汽車驅(qū)動(dòng)橋總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)_三維建模與虛擬裝配研究

1、第24卷第3期2009年9月安 徽 工 程 科 技 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)JournalofAnhuiUniversityofTechnologyandScienceVol.24.No.3Sep.,2009文章編號(hào):1672 2477(2009)03 0021 04汽車驅(qū)動(dòng)橋總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模與虛擬裝配研究錢 斌,朱順利12(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽蕪湖 241000;2.安徽工程科技學(xué)院先進(jìn)數(shù)控和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽蕪湖 241000)摘要:簡述了依據(jù)汽車設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)設(shè)計(jì)理論對(duì)驅(qū)動(dòng)橋各零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要思路.給出了在Pro/Engineer軟件中基于特征創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)橋各零件

2、三維模型的思路與結(jié)果.闡述了建立驅(qū)動(dòng)橋三維裝配模型的方法和主要步驟.驅(qū)動(dòng)橋各零件三維精確建模有助于提高其零件的數(shù)控加工精度,三維虛擬裝配則有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題,從而縮短驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品的研發(fā)周期,降低設(shè)計(jì)成本.關(guān) 鍵 詞:驅(qū)動(dòng)橋;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);特征;三維建模;虛擬裝配;干涉檢查中圖分類號(hào):TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A汽車懸架結(jié)構(gòu)型式有獨(dú)立式和非獨(dú)立式之分,與此相應(yīng),汽車驅(qū)動(dòng)橋可分為斷開式和整體式兩類,后者為絕大多數(shù)商用貨車常用的驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)型式.其主要組成有主減速器、差速器、驅(qū)動(dòng)橋殼等.驅(qū)動(dòng)橋總成既能減速增扭,又能使兩側(cè)車輪在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)適應(yīng)路面要求保持純滾,還能承受作用于路面和車架或車廂之間的

3、垂直力、縱向力和橫向力以及制動(dòng)力矩等,因此是汽車重要總成之一1 5.汽車驅(qū)動(dòng)橋總成的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用二維系統(tǒng),缺點(diǎn)是零件的結(jié)構(gòu)形狀不能靈活改變,同時(shí),零部件之間的裝配關(guān)系通過二維裝配圖表達(dá)使設(shè)計(jì)人員只能由二維圖想象零部件的三維安裝定位情況,實(shí)際裝配中若產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有誤差而無法進(jìn)行準(zhǔn)確的裝配時(shí),往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的重新設(shè)計(jì),使開發(fā)周期延長,開發(fā)成本增加6.參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種使用參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法7 8,本文在驅(qū)動(dòng)橋總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,基于Pro/Engineer軟件平臺(tái),先將參數(shù)化技術(shù)引入驅(qū)動(dòng)橋各零件三維建模設(shè)計(jì)中,又將已建立三維實(shí)體的各零部件進(jìn)行虛擬裝配,其優(yōu)點(diǎn)是一旦發(fā)現(xiàn)干涉現(xiàn)象或存

4、在尺寸問題,可隨時(shí)修改相關(guān)零件尺寸,且零件和裝配件的相關(guān)部分自動(dòng)修改,并按比例自動(dòng)重新生成,能真實(shí)反映零部件的實(shí)際形狀和相互位置關(guān)系,便于確認(rèn)修改結(jié)果.1 驅(qū)動(dòng)橋總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是零部件三維建模的基礎(chǔ),必須綜合考慮匹配車型、動(dòng)力總成特性參數(shù)、汽車通過性參數(shù)(如地隙)、平均路面條件以及汽車工況條件.(1)整體式驅(qū)動(dòng)橋方案設(shè)計(jì).需進(jìn)一步確定主減速器級(jí)數(shù)及嚙合齒輪類型、差速器類型、驅(qū)動(dòng)橋殼以及半軸的結(jié)構(gòu)方案等.在本文中,選定雙曲面齒輪一級(jí)減速主減速器,差速器采用對(duì)稱錐齒輪式,驅(qū)動(dòng)橋殼采用整體式結(jié)構(gòu)方案,半軸采用全浮式結(jié)構(gòu)方案.(2)主減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).其內(nèi)容有:主要參數(shù),如主從動(dòng)齒輪齒數(shù)、主

5、從動(dòng)齒輪齒面寬度、雙曲面齒輪副偏移距、中點(diǎn)螺旋角、螺旋方向等的選擇;主從動(dòng)齒輪支承方案的選擇和軸承類型的選擇和校核計(jì)算;主從動(dòng)齒輪材料的選擇;主從動(dòng)齒輪輪齒接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的計(jì)算與校核等.(3)差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).一般需依據(jù)汽車設(shè)計(jì)規(guī)范,查閱設(shè)計(jì)公式圖表進(jìn)行差速器齒輪(包括行星齒輪、半軸齒輪)基本參數(shù)(包括各齒輪齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、行星齒輪安裝尺寸等)選擇,再進(jìn)行差速器齒輪幾何尺寸計(jì)算與強(qiáng)度校核.由于行星齒輪在差速器工作中經(jīng)常只起等臂推力桿的作用,僅在左、右車輪有轉(zhuǎn)速差時(shí)行星齒輪和半軸齒輪間才有相對(duì)滾動(dòng),故對(duì)差速器齒輪可不考慮其疲勞壽命,僅進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核即收稿日期:2009 05 25 :,男

6、,.%22%安 徽 工 程 科 技 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)第24卷可,強(qiáng)度校核中差速器錐齒輪的材料可選為20CrMnTi、20CrMoTi和20CrMo等.差速器殼是裝在主減速器從動(dòng)齒輪上,故在確定主減速器從動(dòng)齒輪尺寸時(shí),應(yīng)考慮差速器的安裝.差速器殼的輪廓尺寸也受到從動(dòng)齒輪及主動(dòng)齒輪導(dǎo)向軸承支座的限制.差速器殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有殼體厚度、殼體外部直徑、內(nèi)部直徑、長度及半軸直徑等.差速器殼體的內(nèi)部直徑主要由行星齒輪和半軸齒輪的直徑?jīng)Q定,差速器的外部直徑則有殼體厚度和內(nèi)部直徑?jīng)Q定.差速器殼沿驅(qū)動(dòng)軸方向的長度與半軸齒輪、行星齒輪及半軸齒輪內(nèi)部花鍵的長度有關(guān).殼體的厚度主要決定因素是差速器殼體強(qiáng)度,在滿足強(qiáng)度

7、和足夠的安全系數(shù)條件下,殼體厚度應(yīng)盡量減小,以減輕重量,節(jié)約成本.同時(shí)差速器殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)還與半軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),特別是與半軸的直徑關(guān)系最密切.如半軸與差速器連接處的花鍵的齒數(shù)、模數(shù)及直徑直接決定了差速器殼沿驅(qū)動(dòng)軸方向的長度.(4)驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).驅(qū)動(dòng)橋殼的受力分析與強(qiáng)度計(jì)算,我國通常推薦將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡化為三種典型的計(jì)算工況,即: 汽車滿載以較高車速在不平路面行駛受到?jīng)_擊載荷時(shí),承受最大的垂直載荷工況; 汽車滿載傳遞最大牽引力或緊急制動(dòng)承受最大制動(dòng)力工況;!汽車滿載側(cè)滑承受最大側(cè)向力工況.在選定材料后,按上述三種典型工況,分別校核橋殼的強(qiáng)度,如無強(qiáng)度愈限,則該橋殼在汽車的各種行駛條件

8、下是可靠的.(5)全浮式半軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).全浮式半軸只承受轉(zhuǎn)矩,其計(jì)算轉(zhuǎn)矩可按車輪附著力矩并考慮到汽車行駛中軸荷的轉(zhuǎn)移而引入負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,在選定材料后,按照材料力學(xué)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力公式確定半軸直徑,并校核扭轉(zhuǎn)角即可.2 驅(qū)動(dòng)橋各零件的三維實(shí)體建模驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,使用各零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)在Pro/Engineer軟件中進(jìn)行其三維實(shí)體精確建模,這項(xiàng)工作可為驅(qū)動(dòng)橋各零件數(shù)控加工等提供精確的模型信息.為便于表達(dá),將驅(qū)動(dòng)橋各零件分為齒輪類、軸類、殼體類、支承類、連接類等5類,其三維建模過程如下:(1)齒輪類零件,包括主減速器主從動(dòng)齒輪、差速器行星齒輪、半軸齒輪等.在依據(jù)基本結(jié)構(gòu)參數(shù),如各齒輪齒數(shù)、模數(shù)、

9、壓力角、齒輪安裝尺寸等進(jìn)行各空間齒輪的三維實(shí)體建模時(shí)涉及Pro/Engineer中高級(jí)操作.是由于齒輪齒廓是復(fù)雜曲線漸開線,可以通過選取一定密度的漸開線數(shù)據(jù)點(diǎn),來擬合輪齒漸開線,這種#自文件創(chuàng)立基準(zhǔn)曲線方法建模精度不高.為給數(shù)控加工提供精確的模型信息,在主減速器主從動(dòng)齒輪、行星齒輪和半軸齒輪的三維建模中,采用#自方程創(chuàng)立基準(zhǔn)曲線的方式,即通過直接輸入漸開線方程創(chuàng)建一個(gè)齒槽兩側(cè)漸開線,再利用混合特征(blend)生成該齒槽,最后,通過陣列特征(patterntool)完成全部齒輪齒廓的三維建模.(2)軸類零件,包括差速器行星齒輪軸、半軸、半軸套管等.因差速器行星齒輪軸、半軸套管的三維建模僅涉及P

10、ro/Engineer的基本特征,操作相對(duì)簡單,其中半軸主體可先草繪軸截面然后再利用旋轉(zhuǎn)特征生成,半軸凸緣上的螺紋孔可利用孔特征生成,花鍵則可以在先生成一個(gè)花鍵齒齒形后用陣列特征完成.(3)殼體類零件,包括主減速器殼、差速器左右半殼、驅(qū)動(dòng)橋殼等.可用拉伸、旋轉(zhuǎn)以及孔、筋、陣列和倒角等特征生成.(4)支承類零件,包括主減速器主從動(dòng)齒輪支承軸承、差速器總成支承軸承等.利用基本特征,如旋轉(zhuǎn)、陣列等容易生成其三維實(shí)體模型.(5)連接類零件,包括差速器軸承座固定螺釘、驅(qū)動(dòng)橋殼后蓋固定螺釘?shù)?螺釘主體可使用拉伸和旋轉(zhuǎn)特征生成,螺紋則可使用螺旋掃描(HelicalSweep)特征生成.在以上齒輪類、軸類、殼

11、體類、支承類、連接類零件建模過程中,可以通過Pro/Engineer軟件中的關(guān)系關(guān)聯(lián)各特征參數(shù),在選定各零件特征參數(shù)時(shí),要注意分析零件特點(diǎn),一般來說用三維軟件建模時(shí)所使用的特征,如拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒角、抽殼等所涉及的幾何參數(shù)就是零件特征參數(shù).3 驅(qū)動(dòng)橋總成三維裝配模型的建立在Pro/Engineer環(huán)境中,建立差速器各零件的三維實(shí)體模型后,可定義各零部件之間的裝配配合關(guān)系,()第3期錢 斌,等:汽車驅(qū)動(dòng)橋總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模與虛擬裝配研究%23%成產(chǎn)品的裝配順序,形象地表達(dá)了產(chǎn)品、部件、零件之間的父子從屬關(guān)系,其層次結(jié)構(gòu)表達(dá)方法,可滿足人機(jī)交互裝配規(guī)劃和裝配過程仿真功能的要求.根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋總成中各

12、零件三維模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能要求,可確定各零部件間的裝配約束關(guān)系.Pro/Engineer中提供了4種標(biāo)準(zhǔn)配合約束關(guān)系:(1)匹配(mate)或匹配偏距(mateoffset);(2)對(duì)齊(a lign)或?qū)R偏距(alignoffset);(3)定向(orient);(4)插入(insert).驅(qū)動(dòng)橋總成三維裝配模型建立時(shí),應(yīng)先建立部件,如各軸承總成、差速器總成的三維裝配模型,驅(qū)動(dòng)橋各部件總成裝配中主要用到匹配與對(duì)齊兩種約束關(guān)系.以差速器總成裝配為例,可利用將元件添加到組件等操作生成差速器總成裝配圖.在根據(jù)實(shí)際的裝配關(guān)系對(duì)差速器零件進(jìn)行裝配時(shí),應(yīng)注意進(jìn)行零件之間干涉分析和檢驗(yàn),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問

13、題并更改零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù).利用Pro/Engineer中視圖/分解/分解視圖命令,完成裝配圖的初步分解,進(jìn)一步可生成差速器總成爆炸視圖(見圖1).驅(qū)動(dòng)橋總成三維虛擬裝配時(shí),以主減速器殼作為裝配基體,利用將元件添加到組件等操作,依次裝配主減速器主動(dòng)齒輪軸上的前后軸承總成、主減速器主動(dòng)齒輪、差速器支承軸承總成、差速器總成、主減速器從動(dòng)齒輪及其與差速器殼間的連接螺栓、差速器軸承座上蓋的4個(gè)連接螺栓、橋殼和左右半軸.在上述主減速器主從動(dòng)齒輪裝配中,應(yīng)進(jìn)行該雙曲面齒輪嚙合的干涉分析和檢驗(yàn).虛擬裝配時(shí),沿軸向分別調(diào)整主減速器主從動(dòng)齒輪空間相對(duì)位置,通過縮放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等工具檢查有無裝配干涉即可.若發(fā)現(xiàn)問題

14、及時(shí)修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù).驅(qū)動(dòng)橋總成裝配過程如圖2,由驅(qū)動(dòng)橋總成虛擬裝配圖生成的爆炸視圖如圖3.圖1 差速器總成爆炸圖圖2 驅(qū)動(dòng)橋總成裝配過程圖圖3 驅(qū)動(dòng)橋總成爆炸圖4 結(jié)論在建立汽車驅(qū)動(dòng)橋各零件的三維實(shí)體模型時(shí),應(yīng)注意將各零件分類,提煉出特征參數(shù),再通過Pro/Engineer軟件中的關(guān)系關(guān)聯(lián)各特征參數(shù),可以得到各零部件參數(shù)化三維模型.將虛擬裝配技術(shù)引入驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,可以在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決零部件裝配干涉等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題,縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期,降低了設(shè)計(jì)成本.參考文獻(xiàn):1 陳家瑞.汽車構(gòu)造:下冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.2 汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì)編.汽車工程手冊(cè):設(shè)計(jì)篇M.北京:

15、人民交通出版社,2001.3 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,2001.4 劉惟信.汽車車橋設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,2004.5 王望予.汽車設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.6 周爾民.機(jī)械產(chǎn)品虛擬裝配仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用J.機(jī)械傳動(dòng),2007,31(3):31 33.7 炊海春.Pro/Engineer從零件到整機(jī)M.北京:人民郵電出版社,2003.8 黃圣杰.Pro/Engineer2001高級(jí)開發(fā)實(shí)例M.北京:電子工業(yè)出版社,2002.(下轉(zhuǎn)第36頁)%36%安 徽 工 程 科 技 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)第24卷參考文獻(xiàn):1 HHussein,SFarag,KKandil

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18、hong,YANGChao ying,XUEZheng lian,TianLei(Dept.ofBioch.Engn.,AnhuiUniversityofTechnologyandScience,Wuhu241000,China)Abstract:Aspergillusniger,astheconventionalmicroorganismresource,wasusedtoabsorbtheheavymetalCopper,thedifferentinfluencefactorsabouttheadsorptionofCu2+byaspergillusnigerwerestudiedtoo.

19、Theresultsoftheexperimentshowedthattherotationalspeedis100r/min,theadsorptionquantityisthemaximum,i.e.6.688mg/L;WhenthepHwasfive,theadsorptionquantityis6.713mg/L,andtheadsorptionefficiencyisbest.Andtheadsorptionwasqucikinthefirst30min,andtheadsorptionefficiencyincreasedfromzeroto18.95%,buttheadsorpt

20、ionefficiencytookontheadscen denttendencyfrom30minto60min,whenthetimeislongerthan60min,theadsorptionefficiencyheldthestabilizationonthewhole.Keywords:bioremediation;aspergillusniger;copper(上接第23頁)Configurationdesign,3 DmodelingandvirtualassemblyfordrivingaxleofautomobileQIANBin,ZHUShun li12(1.AnhuiTechnicalCollegeofMechanicalandElectricalEngineering,Wuhu241000,China;2.AnhuiKeyLaboratoryofAdvancedNumericalControl&ServoTechnology,AnhuiUniver