基于UG的汽車驅(qū)動橋虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：為降低汽車開發(fā)成本，滿足消費者對汽車節(jié)能環(huán)保性、美觀性、舒適性等各種性能需求，本文應(yīng)用計算機輔助三維設(shè)計的高端主流軟件UG（Unigraphics）內(nèi)置的裝配模塊，完成對汽車驅(qū)動橋虛擬裝配。首先，介紹了汽車驅(qū)動橋組成。其次，應(yīng)用UG三維設(shè)計軟件，完成對汽車驅(qū)動橋殼的3D設(shè)計以及仿真計算。最后，對汽車驅(qū)動橋的行星齒輪軸、齒輪、端蓋、軸承、螺絲、彈墊、半軸行星齒輪橋殼、十字頭、螺栓、螺母等各種輔件進(jìn)行虛擬裝配設(shè)計，為后期汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設(shè)計工作有效地開展提供重要的依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：UG 汽車驅(qū)動橋 虛擬現(xiàn)實 虛擬裝配

0 引言

在汽車工業(yè)的不斷發(fā)展下，我國消費者對汽車的性能、外觀等提出了更高的要求，在這樣的背景下，汽車作為大眾消費品，出現(xiàn)更新迭代快、產(chǎn)品上市周期短、汽車產(chǎn)品開發(fā)成本高等問題。傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)技術(shù)過于落后，難以滿足汽車現(xiàn)代化開發(fā)需求。為此，相關(guān)技術(shù)人員需利用計算機輔助三維設(shè)計的高端主流軟件UG（Unigraphics）內(nèi)置的虛擬裝配模塊，對汽車驅(qū)動橋進(jìn)行虛擬裝配處理，使得汽車產(chǎn)品開發(fā)周期、開發(fā)成本不斷降低。虛擬裝配主要是指計算機系統(tǒng)采用仿真分析的方式，根據(jù)產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)，分析最終裝配結(jié)果，并結(jié)合該裝配結(jié)果，完成對裝配相關(guān)工程決策的制定。通過進(jìn)行汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設(shè)計和實現(xiàn)，不僅可以幫助技術(shù)人員采用虛擬處理的方式分析和設(shè)計汽車的零部件，還能從根本上解決汽車整個研發(fā)期間存在的產(chǎn)品研發(fā)周期長、產(chǎn)品研發(fā)成本高等問題，從而有效地提高汽車產(chǎn)品的性能。

1 汽車驅(qū)動橋組成

1.1 橋殼

橋殼作為汽車的重要零件，通過將橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計為非斷開式驅(qū)動橋，可以保證汽車荷重的支承效果，同時，還能向車輪傳遞相關(guān)載荷。為保證橋殼設(shè)計質(zhì)量，技術(shù)人員需要在一定的動載荷下，完成對高強度、高剛度橋殼的設(shè)計。為降低汽車簧下質(zhì)量，促使整個汽車能夠平穩(wěn)地行駛，在最大限度地提高橋殼強度、剛度的基礎(chǔ)上，將橋殼質(zhì)量降到最低，確保橋殼具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、制造成本低等特點。橋殼結(jié)構(gòu)型式主要包含以下兩種：（1）在可分式橋殼中，當(dāng)主減速器、差速器裝配完成后，將整個橋殼劃分為鑄件殼體、半軸套管等多個組成部分。其中，借助鉚釘，將半軸管套直接聯(lián)接于殼體。通過設(shè)計可分式橋殼結(jié)構(gòu)，不僅可以促使整個橋殼制造工藝變得更加簡化、高效，還能為主減速器軸承提供高強度的支承力。但是，該結(jié)構(gòu)型式設(shè)計存在以下弊端，不利于后期主減速器裝配與維修，同時，還大大降低了橋殼的強度、剛度，可分式橋殼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍較窄，僅僅用于輕型汽車虛擬裝配領(lǐng)域中。（2）整體式橋殼。整體式橋殼結(jié)構(gòu)主要是指對整個橋殼進(jìn)行制作，使其制作成一個統(tǒng)一整體，橋殼功能類似于整體空心梁，具有良好的強度、剛度。整體式橋殼被劃分為橋殼、主減速器殼兩個外殼。在整個主減速殼里，單獨設(shè)置主減速器齒輪、差速器。當(dāng)整個主減速殼設(shè)計完畢后，向橋殼內(nèi)插入主減速殼中心部分，并借助螺栓，將其與橋殼進(jìn)行固定和連接，方便后期相關(guān)人員快捷有效地拆裝、維修和保養(yǎng)主減速器、差速器。

1.2 主減速器

主減速器主要用于對汽車驅(qū)動橋轉(zhuǎn)動方向的改變和控制，同時還能對轉(zhuǎn)速、扭矩進(jìn)行科學(xué)地調(diào)整，確保汽車在實際運行期間，表現(xiàn)出較高的驅(qū)動力和最佳的運行速度。在主減速器3D模型結(jié)構(gòu)中，主要用到單級主減速器。單級主減速器主要是指借助兩個減速齒輪，適當(dāng)?shù)亟档推囼?qū)動橋的速度。該減速器具有結(jié)構(gòu)簡單、小巧玲瓏等特點，被廣泛地應(yīng)用于輕型、中型載重汽車領(lǐng)域中，并取得了良好的應(yīng)用效果，使其進(jìn)行穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，從而保證一級減速實現(xiàn)效果。在進(jìn)行第二季減速期間，需沿著同軸，對主動圓柱齒輪、從動圓錐齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而保證第二季減速實現(xiàn)效果。

1.3 差速器

差速器主要用于對左右兩個半軸的統(tǒng)一化連接處理，確保兩側(cè)車輪以合適的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行扭矩傳遞，促使整個車輪能夠正常、穩(wěn)定地滾動。將差速器安裝和固定于分動器內(nèi)或者傳動的軸間，從而形成典型的橋間差速器，通過應(yīng)用該差速器，可以確保汽車平穩(wěn)地運行于轉(zhuǎn)彎、凹凸不平的路面，使得前驅(qū)動車輪與后驅(qū)動車輪之間形成一定的速度差。差速器3D模型結(jié)構(gòu)主要包含以下兩種：（1）對稱式錐齒輪差速器。該差速器主要包含半軸齒輪、星馳齒輪等組成部分。（2）行星齒輪式差速器。該差速器除了用到圓錐行星齒輪、行星齒輪軸外，還用到左右差速器等組成部分。

1.4 半軸

半軸主要是指車輪在進(jìn)行差速器傳遞期間，所產(chǎn)生的扭矩，車輪借助該扭矩，可以穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。當(dāng)輪毅安裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化后，半軸受力也會出現(xiàn)明顯改變。

2 汽車驅(qū)動橋3D設(shè)計

2.1 UG三維設(shè)計軟件功能與特點分析

UG三維設(shè)計軟件主要用于對虛擬產(chǎn)品的設(shè)計和制作。該軟件主要運用并行工程設(shè)計理念，為設(shè)計人員提供了可反饋、參數(shù)化功能，方便設(shè)計人員實時修改和完善模型，當(dāng)模型修改完畢后，該軟件可將修改后的模型快速呈現(xiàn)出來，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和效率。因此，在UG三維設(shè)計軟件的作用下，可以幫助設(shè)計人員快速完成對汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設(shè)計。UG三維設(shè)計軟件主要應(yīng)用于以下三大領(lǐng)域：（1）數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計。在進(jìn)行數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計期間，通常用到，Unigraphics產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)，該設(shè)計技術(shù)主要用到了多種多樣的設(shè)計方法，確保概念設(shè)計、詳細(xì)產(chǎn)品設(shè)計組合為統(tǒng)一整體。通過應(yīng)用設(shè)計技術(shù)，不僅幫助工程師科學(xué)有效地評估整個產(chǎn)品以及生產(chǎn)過程，還能簡化工程師修改零件、設(shè)計尺寸等內(nèi)容，使得產(chǎn)品整體設(shè)計質(zhì)量得以顯著提升。（2）數(shù)字化仿真。UG三維設(shè)計軟件在具體應(yīng)用中，可結(jié)合不同產(chǎn)品特性，有針對性地開展虛擬仿真工作。在傳統(tǒng)虛擬仿真模式下，必須用到物理原型外，還需要專門訓(xùn)練的工程師參與其中，目前，大量的高級仿真工具被推廣和應(yīng)用，省略了對物理原型的使用。但是，在設(shè)計產(chǎn)品時，高級仿真工具應(yīng)用會增加操作難度，同時，還要對操作人員進(jìn)行系統(tǒng)化、專業(yè)化的培訓(xùn)。在UG三維設(shè)計軟件中，主要用到產(chǎn)品仿真應(yīng)用模塊，應(yīng)用該模塊，可以實現(xiàn)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度的有效分析，保證產(chǎn)品模態(tài)分析質(zhì)量。在UG三維設(shè)計軟件中，隨著多種現(xiàn)代化仿真工具的嵌入和使用，降低了非專業(yè)設(shè)計師的學(xué)習(xí)成本，促使整個產(chǎn)品表現(xiàn)出較高的物理特性。

2.2 UG三維設(shè)計軟件基本操作流程

UG三維設(shè)計軟件基本操作流程如下：（1）對UG三維設(shè)計軟件進(jìn)行啟動。（2）當(dāng)出現(xiàn)新設(shè)計內(nèi)容時，需創(chuàng)建相應(yīng)的文件；當(dāng)需要修改現(xiàn)有零件時，需打開現(xiàn)有文件。（3）結(jié)合設(shè)計實際需求，選用結(jié)構(gòu)分析、裝配、制圖等設(shè)計功能模塊。（4）結(jié)合實際設(shè)計情況，設(shè)置坐標(biāo)系以及相關(guān)參數(shù)等，為提高用戶操作體驗打下堅實的基礎(chǔ)。（5）落實具體設(shè)計操作工作。（6）對零部件模型進(jìn)行檢查，檢查其是否設(shè)計合理，如果存在模型設(shè)計不合理問題，需修改和優(yōu)化模型。（7）將所需要的文件保存完畢后，自動退出系統(tǒng)登錄和使用。

2.3 選擇研究對象

本課題研究具有一定的特殊性，在進(jìn)行本課題研究時，需結(jié)合前人經(jīng)驗，在參照前人實際產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)上，對本次研究對象進(jìn)行分析和驗證，并采用一種新型、先進(jìn)的設(shè)計方法，對本文汽車驅(qū)動橋3D設(shè)計方法進(jìn)行有效地探索。

本文所選擇的汽車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)具有以下特點：（1）結(jié)合汽車給定使用條件，科學(xué)調(diào)整和控制主減速比，保證燃油經(jīng)濟實用性。（2）結(jié)合汽車運動學(xué)控制要求，科學(xué)地控制左、右驅(qū)動車輪的差速，保證整個汽車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。（3）結(jié)合驅(qū)動車輪與地面之間所形成的附著系數(shù)大小不同，選用汽車牽引力。（4）強化對車架式車廂鉛垂力的控制，提高整個汽車驅(qū)動橋的反作用力矩。（5）在提高驅(qū)動橋各個零部件的強度、剛度的基礎(chǔ)上，將簧下質(zhì)量降到最低。（6）輪廓尺寸相對較小，方便后期汽車總體布局。（7）齒輪與其他傳動機件始終保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)，避免出現(xiàn)噪聲污染現(xiàn)象。（8）對于該驅(qū)動橋而言，其零部件設(shè)計符合零件相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求。（9）在不同轉(zhuǎn)速工況下，均表現(xiàn)出較高的傳動效率。（10）結(jié)構(gòu)簡單，易維修，易制造。

2.4 汽車驅(qū)動橋殼3D建模

汽車驅(qū)動橋殼具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲面過渡等特點，通過應(yīng)用UG三維建模軟件，構(gòu)建橋殼3D模型。當(dāng)橋殼3D模型構(gòu)建完畢后，該模型的壁厚、輪距、板簧距分別為16mm、1830mm、1040mm。結(jié)合汽車驅(qū)動橋殼受力情況，在保證受力均勻的情況下，適當(dāng)?shù)睾喕瘶驓?D模型結(jié)構(gòu)，從而獲得如圖1所示的橋殼3D模型。同時，運用ANSYSWorkbench軟件，劃分該模型網(wǎng)格，從而獲得相應(yīng)的有限元模型，該模型節(jié)點、單元數(shù)量分別為49204個、26229個。

2.5 仿真計算結(jié)果與分析

應(yīng)用ANSYSWorkbench軟件，對上述所構(gòu)建的汽車驅(qū)動橋殼3D模型進(jìn)行有限元處理，并采用仿真計算的方式，計算該模型結(jié)構(gòu)的強度、振動模態(tài)，當(dāng)仿真求解結(jié)束后，可綜合分析和評價最終仿真結(jié)果。

2.5.1 汽車驅(qū)動橋殼強度有限元分析

應(yīng)用ANSYSWorkbench軟件對上述汽車驅(qū)動橋殼3D模型仿真計算后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)該汽車驅(qū)動橋殼的工作載荷達(dá)到30000N時，該橋殼各點應(yīng)力集中出現(xiàn)在約束點、橋殼上、下表面。為方便后期更好地對比不同厚度的橋殼應(yīng)力，技術(shù)人員要優(yōu)先選取最大點，并將該點應(yīng)力值設(shè)置為76.5MPa。當(dāng)材料的屈服極限為620MPa時，后備系數(shù)K應(yīng)控制在6以上，然后，對各厚度橋殼結(jié)果進(jìn)行精確化計算，獲得如表1所示的汽車驅(qū)動橋殼厚度計算結(jié)果，從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，該汽車驅(qū)動橋殼強度符合預(yù)期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2.5.2 汽車驅(qū)動橋殼模態(tài)有限元分析

模態(tài)分析主要是指運用試驗分析法，對振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識別。在整個結(jié)構(gòu)動力學(xué)中，運用模態(tài)分析法，可以詳細(xì)化描述振動系統(tǒng)的固有頻率、固有振型等特性，為后期振動系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計提供重要的依據(jù)和參考。

應(yīng)用ANSYSWorkbench軟件計算出如表2所示的汽車驅(qū)動橋殼前6階固有頻率，從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，整個汽車驅(qū)動橋殼前6階固有頻率均低于790Hz，符合預(yù)期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求，這說明整個橋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

3 汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設(shè)計

在進(jìn)行汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設(shè)計期間，設(shè)計人員要從以下幾個方面入手：（1）裝配處理行星齒輪軸和齒輪，并在指定的裝配界面中放置相應(yīng)的軸，以達(dá)到缺省放置的目的。（2）裝配端蓋。首先，采用花鍵鏈接的方式，將端蓋放置在平面上，并對其進(jìn)行對齊處理。（3）軸承裝配。軸承裝配操作與端蓋裝配原理相似，同時，按照相同的操作步驟，對螺絲、彈墊、半軸行星齒輪橋殼、十字頭、螺栓、螺母等其它輔件進(jìn)行裝配處理。

4 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用UG三維設(shè)計軟件，對汽車驅(qū)動橋進(jìn)行虛擬裝配設(shè)計，不僅可以及時模擬和處理分析汽車驅(qū)動橋裝配工藝的問題，促使汽車驅(qū)動橋裝配工藝變得更加科學(xué)化、合理化，還能實現(xiàn)對虛擬裝配與并行工程的有效融合，將汽車驅(qū)動橋開發(fā)周期和成本降到最低，為進(jìn)一步地提高該驅(qū)動橋產(chǎn)品的生產(chǎn)力和市場競爭力提供重要的技術(shù)支持。

基金項目：陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023年度校級教科研項目《基于UG的汽車驅(qū)動橋虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究》（2023ZRKX03）。

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