0 引 言

拖拉机在农业生产过程中使用广泛，起着非常重要的作用[1]。拖拉机变速箱箱体结构复杂，产品系列及用户需求多样，产品开发多为基于原有产品的仿照或改型设计，设计准确性差，存在大量重复性工作，后期需进行大量的有限元仿真与试验，存在产品开发周期长，设计成本高等问题[2-3]。

快速设计即将产品详细设计流程与知识工程[4]、计算机辅助设计、数据库等技术相结合，以快速得到高质量产品。Zimmermann等[5]指出，将知识工程技术集成到计算机辅助设计系统中，可以更好地实现船舶结构设计的自动质量保证和标准化任务；Chang等[6]提出了一个开放和集成的工具环境，使工程师能够以CAD实体模型的形式进行具有最佳运动学和动态性能的快速机构设计，该环境集成众多商业化模块，以实现高级参数化建模、仿真和优化；Calkins等[7]基于虚拟原型概念，将知识与硬件、软件相结合，开发了汽车设计支持系统，简化设计人员的劳动，大大缩短设计周期；Chandel等[8]开发了用于设计低马力农用拖拉机传动系的决策支持系统，能够有效地预测不同型号拖拉机传动系统的设计；陈雨等[9]在获取典型收获机械变速箱设计知识的基础上，研究了变速箱参数化设计推理机，提出了一种基于推理的参数化设计方法；贾剑[10]提出基于参数化的多骨架模型自顶向下设计方法，并应用到某气象雷达设计过程中，参数修改简便，参数控制清晰，大大提高了设计效率。

目前，快速设计在船舶、汽车与变速箱整体设计等领域均有所应用，但还没有专门针对拖拉机变速箱箱体的快速设计系统，本文针对拖拉机动力换挡变速箱，开发拖拉机动力换挡变速箱箱体快速设计系统，结合有限元理论，对系统输出实例进行仿真验证，以验证设计结果的合理性。

1 快速设计关键技术

1.1 知识库

根据箱体设计流程，从国家标准与企业设计规范、设计手册、已有科研成果、专家设计经验获取设计知识，构建设计知识库[11]。为便于计算机对知识的理解与重用，将变速箱箱体设计知识按照规则类知识和实例类知识[12]进行分类、表示与存储。

1.1.1 知识表示

规则类知识指国家标准与设计规范、理论书籍、已有科研成果、设计经验包含的设计准则，主要包括公式类知识、参数与表格类知识等。规则类知识的表示主要使用产生式表示法，其基本形式为P→Q或if P then Q，当满足前提条件P时，得出结论或执行操作Q。对于公式类知识，在产生式表示法的基础上增加计算规则Q->value=function(P->value)。

例如，油道内径，流量q和流速v为前提条件，油道内径d为结论。其推理规则为if q & v then d，计算规则为。

实际上，产品设计是对产品迭代设计的过程，在产品更新过程中不断改善以提高性能。实例类知识指对设计过程具有指导或辅助意义的设计范例，包括整机、系统、零部件等。实例类知识的表示主要使用框架表示法，其基本形式为

<框架名>

例如：东方红LF2204拖拉机，额定功率162 kW，额定转速2 200 r/min，变速箱挡数30F+25R，箱体材料HT250，箱体尺寸1 183 mm×580 mm×748 mm。该实例的框架表示为

<东方红LF2204拖拉机>

发动机：额定功率：162 kW

额定转速：2 200 r/min

变速箱：挡数：30F+25R

箱体：材料：HT250

尺寸：1 183 mm×580 mm×748 mm

1.1.2 知识存储

为了便于知识调用，建立便于管理与维护的知识库，并且对各条知识进行有序编码标识。变速箱箱体属于专用零件，其编码遵循以下规则：XX_XX_XX_XXXX_X，其中，第1组2个字母为整机种类标识，轮式拖拉机标识即为MX；第2组2个数字为系统种类标识，传动系统标识即为01；第3组2个数字为部件种类标识，变速箱部件标识即为04；第4组4个数字为零件标识，变速箱箱体标识即为0301；最后的数字为知识存储或修改的版本标识。

参数与表格类知识的存储格式如表1所示，以ID作为知识的唯一标识，将参数与表格数据选取过程中的结果与前提一一存储，注明知识来源，并对知识作简要说明。

例如，基于知识存储的铸铁箱体最小壁厚的选取结果为外壁厚、内壁厚，选取前提为当量尺寸与材料，知识来源为机械设计手册。根据公式类知识进行计算，球墨铸铁材质的箱体长565 mm，宽390 mm，高572 mm时，计算得到当量壁厚尺寸为0.69，外壁厚选取结果为10 mm。