基于UG運動仿真的沖擊夯傳動連桿的輪廓軌跡設計

嚴勇

(無錫職業技術學院，江蘇無錫214121)

在房屋建筑的基礎部分、市政道路的路基以及修補路面的墊層等部分，需對回填土、路基墊層等進行密實處理。手扶式振動沖擊夯作為一種小型壓實機械，針對這些局部、小范圍區域有著靈活便捷的使用功效。尤其在部分狹窄地段、曲線路緣、變尺寸溝槽等大型壓實機械不便實施的地方，手扶式振動沖擊夯的工作效用就更加明顯了。近年來，許多科技工作者對其設計理論進行了比較深入的探討，發表了眾多研究成果［1－3］。目前，隨著國外同類產品的大量引進，產品的市場競爭顯得更為激烈，小質量振動沖擊夯的利潤率也不斷減少。設計結構緊湊、性能優良、低成本的夯機品種成為夯機生產廠家急需解決的問題。在夯機的結構部件中，傳動連桿不僅決定整機的尺寸大小，更直接影響到夯機的性能。文中針對非對稱偏心夯機，設計了緊湊型的傳動方案，并利用UG 的運動仿真設計了傳動的關鍵部件——連桿的輪廓曲線，在保證夯機功能的前提下，實現夯機尺寸的小型化。

1 振動沖擊夯組成及工作原理

振動沖擊夯主要零部件見圖1。工作時，發動機驅動齒輪轉動，連桿機構帶動振動桿滑塊作上下往復運動，使彈簧不斷壓縮和伸張，進行能量的儲存和釋放，促使夯機上下運動。將主機和夯板設計時傾斜成一定角度，受力時會產生一個向前方的分力，驅使夯機起跳后會自行向前運動，形成夯板對基層工作面連續往復式的沖擊力，同時，還會使基層工作面產生相應的振動。由于沖擊和振動的共同作用，使基層工作面獲得了很好的夯實效果。

圖1 TPS350 型沖擊夯的組成與工作簡圖

2 沖擊夯傳動機構方案設計

振動沖擊夯通過傳動機構將發動機的動力傳給壓縮彈簧，振動桿滑塊壓縮上下兩組彈簧振動，帶動整個夯機上下振動，從而達到壓實路面的功能［4－5］。為了減小機構的尺寸，設計結構緊湊的振動夯機。TPS350 型沖擊夯的發動機轉動軸直接穿過連桿帶動小齒輪2，即發動機與箱體配置在連桿的兩側，如圖2 所示，這種對稱配置保證了連桿壓縮彈簧時振動的穩定性，同時也保證了結構的緊湊。

圖2 TPS350 型沖擊夯的傳動機構簡圖

小齒輪2 與大齒輪3 嚙合，大齒輪3 通過齒輪上的偏心凸臺帶動連桿4。連桿4 連接壓縮彈簧的導向桿5，導向桿5 在導向筒中上下移動帶動振動桿滑塊壓縮彈簧，振動整個夯機。沖擊夯內有兩組彈簧，每組有兩個彈簧，直徑不同，上下裝配。夯板組件主要是鑄鐵件、外加部分塑料件的結構。沖擊夯在工作過程中載荷主要由傳動連桿傳遞給壓縮彈簧，傳動連桿同時要受到機構振動加速度產生的載荷。因此，為保證連桿的強度，同時又要保證設計結構緊湊，連桿傳動運動時，保證穿過連桿的發動機軸與連桿不干涉，必須計算獲得在運動過程中，發動機軸與連桿的交點的軌跡，即連桿內孔的輪廓曲線。

3 基于MATLAB 的連桿內孔輪廓軌跡繪制

沖擊夯傳動機構傳動過程中，發動機軸與連桿存在相對運動。連桿內孔輪廓軌跡實際上是無孔連桿與發動機軸的運動干涉軌跡。因此，連桿內孔的輪廓軌跡可以通過計算發動機軸與連桿的相對運動軌跡得到。計算相對運動軌跡的步驟是:

(1)建立傳動機構的絕對坐標系和連桿的工作坐標系。如圖3 所示，大齒輪的回轉中心作為絕對坐標系的z 軸，彈簧的振動方向作為絕對坐標系的x軸。設置在連桿上的工作坐標系如圖3 所示，連桿與大齒輪偏心凸臺連接的回轉副作為工作坐標系的z軸，連桿作為x 軸。

圖3 沖擊夯絕對坐標系與工作坐標系

(2)在絕對坐標系中，計算靜止的發動機軸線在連桿工作坐標系中的軌跡。絕對坐標系1 為xoy;工作坐標系2 為x'oy'，根據夯機的尺寸信息得到坐標變換矩陣T:

在UG 模型中測得發動機軸，即小齒輪中心在坐標系1 中的坐標為(114 13)，設在坐標系2 中坐標為(x' y')，則根據齊次坐標變換［x' y' 1］ =［x y 1］·T 知:

運用MATLAB 畫出θ∈(0，2π)時的圖形:

MATLAB 編程:

即得連桿的輪廓曲線圖，見圖4。

圖4 傳動連桿的輪廓曲線

根據連桿內孔的輪廓軌跡，結合沖擊夯的工作載荷，設計連桿的結構如圖5 所示。

圖5 傳動連桿的結構圖

4 基于UG 的夯機傳動機構的運動仿真

Unigraphics (簡稱UG)是集CAD/CAE/CAM 于一體的三維參數化軟件，是當今世界最先進的計算機設計、分析和制造軟件。CAD 功能實現了常規工程技術、設計和繪圖功能的自動化;CAE 功能可對幾個產品的耦合運動進行運動仿真，檢驗其運動的可靠性，保證運動強度滿足產品功能的要求;CAM 功能可為現代機器工具提供NC 編程技術，利用它強大的混合式繪圖結構，可方便地繪制出復雜的實體以及造型特征［6－8］。

4.1 仿真模型建立

4.1.1 建立夯機3D 模型

在用UG 仿真進行數據分析之前，首先必須根據夯機的實際尺寸進行3D 建模。模型如圖1 所示，主要包括發動機、上箱體、連接發動機軸的小齒輪、與小齒輪嚙合的大齒輪、連桿、彈簧壓縮導向桿等。對零部件進行虛擬裝配，建立產品的3D 模型。

4.1.2 運動仿真定義

建立仿真模型，首先是要確定各零件間的靜態關系，對連桿進行運動仿真定義。根據裝配模型建立一個新的仿真模型時，仿真模塊會自動將裝配模型中的一個個零部件 (Part)映射成仿真模型中的連桿(Link)，并且自動選擇一個連桿作為接地連桿。在振動沖擊夯的3D 模型中，主要傳動零件有連接發動機軸的小齒輪、大齒輪、連桿、彈簧壓塊。因此首先分別定義4 個連桿，對應分別為L001、L002、L003、L004。與這4 個零件無相對運動關系的零件是箱體保護架、扶手、油箱等，定義為連桿L005。仿真模塊自動映射的接地連桿不一定正確，需要設計人員進行修訂確認。在振動沖擊夯的運動仿真中，根據夯機的工作原理，定義箱體為接地連桿。

4.2 運動副的定義

建立仿真模型的第2 步是要確定各零件之間的動態關系，對運動副進行運動仿真定義。利用裝配模型建立仿真模型時，仿真模塊會自動將裝配模型中的約束映射為運動仿真模型中。在振動沖擊夯中，發動機固定在箱體上，發動機軸連接小齒輪軸，帶動小齒輪轉動，小齒輪與箱體是轉動副(J001)。大齒輪與箱體也是轉動副 (J002)。小齒輪與大齒輪是齒輪副(J003)，大齒輪與連桿是轉動副(J004)，連桿與壓縮彈簧導向桿是轉動副(J005)，壓縮彈簧導向桿與箱體是滑動副(J006)。選擇原動件的運動副進行運動驅動定義，沖擊夯的動力源為發動機，選擇小齒輪的運動副J001 進行運動驅動定義，定義為恒定的運動，速度定義為60 (°)/s。

4.3 仿真參數定義設定及結果分析

仿真模型建立的第3 步是設定仿真參數，確定仿真時間和步數。仿真時間設為60 s，保證小齒輪旋轉超過一周即可，仿真步數設為60 步。仿真時設置干涉檢查與測量，干涉與測量的對象都是連桿與發動機軸。通過運動仿真可以看到:設計的連桿部件與發動機軸運動無干涉。在一個振動周期的運動仿真中，可以設置連桿與發動機軸的間隙測量，仿真結果可以顯示出一個運動周期的測量值變化結果，結果顯示小齒輪軸心線與連桿內孔的距離值均在1 mm 以下，實現了連桿內孔尺寸的優化(見圖6)。仿真結果表明:沖擊夯傳動機構設計合理，連桿內孔輪廓曲線設計精確。利用UG 對沖擊夯進行 建模與聯合仿真設計，有效地驗證了傳動機構運行的可靠性，并進一步優化了連桿凸輪軌跡曲線，提升了產品開發的有效性、合理性。此類仿真設計的方法也可以拓展到其他應用設計領域，為快捷、高效地開發新產品提供更有效的方法。

圖6 振動沖擊夯運動軌跡仿真圖

5 結論

利用UG 的建模模塊，設計了TPS350 型沖擊夯的虛擬樣機，進行了產品模型的虛擬裝配。利用UG的運動仿真模塊，對樣機的傳動部分進行了運動分析，得到了傳動部件、關鍵零件、傳動偏心連桿的輪廓曲線。既保證了連桿在完成沖擊載荷作用下的強度需求，又實現了連桿尺寸的最小化，從而實現了沖擊夯的小型化，使得沖擊夯結構緊湊，性能穩定，大大降低了小型沖擊夯的制造成本。

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