基于Pro_EWildfire實(shí)現(xiàn)變速器的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真_圖文

1、基于 Pro EWildfire 實(shí)現(xiàn)變速器的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真 3周爾民 , 肖 乾(華東交通大學(xué) , 南昌 330013摘 要 :變速器是汽車的重要部件之一 , 主要實(shí)現(xiàn)汽車在行進(jìn)過程中的變速及倒車等功能 , 它 由幾十個(gè)零件組成 , 零件之間的裝配關(guān)系相對(duì)復(fù)雜 。 因此變速箱的設(shè)計(jì)需要較長(zhǎng)的時(shí)間和反復(fù)的 實(shí)驗(yàn) 。 為了能縮短設(shè)計(jì)周期和降低開發(fā)成本 , 基于虛擬樣機(jī)技術(shù) , 在 Pro EWildfire 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了變 速器的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真 。關(guān)鍵詞 :Pro EWildfire; 變速器 ; 虛擬裝配 ; 運(yùn)動(dòng)仿真中圖分類號(hào) :TP39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :A 文章編號(hào) :1003207

2、94(2007 0220078203ZHOUEr -(Abstract :Keywords EWildfire;gearbox;virtualassembly;motionsimulation0 引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 , 西方發(fā)達(dá)國(guó)家在 20世 紀(jì) 80年代迅速發(fā)展起來一項(xiàng)技術(shù) 虛擬樣機(jī)技術(shù) , 又稱為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù) , 給機(jī)械工程帶來新 的飛躍 。 虛擬樣機(jī)技術(shù)一經(jīng)問世 , 就受到西方發(fā)達(dá) 國(guó)家有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)以及許多著名公司的高度 重視 。 制造商立即將虛擬樣機(jī)技術(shù)引人各自的產(chǎn)品 開發(fā)中 , 取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益 。1 Pro EWildfire 簡(jiǎn)介Pro Engineer

3、的內(nèi)容博大精深 , 功能涉及平面工 程制圖 、 三維造型 、 求逆運(yùn)算 、 加工制造 、 機(jī)構(gòu)仿真 、 有限元分析 、 NC 加工和數(shù)據(jù)管理等 , 作為目前用戶 最多的三維造型軟件已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械 、 模具 、 汽 車 、 航空 、 家電和玩具等工業(yè)造型設(shè)計(jì) 、 制造領(lǐng)域 。 最新的 Pro EngineerWildfire 版本延續(xù)了舊版本 的參數(shù)化建模 、 模型 、 圖紙全相關(guān) , 基于特征的實(shí)體 建模等特點(diǎn) ; 充分考慮用戶的操作習(xí)慣 , 改進(jìn)了軟件 的界面風(fēng)格 , 使之更符合 Windows 規(guī)范 ; 智能化的操 作環(huán)境 , 減少了操作的步驟 , 提高了工作效率 。 2 汽車變速器簡(jiǎn)

4、介本文是以江西江鈴齒輪股份有限公司 JCS15T1型汽車的變速箱作為應(yīng)用對(duì)象 , 該變速箱結(jié)構(gòu)以及 原理也是比較常見的 , 是目前使用最廣的有級(jí)式變 速器 。它采用齒輪傳動(dòng) , 具有 5個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)3江西省教育廳資助項(xiàng)目 (20020804 倒擋 , 是靠駕駛員直接操縱變速桿換擋。 這種變速器 一般由幾十個(gè)零件組成 , 主要包括箱體、 傳動(dòng)部分和操 縱部分。 箱體是基礎(chǔ)件 , 用以安裝支承變速器全部零 件及存放潤(rùn)滑油。 由于要承受載荷 , 所以箱體應(yīng)有足 夠的剛度 , 內(nèi)壁有加強(qiáng)肋 , 形狀復(fù)雜 ; 傳動(dòng)部分是指齒 輪、 軸、 軸承等傳動(dòng)件 , 軸與齒輪多為花鍵聯(lián)接 , 軸多用 滾動(dòng)軸承支承

5、 ; 操縱部分主要是位于變速器蓋內(nèi)的幾 個(gè)撥叉。 零件組大致情況如圖 1所示。圖 1 變速箱裝配層次圖11前箱體 21二軸 31一軸 41操縱蓋 51中間軸 61移動(dòng)軸 71后箱體 81后蓋 91二軸一擋 101軸承 111二軸 121一二 擋同步器 131一二擋撥叉 141移動(dòng)軸 151倒擋撥叉 161三四 擋撥叉 171一擋齒輪 181一擋齒環(huán) 191同步器齒套 201同步 器齒轂 211同步器滑塊3 變速器的虛擬裝配虛擬裝配就是利用零部件的鏈接關(guān)系建立裝 配 。 Pro E 的裝配模式提供了并行的 、 自下而上的 、第 28卷第 2期 2007年 2月 煤 礦 機(jī) 械CoalMineMa

6、chinery自上而下的產(chǎn)品開發(fā)方法 。 在自下而上的設(shè)計(jì)模式 中 , 先在零件模塊中構(gòu)造各個(gè)零件的二維模型或者 調(diào)用原先做好的二維模型 , 然后在裝配模塊中建立 零部件之間的鏈接關(guān)系 , 它是通過配對(duì)條件在零部 件之間建立約束關(guān)系來確定零部件在產(chǎn)品中的位 置 。 在虛擬裝配中 , 零部件的幾何體是被裝配引用 , 而不是復(fù)制到裝配中 , 不管如何編輯零部件和在何 處編輯零部件 , 整個(gè)裝配部件保持關(guān)聯(lián)性 , 如果修改 某些零部件 , 則引用它的裝配件自動(dòng)更新 , 反應(yīng)零部 件的最新變化 。進(jìn)行零件裝配時(shí)最重要的步驟就是對(duì)零部件進(jìn) 行適當(dāng)?shù)募s束 。在 Pro E 中建立裝配關(guān)系是用貼 合 、 平

7、面和基準(zhǔn)面對(duì)齊 、 坐標(biāo)系各個(gè)軸相互對(duì)齊等約 束命令將所有的零部件按要求裝配在一起 。 Pro , , 是起輔 助作用的 。 角 、 回轉(zhuǎn)軸等 , 在 Pro E 中把這些虛體特征稱 Datum (如 plane 、 Axes 、 point 等 。在虛擬裝配時(shí) , 如果每個(gè) 零部件都采用世界坐標(biāo)系進(jìn)行裝配 , 勢(shì)必牽涉大量 的計(jì)算 。由于計(jì)算的誤差 , 還將導(dǎo)致裝配失敗 , 因 此 , 借助 Pro E 提供的虛體特征 , 可以使裝配過程大 大簡(jiǎn)化 。汽車變速箱作為汽車的重要傳動(dòng)部件 , 其設(shè)計(jì) 和裝配的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)汽車的性能 。 因此在 對(duì)汽車變速箱進(jìn)行虛擬裝配時(shí) , 首先應(yīng)該對(duì)變速

8、箱 的結(jié)構(gòu) 、 工作原理以及功能有詳細(xì)的了解 , 接下來就 是對(duì)其裝配層次 、 約束關(guān)系等進(jìn)行分類和定義 , 按照 零部件間的設(shè)計(jì)邏輯依附關(guān)系來確定模型的父子關(guān) 系 , 最后還要分析產(chǎn)品的可裝配性 , 需要分析產(chǎn)品在 裝配過程中是否與其他的零部件發(fā)生干涉 ?；?Pro E 的減速箱虛擬裝配模型如圖 2。圖 2 變速箱裝配樹和裝配模型4 變速器的運(yùn)動(dòng)仿真Pro EWildfire 的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊 Mechanism 可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真 , 這樣可以使原來在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得非常直觀和易于 修改 , 并且能夠大大簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程 , 縮短 開發(fā)周期 , 減少開發(fā)費(fèi)用

9、 , 同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量 。Mechanism 模塊是 Pro EWildfire 軟件的一個(gè)仿真模塊 , 該模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的定義 , 使機(jī)構(gòu)中的零 件移動(dòng)以及對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析研究 。 可建立零件 之間的連接及裝配的自由度 , 對(duì)輸入軸添加相應(yīng)的 電機(jī)驅(qū)動(dòng)來產(chǎn)生設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動(dòng) ; 在分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) , 如位置 、 力 、 速度等 二擋同步器 、 三擋 四擋 倒擋同步器起動(dòng) 。由于齒輪處于常 嚙合 , 因此第 1軸輸入動(dòng)力時(shí)各軸上所有齒輪均旋 轉(zhuǎn) 。 這些齒輪在未與同步器接合前 , 并不傳遞動(dòng)力 至第 2軸 , 未與同步器接合的齒輪在第 2軸上空轉(zhuǎn) 。 每個(gè)第 2軸齒輪只有在同步器起動(dòng)后才機(jī)械地

10、鎖定 在第 2軸上 , 其他時(shí)間則在第 2軸上獨(dú)立旋轉(zhuǎn) 。圖 3 變速器運(yùn)動(dòng)模型圖 4 一擋的動(dòng)力流線在具體實(shí)現(xiàn)減速器的運(yùn)動(dòng)仿真之前 , 需要建立運(yùn)動(dòng)模型和設(shè)置運(yùn)動(dòng)環(huán)境 , 包括建立連接 、 連接軸設(shè) 置 、 運(yùn)動(dòng)副 、 伺服電機(jī)以及電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間序列 。 這 里用到的連接主要是銷釘聯(lián)接 (Pin , 圓柱連接 (Cyl 2inder 和剛性連接 (Rigid 。譬如 , 一軸與箱體 , 二軸 與二軸上的齒輪都是銷釘連接 ; 撥叉與撥叉桿 , 同步 器與二軸要實(shí)現(xiàn)滑動(dòng) , 則要采用圓柱連接 ; 而撥叉要 帶動(dòng)同步器一起滑動(dòng)則采用剛性連接 。 變速器主要 是由不同的齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)變速 , 因此運(yùn)動(dòng)

11、副主要是 采用齒輪運(yùn)動(dòng)副 (GearPairs , 這里要用到 7對(duì)齒輪 副 , 在設(shè)置齒輪運(yùn)動(dòng)副的時(shí)候要注意選擇齒輪相對(duì)固定體 (Ground設(shè)置的連接 , 否則很難實(shí)現(xiàn)齒輪的 正確運(yùn)動(dòng) 。伺服電機(jī)主要設(shè)置 2種類型 , 一軸和二軸為基于銷釘聯(lián)接的勻速圓周運(yùn)動(dòng) , 撥叉為基于圓 柱連接的變速滑動(dòng) 。 在設(shè)置好這些環(huán)境之后如圖 3就可以實(shí)現(xiàn)變速器的運(yùn)動(dòng)仿真 。如圖 4所示 , 為 JCS15T1型汽車的變速器一擋的運(yùn)動(dòng)傳遞路線 , 其 速率傳遞比為 0.25184, 撥叉滑動(dòng)以及齒輪運(yùn)動(dòng)的伺 服電機(jī)運(yùn)動(dòng)關(guān)系可按照時(shí)間的先后順序來進(jìn)行相關(guān) 定義 。 對(duì)于撥叉來講 ,主要是實(shí)現(xiàn)軸向滑動(dòng) , 因此可

12、 定義其時(shí)間 -位置關(guān)系如圖 5所示 。 步器掛上一擋之后 , 根 5示 。 法來完成 。對(duì)于以上的運(yùn)動(dòng)模型不僅可以觀察其運(yùn)動(dòng)情 況 , 還可以完成相應(yīng)的速度分析 、 加速度分析以及受 力分析 , 同樣可以得到不同形式的分析結(jié)果 , 圖 6分 別是二軸在測(cè)試期間內(nèi)的速度變化和二軸大齒輪上 某點(diǎn)的位置變化圖 。 圖 5 撥叉和一擋二軸伺服電機(jī)的定義圖 6 測(cè)試結(jié)果5 結(jié)語通過應(yīng)用 Pro EWildfire , , 降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本 , 為減速器的 設(shè)計(jì)提供了一個(gè)高效的開發(fā)途徑 。 接下來要做的工 作主要是變速器的動(dòng)力學(xué)仿真以及其主要零部件的 結(jié)構(gòu)分析 , 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變速器虛擬樣機(jī)的開發(fā) 。參考

13、文獻(xiàn) :1方建軍 , 劉仕良 . 機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真與工程分析 M.北京 :化學(xué)工業(yè)出版社 ,2004.2J. 厄爾賈維克 . 汽車手動(dòng)變速器和變速驅(qū)動(dòng)橋 M.北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1997.3韓虎 , 曾慶良 , 等 . 虛擬樣機(jī)技術(shù)在變速箱設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用 J.煤礦機(jī)械 ,2005,26(12 :27-28.4張緩緩 , 肖乾 . 虛擬裝配技術(shù)在汽車變速箱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 J.機(jī)械研究與應(yīng)用 ,2004,17(8 :45-46.作者簡(jiǎn)介 :周爾民 (1962- , 江西萍鄉(xiāng)人 , 碩士 , 高級(jí)工程師 ,1984年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)制工藝及設(shè)備專業(yè) , 現(xiàn)從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)工作

14、, 研究方向?yàn)?CAD CAM 、 虛擬制造技術(shù) , 電 話 電子信箱 :emzhou.收稿日期 :2006211229多繩摩擦輪提升機(jī)更換滾筒繩襯新工藝兗州礦業(yè) (集團(tuán) 公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦的主井提升機(jī)為西門子公司塔式 6繩摩擦輪提升機(jī) , 更換繩襯時(shí)大 都采用棚起 2個(gè)箕斗 、 將提升繩拿出繩槽的多根繩槽襯塊同時(shí)更換工藝 。但是 , 該礦主井只有 1部絞車 , 井 筒中沒有伸出的牛腿和多余的空間 , 不能同時(shí)棚起 2個(gè)箕斗 。 他們根據(jù)自己的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出合理的施工工藝 既安全可靠又節(jié)約時(shí)間 。更換滾筒繩襯過程如下 :將 6根繩槽繩襯分為 2組 ,1、 3、 5號(hào)一組 ,2、 4、 6號(hào)一組 ,2組更換方法相同 ; 將 2個(gè)箕斗先后停在井口合適位置 , 用行車從繩槽吊出提升繩放在