運(yùn)動(dòng)仿真在客車前圍開合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

劉 超, 楊 亭

(安徽安凱汽車股份有限公司, 合肥 230051)

傳統(tǒng)客車前圍檢修門開合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),只能用CAD初略地校核開合軌跡,然后通過(guò)實(shí)車不斷地驗(yàn)證,不斷地修改調(diào)整,最終完成方案設(shè)計(jì)。而運(yùn)動(dòng)仿真[1]則可為前圍檢修門的設(shè)計(jì)方案提供虛擬驗(yàn)證[2],避免實(shí)物驗(yàn)證無(wú)謂消耗時(shí)間和浪費(fèi)開發(fā)投入。本文使用仿真軟件UG 8.0[3],先在建模環(huán)境下完成各個(gè)部件模型[4]的建立,然后在裝配環(huán)境下完成系統(tǒng)部件的裝配,最后在運(yùn)動(dòng)仿真[5]環(huán)境下模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1 客車前圍開合機(jī)構(gòu)

在客車前圍完成外觀造型評(píng)審、三維模型設(shè)計(jì)評(píng)審、前圍分塊評(píng)審后,需要進(jìn)行客車前圍各蒙皮件的安裝固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先分析前圍各個(gè)部件的功能及結(jié)構(gòu)要求。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),其客車前圍檢修門為開合件,需要設(shè)計(jì)開合機(jī)構(gòu),其開啟方式為從下向上開啟,加上整個(gè)檢修門開檔跨度過(guò)大,因此既要避免與大燈相干涉,又要避免與前圍蒙皮相干涉。但CAD二維設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求,故需要三維運(yùn)動(dòng)校核輔助設(shè)計(jì)。

前圍檢修門的開合機(jī)構(gòu)通常由前圍蒙皮(5號(hào)件)、前圍檢修門(3號(hào)件)、通用六連桿鉸鏈或者彎臂鉸鏈(8號(hào)件)組成,如圖1和圖2所示。方案一中使用的鉸鏈為通用六連桿鉸鏈(8號(hào)件),是用來(lái)連接前圍蒙皮(5號(hào)件)、前圍檢修門(3號(hào)件)并保證兩者按照固定的軌跡做翻轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置;方案二中使用的鉸鏈為彎臂鉸鏈(8號(hào)件)即合頁(yè)鉸鏈,用來(lái)連接前圍蒙皮(5號(hào)件)、前圍檢修門(3號(hào)件)并允許兩者之間做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。以上兩種方案各有利弊：方案一中的通用六連桿鉸鏈結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,成本偏高,但可承受較大的載荷,適用于尺寸較大的翻轉(zhuǎn)門結(jié)構(gòu);方案二中的彎臂鉸鏈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本偏低,更適用于尺寸較小的翻轉(zhuǎn)門。下面將針對(duì)通用六連桿鉸鏈和彎臂鉸鏈的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行分析對(duì)比。

1-右前大燈; 2-右邊保; 3-前圍檢修門; 4-前中保;5-前圍蒙皮; 6-左前大燈; 7-左邊保; 8-通用六連桿

1-右前大燈; 2-右邊保; 3-前圍檢修門; 4-前中保;

2 通用六連桿鉸鏈

完成通用六連桿鉸鏈建模,裝配到客車前圍的相應(yīng)位置(如圖3所示),同時(shí)完成前圍骨架的建模,保證三維模型與實(shí)際狀態(tài)盡可能一致。

圖3 通用六連桿開合結(jié)構(gòu)

切換到UG 8.0軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真[6]模塊,進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析,并根據(jù)分析結(jié)果修改零件的設(shè)計(jì)。設(shè)置好相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等參數(shù);觀察前圍檢修門(3號(hào)件)剛開啟時(shí),檢修門兩側(cè)與大燈(1號(hào)件、6號(hào)件)的縫隙值,前圍檢修門(3號(hào)件)與前圍蒙皮(5號(hào)件)的縫隙值。通過(guò)三維仿真[7]校核發(fā)現(xiàn),通用六連桿開啟初期,檢修門兩側(cè)與大燈(1號(hào)件、6號(hào)件)的縫隙值為2.362 2 mm,前圍檢修門(3號(hào)件)與前圍蒙皮(5號(hào)件)的縫隙值為2.140 1 mm,最小縫隙值太小(如圖4所示)。現(xiàn)有的客車加工精度,難以保證前圍檢修門在開啟初期順利開合,發(fā)生干涉的幾率較大。

1-右前大燈; 3-前圍檢修門; 5-前圍蒙皮

3 彎臂鉸鏈

在UG 8.0的建模軟件中完成彎臂鉸鏈的建模。再切換到裝配模塊,將彎臂鉸鏈裝配到客車前圍的相應(yīng)位置(如圖5所示)。然后切換到UG 8.0軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真[8]模塊,設(shè)置好彎臂鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)副、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等參數(shù),校核彎臂鉸鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡,查看各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最小間隙。通過(guò)三維仿真校核發(fā)現(xiàn),彎臂鉸鏈開啟初期,檢修門兩側(cè)與大燈(1號(hào)件、6號(hào)件)的縫隙值為2.760 7 mm,前圍檢修門(3號(hào)件)與前圍蒙皮(5號(hào)件)的縫隙值為3.381 9 mm,最小縫隙值太小(如圖6所示)。現(xiàn)有的客車加工精度,難以保證前圍檢修門在開啟初期順利開合,發(fā)生干涉的幾率較大。

圖5 彎臂鉸鏈開合結(jié)構(gòu)

1-右前大燈; 3-前圍檢修門; 5-前圍蒙皮

4 設(shè)計(jì)新型六連桿鉸鏈結(jié)構(gòu)

以上三維運(yùn)動(dòng)仿真[9]表明,常用的六連桿鉸鏈和彎臂鉸鏈均無(wú)法滿足前圍檢修門開合要求,故需要尋找其他開合結(jié)構(gòu);平移機(jī)構(gòu)雖可滿足前圍檢修門的開合要求,但其成本較高,且占用空間尺寸較大,而前圍內(nèi)部零部件又多,不是最優(yōu)的開合結(jié)構(gòu)方案[10]。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究,首先排除了彎臂鉸鏈的可能性,因?yàn)閺澅坫q鏈只有一個(gè)轉(zhuǎn)軸點(diǎn),其轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)和合頁(yè)鉸鏈類似,開合軌跡是固定的,無(wú)法通過(guò)調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整開合縫隙;而通用六連桿鉸鏈有6個(gè)連桿,7個(gè)轉(zhuǎn)軸點(diǎn),可以通過(guò)調(diào)整連桿的長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)軸點(diǎn)位置來(lái)調(diào)整開合縫隙,故選擇從六連桿開合機(jī)構(gòu)上尋找突破口。

通過(guò)多輪軌跡校核[11],在UG 8.0軟件中修改調(diào)整出新型六連桿鉸鏈結(jié)構(gòu),如圖7所示。由圖7可知,修改調(diào)整后新式六連桿鉸鏈(10號(hào)件)的各個(gè)連桿外觀樣式、長(zhǎng)度、安裝角度以及轉(zhuǎn)軸點(diǎn)位置與通用六連桿鉸鏈(8號(hào)件)相比區(qū)別較大,尤其是上部固定底座和右側(cè)活動(dòng)支座的外形尺寸及轉(zhuǎn)軸點(diǎn)的相對(duì)位置。新式六連桿鉸鏈(10號(hào)件,圖7右側(cè))的上部固定支座連桿與水平夾角大約為30°;活動(dòng)支座的向右延伸距離較大,其上2個(gè)轉(zhuǎn)軸點(diǎn)均位于固定支座轉(zhuǎn)軸點(diǎn)的右側(cè)。通用六連桿鉸鏈(8號(hào)件,圖7左側(cè))的上部固定支座連桿為水平方向;活動(dòng)支座的向右延伸距離較小,其上2個(gè)轉(zhuǎn)軸點(diǎn)都位于固定支座轉(zhuǎn)軸點(diǎn)的中部。

而后切換到裝配模塊中將新型六連桿鉸鏈模型安裝到客車前圍的相應(yīng)位置。然后切換到運(yùn)動(dòng)仿真[12]模塊,將6個(gè)連桿中的轉(zhuǎn)動(dòng)副(1個(gè)主轉(zhuǎn)動(dòng)副、6個(gè)從轉(zhuǎn)動(dòng)副)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等參數(shù)設(shè)置好,校核安裝新型六連桿后開合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡,查看各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最小縫隙。通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)仿真校核,發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)雨刮器刮水時(shí),雨刮器連桿運(yùn)動(dòng)部件的最下端與新型六連桿鉸鏈發(fā)生干涉,對(duì)此通過(guò)校核雨刮器的運(yùn)動(dòng)軌跡,將雨刮器整體上抬30 mm,可解決雨刮器與新型六鉸鏈干涉的問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真校核新型六連桿鉸鏈在開啟初期,檢修門兩側(cè)與大燈(1號(hào)件、6號(hào)件)的縫隙值為7.137 5 mm,前圍檢修門(3號(hào)件)與前圍蒙皮(5號(hào)件)的縫隙值為4.911 7 mm(如圖8所示),最小縫隙值滿足客車生產(chǎn)加工精度需求[13]。

8-通用六連桿鉸鏈; 10-新型六連桿鉸鏈

1-右前大燈; 3-前圍檢修門; 5-前圍蒙皮

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)部件,可通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)仿真[14]來(lái)直觀展示部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程[15]中的相對(duì)空間位置,為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)提供精確的數(shù)據(jù)支撐,利用科技提升設(shè)計(jì)的精細(xì)化并縮短設(shè)計(jì)周期。