徐燕申,謝艷.機械產品模塊劃分方法的研究[J].制造技術與機床,1999
　　[2]符煒.機械創新設計構思方法[M].湖南科學技術出版社,2006