王 琛， 于嘉浩

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037)

UG運(yùn)動仿真功能是在結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維建模、虛擬裝配的機(jī)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，對機(jī)構(gòu)中每個部件的三維模型賦予一定的運(yùn)動學(xué)特性，再在各個部件之間設(shè)立一定的連接關(guān)系，使之成為一個運(yùn)動仿真機(jī)構(gòu)模型[1]，從而模擬機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動，分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動時的受力情況。UG運(yùn)動仿真功能可以對機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行大量的裝配分析和運(yùn)動合理性分析工作，例如干涉檢查，軌跡包絡(luò)，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力與反作用力等，得到大量的運(yùn)動參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)構(gòu)模型的改進(jìn)和設(shè)計方案的優(yōu)化。

1 運(yùn)動學(xué)特性設(shè)置

UG運(yùn)動仿真的關(guān)鍵步驟是對機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)特性設(shè)置，包含連桿設(shè)置和運(yùn)動副設(shè)置[2]。運(yùn)動機(jī)構(gòu)在裝配完成后，各個部件并不能按照裝配模塊中的連接關(guān)系進(jìn)行連接，需要為每個部件賦予一定的運(yùn)動學(xué)特性，即為機(jī)構(gòu)指定連桿和運(yùn)動副[3]。在運(yùn)動學(xué)中，連桿和運(yùn)動副兩者是相輔相成，缺一不可的。運(yùn)動是基于連桿和運(yùn)動副的，而運(yùn)動副是創(chuàng)建于連桿上的副。

連桿是創(chuàng)建運(yùn)動仿真的基礎(chǔ)，合理地設(shè)置連桿的慣性和材料屬性，可以使運(yùn)動仿真更加準(zhǔn)確真實(shí)[4]。建立連桿的對象既可以是具有一定質(zhì)量和體積的三維實(shí)體，也可以是二維的曲線和點(diǎn)。每個連桿可以由多個對象組成，但是一個對象只能屬于一個連桿，對象之間可以存在間隙，也可以相互干涉。如果連桿不需要運(yùn)動，可以設(shè)置連桿為“固定連桿”。在一個運(yùn)動機(jī)構(gòu)中必須有一個固定連桿或者運(yùn)動副，否則將無法進(jìn)行運(yùn)動仿真。

運(yùn)動副的作用是將機(jī)構(gòu)中的連桿連接在一起，成為一個有機(jī)的整體進(jìn)行運(yùn)動。為了讓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動按照預(yù)期設(shè)置進(jìn)行，必須使用運(yùn)動副連接以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)。運(yùn)動副的設(shè)置需要根據(jù)機(jī)構(gòu)模型的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)來進(jìn)行選用[5-6]。UG軟件中提供了15種類型的運(yùn)動副，分別為旋轉(zhuǎn)副、滑動副、柱面副、固定、螺旋副、球面副、平面副、萬向節(jié)、等速、共點(diǎn)、共線、共面、方向、平行、垂直，其中旋轉(zhuǎn)副、滑動副和柱面副可以提供驅(qū)動[7-8]。

2 雙離合自動變速器運(yùn)動仿真分析

2.1 創(chuàng)建運(yùn)動分析方案

運(yùn)行UG軟件，打開裝配完成的雙離合自動變速器傳動機(jī)構(gòu)文件，進(jìn)入運(yùn)動仿真模塊，在運(yùn)動導(dǎo)航器中選擇雙離合自動變速器傳動機(jī)構(gòu)為主模型.

新建運(yùn)動仿真方案后，系統(tǒng)自動生成機(jī)構(gòu)所定義的連桿，但系統(tǒng)生成的連桿中有多余定義的部分，需要進(jìn)行刪減與修改，刪去多余定義的部分，保存有用的連桿。為了進(jìn)行精準(zhǔn)的仿真分析，還需要對連桿的質(zhì)量特性進(jìn)行定義，包括質(zhì)心位置和材料屬性定義[9-10]。由于傳動機(jī)構(gòu)中的連桿多為繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)的齒輪和軸，其質(zhì)心位置常設(shè)置于連桿的結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)上，也在連桿的中心軸線上。根據(jù)雙離合自動變速器傳動機(jī)構(gòu)的實(shí)際材料應(yīng)用，設(shè)置材料類型為20CrMnTi。

創(chuàng)建運(yùn)動副主要分為四個步驟：第一步，選擇運(yùn)動副的類型，供選擇的類型有旋轉(zhuǎn)副、滑動副、柱面副等；第二步，選擇第一個連桿，確定其運(yùn)動副的原點(diǎn)位置和矢量方向；第三步，選擇第二個連桿，確定其運(yùn)動副的原點(diǎn)位置和矢量方向；第四步，定義運(yùn)動驅(qū)動，其中旋轉(zhuǎn)副、滑動副和柱面副可以提供驅(qū)動。雙離合自動變速器的傳動機(jī)構(gòu)中，由于各嚙合齒輪、傳動軸之間的實(shí)際運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，創(chuàng)建各旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動副為旋轉(zhuǎn)副。對于如平鍵之類的部件，由于其實(shí)際運(yùn)動為平移運(yùn)動，創(chuàng)建其運(yùn)動副為滑動副[11]。

2.2 前進(jìn)一檔仿真分析

以前進(jìn)一檔為例，對前進(jìn)一檔進(jìn)行仿真分析。雙離合自動變速器處于前進(jìn)一檔時，動力從離合器傳遞到輸入軸，經(jīng)由主動齒輪傳遞到輸出齒輪，再由同步器將動力傳至輸出軸輸出。此時動力的主要傳輸路徑為主動齒輪與輸出齒輪的嚙合。對于齒輪傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析，需要增加齒輪副，齒輪副由輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001和輸出軸旋轉(zhuǎn)副J002構(gòu)成。輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001對應(yīng)于一檔主動齒輪與輸入軸的連接，旋轉(zhuǎn)副J002對應(yīng)于一檔從動齒輪與輸出軸的連接。

給輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001定義運(yùn)動驅(qū)動，設(shè)置驅(qū)動類型為“恒定”數(shù)值驅(qū)動，輸入初速度為360 deg/s。在“分析類型”中選擇“運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)”，“時間”設(shè)置為1，“步數(shù)”設(shè)置為30，其他設(shè)置默認(rèn)，運(yùn)行求解。輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001和輸出軸旋轉(zhuǎn)副J002的勻速前進(jìn)一檔仿真分析如圖1所示。

從圖1中可以看出，輸入軸和輸出軸都是勻速轉(zhuǎn)動的，輸入軸的轉(zhuǎn)速為360 deg/s，大于輸出軸的轉(zhuǎn)速100 deg/s。反映了一檔的傳動特征，即雙離合自動變速器產(chǎn)生了減速、增大扭矩的作用。計算輸入軸和輸出軸的傳動比為：i1=輸出軸速度/輸入軸速度=100/360≈0.27，與由齒數(shù)計算而來的傳動比相同。

圖1 勻速前進(jìn)一檔仿真分析

給輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001定義運(yùn)動驅(qū)動，設(shè)置驅(qū)動類型為“恒定”數(shù)值驅(qū)動，輸入初速度為200 deg/s，加速度為100 rad/s2，在“分析類型”中選擇“運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)”，“時間”設(shè)置為1，“步數(shù)”設(shè)置為30，其他設(shè)置默認(rèn)，運(yùn)行求解。輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001和輸出軸旋轉(zhuǎn)副J002的加速前進(jìn)一檔仿真分析如圖2所示。

圖2反映了一檔加速時的運(yùn)動情況，從最上面起，第一條曲線是輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001的速度曲線，第二條是輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001的加速度曲線，第三條是輸出軸旋轉(zhuǎn)副J002的速度曲線，第四條是輸出軸旋轉(zhuǎn)副J002的加速度曲線。對比4條曲線可以看出輸入軸的速度比輸出軸的速度快，同時輸入軸加速度比輸出軸加速度大，所得仿真結(jié)果與機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動狀況相符。

給輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001定義運(yùn)動驅(qū)動，設(shè)置驅(qū)動類型為“恒定”數(shù)值驅(qū)動，輸入初速度為360 deg/s，加速度為-180 rad/s2，在“分析類型”中選擇“運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)”，“時間”設(shè)置為1，“步數(shù)”設(shè)置為30，其他設(shè)置默認(rèn)，運(yùn)行求解。輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001和輸出軸旋轉(zhuǎn)副J002的減速前進(jìn)一檔仿真分析如圖3所示。

圖3反映了一檔減速時的運(yùn)動情況，從最上面起，第一條曲線是輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001的速度曲線，第二條是輸入軸旋轉(zhuǎn)副J001的減速度曲線，第三條是輸出軸旋轉(zhuǎn)副J002的速度曲線，第四條是輸出軸旋轉(zhuǎn)副J002的減速度曲線。對比4條曲線可以看出輸入軸的速度比輸出軸的速度快，同時輸入軸的減速度比輸出軸的減速度大，所得仿真結(jié)果與機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動狀況相符。

3 總結(jié)

UG運(yùn)動仿真是在結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維建模、虛擬裝配的機(jī)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，對機(jī)構(gòu)中每個部件的三維模型賦予一定的運(yùn)動學(xué)特性，模擬機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動，分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動時受力情況的過程。本文選用雙離合自動變速器為研究案例，建立了雙離合自動變速器傳動機(jī)構(gòu)的仿真分析方案，并以前進(jìn)一檔為例進(jìn)行仿真分析，所得仿真結(jié)果與機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動狀況相符，驗(yàn)證了UG運(yùn)動仿真功能在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。