汽车虚拟开发论文

1、汽车产品周期虚拟开发技术齿轮齿条式转向器的虚拟设计与分析摘 要：虚拟设计是近年来计算机辅助设计CAD技术和虚拟现实VR技术相结合而发展起来的一种新兴的设计技术,虚拟设计是机械设计的必然趋势。首先简要阐述了汽车齿轮齿条式转向器，介绍在CATIA环境下进行齿轮齿条式转向器参数化结构设计的方法,同时实现模型的虚拟装配及仿真分析.通过直接造型与草图造型相结合的方法,提高了齿轮齿条式转向器结构设计的参数化程度,缩短了产品的开发周期。 关键词: 齿轮齿条式转向器; 参数化建模;虚拟装配;运动分析Abstract: Virtual design is a new design technology whic

2、h is developed by the combination of CAD technology and virtual reality VR technology in recent years. The virtual design is the inevitable trend of mechanical design. Firstly, the paper briefly describes the automobile gear rack type steering gear, introduces the method of parametric structure desi

3、gn of gear rack type steering gear in CATIA environment, and realizes the virtual assembly and simulation analysis of the model. Through the combination of direct modeling and sketch modeling, the parameters of the structure design of the gear teeth are improved, and the development cycle is shorten

4、ed.Keywords: Rack and pinion steering gear; parametric modeling; virtual assembly; motion analysis引 言 汽车工业是国民经济的支柱产业，代表着一个国家的综合国力，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。到今天，汽车工业已经是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车产业的扩张拉动了其零部件产业的增长。汽车齿轮齿条式转向器作为重要的汽车零部件也随着汽车产业的快速发展得到了飞跃发展。 在当今汽车发展中，汽车转向系统是决定车辆安全性能的关键零部件之一。它作为改变汽车行驶方向及保持汽车稳定直线行驶的关键零

5、部件，其性能的优劣直接关系到人身和财产的安全。为了提高汽车转向系统的设计效率，提高设计质量，缩短设计周期。采用参数化特征设计的 CAD 技术开发汽车转向系统是当今社会的一个发展趋势。 （1）汽车转向系统 汽车转向系统的作用是改变行驶路线或者保持行驶路线。当汽车在行进时受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时能够按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向使汽车稳定快速前进。 按照转向动力源不同，动力转向系统和机械转向系统是汽车转向系统的两大类转向系统。机械转向系统是以驾驶员的体力作为转向动力源，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力

6、作为转向动力源，它主要是在机械转向系统的基础上，由三大组成部分加上了一套转向动力器而构成的。本文根据课题需要，以机械转向系统为研究对象进行研究，机械转向系统如图 1.1 所示。l转向盘 2安全转向轴 3转向节 4转向轮 5转向节臂 6转向横拉杆 7转向减振器 8机械转向器图 1.1 机械转向系统（2）汽车齿轮齿条式转向器 转向系是通过对左、右转向之间的合理匹配来保证汽车能沿着理想的轨迹运动的机构，它由转向操纵机构转向器和专项传动机构组成。齿轮齿条机械转向器是将司机对转向盘的转动变为或齿条沿转向车轴轴向的移动，并按照一定的角传动比和力传动比进行传递的机构。机械转向器与动力系统相结合，构成动力转向

7、系统。高级轿车和中兴载货汽车为了使转向轻便，多采用这种动力转向系统。采用液力式动力转向时，由于液体的阻尼作用，吸收了路面上的冲击载荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的转向器结构。齿轮齿条式转向器的主要优点：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，能自动消除间隙，这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止工作时产生冲击和噪声；转向器占用体积小；制造成本低。1 汽车齿轮齿条式转向器参数化建模 机械产品的设计过程是根据产品的特点和功能要求及市场需求对产品的几何结构模

8、型进行的产品设计过程。用机械 CAD 软件系统以支持产品设计全过程设计表达的必要条件之一是提供了产品的造型方法，使设计人员能够表达产品的功能并在设计过程中用于保证和维护产品的要求。 1.1 参数化设计 1.1.1 参数化设计概念 参数化设计是Revit Building的一个，它分为两个部分：参数化图元和参数化修改引擎。Revit Building中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对建筑设计或文档部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来，采用智能建筑构件、

9、视图和注释符号，使每一个构件都通过一个变更传播引擎互相关联。构件的移动、删除和尺寸的改动所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改。从而提高了工作效率和工作质量。参数化设计原理如图1.2所示。图1.2 参数化设计基本思想1.1.2 参数化设计的应用用该方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变

10、量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。1.2 转向器零件的参数化建模 一般产品是由一个或许多个零件构成，要想实现产品的参数化设计，必须首先要先实现零件的参数化设计。一般首先对零件进行参数化建

11、模分析；然后根据零件的特征确定参数化建模方法，并对零件进行参数化建模；最后再对零件进行参数化装配，并进行约束和添加必要的规则和检验。本节以 CATIA 软件为参数化设计平台，建立了汽车齿轮齿条式转向器零件的参数化三维模型。 1.2.1 转向器零件的参数化建模分析 汽车转向器作为轿车的重要转动部件，主要有转向齿轮轴、调整螺母、向心球轴承、滚针轴承、固定螺栓、横拉杆、转向器壳体、防尘套、转向齿条、调整螺塞、锁紧螺母、压紧弹簧、压块、轴承盖等零件组成。由于转向齿轮和转向齿条是转向器的核心零部件且结构形状复杂，给设计制造带来较大困难，但是利用 CATIA 软件能够实现零部件的参数化建模，节省建模的时间

12、，这里主要对转向齿轮和转向齿条进行参数化建模分析。 (1)转向器齿轮的建模分析汽车齿轮齿条式转向器中的齿轮是特殊的螺旋形状、大螺旋角渐开线齿轮。为了提高传动比，齿轮齿条式转向器齿轮的齿数很少。齿轮绝大数采用斜齿轮，以减少齿轮的根切、增加齿轮的强度、提高啮合重叠系数和降低逆传动效率。齿轮齿条式转向器中的齿轮对传动的灵敏性要求很高，其设计与制造的要求也非常严格。 斜齿轮与直齿轮相比，就是斜齿轮两端端面旋转了一个角度，如果旋转角度为零，那这个斜齿轮就是一个直齿轮了，因而直齿轮就是螺旋角为零的特殊斜齿轮。我们可以将直齿轮和斜齿轮用同一个画法画出来，只改变一下端面参数就可以输出不同的直齿轮或者斜齿轮。

13、（2）CATIA 中齿廓渐开线的绘制 当直线NK沿基圆作纯滚动运动时，其上点的运动轨迹就是渐开线。在CATIA中转向齿轮的建模关键在于渐开线的生成。 渐开线生成算法的核心思想就是通过参数化思想做出渐开线上的一系列点，然后用系统提供的样条曲线连接，得到光滑的齿廓形状，而渐开线上的点通过渐开线方程式求得，渐开线示意图如图 1.3 所示。 图 1.3 渐开线示意图（3）转向器齿条的建模分析 齿条是基圆半径为无限大的渐开线圆柱齿轮,其轮廓已由渐开线变成了直线,所以齿条副具有渐开线齿轮副的特点.由于齿条有压力角、模数、齿距不变的特殊性,故齿条副也有特殊的啮合性:无论齿条相对齿轮的安装位置如何变化,啮合角

14、是常数,总等于压力角.齿轮分度圆与其节圆始终重合,亦即齿条的节线总切于齿轮的分度圆.当标准外齿轮的齿数增加到无穷多时,齿轮的基圆及其他圆都变成互相平行的直线,同侧渐开线齿廓也变成互相平行的斜直线齿廓,这样就形成标准齿条.齿条的主要特点: (1)由于齿条齿廓为直线,所以齿廓上各点具有相同的压力角,且等于齿廓的倾斜角,此角称为齿形角,标准值为20°(2)与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数;(3)与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线(中线),它是计算齿条尺寸的基准线.齿条参数化特征建模主要步骤如下:(1)分析齿条的结构特征,提取结构参数.利用齿条的几何模型进行特征定义,

15、提取形状特征的几何信息,将实体特征参数转化为模型特征参数;(2)利用特征参数建立参数化特征模型;(3)添加属性,建立特征表;(4)进行参数化特征模型精度检测.经过上述步骤,就建立了齿条的参数化特征模型.如图1.4所示.图1.4 齿条模型2 汽车齿轮齿条式转向器虚拟装配 2.1 虚拟装配概述 基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备（数据手套/位置跟踪器、鼠标/键盘、力反馈操作设备等）像在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，在操作过程中系统提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理等功能

16、，从而使得用户能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划、对装配操作人员进行培训等。在装配（或拆卸）结束以后，系统能够记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供随后的分析使用。2.2 转向器虚拟装配的过程 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/CAE可以实现虚拟装配,如CATIA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2.1所示。同时,计算机可以模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、运动等一些设计

17、方面的问题。图2.1 虚拟装配在虚拟装配中,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。3 干涉分析与检验 干涉分析是虚拟装配设计的重要内容之一，在产品零部件完成虚

18、拟装配后，需要对零部件进行装配干涉分析，包括碰撞和间隙计算、约束分析、依赖项分析、更新分析、自由度分析等。通过干涉分析，可以知道产品零部件在装配时的相交性，装配过程中的干涉性，装配关系以及装配空间等。还可以根据装配路径和约束，进行装配调整，直到设计出理想的产品。 运动分析模块(Motion)是利用虚拟装配模型,通过将一个或一组零件定义为许多互相关联的连杆(Links),并将连杆间的连接关系定义为运动副(Joints),通过加入运动输入使机构模型产生运动,从而对机构进行运动学(Kinematic)分析或动力学(Dynamic)分析.运动分析模块提供了机械运动的虚拟样机.可以进行运动学和动力学分析

19、,通过使用各种运动对象包括运动副、弹簧、阻尼器、运动驱动器、力、扭矩、柔性套管等来创建和评估虚拟样机,同时通过干涉检查结果以图、表、动画、电子表格等形式输出,形象直观地得到相应数据.具体步骤为:保存文件后点击“应用”,菜单选择进入“运动”环境,在“方案浏览器”中新建一方案“Scenario_1”,依次将齿轮和齿条定义为“连杆刚体”;再依次为齿轮定义“旋转副”,为齿条定义“滑动副”;给驱动齿轮设定一个恒定驱动,速度值为10,其他运动副参数缺省.在驱动齿轮和齿条之间添加一个“齿轮齿条副”约束.运动约束设置完毕,下一步观察传动运动,打开“分析选项”对话框,选择“静力/动力分析”选项,然后设置动画“时

20、间”和“步数”,确定后进入“动画仿真”对话框,在控制选项中单击“完整范围”三角按钮,整个装配组件按照传动设计意图由驱动齿轮带动齿条运动.若发现干涉或间隙过大等问题,可以及时修改零件模型,然后再进行分析直至满意为止.最终得到的齿轮齿条式转向器如图3.1所示。图3.1 汽车齿轮齿条式转向器的装配图4 结论基于CATIA建立了汽车转向器参数化的实体模型,以满足用户不断修改并最终实现最优设计或变形产品设计的要求.对转向器进行运动学仿真分析,可及时修改零件模型,提高汽车转向器的设计水平和质量。在设计中，我对一些知识又有了重新认识，系统的学习了转向器部分的知识，但深知自己还欠缺很多知识，在设计中会存在一些毛病，我期待我今后能有机会改进。汽车设计