1、汽車產(chǎn)品周期虛擬開發(fā)技術(shù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的虛擬設(shè)計與分析摘要：虛擬設(shè)計是近年來計算機輔助設(shè)計CAD技術(shù)和虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新興的設(shè)計技術(shù)，虛擬設(shè)計是機械設(shè)計的必然趨勢。首先簡要闡述了汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，介紹在CATIA環(huán)境下進(jìn)行齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，同時實現(xiàn)模型的虛擬裝配及仿真分析.通過直接造型與草圖造型相結(jié)合的方法，提高了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)化程度，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。關(guān)鍵詞：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器；參數(shù)化建模；虛擬裝配；運動分析Abstract:Virtualdesignisanewdesigntechnologywhichisdeveloped

2、bythecombinationofCADtechnologyandvirtualrealityVRtechnologyinrecentyears.Thevirtualdesignistheinevitabletrendofmechanicaldesign.Firstly,thepaperbrieflydescribestheautomobilegearracktypesteeringgear,introducesthemethodofparametricstructuredesignofgearracktypesteeringgearinCATIAenvironment,andrealize

3、sthevirtualassemblyandsimulationanalysisofthemodel.Throughthecombinationofdirectmodelingandsketchmodeling,theparametersofthestructuredesignofthegearteethareimproved,andthedevelopmentcycleisshortened.Keywords:Rackandpinionsteeringgear;parametricmodeling;virtualassembly;motionanalysis引言汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，

4、代表著一個國家的綜合國力，汽車工業(yè)隨著機械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷前進(jìn)。到今天，汽車工業(yè)已經(jīng)是機械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。汽車產(chǎn)業(yè)的擴張拉動了其零部件產(chǎn)業(yè)的增長。汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器作為重要的汽車零部件也隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展得到了飛躍發(fā)展。在當(dāng)今汽車發(fā)展中，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定車輛安全性能的關(guān)鍵零部件之一。它作為改變汽車行駛方向及保持汽車穩(wěn)定直線行駛的關(guān)鍵零部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到人身和財產(chǎn)的安全。為了提高汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計效率，提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期。采用參數(shù)化特征設(shè)計的CAD技術(shù)開發(fā)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是當(dāng)今社會的一個發(fā)展趨勢。(1)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用是改變行駛路線或者保持

5、行駛路線。當(dāng)汽車在行進(jìn)時受到路面?zhèn)鱽淼呐既粵_擊及汽車意外地偏離行駛方向時能夠按照駕駛員的操縱要求而適時地改變其行駛方向使汽車穩(wěn)定快速前進(jìn)。按照轉(zhuǎn)向動力源不同，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的兩大類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向動力源，主要由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是兼用駕駛員體力和發(fā)動機動力作為轉(zhuǎn)向動力源，它主要是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，由三大組成部分加上了一套轉(zhuǎn)向動力器而構(gòu)成的。本文根據(jù)課題需要，以機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象進(jìn)行研究，機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖1.1所示。l.轉(zhuǎn)向盤2.安全轉(zhuǎn)向軸3.轉(zhuǎn)向節(jié)4.轉(zhuǎn)向輪5.轉(zhuǎn)向節(jié)臂6.轉(zhuǎn)向橫拉桿7.

6、轉(zhuǎn)向減振器8.機械轉(zhuǎn)向器圖1.1機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(2)汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向系是通過對左、右轉(zhuǎn)向之間的合理匹配來保證汽車能沿著理想的軌跡運動的機構(gòu)，它由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)轉(zhuǎn)向器和專項傳動機構(gòu)組成。齒輪齒條機械轉(zhuǎn)向器是將司機對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動變?yōu)榛螨X條沿轉(zhuǎn)向車軸軸向的移動，并按照一定的角傳動比和力傳動比進(jìn)行傳遞的機構(gòu)。機械轉(zhuǎn)向器與動力系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。高級轎車和中興載貨汽車為了使轉(zhuǎn)向輕便，多采用這種動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。采用液力式動力轉(zhuǎn)向時，由于液體的阻尼作用，吸收了路面上的沖擊載荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，

7、轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較??；傳動效率高達(dá)90%齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，能自動消除間隙，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用體積小；制造成本低。1汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器參數(shù)化建模機械產(chǎn)品的設(shè)計過程是根據(jù)產(chǎn)品的特點和功能要求及市場需求對產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的產(chǎn)品設(shè)計過程。用機械CAD軟件系統(tǒng)以支持產(chǎn)品設(shè)計全過程設(shè)計表達(dá)的必要條件之一是提供了產(chǎn)品的造型方法，使設(shè)計人員能夠表達(dá)產(chǎn)品的功能并在設(shè)計過程中用于保證和維護產(chǎn)品的要求。1.1 參數(shù)化設(shè)計1.1.1 參數(shù)化設(shè)計概念參數(shù)化設(shè)計是RevitBuilding的

8、一個，它分為兩個部分：參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎。RevitBuilding中的圖元都是以構(gòu)件的形式出現(xiàn)，這些構(gòu)件之間的不同，是通過參數(shù)的調(diào)整反映出來的，參數(shù)保存了圖元作為數(shù)字化建筑構(gòu)件的所有信息。參數(shù)化修改引擎提供的參數(shù)更改技術(shù)使用戶對建筑設(shè)計或文檔部分作的任何改動都可以自動的在其它相關(guān)聯(lián)的部分反映出來，采用智能建筑構(gòu)件、視圖和注釋符號，使每一個構(gòu)件都通過一個變更傳播引擎互相關(guān)聯(lián)。構(gòu)件的移動、刪除和尺寸的改動所引起的參數(shù)變化會引起相關(guān)構(gòu)件的參數(shù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的變化，任一視圖下所發(fā)生的變更都能參數(shù)化的、雙向的傳播到所有視圖，以保證所有圖紙的一致性，毋須逐一對所有視圖進(jìn)行修改。從而提高了工作效率和工作

9、質(zhì)量。參數(shù)化設(shè)計原理如圖1.2所示。圖1.2參數(shù)化設(shè)計基本思想1.1.2 參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用用該方法開發(fā)產(chǎn)品時，零件設(shè)計模型的建立速度是決定整個產(chǎn)品開發(fā)效率的關(guān)鍵。產(chǎn)品開發(fā)初期，零件形狀和尺寸有一定模糊性，要在裝配驗證、性能分析和數(shù)控編程之后才能確定。這就希望零件模型具有易于修改的柔性。參數(shù)化設(shè)計方法就是將模型中的定量信息變量化，使之成為任意調(diào)整的參數(shù)。對于變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，就可得到不同大小和形狀的零件模型。在CAD中要實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，參數(shù)化模型的建立是關(guān)鍵。參數(shù)化模型表示了零件圖形的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結(jié)構(gòu)約束和尺寸約束。結(jié)構(gòu)約束是指幾何元素之間的拓?fù)浼s束關(guān)系，如平行、垂直、

10、相切、對稱等；尺寸約束則是通過尺寸標(biāo)注表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關(guān)系，通過定義尺寸變量及它們之間在數(shù)值上和邏輯上的關(guān)系來表示。1.2 轉(zhuǎn)向器零件的參數(shù)化建模一般產(chǎn)品是由一個或許多個零件構(gòu)成，要想實現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計，必須首先要先實現(xiàn)零件的參數(shù)化設(shè)計。一般首先對零件進(jìn)行參數(shù)化建模分析；然后根據(jù)零件的特征確定參數(shù)化建模方法，并對零件進(jìn)行參數(shù)化建模；最后再對零件進(jìn)行參數(shù)化裝配，并進(jìn)行束和添加必要的規(guī)則和檢驗。本節(jié)以CATIA軟件為參數(shù)化設(shè)計平臺，建立了汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器零件的參數(shù)化三維模型。1.2.1 轉(zhuǎn)向器零件的參數(shù)化建模分析汽車轉(zhuǎn)向器作為轎車的重要

11、轉(zhuǎn)動部件，主要有轉(zhuǎn)向齒輪軸、調(diào)整螺母、向心球軸承、滾針軸承、固定螺栓、橫拉桿、轉(zhuǎn)向器殼體、防塵套、轉(zhuǎn)向齒條、調(diào)整螺塞、鎖緊螺母、壓緊彈簧、壓塊、軸承蓋等零件組成。由于轉(zhuǎn)向齒輪和轉(zhuǎn)向齒條是轉(zhuǎn)向器的核心零部件且結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，給設(shè)計制造帶來較大困難，但是利用CATIA軟件能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的參數(shù)化建模，節(jié)省建模的時間，這里主要對轉(zhuǎn)向齒輪和轉(zhuǎn)向齒條進(jìn)行參數(shù)化建模分析。(1)轉(zhuǎn)向器齒輪的建模分析汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中的齒輪是特殊的螺旋形狀、大螺旋角漸開線齒輪。為了提高傳動比，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪的齒數(shù)很少。齒輪絕大數(shù)采用斜齒輪，以減少齒輪的根切、增加齒輪的強度、提高嚙合重疊系數(shù)和降低逆?zhèn)鲃有?。齒輪齒條式轉(zhuǎn)

12、向器中的齒輪對傳動的靈敏性要求很高，其設(shè)計與制造的要求也非常嚴(yán)格。斜齒輪與直齒輪相比，就是斜齒輪兩端端面旋轉(zhuǎn)了一個角度，如果旋轉(zhuǎn)角度為零，那這個斜齒輪就是一個直齒輪了，因而直齒輪就是螺旋角為零的特殊斜齒輪。我們可以將直齒輪和斜齒輪用同一個畫法畫出來，只改變一下端面參數(shù)就可以輸出不同的直齒輪或者斜齒輪。(2)CATIA中齒廓漸開線的繪制當(dāng)直線NK沿基圓作純滾動運動時，其上點的運動軌跡就是漸開線。在CATIA中轉(zhuǎn)向齒輪的建模關(guān)鍵在于漸開線的生成。漸開線生成算法的核心思想就是通過參數(shù)化思想做出漸開線上的一系列點，然后用系統(tǒng)提供的樣條曲線連接，得到光滑的齒廓形狀，而漸開線上的點通過漸開線方程式求得，漸

13、開線示意圖如圖1.3所示。圖1.3漸開線示意圖(3)轉(zhuǎn)向器齒條的建模分析齒條是基圓半徑為無限大的漸開線圓柱齒輪，其輪廓已由漸開線變成了直線，所以齒條副具有漸開線齒輪副的特點.由于齒條有壓力角、模數(shù)、齒距不變的特殊性，故齒條副也有特殊的嚙合性：無論齒條相對齒輪的安裝位置如何變化，嚙合角是常數(shù)，總等于壓力角.齒輪分度圓與其節(jié)圓始終重合，亦即齒條的節(jié)線總切于齒輪的分度圓.當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)外齒輪的齒數(shù)增加到無窮多時，齒輪的基圓及其他圓都變成互相平行的直線，同側(cè)漸開線齒廓也變成互相平行的斜直線齒廓，這樣就形成標(biāo)準(zhǔn)齒條.齒條的主要特點：(1)由于齒條齒廓為直線，所以齒廓上各點具有相同的壓力角，且等于齒廓的傾斜角，此

14、角稱為齒形角，標(biāo)準(zhǔn)彳1為20°(2)與齒頂線平行的任一條直線上具有相同的齒距和模數(shù)；(3)與齒頂線平行且齒厚等于齒槽寬的直線稱為分度線(中線)，它是計算齒條尺寸的基準(zhǔn)線.齒條參數(shù)化特征建模主要步驟如下：(1)分析齒條的結(jié)構(gòu)特征，提取結(jié)構(gòu)參數(shù).利用齒條的幾何模型進(jìn)行特征定義，提取形狀特征的幾何信息，將實體特征參數(shù)轉(zhuǎn)化為模型特征參數(shù);(2)利用特征參數(shù)建立參數(shù)化特征模型；(3)添加屬性,建立特征表;(4)進(jìn)行參數(shù)化特征模型精度檢測經(jīng)過上述步驟，就建立了齒條的參數(shù)化特征模型.如圖1.4所示.圖1.4齒條模型2汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器虛擬裝配2.1 虛擬裝配概述基于虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)品虛擬拆裝技術(shù)在新

15、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品的維護以及操作培訓(xùn)方面具有獨特的作用。在交互式虛擬裝配環(huán)境中，用戶使用各類交互設(shè)備(數(shù)據(jù)手套/位置跟蹤器、鼠標(biāo)/鍵盤、力反饋操作設(shè)備等)像在真實環(huán)境中一樣對產(chǎn)品的零部件進(jìn)行各類裝配操作，在操作過程中系統(tǒng)提供實時的碰撞檢測、裝配約束處理、裝配路徑與序列處理等功能，從而使得用戶能夠?qū)Ξa(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行分析、對產(chǎn)品零部件裝配序列進(jìn)行驗證和規(guī)劃、對裝配操作人員進(jìn)行培訓(xùn)等。在裝配(或拆卸)結(jié)束以后，系統(tǒng)能夠記錄裝配過程的所有信息，并生成評審報告、視頻錄像等供隨后的分析使用。2.2 轉(zhuǎn)向器虛擬裝配的過程零件的可裝配性是手工設(shè)計時容易發(fā)生的問題，有些問題要到產(chǎn)品最后裝配時才能發(fā)現(xiàn)，往往造成零件

16、的報廢和工期的延誤。而CAD/CAE可以實現(xiàn)虛擬裝配，如CATIA可定義不同零件或組件間的參數(shù)關(guān)系部分轉(zhuǎn)向器零件的分裝情況如圖2.1所示。同時，計算機可以模擬出產(chǎn)品的形狀和工作狀況，并且能夠使所設(shè)計的產(chǎn)品運動起來，檢查產(chǎn)品設(shè)計合理性，及時顯示出的結(jié)構(gòu)、運動等一些設(shè)計方面的問題。圖2.1虛擬裝配在虛擬裝配中，模型是零件自身的映象，可以選擇由內(nèi)向外、自頂而下或自下而上的裝配順序，通過坐標(biāo)系、邏輯、貼合、偏移等多種定位方式或約束關(guān)系，運用裝配導(dǎo)航，零件搜索，保持裝配模型和零件設(shè)計雙向相關(guān)。這樣，設(shè)計修改后裝配模型中的零件會自動更新，并且可以在裝配環(huán)境下直接修改零件設(shè)計。虛擬裝配可以更直觀、更方便、更

17、快捷地進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計、布局、仿真、分析、性能評價，以便能夠在產(chǎn)品的設(shè)計階段就實時地解決所出現(xiàn)的問題，以便能夠不斷改進(jìn)，直到完成轉(zhuǎn)向器總成及零部件的設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品。3干涉分析與檢驗干涉分析是虛擬裝配設(shè)計的重要內(nèi)容之一，在產(chǎn)品零部件完成虛擬裝配后，需要對零部件進(jìn)行裝配干涉分析，包括碰撞和間隙計算、約束分析、依賴項分析、更新分析、自由度分析等。通過干涉分析，可以知道產(chǎn)品零部件在裝配時的相交性，裝配過程中的干涉性，裝配關(guān)系以及裝配空間等。還可以根據(jù)裝配路徑和約束，進(jìn)行裝配調(diào)整，直到設(shè)計出理想的產(chǎn)品。運動分析模塊(Motion)是利用虛擬裝配模型，通過將一個或一組零件定義為許多

18、互相關(guān)聯(lián)的連桿(Links),并將連桿間的連接關(guān)系定義為運動副(Joints),通過加入運動輸入使機構(gòu)模型產(chǎn)生運動，從而對機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)(Kinematic)分析或動力學(xué)(Dynamic)分析.運動分析模塊提供了機械運動的虛擬樣機.可以進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析，通過使用各種運動對象包括運動副、彈簧、阻尼器、運動驅(qū)動器、力、扭矩、柔性套管等來創(chuàng)建和評估虛擬樣機，同時通過干涉檢查結(jié)果以圖、表、動畫、電子表格等形式輸出，形象直觀地得到相應(yīng)數(shù)據(jù).具體步驟為：保存文件后點擊“應(yīng)用”，菜單選擇進(jìn)入“運動”環(huán)境，在“方案瀏覽器”中新建一方案“Scenario:依次將齒輪和齒條定義為“連桿剛體”；再依次為齒輪定

19、義“旋轉(zhuǎn)副”，為齒條定義“滑動副”；給驅(qū)動齒輪設(shè)定一個恒定驅(qū)動，速度值為10,其他運動副參數(shù)缺省.在驅(qū)動齒輪和齒條之間添加一個“齒輪齒條副”約束.運動約束設(shè)置完畢，下一步觀察傳動運動，打開“分析選項”對話框，選擇“靜力/動力分析”選項，然后設(shè)置動畫“時間”和“步數(shù)”，確定后進(jìn)入“動畫仿真”對話框，在控制選項中單擊“完整范圍”三角按鈕，整個裝配組件按照傳動設(shè)計意圖由驅(qū)動齒輪帶動齒條運動.若發(fā)現(xiàn)干涉或間隙過大等問題，可以及時修改零件模型，然后再進(jìn)行分析直至滿意為止.最終得到的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如圖3.1所示。圖3.1汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的裝配圖4結(jié)論基于CATIA建立了汽車轉(zhuǎn)向器參數(shù)化的實體模型，以滿足用戶不斷修改并最終實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計或變形產(chǎn)品設(shè)計的要求.對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，可及時修改零件模型，提高汽車轉(zhuǎn)向器的設(shè)計水平和質(zhì)量。在設(shè)計中，我對一些知識又有了重新認(rèn)識，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了轉(zhuǎn)向器部分的知識，但深知自己還欠缺很多知識，在