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机械系统仿真技术在汽车组合式变速器中的应用 摘要 本文提出了以= i 维参数化建模( c a d ) 、结构有限元分析f f e a l 、多 体系统动力学分析( m b s ) 和优化设计( 0 p t ) 为核心的机械系统仿真技 术及其基本原理和基本力法。以某种汽车组合式变速器为研究对象，首 先运用继承r 参数化建模思想的p r o e n g i n e c r 软件建立各零件的j 维模 型，并根据装配特征建立了备档位的装配体= 三维模型，同n 寸乜为后续的 结构有限元分析和多体系统动力学分析提供三维模型；其次，采用结构 有限元分析软件a n s y s 对关键零部件( 如副箱体) 进行模念分析和瞬 态动力学有限元分析；阿次，以细合式变速器的实际连接方式为柴础， 运用多体系统动力学仿真分析软件a d a m s 建立了各档位的多川体动力 学模型和刚柔耦合多体动力学模型，研究各模型的动力响应特性并进行 对比；最后，针对副箱体的有限元分析结果，提出了改进设计方案和更 先进的结构优化设讨方法。副箱体的结构有限元分析结果与产品的结构 缺点相吻合，多体动力学的分析结果也与组合式变速器的实际运行特征 相一致，以改进设计方案二为依据的换代产品完全避免了结构缺点的山 现，通过了市场的严格检验。 关键词：组合式变速器参数化建模有限元分析多体系统动力学优化 设计机械系统仿真 t h et e c h n o l o g yo fm e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n a p p l i e di na u t o m o b i l ek n o c k d o w n i y a n s m i s s i o n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h et e c h n o l o g yo fm e c h a n i c a ls y s t e ms j m u l a t i o nb a s e do n 3 dp a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g ( c a d ) ，f i n i t ee l e m e n ta n a i y s i sf o rs t r u c t u f e ( f e a ) ，m u l t j b o d ys y s t e md y n a m i c a la n a l y s i s ( m b s ) a n do p t i m i z a t i o n d e s i g n ( 0 p t ) i sp u tf o r w a r dw i t hi t sb a s i ct h e o r ya n dm e t h o d 0 n ek i n do f a u t o m o b i l ek n o c k d o w nt r a n s m i s s i o ni sr e g a r d e da st h er e s e a r c h e do b j e c t ， t h e3 dm o d e l so fi t s c o m p o n e n t s a r eb u i l t u p w i t ht h es o f t w a r e p r o e n g i n e e ri n h e r i t i n gt h et h e o r yo f3 dp a r a m e t e r i z e dm o d e l j n g ，a n dt h e n t h e3 da s s e m b i ym o d e l sf o re v e r yg e a ra r eb u i l tu pa c c o r d i n gt or e l a t e d a s s e m b l i gc h a r a c t e r b o t ht h e s em o d e l sa r ep r e p a “n gl i o rf e aa n dm b s m o d e l s w i f hc h ef e as o f t w a r e a n s y s ，m o d ea n a l y s i s a n dt r a n s i e n t a n a l y s i sf o rk e ya c c e s s o r i e s ， s u c ha s a u x i l i a r yg e a r b o x a r ep r o c e s s e d a c c o r d i n gt o t h ew a yo fa c t u a l l y c o n n e c t i n gw i t h e a c ho t h e r ， t h er i g i d m u l t i - b o d yd y n a m i c a lm o d e la n dt h ed y n a m i c a lm o d e lc o m p o s e do fs o m e “g i db o d i e sa n ds o m en e x i b l eb o d i e sa r es e tu pw i t ht h em u i t i b o d ys y s t e m d y n a m i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s ，m a n ys p e c i a l i t i e s o fd y n a m i c r e s p o n s ef o rt h e ma r ea n a l y z e da n dc o n t r a s t e d f i n a l l y ， i no r d e rt ot h e s t r u c t u r ef e ar e s u l t s ，s o m ei m p r o v e ds c h e m e sa n dt h em o s ta d v a n c e d o p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d a r e s u p p l i e d t h ef e ar e s u i t so fa u x i l i a r y g e a r b o xa r ec o n s i s t e n tw i t ht h es t r u c t u r a ld i s a d v a n t a g e so fi t sp r a c t i c a l p r o d u c t s ，t h em b sa n a l y s e sr e s u l t sf o rk n o c k d o w nt r a n s m i s s i o na c c o r dw i t h t h ep r a c t i c a la c t i v i t i e s ，t h es a m es t f u c t u r a ld i s a d v a n t a g e s e v e ra p p e a ri n t h ep f o d u c t sb a s e d0 nt h es e c o n di m p r o v e dd e s i g n ，w h i c hi sp r o v e dt ob e r i g i d i ye f f e cc i v eb yt h em a r k e t k e yw o r d s ： k n o c k d o w nt r a n s m i s s i o n ，p a r a m e t e f i z e d m o d e l i n 岛f e a ， m u l t i _ b o d ys y s t e md y n a m i c s ，o p t i m i z a t i o n ，m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n 第一章机械系统仿真技术 1 1 系统仿真技术及其应用 现今社会已经进入“后工业信息时代”，以信息技术、计算机技术、系统理 论、通信技术和图像处理技术为基础的系统仿真技术得到了前所未有的发展。系 统仿真是利用模型对实际系统进行试验研究的过程。这里的系统是广义的，一般 是指按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和。系 统的表示方法不是唯一的，可根据研究目的采取不同类型和数量的信息来描述同 系统。模型是对系统的一种简化表示方法，是对实际系统本质的抽象和简化， 它抓住一般的、抽象的、规律性的主要部分来表示系统。模型一般分为两类，数 学模型和物理模型。其中，数学模型是充分运用已有的基本物理原理通过数学表 达式描述系统的内在规律的描述方法；物理模型是另一种采用与真实物理系统相 司的属性、结构和运行方式研究系统特性的描述方法。仿真是指在计算机上通过 数学模型或者物理模型对系统的本质进行实验，o r e n 于1 9 8 4 年给出了仿真的基 本概念框架“建模一实验一分析” 1 】。 可以看出，系统、模型和仿真三者间存在密切的关系。系统是研究的对象， 模型是系统的抽象，仿真是对模型的实验。那么，从系统到模型是系统建模，从 模型到计算机实验是仿真建模，从计算机实验返回系统是仿真实验和分析。因此， 计算机仿真技术是由三大基本概念( 系统、模型和仿真) 和三大基本行为( 系统 建模、仿真建模和仿真实验分析) 有机组成的技术体系。 系统仿真技术作为一种研究和开发新产品、新技术的科学手段，在航空、航 天、造船和兵器等国防科研相关行业中首先应用和发展起来，显示了巨大的经济 效益和社会效益。近年来，系统仿真技术的应用逐步扩大到机械、电子、汽车、 通信、土木、建筑、医疗卫生等科学研究和相关行业中，发挥了巨大的推动作用 和强大的技术开发潜力。 系统仿真技术在机械电子，特别是汽车和飞机制造领域得到了广泛的应用。 目前，世界上的许多大飞机制造公司( 如美国波音、洛克希德马丁、法国空中 客车等公司) 和大汽车制造公司( 如通用、福特、戴姆勒一奔驰、丰田、宝马、 大众等公司) 都在产品的开发设计、实验分析、制造和管理的各个阶段大量地、 充分地使用仿真技术，不仅大大地缩短了产品的开发周期，极大地减少了人力、 物力和资金的投入，而且最大限度地改善了产品的综合性能，从而加快了技术革 新和产品的更新换代，促进了生产力的发展。仿真技术在我国的应用和推广落后 于世界先进水平1 0 2 0 年，这也是我国的汽车开发能力和制造水平远远落后于工 业发达国家的重要原因之一。但令人惊喜的是，我国的许多汽车制造厂家和科研 院所逐步认识到仿真技术在汽车研究和开发中的重要性并积极地投入大量的资金 和人力，取得了飞速的技术进步和突破性技术成果。例如，原吉林工业大学汽车 动态模拟国家重点实验室在郭孔辉院士的主持下成功研究开发了汽车模拟开发系 统，其规模和功能在1 9 9 7 年仅次于德国奔驰公司的汽车模拟开发系统而处于世界 第二位，使得我因成为世界上拥有该先进系统的少数几个国家之，代表了我国 汽车仿真技术的最高水平f 1 i 。 1 2 机械系统仿真的四大支撑技术 仿真技术的迅猛发展，为机械产品的设计开发、性能分析与制造提供了强有 力的科研手段，逐渐形成了专业的机械系统仿真技术。作为在机械产品中应用仿 真技术的基础，该技术必须先具备机械产品的零部件、装配件的三维几何模型方 面的信息。三维几何模型不仅携带着零件的形状、尺寸、约束等几何特征，还包 含密度、质量、质心、惯性矩等非几何特征。在零部件的结构有限元分析、优化 设计和装配件的多体系统动力学分析中，由于零件的几何特征和非几何特征是表 达和传递零件信息的重要因素，因而三维几何模型成为了几何特征和非几何特性 的载体，同时也成为了有5 艮元分析、多体系统动力学分析、优化设计的先导和基 础。有限元分析着重对零件的结构进行分析和优化，使零件既能满足结构强度刚 度要求，又能够满足轻量化要求。多体系统动力学分析则是对装配件进行干涉检 验、机构运动学分析和动力学分析，使装配件在整体性能上满足运动和受力要求。 从中可以看出，c a d 三维建模、结构有限元分析、多体系统动力学分析、优化设 计可以解决从零件到装配件的结构刚强度和产品的各项性能要求等问题，是机械 系统仿真技术中的几个最为关键的技术，而且这几项技术之间相互渗透，相互关 联，大有一体化和集成化趋势。 1 2 1 机械系统的c a d 三维建模概述 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) ，是指以计算机系统作为主要技术手段来生成 和运用各种数字信息与图形信息，帮助设计人员从事产品的开发、修改、分析和 优化的一门技术，是目前在制造业最常见的专业术语之一。 2 这项技术起源于j 0 年代后期，美国麻省理一【：学院于1 9 5 9 年成立c a d 课题 小组，由此揭开了c a d 研究的序幕。6 0 到7 0 年代，随着计算机硬件技术的发展， 在计算机屏蘑上绘图成为可能，c a d 技术随之加速发展。建模技术一直在c a d 技术中占据重要地位，它经历了三个发展阶段：线框造型、自由曲面造型和基于 约束的实体造型”。基于特征的三维参数化建模( f e a t u r e - b a s e dp a r a m e t e r i z e d3 d m o d e l i n 窟) 是c a d 建模技术发展新的罩程碑，以这种技术建立的三维几何模型主 要包括以下几个方面的特征： 1 ) 标准特征，即在三维模型中已经定义好的基础特征，如孔、杆件、壳、 槽、加强筋等； 2 ) 生成特征，即三维模型中的拉伸、旋转、扫描、拼合等功能将一个截面 沿特定轨迹线扫描或过渡后形成的各种复杂的特征； 3 ) 编辑特征，即指圆倒角或者直倒角之类的辅助特征； d ) 基准特征，即指辅助其他特征生成的基准点、线、面、坐标系统等特征； 5 ) 材料特征，即指材料的类型、密度、强度等特征； 6 ) 装配特征，即装配体中的各个零件的相互位置关系； 7 ) 工程分析特征，即有关工程分析方面的特征，如质量和重心位罱计算、 有限元分析中的粱单元和壳单元的特征【5 】。 基于特征的三维参数化建模就是将这些特征的各方面信息以参数的形式表 达出来，并且通过计算机和用户之间建立的交互模式，用户只要修改参数就能达 到修改各种特征和最终修改三维模型的目的。它的特点是：基于特征、参数化、 全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。充分体现基于特征的三维参数化 建模思想和最具代表性的软件是机械行业应用相当广泛的p r o e n g i n e e r ，该软件 由一整套机械设计自动化软件模块组成，设计者在设计过程中只要在用户界面上 输入相关的参数值，就可以将设计者的设计思想完整地融入到各种特征中去，软 件自动生成满足设计者要求的三维模型。因此，p r o e n g i n e e r 软件给设计者提供 了一个充分发挥想象力和创造力的革命性的设计方法和设计空间，体现了设计者 设计思想的灵活性和多样性，大大提高了设计效率，缩短了产品设计周期。 除此之外，通过p r o e n g i n e e r 软件改变三维模型中的特定参数还可以改变其 中对机械系统仿真的后续工作( 如有限元分析、多体系统动力学分析、优化设计) 有重要影响的其他信息( 如形状特征、材料特征和分析特征等) ，因而有利于基于 特征的三维参数化建模与机械系统仿真的其他环节的信息传递和共享，有利于实 现c a d 三维建模、有限元分析、多体系统动力学分析和优化设计的一体化。在 3 本课题中，采用p r o e n 2 i n e e r 建立了整个组合式变速器的三维几何模型。 1 2 2 机械系统的有限元分析( f e a ) 概述 在当前的机械工程技术领域中出现越来越多的复杂结构，包括复杂的几何形 状、载荷作用和支承约束等。当对这些复杂问题进行静态和动态力学性能分析时， 通常r u 以非常方便地写出基本方程和边界条件，但却无法求出其解析解。这是因 为，大量的机械工程问题非常复杂，有些构件的形状几乎完全不可能用简单的数 学表达式表达出来，所以更谈不上求解析解了。 对于这类机械工程的实际问题，通常采用两种研究和分析的途径：一是传统 的假设简化方法，即对复杂问题进行简化，并且提出种种假设，最终简化为一个 能够处理的问题，这种方法山于太多的假设和简化，将导致不准确乃至错误的结 果，现在很少为人所用了；另一种方法就是尽可能多地保留机械系统的各种实际 运行工况，通过数值解法寻求近似的数值解，所谓的近似分析方法。有限元法 ( f i n “ee l e m e n tm e t h o d ) 就是众多近似分析方法中最为成功和应用最。的一种方 法，在计算机技术和数值计算理论飞速发展的今天，它已经成为现实又非常有效 的选择【“。 有限元分析问题的思路是从1 9 5 4 年a r g y r i s 所做的杆系结构矩阵分析推广 而来的，c l o u 曲r w 于1 9 6 0 年在他的论文平面应力分析的有限元法中首 先采用有限元法( f e m ) 这一名称。在现代机械工程领域研究弹性连续体在载 荷和其他因素下所产生的应力、应变和位移等物理量时，由于应力、应变和位移 都是位置的函数，也就是说物体中各个点的应力、应变和位移一般都是不相同的。 因此，可以将弹性连续体看作通过一些节点组成的无限多个微元体的集合，每一 个微元体都有6 个自由度，这是一个无限多个自由度的问题。然后经过有限元的 离散化，将一个无限多个自由度的问题转化为一个有限多个自由度的问题，借用 结构矩阵的分析方法进行数值分析处理，从而最终使问题简化，这就是有限元法 的基本思想。 在机械系统的工程分析中，有限元的应用主要分为四类： 1 ) 静力学分析，即求解所受的外部载荷不随时间变化的机械系统平衡问题； 2 ) 模态分析，它是平衡问题的推广，即求解关于系统的某种特征值或稳定 值的问题； 3 ) 瞬态动力学分析，即求解所受的外部载荷随时间发生变化的动力学响应 问题。 4 4 ) 非结构力学分析，主要有机械系统的热传导( 温度场) 、噪声分析与控制 以及结构、热、噪声等多维场有限元耦合分析。例如，如果温度的变化对应力、 应变的影响与结构分析相比不可忽略的情况下，必须做结构和温度场的耦合分析。 随着计算机水平和数值计算方法的不断进步，涌现出大量的有限元分析软 件。大型的通用商业化有限元分析软件主要有：a n s y s ，n a s t r a n ，p a t r a n ，a b a c q s 等：专业化的有限元软件有：l s d a n a 3 d ，m a d y m 0 ，m o l d f l o w 等。其中，a n s y s 软 件在航空航天、汽车、机械制造、土木、电子等领域都得到了广泛的应用。例如， a n s y s 软件可以对机械系统做结构静力学分析、模态分析、瞬态动力学分析、挠 曲变形分析、非线性结构分析、接触分析、断裂分析、疲劳分析、热分析、多维 场耦合分析等等，该软件和各种三维建模软件以及多体动力学分析软件之间有很 好的文件流接口，是有限元分析软件中的首选，在本课题中采用了a n s y s 对组 合式变速器的副箱体进行模态分析、瞬态动力学分析和结构改进设计。 1 2 3 机械系统的多体动力学仿真( m b s ) 概述 在传统的机械设计方法中，一般不考虑引起机械系统各构件运动的作用力， 而仅从几何的观点来研究各构件某一点的轨迹、位移、速度和加速度，我们称之 为几何法或作图法。这种方法假设所有构件都是刚体。现代机械向高速度、高精 度、轻质和大型化方向发展，构件的柔性显著增加，其弹性变形对构件的整体运 动和机械系统的整体性能的影响已经不能忽略，仍然用传统的方法研究系统某点 的轨迹、位移、速度和加速度，将会引起较大的分析误差，这将导致极不精确的 结果甚至错误的结果。而且，在动力学分析中，由于构件大位移运动与弹性变形 存在高度非线性惯性耦合，改变了构件固有的惯性特性，因而相关点的运动就变 得非常复杂【8 】 ”。另外，有时还必须考虑构件的受力情况以验证其结构的可靠性 和稳定性。在这样的背景下，出现了研究由刚体和弹性体( 柔体) 组成的统一体 的运动学和动力学的新兴学科，即多体系统( m u l t i - b o d vs v s l e m ) 动力学。 多体系统动力学的研究始于2 0 世纪6 0 年代，是伴随着航天器和机器人的研 究而迅速发展起来的，然后逐渐应用到其他科学研究领域。多体系统动力学的基 本问题是激励、系统特性和动态响应三者之问相互关系的问题。激励分为外部激 励和内部激励，外部激励是系统外部对其作用，内部激励指系统的子结构之间产 生的激励；系统特性主要指系统的质量、刚度、阻尼和固有频率等参数；动态响 应指在外部和内部激励作用下系统整体和局部发生的变化。三者在任意作用时刻 都满足系统的动力学方程。根据研究的性质不同，多体系统动力学问题分为正问 5 题和反问题两类。 1 ) 正问题，已知多体系统的工作环境，分析在一定的激励作用下系统的动 态响应，包括动态激励的确定和描述、系统模型的建立和动态响应的求解，这是 多体系统动力学研究的主要方向； 2 ) 逆问题，已知系统的动态响应，识别系统的外部和内部激励，确定和修 改系统模型，这方面研究的问题相当复杂1 。 值得注意的是，多体系统动力学通常采用有限元法解决系统中弹性体的受力 和变形关系，这为多体动力学软件和有限元软件相互间的数据传递提供了理论依 据。 随着计算机技术的发展，在2 0 世纪7 0 到8 0 年代，一些以机械系统为研究 对象的多体系统动力学仿真软件相继出现。到目前，许多大型的通用多体系统动 力学仿真软件已经充分吸收了有限元法的精华，具备了柔性体的仿真分析功能。 这种软件改变了传统以物理样机为基础的设计，大大减少昂贵而费时的物理样机 制造及试验过程，使用户可以直接在汁算机上可以快速分析比较多种设计方案， 进行优化设计，在设计的早期及时发现潜在的问题，是提高产品质量、缩短产品 开发周期，降低产品开发成本最有效的途径。 m d i 公司的a d a m s 软件是众多的多体系统动力学仿真软件产品中的杰出代 表，已经被众多国际著名公司如f o r d ，b m w 、g m 、g e 、c a t 、a b b ，洛克希德马 丁公司等成功应用，并成为汽车、航空航天、铁道、兵器、船舶和通用机械等众 多领域中事实上的行业标准，其全球市场占有率一直保持在5 0 以上。在本课题 中采用了a d a m s 软件分析组合式变速器系统在外部激励作用下的多种动态响 应，验证产品的设计方案。 1 2 4 机械系统的优化设计f o p t ) 概述 优化设计( o p t i m i z a t i o nd e s 适n ) ，这一现代设计方法是从上个世纪六十年代 随着电子计算机的广泛使用而迅速发展起来的一门新学科。优化设计能为工程及 产品设计提供一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多 的设计方案中寻得尽可能完善的设计方案，并能够大大地提高设计质量和设计效 率。优化设计在现代航空航天、汽车、国防、机械、电子、冶金、管理等设计领 域都得到了广泛的应用，而且取得了显著的技术和经济效果。 优化设计是指在规定的各种设计限制条件( 约束条件) 下，将实际设计问题 首先转化为优化问题，然后运用优化理论和方法，在电子计算机上通过相关的数 6 值计算进行自动寻优计算，从全部方案( 设计变量) 中选择满足各种设计要求( 目 标函数) 及限制条件的最优设计方案( 最优结果) 。可以看出，优化设计是一种以 优化理论和数值分析为理论基础，以设计变量、约束条件、目标函数为基本要素 的分析方法。 在机械系统的设计和分析中，为了提高系统的整体性能，就需要对系统参数 进行优化，从而使多体动力学分析和优化设计结合起来；为了减轻构件的重量或 降低结构的成本或延长结构的使用寿命或降低结构的振动和噪声，就需要对结构 进行优化，从而使结构的有限元分析和优化结合起来。优化设计向有限元分析、 多体动力学分析中渗透，赋予了优化设计更大的灵活性和更强的生命力2 】| 1 3 】i “j f l ”。 白上个世纪八十年代起，许多大型的有限元软件和多体动力学仿真软件逐渐 开始与优化技术的集成化，近年来又得到了不断的完善和提高。如前面提到的 p r o e n 2 i n e e r 软件可以进行造型优化，a n s y s 软件可以进行结构的拓扑优化， a d a m s 软件可以对影响机械系统整体动力性能的参数进行优化，使得软件本身 和优化设计的优势相得益彰，在本课题中将采用结构有限元分析和优化设计相结 合的方法解决结构存在缺点的副变速器箱体的局部结构问题。 1 25c a d 、f e a 、m b s 、o p t 之间的关系 图1 1 机械系统仿真技术体系 c a d 、f e a 、m b s 、o p t 共同组成机械系统仿真技术体系( 图1 1 ) ，这四种 技术分别解决对象建模、零部件结构分析、机械系统的多体动力学分析、结构及 系统的优化设计等现代设计与分析问题。各项技术的综合运用，是解决机械系统 的设计与分析中存在的主要问题的最佳方式和途径。它们之间的关系( 图1 2 ) 是： 7 1 ) c a d 给f e a 、m b s 提供了必要的三维几何模型，同时具备三维几何模型 的显示和编辑功能； 2 ) f e a 为m b s 中的柔性体提供质量、刚度、阻尼等系统参数，可以对柔性 体进行模态分析，使得m b s 实现刚柔耦合分析； 3 ) m b s 的仿真结果给f e a 软件输出载荷和位移信息，使得f e a 软件可以 依此进行构件在复杂的外载和约束条件下的静态、瞬态的应力应变分析、疲劳分 析、振动与噪声分析： 4 ) o p t 与c a d 、f e a 、m b s 软件相结合，分别川。以做造型优化、结构优化 和系统参数优化； j ) f e a 、m b s 、o p t 的分析结果可以提供c a d 对三维几何模型进行结构改 进和重复设计的依据。 图1 2c a d 、f e a 、m b s 、o p t 间的相互关系 利用上述相关软件完成了以三维建模、有限元分析、多体系统动力学仿真和 结构优化设计为主要内容的组合式变速器系统仿真技术的研究任务。在研究过程 中，充分利用各软件的强大功能和各软件之间数据交换功能，不仅高质量、高效 率地完成了各阶段的研究任务，而且保证了整个研究过程的连贯性和有机性，为 机械系统仿真技术提供了一种全新的研究思路和方法。 1 3 课题研究的内容和意义 本课题是长沙双园实业有限公司的某种型号的汽车组合式变速器的研发项 8 目，具有较高的研究性和实用性。以组合式变速器的主要组成部分为研究对象， 提出一种基于三维建模、有限元分析、多体系统动力学仿真、优化设计的机械系 统仿真技术，旨在研究和改善组合式变速器的结构性能和整体动力性能，从而提 高产品的市场竞争力。在研究过程中，主要完成以下内容： 1 ) 建立组合式变速器的基于特征的三维参数化模型，为有限元分析、多体 动力学仿真、优化设计提供有效的三维模型； 2 ) 采用有限元软件对组合式变速器进行固有特性分析、动力响应分析，研 究组合式变速器的结构性能，为多体动力学仿真提供相关柔性构件的固有特性分 析； 3 ) 采用多体系统动力学仿真软件对组合式变速器进行多刚体动力学仿真和 刚柔耦合多体系统动力学仿真，研究组合式变速器在外载作用卜的系统性能，并 为它的有限元分析提供复杂的外载历史； 4 ) 以有限元分析结果和多体系统动力学仿真结果为依据，对组合式变速器 中的某些结构进行改进设计，并提出结构优化设计是最佳解决途径； 5 ) 总结基于三维建模、有限元分析、多体动力学仿真、优化设计的机械系 统仿真技术，提出各项技术间的信息交换，讨论该仿真技术的优缺点。 9 第二章组合式变速器的c a d 三维建模技术 基于特征的三维参数化建模将特征技术和参数化设计结合起来，不仅继承特 征技术的许多优点，同时巧妙地融入参数化的设计思想，大大提高了三维建模过 程的自动化和个性化，是三维建模技术的热点。本章将探讨这种建模方法及其在 组合式变速器c a d 三维模型中的应用，提供具体的建模过程、建模原则和建模方 法。 2 1 基于特征的c a d 三维参数化建模 为了更完整地阐述组合式变速器的c a d 三维建模思路，首先系统地介绍特 征技术的基本思想和研究内容，构筑特征技术的基本概念体系；然后在特征技术 的基础一卜- ，进一步探讨和研究基于特征参数化建模的参数化概念、表达模式、建 模方法。 2 1 1 特征技术的基本思想 特征技术是机械设计与制造技术向现代化和集成化过程中发展起来的一项关 键技术，是现代设计方法的主要研究方向。特征技术的主要研究内容是特征定义 与分类、特征识别、特征建模、特征表达、特征验证、特征映射和特征数据库模 型等。在这里，特征的概念是广义的，它不仅指面向零件的几何形状及相关的形 状特征，还指面向精度、材料性质、工程分析要求等非几何属性的其他特征。通 过查阅大量的文献，认为特征可以分为以下七大类： 1 ) 标准特征，即在三维模型中已经定义好的基础特征，如孔、杆件、壳、 槽、加强筋等； 2 ) 生成特征，即三维模型中的拉伸、旋转、扫描、拼合等功能将一个截面 沿特定轨迹线扫描或过渡后形成的各种复杂的特征； 3 ) 编辑特征，即指圆倒角或者直倒角之类的辅助特征； 4 ) 基准特征，即指辅助其他特征生成的基准点、线、面、坐标系统等特征； 5 ) 材料特征，即指材料的类型、密度、强度等特征； 6 ) 装配特征，即装配体中的各个零件的相互位置关系； 7 ) 工程分析特征，即有关工程分析方面的特征，如质量和重心位置计算、 有限元分析中的梁单元和壳单元的特征。 1 0 特征识别是指从产品的设计样图所含的大量信息中分离出特征信息，并将它 们分为以上几个特征类别，同时分离出特征之间的相互关系； 特征建模是指运用一定的规则将不同类别的特征进行特征操作和特征运算， 生成易于理解的实体模型； 特征表达是指在零件中如何将各种几何特征信息、非几何特征信息以及它们 间的相互关系在实体模型的数据库模型或结构树中体现出来； 特征验证指榆验特征建模和特征表达的有效性、正确性； 特征映射指特征的表达空间向另一空间的转换，如从产品的设计特征表达空 问向其他应用系统( 如有限元分析、装配规划、动力学分析等) 的特定特征空间 的转换，即特征表达的外部延伸； 特征数掘库模型指以一定的关系模式对各种特征进行合理地规划和整理，形 成类数据库的关系结构”竹l 。 因此，特征技术的基本思想就是对产品模型所包含的特征信息进行归纳综 合，运用特征技术自身支持的特征操作、特征运算生成能够表达必要的几何特征 要素、非几何特征要素的实体模型以及与实体模型相对应的特征数据库模型，实 体模型还支持与其他特征表达空间的信息转换。 基于特征的建模技术是c a d 建模技术发展的新方向，它集成特征识别、特 征建模、特征表达、特征映射、特征数据库模型的基本思想。这种建模技术灵活 运用特征模式完整地表达零件和产品中的各重要信息，使得零件和产品成为各重 要信息的载体，实现了与外部模型进行信息和数据交换的可能性。 2 1 2 基于特征的三维参数化建模技术 基于特征的三维参数化建模是一种新型、快速的建模方法。顾名思义，这项 建模技术是在特征技术的理论基础上发展起来的特征参数化的建模方法。这里的 特征不是指所有的特征，而是零件模型的几何约束关系，可由一系列参数化的数 值表示。通过参数化的几何约束关系影响模型的形状特征，从而设计出一套形状 和功能相似的设计方案，这种参数化建模的基本思想被p r o e n g i n e e r 软件充分吸 收和消化，促进了参数化设计技术的迅猛发展。 参数化建模的出发点是，通过说明零件的几何组成要素之间的几何特征及其 相互位置关系，定义一类形状和结构相似的几何实体，该类实体模型由一组特定 的几何约束关系确定。因此，参数化实体模型是包含几何约束关系的几何模型有 机组成。几何约束关系通过尺寸对几何模型中与几何形状相关的控制要素加以约 束，构成对几何形状唯一、完整的表示。在修改和重建几何形状时，可通过几何 约束建立尺寸与几何定义变量之间的约束方程组，求解约束方程组以实现尺寸变 化到几何模型改变的数据传递。 三维参数化建模过程是： 1 ) 二维形状到三维特征体素，即先画出二维草图，然后定义尺寸几何约束 关系，通过扫描、拉伸、拼合等方式形成参数化的三维特征体素； 2 ) 三维特征体素在一定的尺寸和连接关系下进行布尔运算，形成单一的三 维形状特征即零件模型； 3 ) 单。的三维形状特征依据装配特征组合形成复杂的三维形状特征群，即 装配体模型。 表21 二三维参数化建模的儿何约束类型 种类，性式内容 定 平行轴一轴轴一平面平面一平面 位乖直 轴一轴轴一平面平面一平面 约其他平面一平面共面轴一轴共线点在轴上点在平面上 束轴在平面内 定距离点一直线直线一直线直线一平面点一平面 形 点一点轴线一轴线轴线一平面平面 约 角度半径直径曲率半径多边形边数 束参数线性关系非线性关系 三维形状特征之间的约束关系分为定位约束和定形约束两大类。其中，定位 约束通过定位尺寸定义三维特征体素和三维形状特征之间的结构关系；定形约束 通过定形尺寸直接作用在二维草图和三维特征体素上，决定三维几何形状特征。 常见的定形约束和定位约束【1 9 1 【2 0 1 如表2 1 所示。在成熟的p r o e n 2 i n e e r 软件中， 对每一种约束都有非常友好的操作界面，用户只需输入必要的参数和选项就可以 建立几何约束模型。 2 2 组合式变速器的三维建模 2 2 1 组合式变速器的系统组成 由于货车的装载质量增加和使用条件复杂化，只有扩大变速器的传动比范围 才能满足正常行驶时各种工况的需要。若变速器仍采用5 6 档，则相邻两档位的 传动比间隔过大，必将造成换档困难。另外，货车大多数采用柴油发动机，而柴 油机的转矩变化平缓，随着柴油机转速的增高，最大转矩点也移向高速范围，致 使柴油机的适应性更加变坏。在这种情况下，为了提高汽车的加速性、换档轻便 性和发动机的功率利用率，比较好的办法就是采用多档变速器，通常用7 1 0 个 档，少数是1 2 个档，个别有1 6 2 0 个档位。为了不增加变速器结构的复杂程度， 普遍采用组合式变速器实现变速的多档化。 组合式变速器通常由主变速器和副变速器组成。根据组合方式的不同，组合 变速器分为前置式、后置式、前后置式三种类型。前置式的副变速器处在主变速 器和离合器之间，其输出轴与主变速器的输入轴直接相连；后置式的副变速器处 在主变速器和传动轴之间，其输入轴和主变速器的输出轴相连；前后置式在主变 速器与离合器、传动轴之间各设一个副变速器，其档位最多。档位组合方式有段 丌式、插入式和综合式，段开式换档最简单 2 2 】。 图2 1 所研究组合式变速器的结构图 l 一副箱输入轴2 一花键3 一轴承4 一输入轴齿轮5 一轴承6 一副箱换档齿轮7 一花键 8 一轴承9 一副箱输出轴齿轮1 0 一轴承1 1 一主箱第一换档齿轮1 2 一花键 1 3 一主箱换档连齿轮1 4 一花键1 5 一轴承1 6 一主箱体1 7 一过盈配合1 8 一主箱中间轴 1 9 一倒档轴2 0 一过渡配合2 1 一倒档齿轮2 2 一平键2 3 一轴承2 4 一主箱中间轴连齿轮 2 5 一过盈配合2 6 一过盈配合2 7 一轴承2 8 一副箱中间轴连齿轮2 9 一副箱体3 0 一过盈配合 】3 图2 2 组合式变速器的树结构 本文研究的是一种断开式换档、副变速器前置式的组合式变速器。该组合式 变速器主要由齿轮、输入轴、输出轴、中间轴、拨叉、拨叉轴、同步器、轴承、 主变速箱体、副变速箱体等组成。根据本文研究的重点，只考虑齿轮、输入轴、 输出轴、中间轴、轴承、主变速箱体、副变速箱体，忽略其他零件和结构( 如图 2 1 所示) 。同时，将该组合式变速器分为传动系统和结构系统，传动系统分为齿 轮类子系统和传动轴类子系统；结构系统分为轴承类子系统和箱体类子系统。组 合式变速器的树结构如图2 2 所示。 2 2 2 组合式变速器的建模原则 根据组合式变速器的树结构建立它的c a d 三维模型系统，该系统由齿轮c a d 子系统、传动轴c a d 子系统、轴承c a d 子系统、箱体类c a d 子系统组成( 图 2 3 ) 。为了便于对c a d 子系统和整体c a d 模型系统的管理和修改，同时充分体 现基于特征的三维参数化建模思想，每一个c a d 子系统必须遵循以下六点建模 原则： 1 ) 目标化，即将c a d 子系统中的每一结构定义成目标，通过改变目标实现 1 4 结构的变化，这样有利于c a d 子系统的调试、维护和改进； 2 ) 特征化，是体现基于特征技术的最根本的原则，即在分析属于同一c a d 子系统产品模型的基础上，将其分解为一系列简单特征的有机组合，同一c a d 子系统必须具备相同的简单特征的组合方式； 3 ) 参数化，是体现参数化建模的最根本的原则，即同一c a d 予系统中的结 构尺寸、与约束关系相对应的定位尺寸和定形尺寸必须以参数的方式给出，这样 才能从同一c a d 予系统中只要改变参数值就可建立多种形状相似的零件； 4 ) t 一体化，即在c a d 子系统中必须包含装配特征，而且不同c a d 子系统 的装配特征根据实体模型的装配特性相互统一，才能保证每一个c a d 子系统建 立的零件模型能够正确地装配成一个整体； 5 ) 规范化，即每一个c a d 子系统都必须具备明确的特征组合和建模方式， 而且能够被大多数人接受，符合软件的使用风格； 6 ) 精简化，即每一个c a d 子系统在不影响工程分析精度的前提f ，可以根 据实际工程分析的需要不考虑或者简化其中的某些特征，这样有利于提高建模效 率。 各c a d 子系统建立的零件模型所组成的装配体模型要作为后续的有限元分 析和动力学仿真分析的研究对象，因此还必须在三维模型中加入材料性质、质量、 质心、惯性矩等信息。由于不影响有限元分析和动力学仿真的精度，所以忽略传 动轴上的退刀槽、键槽、定位孔，齿轮上的键槽、齿端倒角，箱体上的小孔、上 端盖等。 图2 3 组合式变速器的c a d 系统 2 2 3 组合式变速器的建模与装配 p r o e n g i n e e r 软件从参数化建模的目的出发成功地应用特征技术。在该软件 1 5 中，特征是一定尺寸和相对位置关系，一定形状和位置精度的几何元素的功能性 组合。利用p r o e n 百n e e r 建立组合式变速器的三维模型，就是通过该建模软件的 各种操作命令将这些特征集中到三维实体中去，同时还可以通过改变表达形状特 征和位置关系特征的参数得到相似的零件模型。 在建立圆柱直齿轮类的三维实体时，首先依据图纸提供的齿形参数掌握齿轮 的齿形特征，然后利用阵列建模功能建立给定齿数的齿轮特征，如果是连齿，则 要建立多个这样的齿轮特征形成连齿的特征，最后添加装配时所需要的装配特征。 在建立传动轴实体时，首先依据其形状特征分割成若干沿轴线方向依次排列 的轴段特征，利用拉伸建模功能建立每一个轴段的分段实体，分段实体首尾相连 自动形成传动轴特征，最后添加齿轮和轴承在传动轴上的装配特征。 ( a ) 图24 圆柱直( 斜) 齿轮的建模方法 图a 一建模过程框架图图b 一圆柱直齿轮特征图c 圆柱连齿轮特征 图a 中：参数1 一齿根圆参数参数2 一齿形参数参数3 一齿数参数 参数4 一圆柱直齿轮参数参数5 一圆柱斜齿轮参数 现以图框表示齿轮( 圆柱直齿轮、连齿轮) 、传动轴( 输入轴、输出轴、中问 轴) 的建模方法，分别如图2 4 ，图2 5 所示。必须酿调，由于在后续的仿真分 析中，需要对组合式变速器的各档位时组合式变速器的运行状况进行仿真分析， 因此有必要在三种轴上都具备在选定工况的档位时齿轮在轴上的装配特征，最后 添加其他次要的特征( 如过渡倒角) 。 ( b ) ( a ) ( c ) 图2 5 传动轴的建模方法 图a 一建模过程框架图图b 一输入轴特征图c 一输出轴特征 图a 中：参数1 一第一轴段参数参数2 一轴段数 参数3 一其他轴段参数参数4 一齿轮在输入轴上的定位参数 参数5 一齿轮在中间轴上的定位参数参数6 一齿轮在输出轴上的定位参数 与组合式变速器的轴类零件和齿轮类零件相比，箱体类零件的形体特征繁多 而复杂，不太容易找出其特征之所在。但任何复杂形体特征都是由简单的形体特 征有机组合而成的，必然存在主要特征和次要特征、父特征和子特征方面的区别。 因此，在建立主副箱体的实体模型时，首先从工程图纸上找出箱壁和箱底的特征， 以此作为主要特征和父特征，在这基础上构建轴承孔、加强筋、油孔及其他简单 特征。 建立好所有的零部件实体模型后，采用基于特征的参数化装配技术建立组合 是变速器的装配体模型。由于在零部件模型中已经包含了携带装配特征的面、轴、 孔、轴线等特征，所以只要将这些面、轴、孔、轴线经过简单装配组合后就可得 到装配体模型。同时，改变这些特征间的定位参数可得到不同的装配体模型。例 如，只要改变主箱输出轴上齿轮与中间轴上齿轮的定位关系就可得到各档位时装 配体模型。利用各c a d 子系统建好各零件模型后，通过p r o e n 蓟n e e r 的生成装 配体的功能，抓住各零件间的装配特征建立了副变速器的装配体模型( 图2 6 ， 将副箱体剖开以便于观看) 和整个传动子系统在各档位时( 除直接档) 的装配体 模型( 图2 7 a b ，c ，d ，e ) 。 图2 6 副变速器裟配体模型( 箱体半剖) 2 7d f = 1 2 4 8 2 7 e 倒档fz7 8 2 2 7 传动系统装配体模型 第三章组合式变速器的有限元分析 机械系统的结构有限元分析以弹性力学为基础，利用有限元法解决结构受到 载荷和其他外部因素影响时应力、应变和位移等有关的弹性力学问题。首先简单 地介绍有限元分析( f e a ) 的基本原理和基本步骤，然后将有限元法应用到组合 式变速器的结构固有特性分析、瞬态动力学响应分析中，探