虚拟转向系统概述

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基于UG的汽车转向系统虚拟装配与分析


作者：赵波 范平清


1、引 言

汽车转向系统在汽车中主要承担改变汽车行驶方向及保持汽车稳定直线行驶的任务。转向系统一般安装在汽车的前桥上，它通过一整套机构将驾驶员作用于方向盘的力传递到转向臂上，并通过转向臂的偏转带动转向轮相对于汽车中心线转过一定的角度，从而实现汽车行驶方向的改变。本文以某种车型的转向系统为例进行研究，该转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成，通过驾驶员施加在转向盘上的力矩而转动，带动转向轴将该力矩输入转向器并改变其方向及速度，使安装在转向器中的齿条沿轴线左右移动，然后带动左横拉杆及右横拉杆转动转向臂，带动车轮绕转向节转动，实现汽车转向。如何突破机械结构的局面，并向人性化、数字化的方向发展，将成为汽车设计、分析与制造的发展前景。

虚拟现实技术是近年来发展起来的高级计算机技术，是建立在计算机图形学、仿真学、并行技术、人工智能、多媒体技术等技术基础之上的新技术，包括虚拟设计、虚拟装配、虚拟制造、虚拟试验和虚拟培训等。它与传统的模拟技术完全不同，是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。虚拟现实技术在汽车行业的运用还未广泛普及，主要是由于其前期投入大，但其潜在优势已是毋庸质疑，随着计算机技术与汽车电子化技术运用的日趋成熟，该技术定会被广泛合理地利用。由于虚拟设计、虚拟装配、虚拟制造等技术在汽车开发上的巨大作用，使其在汽车设计领域得到了迅速发展和广泛应用。在汽车行业里，很多汽车制造商从虚拟设计、虚拟装配、虚拟制造等的应用中获得了巨大的收益。虚拟现实技术依赖于产品三维数字模型的准确性和参数化特性，从而可以快速地进行分析仿真,实现设计方案的优化。

本文以UG软件为设计研究平台，UG软件是集CAD/CAM/CAE功能于一体的软件集成系统。运用其复合建模、钣金建模、虚拟装配等相关参数化设计方法，建立汽车转向系统的虚拟装配，并运用UG的Motion模块进行运动学仿真分析。虚拟装配可以减少实物模型和样机的投入，避免设计缺陷，缩短产品开发周期，降低产品开发成本和制造成本。

2、汽车转向系统虚拟装配

建立参数化的实体模型可以为虚拟装配打下坚实的基础，满足用户不断修改从而最终实现产品的最优设计或变形产品设计的要求。本文首先对汽车转向系统的工作原理及结构进行分析，对其主要部件进行测量，然后通过UG软件建立部件的参数化实体模型。准确的物理模型和方便的建模方法是应用虚拟装配技术的关键。

2.1 参数化实体模型的建立

实现零件的参数化设计，达到修改任意尺寸即可更新零件模型的目的。零件之间的相关参数化设计是指修改一个零件尺寸即可达到修改与其相关的零件尺寸，并更新相关零件模型从而最终更新虚拟装配模型的目的。根据仿真分析结果修改模型，实现零部件的优化设计。汽车转向系统结构比较复杂，由许多零部件组成，本文应用UG软件的参数化建模方法建立各个部件的参数化实体模型，为后续的模型修改、虚拟装配、设计分析打下坚实的基础，从而不断提高汽车转向系统的设计水平和质量。UG在建模模块中，提供了各种功能，主要包括建立草图（Sketch）、曲线（Curve）、成型特征（Form Feature）、自由形状特征（Free Form Feature）以及钣金特征（Sheet Metal Feature）等功能。图1所示为齿轮齿条式转向器壳体，其建模操作命令主要有圆柱体（Cylinder）、草图（Sketch）、拉伸（Extrude Body）、凸台（Boss）、引用特征（Instance）、打孔（Hole）等，然后进行一些细节处理，如倒角、加肋板等完成模型制作。

图1 转向器壳体的实体模型

本文的齿轮齿条式转向器齿轮轴是使用UG中的齿轮设计向导（Gear Wizard）模块建立的，选择其工具条中的圆柱螺旋齿轮（Helical Cylindrical Gear）按钮，出现如图2所示的对话框，在其中输入参数即可得到建立齿轮轴模型所需的齿轮。转向齿轮主要技术参数如下：

分度圆直径 d＝13.413mm，
齿数Z＝6
螺旋角β＝10°
法面压力角αn＝20°
法面齿顶高系数han*＝ 1
法面顶隙系数cn*＝0.25
法面模数mn＝2.236

图2 圆柱螺旋齿轮建模对话框

建立的齿轮齿条式转向器齿轮轴模型如图3，而另一些螺钉、螺母之类的标准件则可以从标准件图库中导入。

图3 齿轮齿条式转向器的齿轮轴模型

2．2 汽车转向系统的虚拟装配

虚拟装配是在计算机上进行装配，装配件中的零件与原零件之间是链接关系，对原零件的修改会自动反映到装配件中，从而节约内存，提高装配速度，及早发现零件配合之间存在的问题 ,保证设计质量。UG软件中的虚拟装配方法主要有：自顶向下装配（Top-Down assembly）、自底向上装配（Bottom-Up assembly），或者使用上述两种方法进行混合装配。自顶向下装配就是在上下文中进行设计 (working in context) ，即由装配件的顶级向下产生子装配和组件，在装配层次上建立和编辑组件，由装配件的顶级向下进行设计。自底向上装配是先建立单个零件的几何模型即组件，再组装成子装配件，最后装成装配件，由底向上逐级地进行设计。零件之间使用配对约束、对齐约束、正交约束、角度约束、平行约束、中心对齐约束、距离约束等约束条件建立配对条件，这样一旦部件的零件模型改变，产品的虚拟装配模型将随着改变，实现了真正意义的参数化设计。本文采用混合装配方法进行虚拟装配，完成的汽车转向系统虚拟装配模型如图4所示。

图4汽车转向系统虚拟装配模型

基于虚拟装配模型可以建立装配顺序。装配顺序（Assemblies Sequences）功能给产品的设计和制造提供了很大方便，用户可以根据不同的用途例如：设计、工艺、制造、维修等建立不同的装配顺序，包括拆卸顺序，有利于排除组件间的干涉和间隙，有利于设计、工艺、制造部门之间的友好合作，实现并行设计。

3、汽车转向系统的虚拟分析

UG的运动分析模块（motion）主要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付（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。本文对汽车转向系统进行虚拟运动分析。分析时若发现干涉或间隙过大等问题，可以及时修改零件模型，然后在进行分析直至满意为止，充分发挥虚拟装配技术的优点，缩短产品开发周期，降低产品开发成本。

3．1运动分析方案的建立

建立机构的运动分析方案（Scenario），打开软件右侧的运动分析导航器（Scenario Navigator），将光标放置在虚拟装配文件上，点击右键出现new scenario，选择新建一个运动分析方案scenario1。点击定义连杆（Links）按钮并选择所要定义的部件模型，定义的连杆如表1所示。
表1 连杆的定义


完成了连杆（Links）的定义，下一步就是定义能使机构灵活运动的运动付（Joints）了。点击运动分析工具栏中的运动付按钮出现运动付定义对话框，机构所能定义的运动付包括旋转付（Revolute）、滑动付（Slider）、柱面付（Cylinder）、齿轮齿条付（Rank and Pinion）等。定义的运动付如表2所示。当模型的所有连杆和运动付都定义好了之后，整个模型就成为了一个可以自由运动的机构，由机械原理可知，要使一个机构按一定的运动规律运动，必须输入运动驱动（Motion Driver）。转向系统的运动驱动应定义在转向轴上。选择驱动类型为简谐运动（Harmonic）。点击运动仿真（Animation）按钮输入运动时间（Time）和步数（Step）即可实现机构的运动仿真。
表2 运动付说明


3．3 封装选项功能及MPEG电影文件的生成

封装选项功能是UG运动分析模块中用来收集指定的需要了解的对象信息的工具，它可以实现以下功能：（1）测量（Measure），测量点或对象间的距离关系；定义对象之间需保持的间隙距离，如超过界限则发出警告。（2）跟踪（Trace），跟踪点或对象的运动轨迹。（3）干涉检查（Interference），检查对象间是否存在干涉，并可以给出干涉量。选择某项封装功能及所要检查的对象和一些相应的参数，则该功能的选项在运动分析（Animation）和关节运动（Articulation）对话框下方的选项中加亮显示并可以调用，处理并输出检查的结果。

一旦发现转向系统存在干涉等问题，可以立即对零件的设计进行修改，如调整齿数比、修改孔径、加长或缩短构件的长度等。零件模型改变后，相应的虚拟装配模型及运动分析模型将随着改变。运动分析模型改变后再重新进行分析，直到确定最终的优化方案。本文选择转向柱和横拉杆作为干涉检查对象，同时利用测量（Measure）功能测量转向轮的偏转角度。当在运动仿真过程中干涉检查对象间出现干涉时，测出转向轮转过40°7′28″，与转向轮实际最大转向角40°18′近似相等，因此得出结论，此转向系统模型基本符合设计要求。


在UG的Motion模块中提供了将机构的运动仿真转化为可以播放的MPEG电影文件的功能。输出MPEG文件的过程可以分为创建UG/Photo Animation照相机路径和生成运动仿真的MPEG文件两个步骤。一般选择定义关键帧（Define Key Frames）作为照相机的路径，可以在路径中加入绕轴转动的转台运动。然后使机构做一个循环的仿真运动，最后右键点击运动分析导航器中的方案Scenario_1选择输出（Export）选项下的MPEG按钮输出包含机构运动的电影文件。所输出的MPEG文件可以用Windows Media Player播放器播放。

4、结论

基于UG建立汽车转向系统的虚拟装配。虚拟装配模型应是参数化的实体模型，从而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。对转向系统进行运动学仿真分析，并使用封装选项功能进行测量、跟踪、干涉检查，提高汽车转向系统的设计水平和质量。以MPEG电影文件形式输出，形成电影动画。通过动画演示，可以更直观、正确的理解汽车转向系统的工作原理和运动。虚拟装配可以减少实物模型和样机的投入，缩短产品开发周期、降低产品开发成本和制造成本，有利于实现产品的最优设计或变形产品设计。(end)

factoer

貌似很高级，不知道现在有哪些车型在使用这个技术