齿轮齿条转向器的建模及分析_图文

1、第20卷第1期2006年3月上海工程技术大学学报JOURNAL OF SHAN GHAI UNIV ERSIT Y OF EN GIN EERIN G SCIENCEMar.2006文章编号:1009-444X (200601-0031-04 收稿日期:2005-11-02作者简介:刘冰(1963-,女,重庆人,高级工程师,研究方向为车辆工程.齿轮齿条转向器的建模及分析刘冰(上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海201620摘要:采用面向对象的设计方法和技巧,以ANS YS 软件为开发平台,进行齿轮齿条式转向器建模、参数化设计、虚拟装配和强度分析。通过构建转向器快速设计系统,展示CAD/CA

2、E 在现代汽车产品设计中的优势。关键词:齿轮;转向器;建模中图分类号:T H 132.41文献标志码:AModeling and Analysis of Rack and Pinion Steering GearL I U B i ng(College of Urban Railway Transportation ,Shanghai University of Engineering Science ,Shanghai 201620,China Abstract :Adopting object 2oriented design met hods ,a rack and pinion ste

3、ering gear was modeled based on ANS YS software.The part s of t he steering gear were virt ually assembled and t he strengt h of t he part s was analysed.During t his p rocess a rapid design system for t he steering gear was constit uted ,and t he advantages of CAD/CA E in t he design of modern car

4、part s were revealed at t he same time.Key words :gear ;steering gear ;modeling转向器作为汽车的关键部件之一,有着众多的结构类型,从在用车转向器的配套比率来看,主要有4种:蜗杆肖式转向器简称“WP 型转向器”,其市场占有率小于5%;蜗杆滚轮式转向器简称“WR 型转向器”,其市场占有率为10%左右;循环球式转向器简称“BS 型转向器”,其市场占有率为45%左右,主要装备大型车辆。齿条齿轮式转向器简称“RP 型转向器”,其市场占有率为40%左右,主要配套小型车辆(包括小客车、小型货车或客货两用车。法国小客车配套齿轮齿条式

5、转向器的比率高达95%,西欧小客车配套齿轮齿条式转向器的比率也超过50%。齿轮齿条式转向器结构简单,无间隙啮合,逆传动效率高,也是当今中国小汽车转向器中应用较普遍的一种转向器。如奥迪、桑塔纳、夏利等轿车,以及天津TJ 1010、南京依维柯等小型货车,均装备齿轮齿条式转向器。齿轮齿条转向器由齿轮、齿条和拧紧螺塞等组成如图1所示。齿轮齿条用来完成转向传动,拧紧螺塞的作用是调整齿轮齿条的啮合间隙,把啮合间上海工程技术大学学报第20卷隙和转动扭矩约束在规定的公差范围内。在齿轮齿条传动中,齿轮与齿条直接啮合,把齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动,将方向盘的转动通过转向拉杆横向拉动车轮完成偏转。1-万向节

6、叉;2-转向齿轮轴;3-调整螺母;4-向心球轴承5-滚针轴承;6-固定螺栓;7-转向横拉杆;8-转向器壳体9-防尘套;10-转向齿条;11-调整螺塞;12-锁紧螺母13-压紧弹簧;14-压块图1齿轮齿条式转向器Fig.1R ack and pinion steering gear1ANSYS的建模技巧ANS YS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元软件,以优化产品、降低成本为目标,广泛应用于产品的原理、结构、性能的设计、分析、模拟以及评测。但是这一切均基于产品的立体建模,基于ANS YS的建模通常有直接建模、导入建模、参数建模和封装建模四种方法。1.1直接建模ANS

7、YS软件具备直接建模的功能,输入零部件的结构参数即可获得零部件的简化了的或者实体的三维模型(简化了的三维模型常常用于原理分析、受力分析等,可以大幅度减少运算的工作量。1.2导入建模ANS YS协同仿真功能能将IGES,U G,PRO/ E,CA TIA,PARASOL ID,SA T等CAD软件的零件设计参数直接读入,生成三维模型如图2所示。对于结构较复杂的零件,导入其相应的CAD文件,可以有效地提高ANS YS建模速度。在导入时应注意有时需要加PA T H变量,否则ANS YS将提示缺少相关的3.anf文件,使导入过程无法进行。整合相同或不同CAD软件模型,可以得到一个供分析用的CAD模型库

8、,库中保留CAD中的设计参数,并通过连接技术实现与CAD的软件之间的共享,其优点是任何人对设计的改变都可能立即反映到对方的软件环境中,从而实现设计仿真的同步协同 。图2模型Fig.2Model1.3参数建模在需要优化参数的情况下,ANS YS提供的参数化设计语言A PDL(Ansys Parametric Design Language具有宏、循环、分支等程序语言功能,并且提供简单的界面定制功能,提供描述组件间配合关系的附加功能,可以实现参数的交互输入。在参数建模过程中,宜将批量的宏放到一个文本文件中,建立宏库,并用组件和组集来定义线、面、体,避免运行宏程序时对象代码发生变化。在建模过程中,可

9、使用MUL TIPRO命令建立主宏文件,再输入模型必要的各种参数。同时,利用DOW H IL E等流程语句控制调用宏库中的宏块,完成简化的或者实体的零件参数化建模。可以修改ANS YS启动配置文件,定制用户化工具条,方便对设计参数执行优化改进,达到最优化设计。1.4封装建模若需要构造虚拟设计平台,或者需要进行数值分析,可以将ANS YS的A PDL语言与C+相结合,调用其批处理模式,即建立平台。通过平台输入相关参数,在A PDL文首对各参数赋值,使其成为一个ANS YS可以通过接口程序调用运行的程序流文件,并能够在指定的ANS YS工作目录中读取ANS YS的输出结果。从而建立对象的计算机模型

10、。也就是利用编写的外部程序输入ANS YS 所需的建模参数,然后调用ANS YS进行后台处理,屏幕显示达到了参数的外部输入、结果的外部调用、过程的后台运行,从而实现对ANS YS的封装。1.5虚拟装配零件的可装配性是手工设计时容易发生的问题,有些问题要到产品最后装配时才能发现,往往造成零件的报废和工期的延误。而CAD/CA E可以实现虚拟装配,如ANS YS 可定义不同零件或组件间的参数关系,部分转向器零件的分装情况如图3所示。同时,计算机可以模23第1期刘冰:齿轮齿条转向器的建模及分析拟出产品的形状和工作状况,并且能够使所设计的产品运动起来,检查产品设计合理性,及时显示出的结构、运动等一些设

11、计方面的问题。 图3虚拟装配Fig.3Virtu al assembly 在虚拟装配中,模型是零件自身的映象,可以选择由内向外、自顶而下或自下而上的装配顺序,通过坐标系、逻辑、贴合、偏移等多种定位方式或约束关系,运用装配导航,零件搜索,保持装配模型和零件设计双向相关。这样,设计修改后装配模型中的零件会自动更新,并且可以在装配环境下直接修改零件设计。虚拟装配可以更直观、更方便、更快捷地进行产品的设计、布局、仿真、分析、性能评价,以便能够在产品的设计阶段就实时地解决所出现的问题,以便能够不断改进,直到完成转向器总成及零部件的设计、结构分析和优化,制造出高质量的产品。2关键零部件的ANSYS 分析示

12、例有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个,且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。依据结构的实际情况,选择合适的单元形状、类型、数目、大小以及排列方式,拟分析的物体假想地分成有限个分区或分块的集合体。引入强制边界条件,解方程得到节点位移。弹性接触问题属于小变形边界非线性问题,其中既有接触区变化引起的非线性,又有接触压力分布变化引起的非线性,求解过程是搜寻准确的接触状态的反复迭代过程。为此,需要先假定一个可能的接触状态,然后带入定解条件,得到接触点的接触内力和位移,判断是否满足接触条件。当不满足接触条件时修改接触点的接触状态重新求解,直到所有接触点都满足接触条件为止。然后,以设定的

13、方式输出,并分析结果,给出结论。以关键零部件之一的齿条(零件10为例,进行有限元分析。2.1外力分析不计摩擦和机械效率,如图4所示,传递到转向齿轮上的转矩T 为T =F ×r h式中:F 为轮缘上的切向力;r h 为方向盘半径。根据经验取驾驶员作用在方向盘轮缘上的最大瞬时力F 为200N 。根据国家标准,取小型车方向盘半径为180mm ,那么,传递到转向齿轮上的转矩T 为T =F ×r h =200×180=3600N mm图4受力分析Fig.4Force analysis取齿轮模数2.5,齿轮齿数6,以及分度圆螺旋角=10°,法向压力角=20°

14、;,代入数据,得转向齿轮分度圆半径为R z =M Z/2=2.5×6/2=7.5mm式中:M 为齿轮模数;Z 为齿轮齿数。转向齿轮载荷为F t =T/R z =36000/7.5=4800.0N F =F t /cos =4800/co s 10°=4874.0N F n =F /cos =4874/co s 20°=5186.6N 2.2有限元分析像齿轮齿条这种具有曲面边界的结构,比较适合采用六面体单元,为保证位移在单元边界上的连续性,需要进行坐标变换。选取位移函数式和坐标变换式,用相同数目的相应的节点值作为参数,编号为i 1,i 2,i 8。这八个节点的总体坐

15、标分别为(x 1,y 1,z 1(x 8,y 8,z 8,局部的参数坐标(1,1,1(8,8,8。八节点六面体单元的插值位移函数为u =Ni(,u i v =Ni(,v i33上海工程技术大学学报第20卷w=N i(,w i八节点六面体单元的坐标变换式为x=N i(,x iy=N i(,y iz=N i(,z i三维空间i的几何方程为i=Bii式中:Bi为几何矩阵;i为表示单元的节点位移值。在传动过程中,随着啮合位置的不断变化,沿齿向轮齿刚度和承载位置不断变化,齿间载荷的分配情况也是变化的。将两个弹性接触体1、2分离成两个独立物体,根据弹性有限元理论可以写出它们各自的有限元基本方程,即为K1u

16、1=R1+P1K2u2=R2+P2式中:K1、K2为弹性体1、2的刚度矩阵;u1、u2为弹性体1、2的节点位移向量;R1、R2为接触内力向量;P1、P2为载荷向量。用对称方程组的乔累斯基(Cholesky分解法进行求解,输入齿条的法向载荷为5186.9N,设定材料属性为steel,按转向器齿条在转向器壳体中轴向运动添加边界条件,添加相关约束条件(如两个轴孔,按八节点六面单元体划分、生成网格,执行计算,结果显示出现应力集中。立即调整间隙,重新定义边界条件,添加相关约束条件,生成网格,执行计算,结果显示改进后齿条和齿轮的啮合面上所受的拉应力最大为max=136.1M Pa(显示为橙色,参见图6齿条

17、啮合齿背所受拉应力最小为:min=-37.92Mpa(显示为蓝色齿条材料屈服点s=355N/mm2,安全系数=1.53.0(取=2,=s/=177. 5M Pa。按照第一强度理论,最大拉应力是引起断裂的主要因素,强度条件为。=136.1M Pa=177.5M Pa表明了改进后所设计的齿条满足强度要求。图5齿条有限元分析Fig.5Finite element analysis of rack采用虚拟制造技术,可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真,解决大多数问题,提高一次试制成功率。还可以提高产品设计制造质量、减少设计缺陷、优化制造过程、降低成本和缩短开发周期,大幅度提高产品的技术水平,从而提高企业的市场竞争能力。3结论利用CAD/CA E可以建立一种逼真的虚拟环境,在这个环境中,转向器不是实物,不消耗实际材料,也不需要机床等设备,实际上是一种“数字产品"。利用这种数字产品,可以在转向器设计的上游阶段就审查外观、装配模拟、干涉检查、消除设计缺陷、评价加工的可行性和合理性,预测产品的成本和使用性能,提出改进的措施和方法。采用面向对象的设计方法和技巧,行齿轮齿条式转向器建模、参数化设计、虚拟装配和强度分析方面的尝试,构建了转向器快速