基于ProE的路宝乘用车变速器操纵机构的设计.docx

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基于ProE的路宝乘用车变速器操纵机构的设计

摘要

微型汽车在我国有很大市场，从0.9L到1.6L，价格适合我国国情，适合正在发展的中国的现况。

变速器作为传动系统的重要部件之一,其操纵机构更是车辆操纵中最频繁的装置，因此变速器操纵机构的装配质量和效率直接关系到变速器本身乃至整车性能发挥和制造质量的好坏。

针对这一问题，虚拟样机技术的成功应用不仅可以提高装配精度，而且可以缩短产品设计周期，对于工程实际具有重要的应用价值。

本设计通过运用Pro/E软件，在Pro/ENGINEER参数化建模的基础上，对变速器操纵机构各零部件进行实体建模，虚拟其装配过程，并实现汽车变速器操纵机构的动态仿真。

从而对变速器操纵机构的装配进一步了解；这样可以从本质上提高制造效率，节省劳动力，节约生产资源；加快了解汽车企业生产设计、制造及应用的过程。

关键词：

变速器操纵机构；建模：

仿真；装配；设计

ABSTRACT

MinicarmarketinChinahasgreatlymarket,from0.9Lto1.6L,thepriceissuitableforChina'snationalconditionsandthedevelopingChina'scurrentsituation.Asoneoftheimportantpartsoftransmissionsystem,theoperationoftransmissionisthemostfrequentpartinthevehiclehandlingequipment.Sotheefficiencyandqualityofassemblyoftransmissionoperationisdirectlyrelatedtothetransmissionitselfandthevehicleperformanceandwhetherthemanufacturingqualityisgoodorbad.

Tosolvethisproblem,thesuccessfulapplicationofvirtualprototypetechnologycannotonlyimprovetheassemblyaccuracy,butalsoshortentheproductdesigncycle,whichisimportantforengineeringapplicationvalue.ByusingthePro/Esoftware,thisdesign,basedonPro/ENGINEERparametricmodeling,modeledthevariouspartsofthetransmissioncontrolmechanismsolidly,virtualedassemblingprocessandrealizedthetransmissioncontrolbydynamicsimulationinordertomakeafurtherunderstandingofthetransmissioncontrolassembly.Thiscanessentiallyimprovethemanufacturingefficiency,savethelaborresourcesandproductingresourcesandacceleratetheunderstangdingabouttheprocessofautoenterpriseproductiondesign,manufacturingandapplication.

Keywords：

transmissioncontrolmechanism;modeling;simulation;assembly;design

第1章绪论

1.1引言

随着科学技术和经济全球化的高速飞猛发展，对21世纪的制造环境提出了更高、更精确的要求：

提高设计生产效率、缩短产品生命周期，成为主要的竞争因素；用户需求的多样化，使得多品种小批量生产比例增大[1]。

企业若想提高自身竞争力，必须从缩短新产品的研制和开发周期，降低产品的开发成本，提高产品的设计质量，加速产品的创新设计等方面入手，这样才能满足市场不断变化的需求。

虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology）就是在这种大市场大竞争的迫切形势下产生的。

它综合了多种先进方法和技术，并在缩短产品的研发周期、降低成本、提高企业效率等方面的推动作用明显而快速发展。

随着虚拟现实技术在企业的实施推广发展和应用，对产品装配设计提出了更高的要求：

在协同的产品开发环境中，在产品设计阶段就要求有关的工艺人员加入进来，对产品有关制造与装配工艺可行性、最优性进行分析，协助产品设计工作，装配设计作为产品开发的重要环节，除了需要先进的技术工具支持及其它环节集成之外，还需要考虑按照并行工程的思想来规划装配设计的全过程，并协调与其他环节的关系。

装配环节面对的是最终产品，装配技术直接影响着最终产品的性能。

1.2设计研究背景

我国从20世纪80年代初引进微型车，目前已经形成了年产54.6万辆能力的微型车行业，基本上具备了迎接国际挑战的能力[2]。

微型车已经稳稳地成为中国汽车市场中的主力车型。

变速器是汽车结构中的重要部分，而变速器操纵机构性能的好坏将直接影响到汽车产品的质量。

根据汽车使用条件的需要，驾驶员利用变速器的操纵机构完成选挡和实现换挡或退到空挡的工作。

变速器操纵机构应当满足如下主要要求：

换挡时只能挂入一个挡位，换挡后应使齿轮在全齿长上啮合，防止自动脱挡或自动挂挡，防止误挂倒挡，换挡轻便。

用于机械式变速器的操纵机构，常见的是由变速杆、拨块、拨叉、变速叉轴及互锁、自锁和倒挡锁装置等主要件组成，并依靠驾驶员手力完成选挡、换挡或退到空挡工作，称为手动换挡变速器。

在传统的变速器操纵机构设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计[3]。

在设计完成后，为了验证设计，通常要进行制造物理样机实验，有时这些实验是破坏性的。

当实验中发现缺陷时，又要回头修改设计并再制造物理样机验证。

通常这样的设计—实验—设计的过程要进行许多次，产品才能达到操纵机构的性能要求，不仅过程冗长，设计周期无法缩短，很难对瞬变的市场做出灵活反应，而且物理样机的单机制造大大增加了成本，造成浪费。

在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而不得己尽量减少物理样机实验的次数，简化这一过程，从而使设计参数难以实现真正意义上的优化，产品在上市时很有可能就是先天不足。

在激烈竞争市场背景下，这种产品开发的方式严重地制约了产品质量提高，成本降低和对市场快速响应。

虚拟现实技术的应用可以贯串到整个设计过程中。

在概念设计和方案论证阶段，设计师可以把自己的经验和创造性思维结合在计算机中建立虚拟的产品模型，让想象力和创造力充分发挥；在结构设计阶段，工程师可以及时修改结构参数，进行各种校核和优化，快速接近理想的设计目标；在产品功能分析阶段，测试工程师可以通过对虚拟样机施加载荷，设置不同的工况参数对产品运动仿真，从而进行全方位的功能检验，以检测新产品的主要功能。

因而，用虚拟现实技术开发产品可使开发周期缩短，设计质量和效率得到提高同传统的基于物理样机的产品开发过程相比，虚拟样机的优势主要体在[4]：

（1）有利于对设计进行优化，虚拟样机易于修改，可以利用虚拟样机对各种设计方案进行综合比较，并选出最优设计。

（2）成本更低，速度更快，节省了制造实际产品模型的昂贵费用。

并且在计算机上建立虚拟模型的时间远远小于物理样机的制作时间。

（3）可以有效支持并行设计，可以方便地实现上下游并行设计和多专家协同设计。

1.3虚拟现实技术概述

1.3.1虚拟现实技术概念

虚拟现实（VR，VirtualAssembly）是以利用先进计算机辅助设计技术建立起来的主模型为中心，将其扩展衍生到产品生命周期的不同阶段，建立与现实相一致的数字化仿真模型，并对该模型进行评估和测试，通过对不同候选模型的筛选、更改和优化将设计思路转化为正确的数字原型。

虚拟现实技术涉及到诸如先进三维建模技术、虚拟装配技术、计算机辅助工程技术和计算可视化多个领域[5]。

其开发以Interne／Intranet构成的计算机网络为平台，通过信息共享和数据分权开放的格局，以并行协同的方式使各设计小组共同完成新产品的从概念设计、初步设计、详细设计、装配检验、性能评估、制造性加工仿真一直到物理样机试制等工作。

1.3.2虚拟装配技术

将虚拟现实技术集成到零件装配过程中，就形成了虚拟装配技术。

它是虚拟制造的关键技术。

基于虚拟现实技术的虚拟装配技术，是在—个统一模型之下，对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。

其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时、并行地模拟出产品未来制造及装配过程，乃至产品全生命周期的各种活动，对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。

从而更加有效、经济、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改。

达到产品的开发周期和成本最小化，产品设计质量的最优化，生产效率的最大化。

虚拟装配技术可以使得装配人员在计算机创建的虚拟环境中对虚拟模型进行产品装配，在设计阶段初期就检验产品结构设计是否合理、是否方便装配和维修，从而验证和改进产品的可装配性[6]。

并给出评价和分析结果。

虚拟装配以装配工艺为核心，以装配仿真、干涉碰撞检查、装配规划的形成与可装配性评价等单元技术模块为支撑，以三维建模软件和数据库为基础，涉及到虚拟现实技术、计算机图形学和仿真技术等多学科领域。

虚拟装配技术以其能缩短产品生产周期，降低成本，提高产品质量的优势，成为国内外制造业实施CIMS研究和应用的热点。

虚拟装配技术被视为目前唯一可对企业经营环境进行有效控制和大幅度改善的技术。

虚拟装配的主要作用可归纳为以下几个方面：

1．装配设计的合理化指导

从便于装配的角度实施设计活动，使产品从设计出来就具有较好的可装配性。

在确保产品零部件能够装配到位的同时，保证产品装配易实现、成本低。

2．装配性能的系统化分析

全面考虑影响产品装配的各种因素，对制造产品的可装配性进行系统化的技术经济分析，以发掘设计缺陷，从而精简产品结构，改善可装配性。

产品的可装配性通过虚拟装配分析得到，不需要付出昂贵的代价。

3．装配性能的可行性验证

技术人员可在虚拟环境中对装配体进行静态与动态分析，有利于提高产品的可装配性和可靠性；利用虚拟装配系统去分析产品维护过程中的问题，考虑装配所需工具的安全性、视线以及拆卸空间等，还可为清洁生产服务，通过合理安排工艺过程，充分利用装配资源，促进产品装配工作顺利进行。

4．支持产品并行化设计

产品并行化设计是让下游的有关活动尽早融合到上游的过程中来，使下游的有关因素能在设计阶段相对并行地考虑。

虚拟装配能在产品设计阶段通过数字化预装配展示并改进产品的可装配性，因而从装配这一重要侧面反映出产品的并行设计哲理。

5．虚拟产品开发（VPD）的支撑工具

作为产品制造过程的终极目标，装配是生产过程中至关重要的活动。

虚拟装配是VPD的重要组成部分[7。

虚拟装配技术使得装配人员可以在计算机构造的虚拟环境中对虚拟模型进行产品装配，在设计阶段就检验产品结构设计是否合理、是否方便装配和维修，从而验证和改进产品的可装配性，并给出评价和分析结果。

1.4虚拟装配技术关键技术

1.4.1虚拟环境的建模及数据传递机制

建模作为零件特征的数字化表达，传统软件的建模方法已经比较成熟，目前有几何建模、实体建模、特征建模等。

在虚拟环境中，多采用简化的多边形面片（通常为三角面片模型）构建模型，模型数据可用于虚拟环境中模型的显示绘制和装配过程中的碰撞检测，这种表示方法容易实现异地异构环境下的产品信息共享。

从集成制造系统来考虑，虚拟装配只是虚拟产品设计的技术之一。

在分布式虚拟装配环境中，采用三维软件对产品进行建模，再提取所需要的模型数据。

1.4.2虚拟装配关键环节

虚拟装配关键环节包括装配序列和路径规划[8]。

装配序列规划是虚拟装配过程中的重要环节，主要是研究出装配序列的生成和可行性分析，其目的就是找出一条合适的满足条件的装配序列，由此序列可逐步把零件装配成产品，为下一步实现产品装配过程仿真提供基础。

装配路径规划在建模和序列规划的基础上，进行装配路径分析，确定一条没有干涉的有效装配路径。

建立虚拟装配序列和路径一是要建立合适的装配结构树，二是通过零件的装配信息生成装配序列，在零部件拆／装过程中，还要通过干涉检查来检验零件在空间位置是否发生冲突，验证产品的可装配性。

1.5虚拟装配的发展

面向虚拟装配技术的研究目前分为两个阶段：

一是采用装配过程可视化手段并运用干涉检查工具，直观地展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，并提供装配序列的性能及其优化结果。

二是基于虚拟现实技术构造虚拟的产品装配环境，操作人员通过计算机构建的虚拟环境来分析产品的装配顺序和效果。

华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所NIST合作开发的虚拟装配设计环境VADE，通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环境，在虚拟环境中利用工程师的装配设计意图实现产品的装配顺序规划[9]。

清华大学结合863/CIMSWPD项目攻关及应用需求，在三维软件Pro/Engineer的基础上，开发虚拟装配支持系统VASS，该系统能够基于三维实体模型在计算机上实施产品及其部件的数字化预装配，实现装配工艺规划，验证产品可装配性，并生成能够指导实际装配作业的装配工艺规程和卡片。

浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发了完全沉浸式虚拟装配原型系统IVAS，提出通过“用户引导的拆卸”进行拆卸过程仿真，得到零部件的拆卸顺序和拆卸路径，从而确定产品的装配序列，通过实时碰撞检测机制自动保证拆卸过程的有效性。

从目前的现状和发展趋势来看，国内外虚拟装配的研究和实现主要集中在以下几个方面：

1．装配信息的获取、表达和处理

获取零件模型及其装配关系信息，在计算机内有效地表达装配体内在和外在的关系，在虚拟环境中充分利用信息存储结构表达和处理装配信息，对最终生成整个装配过程有着重要的意义。

2．虚拟装配中信息传输和信息集成

虚拟装配关键在于希望能够处理异构的虚拟环境，直接实现装配过程的动态仿真。

装配体作为产品功能的最终体现，其设计和分析要求设计者，制造商等人员的协同参与，需要有相应的工具和环境支持这种协同工作，协同装配设计正成为新的研究热点。

1.6本设计主要研究内容及意义

1.6.1本设计主要内容

汽车零部件的制造过程开发是新产品开发的重要环节之一，它将直接影响到一个产品质量的好坏和开发周期的长短，所以一个高质量的制造过程是产品质量好坏的首要前提。

变速器操纵机构是汽车的关键零部件，主要完成1、2挡，3、4挡，5挡和倒挡以及相关感应部件的功能。

本设计以某微型车变速器操纵机构为研究对象，基于虚拟现实技术原理对其进行三维建模并虚拟装配过程,从而实现汽车变速器操纵机构的动态装配。

零部件三维实体建模、模拟装配和运动仿真均通过PTC公司Pro/ENGINEER软件实现。

本设计的主要内容包括以下部分：

（1）运用三维软件Pro/E建立变速器操纵机构零部件的三维几何模型和装配模型。

（2）制定出该操纵机构最优的装配序列。

（3）基于虚拟现实技术,对变速器操纵机构进行动态装配过程中的干涉进行检查。

1.6.2本设计研究意义

随着全球市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一，快速将多样化的产品推向市场是制造商把握先机而求生存的重要保障，而传统装配需要反复修改，多次进行试装配，周期长，成本高，不能适应当前敏捷制造的需要。

在虚拟装配中，由于没有制造真实的产品，大大减少开发成本，并且在虚拟装配时可以尽可能地解决大部分装配问题，这就使新产品开发的周期大为缩短，使企业尽早占领市场。

本设计则是基于Pro/E三维软件，以虚拟现实技术为基础进行实体建模及装配从而达到对变速器操纵机构的装配工艺进一步深入了解；这样可以从本质上提高制造效率，节省劳动力，节约生产资源；加快了解汽车企业生产工艺设计、制造及应用的过程。

第2章变速器操纵机构零件三维建模

2.1三维建模技术

三维建模技术作为虚拟现实技术的重要基础，经历了一个长时间的发展阶段。

计算机绘图起源于20世纪50年代[10]。

20世纪70年代及80年代初是计算机绘图的迅猛发展时期[7]。

计算机设计与制造技术的发展，使计算机的运算速度和集成化速度大大提高，成本大副下降，从而微型机得到普及，围绕微型机开发的绘图软件和计算机辅助设计软件层出不穷。

伴随着计算机图形学的发展，在机械设计领域，设计工具经历了从图板到二维设计软件，再到三维建模软件的变革。

如果认为从图板到二维设计软件的迁移，方便了设计人员对图样信息的产生、加工、存储和传递，只是形式的改变，本质上并没有多大的进展；那么，三维造型软件的出现在设计领域中迈出了革命性的一步。

三维建模彻底改变了传统的设计理念—从设计人员依靠想象力绘制各种视图，到直接绘制三维模型，再由计算机自动生成详细的视图。

这使设计人员从想象各种视图的困境中解放出来。

对于复杂的模型，更可避免传统设计方式难以避免的错误。

而且，相对于平面模型而言，实体模型不仅可以提供集合拓扑信息还可以包含模型的材料、质量、质心位置和转动惯量等物理信息。

实体模型有以下诸多优点：

（1）实体模型可以通过投影变换转换为二维图形，稍作修改即可输出为工程图纸。

（2）实体模型可以直接输出到数控机床或快速成型系统。

（3）实体模型包含大量的物理信息，可以作为有限元分析或动力学分析的起点。

（4）采用实体模型可以直观地模拟系统的运动，便于发现构件的干涉。

目前，比较常用的三维设计软件如：

SolidEdge,SolidWorks,UG和Pro/E等都具有相当完善的实体建模技术。

根据客观条件和Pro/E软件的特点，本课题选择Pro/E软件进行微型车车变速器操纵机构的实体建模。

2.2建模软件介绍

Pro/E全称为Pro/Engineer，是目前国内应用最为广泛的大型CAD/CAE/CAM集成三维参数化软件，功能强大，内容丰富，涵盖了设计、分析、加工、管理等各个领域。

在目前三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一[11]。

Pro/E运用参数化设计理论，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。

Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。

它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。

　　Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

Pro/Engineer基本特征如下：

　　1．参数化设计和特征功能

　　Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。

这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

　　2．单一数据库

Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上[12]。

这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。

这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场。

Pro/Engineer功能如下：

（1）特征驱动（例如：

凸台、槽、倒角、腔、壳等）。

（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）。

　　（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。

　　（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，各种能用零件设计的程序化方法等）。

（3）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。

其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/ENGINEER的基本功能。

2.3建模过程综述

对于一个复杂机构，其建模的方法一般是先创建多个零件，然后将这些零件装配在一起。

Pro/ENGINEER基于特征的零件建模过程就是模仿零件的加工过程，即各特征的建立顺序应尽可能与零件的加工顺序一致。

一般零件建模的方法就采用以上介绍的建模方法，建模过程如下：

（1）根据零部件的结构特点，先建立一个基本体素或扫描特征作为零件的毛坯；

（2）再参照零件的粗加工过程逐步创建零件的孔、键槽、型腔、凸台、凸垫及用户定义等特征；

（3）最后参照零件的精加工过程创建倒圆、倒角、螺纹、修剪和阵列等特征。

由于圆柱、块和锥等基本体素属非关联性特征，它们不与已建立的几何对象关联。

因此，为了保证模型的可修改性，在一个零件模型中创建的基本体素不要超过1个，而且基本体素一般被作为第一个特征。

下面具体以“一二挡零件总成”来详细说明建模过程。

2.3.1一二挡换挡总成的建模

1．一二挡换挡轴建模

（1）运行Pro/E。

单击新建“文件”工具栏中的新建工具，弹出“新建”对话框，如图2.1所示。

（2）点选“类型”选项中的“零件”单选按钮，点选子类型选项中的“实体”按钮，并在名称文本框中输入新建文件的名称，取消勾选“使用默认模板”复选框，单击确定弹出新建文件选项的对话框。

（3）选择“mmns_part_solid”模板，确定单位为毫米/牛顿/秒，单击确定完成如图2.2所示。

图2.1新建窗口图2.2选择单位类型

（4）创建草绘图形。

选择TOP面为基准平面，Right为基准平面，单击确定进入草绘截面如图2.3所示。

（5）根据二维图纸绘制出换挡轴的草绘图，绘图时要选取相应的旋转轴线，以旋转出三维模型，如图2.4所示。

图2.3“草绘属性”窗口

图2.4“草绘”窗口

（6）绘出草图后单击右下角

图标，完成三维建模，进行倒圆角处理得到实体模型，如图2.5所示。

图2.5一二挡拨叉轴

2．一二挡换挡拨叉建模

（1）创建新文件与前面介绍拨叉轴建模类似，只是将名称命名为“一二挡拨叉”。

（2）利用拉伸工具绘制出拨叉外轮廓，如图2.6所示。

图2.6绘制一二挡拨叉外轮廓

（3）利用拉伸去除材料，作出拨叉轴孔，如图2.7所示。

图2.7绘制一二挡拨叉轴孔

（4）修剪实体初步得到拨叉外形，并修剪倒角得到拨叉实体，如图2.8所示。

图2.8绘制一二挡拨叉实体

3．一二挡换挡臂建模

（1）创建新文件与前面介绍两个实体建模类似，将名称命名为“一二挡换挡臂”。

（2）利用拉伸工具得到换挡臂粗外轮廓，如图2.9，图2.10所示。

（4）修剪实体初步得到换挡臂外形，并修剪倒角得到换挡臂实体，如图2.11所示。

图2.9一二挡换挡臂粗轮廓图2.10一二挡换挡臂粗轮廓

图2.11一二挡换挡臂

2.3.2其他零件建模

1．弹簧的建模

（1）单击新建