虚拟装配技术在辛普森行星齿轮机构教学中的应用

虚拟装配技术在

辛普森行星齿轮机构教学中的应用

□焦安源，鲍

力

（辽宁科技大学高等职业技术学院，辽宁鞍山１１４０５１）

要：辛普森行星齿轮机构是汽车自动变速器中应用非常广泛的一种变速机构，该机构比较复杂，成为高职

教学中的难点。基于Ｐｒｏ／Ｅ软件，利用虚拟装配技术设计了零件模型，完成装配拆卸和运动仿真，结合Ａｕｔｈｏｒｗａｒｅ软件制作了ＣＡＩ教学课件，通过ＣＡＩ软件的辅助教学，最终收到了良好的教学效果。

关键词：虚拟装配；行星齿轮；自动变速器中图分类号：Ｇ７１２；ＴＨ１１２．３

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００９—７６００（）０８—００４５—０２２００８

摘

辛普森行星齿轮机构是汽车自动变速器中普遍采用的一种行星齿轮变速机构，辛普森行星齿轮机构是双排行星齿轮机构，它由两个内啮合式单排行星齿轮机构组合而成。它的结构特点是前、后两个行星排的太阳轮连接为一整体，形成前后太阳轮组；前行星排的内齿轮和后行星排的行星架连接为另一整体，形成前内齿轮和后行星架组件；输出轴与前内齿轮和后行星架组件连接。该机构比较复杂，传统的分析方法尽管可以完成其传动比的计算，但分析其工作原理和实际运动情况就变得困难。如果以传统二维图式教学，学生思维需要有一个二维向三维转换的过程，所以该部分内容成为汽车变速器课程教学的一个难点。而虚拟装配技术与计算机辅助教学（）的结合，ＣＡＩ可以很好的解决这个问题。

一、虚拟装配技术应用的可行性

虚拟装配是虚拟制造研究领域重要的研究分支，世界各国尤其是发达国家都对虚拟装配技术给予了高度的重视，投人了大量的人力物力进行研究。虚拟装配可帮助产品摆脱对于试制物理样机并装配物理样机的过度依赖，可以有效地提高产品装配建模的质量与速度，有助于降低产品开发成本，缩短产品开发周期，近年来，此项技术在工程、航空航天、军事、建筑等研究开发领域得到越来越广泛的应用。

收稿日期：２００８—０６—０４

作者简介：焦安源（），男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师。１９７８—

将虚拟装配技术与ＣＡＩ软件有效结合，来提高教学效果，当前在国内也有应用，但主要集中于一些基础课程，对于汽车专业课程应用仅有少量报道。利用虚拟装配软件，将辛普森变速机构以虚拟仿真形式，形象、生动地展现在学生面前，能加深学生印象，提高教学效果。这种虚拟现实的教学方法能使学生在理解和掌握变速器教学内容的同时，进一步提高学习兴趣。

二、虚拟装配方案和步骤

虚拟装拆过程可以通过Ｐｒｏ／Ｅ、ＵＧ和ＣＡＴＩＡ等软件实现。这些大型的ＣＡＤ／ＣＡＭ软件系统不仅包含三维特征造型、装配、仿真等模块，还集成了诸如零部件的强度分析、运动学、动力学和有限元等各种分析及计算模块。Ｐｒｏ／Ｅ软件具有强大的三维参数化特征的建模功能，自问世以来已成为全世界最普及的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统。它明显的具有以下特征技术：参数化造型技术、变量化造型技术、大型组件设计技术、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术和ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ／ＰＤＭ集成技术。所以本次设计主要采用Ｐｒｏ／Ｅ软件。

１、零件的实体模型设计

实体模型包括前行星架、行星轮、前内齿轮、后内齿轮等零件。模型建立主要通过Ｐｒｏ／Ｅ软件中的伸长（Ｐｒｏ－）、拉伸（Ｅｘｔｒｕｄｅ）、旋转（Ｒｅｖｏｌｖｅ）、扫描ｔｒｕｓｉｏｎ

（）形成零件的基本特征实体，通过孔（）、倒ＳｗｅｅｐＨｏｌｅ

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角（Ｃｈａｍｆｅｒ）、圆角（Ｒｏｕｎｄ）、切除（Ｃｕｔ）等形成零件的辅特征实体。此外，为了造型的方便快捷，可以对基特征和辅助特征进行组合复制（Ｃｏｐｙ）、镜像（Ｍｉｒｒｏｒ）、阵列（Ｐａｔｔｅｒｎ

），形成复合特征。２、虚拟装配

虚拟装配就是利用零部件的链接关系建立装配。Ｐｒｏ／Ｅ的装配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的产品开发方法。在自下而上的设计模式中，先在零件模块中构造各个零件的三维模型或者调用原先做好的三维模型，然后在装配模块中建立零部件之间的链接关系，它是通过配对条件在零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的位置。在虚拟装配中，零部件的几何体是被装配引用，而不是复制到装配中，不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件，整个装配部件保持关联性。如果修改某些零部件，则引用它的装配件自动更新，反应零部件的最新变化。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束。在Ｐｒｏ／Ｅ中建立装配关系是用贴合、平面和基准面对齐、坐标系各个轴相互对齐等约束命令将所有的零部件按要求装配在一起。在对自动变速器进行虚拟装配时，首先应该对其结构、工作原理以及功能有详细的了解，接下来就是对其装配层次、约束关系等进行分类和定义，按照零部件间的设计逻辑依附关系来确定模型的父子关系，最后还要分析产品的可装配性，需要分析产品在装配过程中是否与其他的零部件发生干涉。

安装的齿轮需要定义“销钉”连接，以便后面定义齿轮副。安装顺序为：太阳轮→前内齿轮→前行星架→前行星轮→后行星轮→后内齿轮。通过合理设置面的“对齐”约束，以控制齿与齿的运动，可以排除干涉。每组行星轮系的“对齐”约束需要设置４组，若彻底排除干涉，共需要设置７组对齐。如果仅为了演示结构和运动，即使有干涉也不会影响运行状况。进入机构分析，定义太阳轮与行星轮的齿轮副、行星轮与内齿轮的齿轮副连接，每组行星轮系至少需要设置４组齿轮副，即太阳轮分别与三个行星轮的齿轮副以及一个行星轮与内齿轮的齿轮副。在定义齿轮副时关键是准确定义齿轮啮和方向和传动比。

３、各档位仿真

Ｐｒｏ／Ｅ软件的运动仿真可以通过运动学分析模块Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ和Ａｎｉｍａｔｉｏｎ功能来实现。Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ模块是Ｐｒｏ／Ｅ软件的一个仿真模块，该模块可实现对机构的定义，使机构中的零件移动以及对它的运动进行分析研究。可建立零件之间的连接及装配的自由度，对输入轴添加相应的电机驱动来产生设计要求的运动，并且在分析机构运动时可以观察和记录分析过程的一些参数，如位置、力、速度等。利用Ａｎｉｍａｔｉｏｎ，用户可以不设定每个零件中心而直

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接用鼠标拖曳组件，仿造动画影片的制作过程，一步一步快拍（Ｓｎａｐｓｈｏｔ），最后连续播映这些影像。Ａｎｉｍａｔｉｏｎ功能使用相当自由，无需在运动组件上设定任何的Ｃｏｎｎｅｃ－ｔｉｏｎ与驱动器（Ｄｒｉｖｅｒ），可以高效率地完成高品质动画的制作，处理复杂组件的运动仿真。装配完毕后，对输入轴对应的销钉副处，设置伺服电机及其转速，然后结合具体离合器和制动器的工作情况，在锁定图元选项处，通过创建“主体锁定”和“连接锁定”的方法，实现对每个档位进行运动学仿真。分析的结果可以输出成为ＭＰＧ及ＡＶＩ格式。

４、装配以及拆卸动画设计

虚拟装配动画制作，可以合理的采用定时“透明”的设计方案，设计零件按照装配顺序显示。也可以采用屏幕录像工具（如“屏幕录像专家”等），进行屏幕录像，通过设置隐藏方式，达到零件的顺序显示和隐藏，即装配和拆卸动画制作。

三、教学界面的设计

为达到良好的教学效果，减速器的教学软件应简单易用，具有良好的用户界面，而且充分利用 …… 此处隐藏：3319字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……