基于UG運(yùn)動(dòng)仿真的沖擊夯傳動(dòng)連桿的輪廓軌跡設(shè)計(jì)

嚴(yán)勇

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214121)

在房屋建筑的基礎(chǔ)部分、市政道路的路基以及修補(bǔ)路面的墊層等部分，需對(duì)回填土、路基墊層等進(jìn)行密實(shí)處理。手扶式振動(dòng)沖擊夯作為一種小型壓實(shí)機(jī)械，針對(duì)這些局部、小范圍區(qū)域有著靈活便捷的使用功效。尤其在部分狹窄地段、曲線路緣、變尺寸溝槽等大型壓實(shí)機(jī)械不便實(shí)施的地方，手扶式振動(dòng)沖擊夯的工作效用就更加明顯了。近年來，許多科技工作者對(duì)其設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了比較深入的探討，發(fā)表了眾多研究成果［1－3］。目前，隨著國外同類產(chǎn)品的大量引進(jìn)，產(chǎn)品的市場競爭顯得更為激烈，小質(zhì)量振動(dòng)沖擊夯的利潤率也不斷減少。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良、低成本的夯機(jī)品種成為夯機(jī)生產(chǎn)廠家急需解決的問題。在夯機(jī)的結(jié)構(gòu)部件中，傳動(dòng)連桿不僅決定整機(jī)的尺寸大小，更直接影響到夯機(jī)的性能。文中針對(duì)非對(duì)稱偏心夯機(jī)，設(shè)計(jì)了緊湊型的傳動(dòng)方案，并利用UG 的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)了傳動(dòng)的關(guān)鍵部件——連桿的輪廓曲線，在保證夯機(jī)功能的前提下，實(shí)現(xiàn)夯機(jī)尺寸的小型化。

1 振動(dòng)沖擊夯組成及工作原理

振動(dòng)沖擊夯主要零部件見圖1。工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)振動(dòng)桿滑塊作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使彈簧不斷壓縮和伸張，進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和釋放，促使夯機(jī)上下運(yùn)動(dòng)。將主機(jī)和夯板設(shè)計(jì)時(shí)傾斜成一定角度，受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向前方的分力，驅(qū)使夯機(jī)起跳后會(huì)自行向前運(yùn)動(dòng)，形成夯板對(duì)基層工作面連續(xù)往復(fù)式的沖擊力，同時(shí)，還會(huì)使基層工作面產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)。由于沖擊和振動(dòng)的共同作用，使基層工作面獲得了很好的夯實(shí)效果。

圖1 TPS350 型沖擊夯的組成與工作簡圖

2 沖擊夯傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

振動(dòng)沖擊夯通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給壓縮彈簧，振動(dòng)桿滑塊壓縮上下兩組彈簧振動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)夯機(jī)上下振動(dòng)，從而達(dá)到壓實(shí)路面的功能［4－5］。為了減小機(jī)構(gòu)的尺寸，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊的振動(dòng)夯機(jī)。TPS350 型沖擊夯的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸直接穿過連桿帶動(dòng)小齒輪2，即發(fā)動(dòng)機(jī)與箱體配置在連桿的兩側(cè)，如圖2 所示，這種對(duì)稱配置保證了連桿壓縮彈簧時(shí)振動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也保證了結(jié)構(gòu)的緊湊。

圖2 TPS350 型沖擊夯的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖

小齒輪2 與大齒輪3 嚙合，大齒輪3 通過齒輪上的偏心凸臺(tái)帶動(dòng)連桿4。連桿4 連接壓縮彈簧的導(dǎo)向桿5，導(dǎo)向桿5 在導(dǎo)向筒中上下移動(dòng)帶動(dòng)振動(dòng)桿滑塊壓縮彈簧，振動(dòng)整個(gè)夯機(jī)。沖擊夯內(nèi)有兩組彈簧，每組有兩個(gè)彈簧，直徑不同，上下裝配。夯板組件主要是鑄鐵件、外加部分塑料件的結(jié)構(gòu)。沖擊夯在工作過程中載荷主要由傳動(dòng)連桿傳遞給壓縮彈簧，傳動(dòng)連桿同時(shí)要受到機(jī)構(gòu)振動(dòng)加速度產(chǎn)生的載荷。因此，為保證連桿的強(qiáng)度，同時(shí)又要保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，連桿傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，保證穿過連桿的發(fā)動(dòng)機(jī)軸與連桿不干涉，必須計(jì)算獲得在運(yùn)動(dòng)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)軸與連桿的交點(diǎn)的軌跡，即連桿內(nèi)孔的輪廓曲線。

3 基于MATLAB 的連桿內(nèi)孔輪廓軌跡繪制

沖擊夯傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)軸與連桿存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。連桿內(nèi)孔輪廓軌跡實(shí)際上是無孔連桿與發(fā)動(dòng)機(jī)軸的運(yùn)動(dòng)干涉軌跡。因此，連桿內(nèi)孔的輪廓軌跡可以通過計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)軸與連桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡得到。計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的步驟是:

(1)建立傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的絕對(duì)坐標(biāo)系和連桿的工作坐標(biāo)系。如圖3 所示，大齒輪的回轉(zhuǎn)中心作為絕對(duì)坐標(biāo)系的z 軸，彈簧的振動(dòng)方向作為絕對(duì)坐標(biāo)系的x軸。設(shè)置在連桿上的工作坐標(biāo)系如圖3 所示，連桿與大齒輪偏心凸臺(tái)連接的回轉(zhuǎn)副作為工作坐標(biāo)系的z軸，連桿作為x 軸。

圖3 沖擊夯絕對(duì)坐標(biāo)系與工作坐標(biāo)系

(2)在絕對(duì)坐標(biāo)系中，計(jì)算靜止的發(fā)動(dòng)機(jī)軸線在連桿工作坐標(biāo)系中的軌跡。絕對(duì)坐標(biāo)系1 為xoy;工作坐標(biāo)系2 為x'oy'，根據(jù)夯機(jī)的尺寸信息得到坐標(biāo)變換矩陣T:

在UG 模型中測得發(fā)動(dòng)機(jī)軸，即小齒輪中心在坐標(biāo)系1 中的坐標(biāo)為(114 13)，設(shè)在坐標(biāo)系2 中坐標(biāo)為(x' y')，則根據(jù)齊次坐標(biāo)變換［x' y' 1］ =［x y 1］·T 知:

運(yùn)用MATLAB 畫出θ∈(0，2π)時(shí)的圖形:

MATLAB 編程:

即得連桿的輪廓曲線圖，見圖4。

圖4 傳動(dòng)連桿的輪廓曲線

根據(jù)連桿內(nèi)孔的輪廓軌跡，結(jié)合沖擊夯的工作載荷，設(shè)計(jì)連桿的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 傳動(dòng)連桿的結(jié)構(gòu)圖

4 基于UG 的夯機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

Unigraphics (簡稱UG)是集CAD/CAE/CAM 于一體的三維參數(shù)化軟件，是當(dāng)今世界最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、分析和制造軟件。CAD 功能實(shí)現(xiàn)了常規(guī)工程技術(shù)、設(shè)計(jì)和繪圖功能的自動(dòng)化;CAE 功能可對(duì)幾個(gè)產(chǎn)品的耦合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢驗(yàn)其運(yùn)動(dòng)的可靠性，保證運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度滿足產(chǎn)品功能的要求;CAM 功能可為現(xiàn)代機(jī)器工具提供NC 編程技術(shù)，利用它強(qiáng)大的混合式繪圖結(jié)構(gòu)，可方便地繪制出復(fù)雜的實(shí)體以及造型特征［6－8］。

4.1 仿真模型建立

4.1.1 建立夯機(jī)3D 模型

在用UG 仿真進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，首先必須根據(jù)夯機(jī)的實(shí)際尺寸進(jìn)行3D 建模。模型如圖1 所示，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、上箱體、連接發(fā)動(dòng)機(jī)軸的小齒輪、與小齒輪嚙合的大齒輪、連桿、彈簧壓縮導(dǎo)向桿等。對(duì)零部件進(jìn)行虛擬裝配，建立產(chǎn)品的3D 模型。

4.1.2 運(yùn)動(dòng)仿真定義

建立仿真模型，首先是要確定各零件間的靜態(tài)關(guān)系，對(duì)連桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真定義。根據(jù)裝配模型建立一個(gè)新的仿真模型時(shí)，仿真模塊會(huì)自動(dòng)將裝配模型中的一個(gè)個(gè)零部件 (Part)映射成仿真模型中的連桿(Link)，并且自動(dòng)選擇一個(gè)連桿作為接地連桿。在振動(dòng)沖擊夯的3D 模型中，主要傳動(dòng)零件有連接發(fā)動(dòng)機(jī)軸的小齒輪、大齒輪、連桿、彈簧壓塊。因此首先分別定義4 個(gè)連桿，對(duì)應(yīng)分別為L001、L002、L003、L004。與這4 個(gè)零件無相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件是箱體保護(hù)架、扶手、油箱等，定義為連桿L005。仿真模塊自動(dòng)映射的接地連桿不一定正確，需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修訂確認(rèn)。在振動(dòng)沖擊夯的運(yùn)動(dòng)仿真中，根據(jù)夯機(jī)的工作原理，定義箱體為接地連桿。

4.2 運(yùn)動(dòng)副的定義

建立仿真模型的第2 步是要確定各零件之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，對(duì)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真定義。利用裝配模型建立仿真模型時(shí)，仿真模塊會(huì)自動(dòng)將裝配模型中的約束映射為運(yùn)動(dòng)仿真模型中。在振動(dòng)沖擊夯中，發(fā)動(dòng)機(jī)固定在箱體上，發(fā)動(dòng)機(jī)軸連接小齒輪軸，帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪與箱體是轉(zhuǎn)動(dòng)副(J001)。大齒輪與箱體也是轉(zhuǎn)動(dòng)副 (J002)。小齒輪與大齒輪是齒輪副(J003)，大齒輪與連桿是轉(zhuǎn)動(dòng)副(J004)，連桿與壓縮彈簧導(dǎo)向桿是轉(zhuǎn)動(dòng)副(J005)，壓縮彈簧導(dǎo)向桿與箱體是滑動(dòng)副(J006)。選擇原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)定義，沖擊夯的動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇小齒輪的運(yùn)動(dòng)副J001 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)定義，定義為恒定的運(yùn)動(dòng)，速度定義為60 (°)/s。

4.3 仿真參數(shù)定義設(shè)定及結(jié)果分析

仿真模型建立的第3 步是設(shè)定仿真參數(shù)，確定仿真時(shí)間和步數(shù)。仿真時(shí)間設(shè)為60 s，保證小齒輪旋轉(zhuǎn)超過一周即可，仿真步數(shù)設(shè)為60 步。仿真時(shí)設(shè)置干涉檢查與測量，干涉與測量的對(duì)象都是連桿與發(fā)動(dòng)機(jī)軸。通過運(yùn)動(dòng)仿真可以看到:設(shè)計(jì)的連桿部件與發(fā)動(dòng)機(jī)軸運(yùn)動(dòng)無干涉。在一個(gè)振動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)仿真中，可以設(shè)置連桿與發(fā)動(dòng)機(jī)軸的間隙測量，仿真結(jié)果可以顯示出一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的測量值變化結(jié)果，結(jié)果顯示小齒輪軸心線與連桿內(nèi)孔的距離值均在1 mm 以下，實(shí)現(xiàn)了連桿內(nèi)孔尺寸的優(yōu)化(見圖6)。仿真結(jié)果表明:沖擊夯傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，連桿內(nèi)孔輪廓曲線設(shè)計(jì)精確。利用UG 對(duì)沖擊夯進(jìn)行 建模與聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)，有效地驗(yàn)證了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性，并進(jìn)一步優(yōu)化了連桿凸輪軌跡曲線，提升了產(chǎn)品開發(fā)的有效性、合理性。此類仿真設(shè)計(jì)的方法也可以拓展到其他應(yīng)用設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為快捷、高效地開發(fā)新產(chǎn)品提供更有效的方法。

圖6 振動(dòng)沖擊夯運(yùn)動(dòng)軌跡仿真圖

5 結(jié)論

利用UG 的建模模塊，設(shè)計(jì)了TPS350 型沖擊夯的虛擬樣機(jī)，進(jìn)行了產(chǎn)品模型的虛擬裝配。利用UG的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，對(duì)樣機(jī)的傳動(dòng)部分進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，得到了傳動(dòng)部件、關(guān)鍵零件、傳動(dòng)偏心連桿的輪廓曲線。既保證了連桿在完成沖擊載荷作用下的強(qiáng)度需求，又實(shí)現(xiàn)了連桿尺寸的最小化，從而實(shí)現(xiàn)了沖擊夯的小型化，使得沖擊夯結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，大大降低了小型沖擊夯的制造成本。

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