面向離合器大批量定制的虛擬設計仿真平臺研究

趙 澎，龔友平，胡杭民

（杭州電子科技大學 機械工程學院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著國際制造業向中國轉移的速度進一步加快，當前，各行各業都在尋求更快更經濟的發展模式。大批量定制的按訂單設計產品是時代追求多樣化發展的要求和必然趨勢。離合器是汽車傳動系統中與發動機相關聯的重要零部件，傳統設計方法是在接到客戶訂單后，經過行業專家對該離合器產品進行繁雜的分析計算和經驗對比，分析得出各種設計參數，然后由設計人員進行二維圖、三維模型設計。根據設計圖紙，由相關人員制造出對應的“物理樣機”，經過多輪的反復試驗與試制，最后得到滿足客戶需求的離合器產品。該過程設計周期長，成本高。通過采用數字化功能樣機技術，建立起離合器總成系統的仿真模型，合理應用CAD、ANSYS、ADAMS 等軟件系統，全面采用數字化設計、測試與制造技術，利用虛擬樣機分析技術建立汽車離合器動力學分析及試驗平臺，能夠比較真實地模擬離合器的工作狀況，并按照行業標準完成綜合性能模擬測試，為汽車離合器的優化設計提供依據，最終達到節省產品設計經費，縮短產品設計周期的目的。

本研究提出面向離合器大批量定制的虛擬設計仿真平臺，從參數化設計、變型設計、基于ADAMS 的虛擬樣機設計和基于ANSYS 的結構分析等4 個系統探討面向離合器大批量定制的虛擬設計仿真平臺的思路及可行性。

1 離合器大批量定制的虛擬設計仿真流程

1.1 離合器大批量定制的開發設計

當今，由于大批量生產方式無法快速提供符合客戶個性化需求的離合器，大批量定制技術被引入[1]，其基本思路是：基于相似性原理、全局性原理和重用性原理，使定制離合器的生產問題通過過程重組和產品重組轉化或部分轉化為批量生產問題，通過盡可能減少離合器的內部多樣化，增加離合器的外部多樣化，實現以大批量的高質量、低成本和短交貨期向客戶提供個性化的離合器產品。該項技術包括開發設計技術、管理技術、制造技術，其中開發設計技術包括離合器產品的開發設計技術與過程的開發設計技術。

“開發”是一個創造性的過程，主要任務是：根據產品市場預測，確定離合器新產品的工作原理；進行離合器新產品的概念設計；進行標準化、規范化；建立面向離合器大批量定制的產品模型和過程模型。

“設計”的主要任務是：根據客戶的訂單需求，迅速提供相對正確的報價；利用開發過程中建立的離合器產品模型和過程模型，選用標準零部件，快速設計離合器產品和制造過程，縮短離合器產品的交貨周期。

離合器大批量定制的基本思路如圖1 所示。

1.2 虛擬設計仿真平臺總體思路

本研究所述面向離合器大批量定制的虛擬設計仿真平臺過程如圖2 所示。當接到客戶的離合器產品訂單時，筆者先從PDM 系統實例庫中查詢，若有相同離合器產品實例則選擇現有零部件進行制造；若無，則根據訂單要求在相似實例的基礎上進行智能化計算，并將計算結果返回系統平臺，利用計算得出的相關參數驅動事物特性表和實例庫中的離合器CAD 模型進行變型設計，進而根據系統設定的工作流程，對變型設計得到的模型進行動力學仿真及結構靜力學分析，優化設計結果。最終將新模型導入系統數據庫。在虛擬設計仿真過程中使用到的相關數據可以從基礎數據庫（編碼庫、主模型庫、事物特性表（SML）庫、實例庫）中獲取。該平臺是基于PDM 軟件來實現離合器開發過程中數據處理和管理的。

圖1 離合器大批量定制的基本思路

圖2 面向離合器大批量定制的虛擬設計仿真平臺過程圖

面向大批量定制的虛擬設計仿真平臺的界面如圖3 所示，針對虛擬仿真測試技術在離合器數字化設計過程中的應用，該平臺可以實現離合器參數快速計算、離合器3D 模型的自動建立，以及離合器虛擬仿真模型的自動生成，并能對虛擬測試數據和試驗仿真數據進行管理。研究者進入專家系統進行離合器參數計算后，該平臺界面中具有整體裝配、虛擬仿真等菜單，可以通過點擊相關菜單，自動跳出對應對話框，同時打開Pro/E、ADMAS、ANSYS 等相關軟件界面，離合器相關數據通過二次開發的軟件接口互相傳輸[2]，實現整個離合器的數字化設計過程。

圖3 面向離合器大批量定制的虛擬設計仿真平臺界面

2 離合器參數化建模技術

2.1 離合器專家系統

該平臺建立了離合器的專家系統，該離合器專家系統屬于設計型專家系統，需要不斷地運行調試以檢測其可靠性和實用性。該系統根據汽車的型號及訂單要求，即可得到符合要求的汽車離合器的類型和關鍵零部件的設計參數。如：已知汽車的發動機最大轉矩、汽車類型和摩擦工作面數、相應的后備系數，將這些數據輸入系統內，即可計算出離合器摩擦片的各種相關參數，以此來代替復雜的人工計算。本研究對離合器動盤轂花鍵、傳動片、壓緊彈簧、扭轉減振器、減振彈簧、膜片彈簧等進行了計算分析。

離合器的專家系統操作界面如圖4 所示。

圖4 離合器專家系統操作界面

2.2 基于Pro/E 軟件二次開發后的離合器參數化建模即變型設計實現過程

離合器參數化建模[3]是一個三維模型與程序控制相結合的過程，在已建立的離合器三維模型上，筆者對相關零部件的設計參數進行編程，實現參數檢索和修改，并在新的參數值的基礎上生成新的三維實體模型。

本研究在C++的環境下，對Pro/E 三維軟件進行二次開發，實現了離合器零部件的變型設計及自動裝配。Pro/TOOLKIT 應用程序開發采用了當前最先進的面向對象技術的程序開發方法[4]，直接利用VC++6.0應用程序來設計向導、類向導，進行程序的設計、創建以及調試。Pro/TOOLKIT 程序通過考慮零部件特征的拓撲關系，控制離合器三維模型的設計參數和建立這些參數之間的關聯關系來實現離合器相關零部件的參數化設計。這個過程中，系統通過Pro/TOOLKIT 函數將離合器外部參數和內部參數[5-6]關聯，同時將離合器外部參數傳遞到系統內部，實現離合器三維模型的更新和再生。

離合器參數化建模實現過程如圖5 所示。

經過變型設計后最終得到的離合器三維模型如圖6 所示。

圖5 離合器參數化建模實現過程

圖6 最終得到的離合器三維模型

3 離合器虛擬仿真及分析測試

3.1 基于ADAMS 的離合器虛擬樣機設計

汽車離合器的仿真測試是一件重復性很強的工作，同時仿真測試也要針對公司生產的某一型號的離合器，因此本研究有必要針對這一工作特點，將每一型號的離合器實體模型掛載到具有強大虛擬仿真功能的ADAMS 軟件下，減少仿真準備工作。ADAMS 軟件[7-12]具有很強的二次開發功能，包括ADAMS/View 界面的用戶化設計，利用cmd 語言實現自動建模和仿真控制，通過編制用戶子程序滿足用戶的某些特定需求，甚至可以拓展ADAMS 的功能。

筆者研究得出通過在制造物理樣機前實現相關性能評估，找出設計缺陷和不足，進行優化，能極大地提高離合器設計質量，節約離合器設計成本，所提出的離合器虛擬仿真開發過程如圖7 所示。

圖7 離合器虛擬仿真開發過程圖

本研究在Pro/E 建立的幾何模型基礎上，通過MECHPRO 軟件，在Pro/E 界面下對離合器中各零部件間的一些約束進行添加。離合器通過離合器蓋與飛輪固定，飛輪與發動機軸相連接，在本研究的離合器模型中，沒有建立發動機的模型，而是將發動機的轉速、轉矩以及發動機的當量轉矩賦給飛輪，作為動力的輸入。以地面為參考系，則飛輪與地面間是相對轉動的關系，故本研究在飛輪中心軸處建立轉動副。離合器蓋在通過固定約束與飛輪連接在一起。根據離合器結構，壓盤與離合器蓋之間為相對于中心移動關系，故壓盤上的約束是移動副。摩擦片與壓盤以及飛輪間采取接觸約束。整個從動件部分通過固定約束固定在一起。從動件中的內盤轂與輸出軸之間建立固定約束，輸出軸與地面之間采用圓柱副連接。膜片彈簧利用鉚釘固定在離合器蓋上，外端壓在壓盤上，并且根據膜片彈簧特性曲線在膜片彈簧與壓盤之間定義壓緊力。最后本研究在操縱桿部分建立相應的一些約束。添加完約束后，根據離合器測試的工作狀態，添加修改離合器接合時刻發動機的轉速，本研究中采取定義飛輪初始轉速的方法添加離合器接合時刻發動機的轉速，并在飛輪上添加轉矩，采用函數的方式將發動機的外特性函數賦值于飛輪，在離合器輸出軸端設定阻力矩，以上這些參數的值可根據離合器測試的需要進行修改。

由于軟件MECHPRO 的局限性與操作不方便，本研究針對有些特別約束和零件的材料信息，在導入ADAMS 后進行添加與修改，得到了在ADAMS 系統下的離合器虛擬樣機，界面如圖8 所示。

3.2 基于ANSYS 的離合器結構分析

本研究通過建立離合器虛擬樣機得到一個動態力學模型，對其進行動態虛擬測試，可驗證相關設計參數的可行性。為進一步驗證離合器相關設計參數正確與否，本研究選擇離合器受力最極端情況進行結構靜力學分析。本研究應用有限單元法分析[13-15]，以離合器蓋為例來介紹整體應用過程。為了減輕重量和增加剛度，小轎車和一般載貨汽車的離合器蓋常用厚度約為3 mm～5 mm 的低碳鋼（如8 號鋼板）沖壓成比較復雜的形狀。而本研究分析的離合器蓋也采用沖壓件，由厚度為3.0 mm 的08＃鋼板沖壓而成，其材料屬性如表1 所示。

圖8 ADAMS 系統下添加約束后的離合器虛擬樣機

表1 08＃鋼板材料屬性

本研究把離合器蓋模型從Pro/E 導入到ANSYS中，采用計算機實現智能網格劃分，隨后進行模型的約束及加載處理。在離合器蓋的受力加載上將載荷施加到壓緊彈簧與離合器蓋接觸面上。加載正確的約束，離合器蓋與飛輪裝配的端面螺釘孔處不能產生軸向移動，故限制這些點的軸向平移自由度，同時在實際的工作過程中，由于有螺栓孔的壓緊力在表面產生的摩擦力的作用，也使得離合器蓋在6 個緊固孔處的周向和徑向的移動受到了約束，本研究在對蓋進行有限元約束處理的時候也限制了這些點的周向和徑向平移自由度（合葉約束）。

本研究通過以上處理得到離合器蓋的有限元約束和加載圖，離合器蓋受力和約束圖如圖9 所示。

本研究通過以上約束及加載處理后，執行運算處理并讀取結果文件。最后分析得到離合器蓋靜態軸向位移分布及節點應力分布圖，分別如圖10、圖11 所示。

從如圖9 所示的離合器蓋分離工況靜態軸向位移云圖可以看出，離合器蓋的軸向位移主要在其頂面，在側面及螺釘孔附近幾乎沒有位移分布條紋，說明此處基本不產生軸向變形。軸向變形量在內圈最大，沿徑向由內向外逐漸減小，沿周向變化不大，這與離合器蓋受力后的實際情況相符。離合器蓋的節點應力分布如圖11 所示，最大應力為100.53MPa，而材料的屈服應力為253 MPa，因此是安全的。由此可見，離合器蓋在分離載荷作用下，該處最大軸向位移量為0.03mm，這與實際情況是吻合的，這個結果也是真實可信的。

圖9 離合器蓋受力和約束圖

圖10 離合器靜態軸向位移分布

圖11 離合器蓋節點應力圖

離合器蓋設計完成后，本研究對其進行必要的模態分析，提取離合器蓋的前5 階彈性體模態，分析后得知均不會產生共振。

4 結束語

本研究首先對面向離合器大批量定制的虛擬設計仿真平臺作了簡單介紹，闡述了該平臺的整體思路，隨后通過參數化設計、參數化建模技術即變型設計、虛擬設計仿真等方面進行了全面詳細的說明。首先建立了專家系統，實現了離合器相關參數的智能化計算；其次通過對CAD 軟件的二次開發，實現了變型設計環節，建立了離合器三維模型及其工作過程中的動力學模型；最后，在ADAMS 軟件中對離合器虛擬仿真模型進行了動態虛擬測試，并在ANSYS 軟件中對離合器關鍵部位進行了有限元分析。

測試結果表明，該設計思路合理，有效地證明了該平臺的可行性及現實應用價值。

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