基于UG的汽車驅動橋虛擬裝配技術應用研究

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

關鍵詞：UG 汽車驅動橋 虛擬現實 虛擬裝配

0 引言

在汽車工業的不斷發展下，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，出現更新迭代快、產品上市周期短、汽車產品開發成本高等問題。傳統產品設計開發技術過于落后，難以滿足汽車現代化開發需求。為此，相關技術人員需利用計算機輔助三維設計的高端主流軟件UG（Unigraphics）內置的虛擬裝配模塊，對汽車驅動橋進行虛擬裝配處理，使得汽車產品開發周期、開發成本不斷降低。虛擬裝配主要是指計算機系統采用仿真分析的方式，根據產品裝配結構，分析最終裝配結果，并結合該裝配結果，完成對裝配相關工程決策的制定。通過進行汽車驅動橋虛擬裝配設計和實現，不僅可以幫助技術人員采用虛擬處理的方式分析和設計汽車的零部件，還能從根本上解決汽車整個研發期間存在的產品研發周期長、產品研發成本高等問題，從而有效地提高汽車產品的性能。

1 汽車驅動橋組成

1.1 橋殼

橋殼作為汽車的重要零件，通過將橋殼結構設計為非斷開式驅動橋，可以保證汽車荷重的支承效果，同時，還能向車輪傳遞相關載荷。為保證橋殼設計質量，技術人員需要在一定的動載荷下，完成對高強度、高剛度橋殼的設計。為降低汽車簧下質量，促使整個汽車能夠平穩地行駛，在最大限度地提高橋殼強度、剛度的基礎上，將橋殼質量降到最低，確保橋殼具有結構簡單、制造方便、制造成本低等特點。橋殼結構型式主要包含以下兩種：（1）在可分式橋殼中，當主減速器、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，將半軸管套直接聯接于殼體。通過設計可分式橋殼結構，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，該結構型式設計存在以下弊端，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，可分式橋殼結構應用范圍較窄，僅僅用于輕型汽車虛擬裝配領域中。（2）整體式橋殼。整體式橋殼結構主要是指對整個橋殼進行制作，使其制作成一個統一整體，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，單獨設置主減速器齒輪、差速器。當整個主減速殼設計完畢后，向橋殼內插入主減速殼中心部分，并借助螺栓，將其與橋殼進行固定和連接，方便后期相關人員快捷有效地拆裝、維修和保養主減速器、差速器。

1.2 主減速器

主減速器主要用于對汽車驅動橋轉動方向的改變和控制，同時還能對轉速、扭矩進行科學地調整，確保汽車在實際運行期間，表現出較高的驅動力和最佳的運行速度。在主減速器3D模型結構中，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，適當地降低汽車驅動橋的速度。該減速器具有結構簡單、小巧玲瓏等特點，被廣泛地應用于輕型、中型載重汽車領域中，并取得了良好的應用效果，使其進行穩定旋轉，從而保證一級減速實現效果。在進行第二季減速期間，需沿著同軸，對主動圓柱齒輪、從動圓錐齒輪進行旋轉，從而保證第二季減速實現效果。

1.3 差速器

差速器主要用于對左右兩個半軸的統一化連接處理，確保兩側車輪以合適的旋轉速度進行扭矩傳遞，促使整個車輪能夠正常、穩定地滾動。將差速器安裝和固定于分動器內或者傳動的軸間，從而形成典型的橋間差速器，通過應用該差速器，可以確保汽車平穩地運行于轉彎、凹凸不平的路面，使得前驅動車輪與后驅動車輪之間形成一定的速度差。差速器3D模型結構主要包含以下兩種：（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行差速器傳遞期間，所產生的扭矩，車輪借助該扭矩，可以穩定旋轉。當輪毅安裝結構出現變化后，半軸受力也會出現明顯改變。

2 汽車驅動橋3D設計

2.1 UG三維設計軟件功能與特點分析

UG三維設計軟件主要用于對虛擬產品的設計和制作。該軟件主要運用并行工程設計理念，為設計人員提供了可反饋、參數化功能，方便設計人員實時修改和完善模型，當模型修改完畢后，該軟件可將修改后的模型快速呈現出來，提高產品設計質量和效率。因此，在UG三維設計軟件的作用下，可以幫助設計人員快速完成對汽車驅動橋虛擬裝配設計。UG三維設計軟件主要應用于以下三大領域：（1）數字化產品設計。在進行數字化產品設計期間，通常用到，Unigraphics產品設計技術，該設計技術主要用到了多種多樣的設計方法，確保概念設計、詳細產品設計組合為統一整體。通過應用設計技術，不僅幫助工程師科學有效地評估整個產品以及生產過程，還能簡化工程師修改零件、設計尺寸等內容，使得產品整體設計質量得以顯著提升。（2）數字化仿真。UG三維設計軟件在具體應用中，可結合不同產品特性，有針對性地開展虛擬仿真工作。在傳統虛擬仿真模式下，必須用到物理原型外，還需要專門訓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用，省略了對物理原型的使用。但是，在設計產品時，高級仿真工具應用會增加操作難度，同時，還要對操作人員進行系統化、專業化的培訓。在UG三維設計軟件中，主要用到產品仿真應用模塊，應用該模塊，可以實現對產品結構強度的有效分析，保證產品模態分析質量。在UG三維設計軟件中，隨著多種現代化仿真工具的嵌入和使用，降低了非專業設計師的學習成本，促使整個產品表現出較高的物理特性。

2.2 UG三維設計軟件基本操作流程

UG三維設計軟件基本操作流程如下：（1）對UG三維設計軟件進行啟動。（2）當出現新設計內容時，需創建相應的文件；當需要修改現有零件時，需打開現有文件。（3）結合設計實際需求，選用結構分析、裝配、制圖等設計功能模塊。（4）結合實際設計情況，設置坐標系以及相關參數等，為提高用戶操作體驗打下堅實的基礎。（5）落實具體設計操作工作。（6）對零部件模型進行檢查，檢查其是否設計合理，如果存在模型設計不合理問題，需修改和優化模型。（7）將所需要的文件保存完畢后，自動退出系統登錄和使用。

2.3 選擇研究對象

本課題研究具有一定的特殊性，在進行本課題研究時，需結合前人經驗，在參照前人實際產品模型的基礎上，對本次研究對象進行分析和驗證，并采用一種新型、先進的設計方法，對本文汽車驅動橋3D設計方法進行有效地探索。

本文所選擇的汽車驅動橋結構具有以下特點：（1）結合汽車給定使用條件，科學調整和控制主減速比，保證燃油經濟實用性。（2）結合汽車運動學控制要求，科學地控制左、右驅動車輪的差速，保證整個汽車驅動橋結構的平穩性。（3）結合驅動車輪與地面之間所形成的附著系數大小不同，選用汽車牽引力。（4）強化對車架式車廂鉛垂力的控制，提高整個汽車驅動橋的反作用力矩。（5）在提高驅動橋各個零部件的強度、剛度的基礎上，將簧下質量降到最低。（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定的運行狀態，避免出現噪聲污染現象。（8）對于該驅動橋而言，其零部件設計符合零件相關設計標準和要求。（9）在不同轉速工況下，均表現出較高的傳動效率。（10）結構簡單，易維修，易制造。

2.4 汽車驅動橋殼3D建模

汽車驅動橋殼具有結構復雜、曲面過渡等特點，通過應用UG三維建模軟件，構建橋殼3D模型。當橋殼3D模型構建完畢后，該模型的壁厚、輪距、板簧距分別為16mm、1830mm、1040mm。結合汽車驅動橋殼受力情況，在保證受力均勻的情況下，適當地簡化橋殼3D模型結構，從而獲得如圖1所示的橋殼3D模型。同時，運用ANSYSWorkbench軟件，劃分該模型網格，從而獲得相應的有限元模型，該模型節點、單元數量分別為49204個、26229個。

2.5 仿真計算結果與分析

應用ANSYSWorkbench軟件，對上述所構建的汽車驅動橋殼3D模型進行有限元處理，并采用仿真計算的方式，計算該模型結構的強度、振動模態，當仿真求解結束后，可綜合分析和評價最終仿真結果。

2.5.1 汽車驅動橋殼強度有限元分析

應用ANSYSWorkbench軟件對上述汽車驅動橋殼3D模型仿真計算后，發現當該汽車驅動橋殼的工作載荷達到30000N時，該橋殼各點應力集中出現在約束點、橋殼上、下表面。為方便后期更好地對比不同厚度的橋殼應力，技術人員要優先選取最大點，并將該點應力值設置為76.5MPa。當材料的屈服極限為620MPa時，后備系數K應控制在6以上，然后，對各厚度橋殼結果進行精確化計算，獲得如表1所示的汽車驅動橋殼厚度計算結果，從表1中的數據可以看出，該汽車驅動橋殼強度符合預期設計標準和要求。

2.5.2 汽車驅動橋殼模態有限元分析

模態分析主要是指運用試驗分析法，對振動系統的模態參數進行識別。在整個結構動力學中，運用模態分析法，可以詳細化描述振動系統的固有頻率、固有振型等特性，為后期振動系統動態設計提供重要的依據和參考。

應用ANSYSWorkbench軟件計算出如表2所示的汽車驅動橋殼前6階固有頻率，從表2中的數據可以看出，整個汽車驅動橋殼前6階固有頻率均低于790Hz，符合預期設計標準和要求，這說明整個橋殼結構設計合理。

3 汽車驅動橋虛擬裝配設計

在進行汽車驅動橋虛擬裝配設計期間，設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的軸，以達到缺省放置的目的。（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、螺母等其它輔件進行裝配處理。

4 結語

綜上所述，應用UG三維設計軟件，對汽車驅動橋進行虛擬裝配設計，不僅可以及時模擬和處理分析汽車驅動橋裝配工藝的問題，促使汽車驅動橋裝配工藝變得更加科學化、合理化，還能實現對虛擬裝配與并行工程的有效融合，將汽車驅動橋開發周期和成本降到最低，為進一步地提高該驅動橋產品的生產力和市場競爭力提供重要的技術支持。

基金項目：陜西職業技術學院2023年度校級教科研項目《基于UG的汽車驅動橋虛擬裝配技術應用研究》（2023ZRKX03）。

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