轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般安裝在汽車(chē)的前橋上，它通過(guò)一整套機(jī)構(gòu)將駕駛員作用于方向盤(pán)的力傳遞到轉(zhuǎn)向臂上，并通過(guò)轉(zhuǎn)向臂的偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪相對(duì)于汽車(chē)中心線轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)行駛方向的改變。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車(chē)中主要承擔(dān)改變汽車(chē)行駛方向及保持汽車(chē)穩(wěn)定直線行駛的任務(wù)。本文以某種車(chē)型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成，通過(guò)駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸將該力矩輸入轉(zhuǎn)向器并改變其方向及速度，使安裝在轉(zhuǎn)向器中的齒條沿軸線左右移動(dòng)，然后帶動(dòng)左橫拉桿及右橫拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向臂，帶動(dòng)車(chē)輪繞轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向。如何突破機(jī)械結(jié)構(gòu)的局面，并向人性化、數(shù)字化的方向發(fā)展，將成為汽車(chē)設(shè)計(jì)、分析與制造的發(fā)展前景。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)，是建立在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真學(xué)、并行技術(shù)、人工智能、多媒體技術(shù)等技術(shù)基礎(chǔ)之上的新技術(shù)，包括虛擬設(shè)計(jì)、虛擬裝配、虛擬制造、虛擬試驗(yàn)和虛擬培訓(xùn)等。它與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)完全不同，是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一，并利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感裝置，把操作者與計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境連結(jié)在一起。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的運(yùn)用還未廣泛普及，主要是由于其前期投入大，但其潛在優(yōu)勢(shì)已是毋庸質(zhì)疑，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與汽車(chē)電子化技術(shù)運(yùn)用的日趨成熟，該技術(shù)定會(huì)被廣泛合理地利用。由于虛擬設(shè)計(jì)、虛擬裝配、虛擬制造等技術(shù)在汽車(chē)開(kāi)發(fā)上的巨大作用，使其在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在汽車(chē)行業(yè)里，很多汽車(chē)制造商從虛擬設(shè)計(jì)、虛擬裝配、虛擬制造等的應(yīng)用中獲得了巨大的收益。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)依賴(lài)于產(chǎn)品三維數(shù)字模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)化特性，從而可以快速地進(jìn)行分析仿真,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。

本文以UG軟件為設(shè)計(jì)研究平臺(tái)，UG軟件是集CAD/CAM/CAE功能于一體的軟件集成系統(tǒng)。運(yùn)用其復(fù)合建模、鈑金建模、虛擬裝配等相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，建立汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的虛擬裝配，并運(yùn)用UG的Motion模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。虛擬裝配可以減少實(shí)物模型和樣機(jī)的投入，避免設(shè)計(jì)缺陷，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本和制造成本。

2、汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬裝配

建立參數(shù)化的實(shí)體模型可以為虛擬裝配打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，滿(mǎn)足用戶(hù)不斷修改從而最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計(jì)或變形產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。本文首先對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)其主要部件進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)UG軟件建立部件的參數(shù)化實(shí)體模型。準(zhǔn)確的物理模型和方便的建模方法是應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)的關(guān)鍵。

2.1 參數(shù)化實(shí)體模型的建立

實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，達(dá)到修改任意尺寸即可更新零件模型的目的。零件之間的相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)是指修改一個(gè)零件尺寸即可達(dá)到修改與其相關(guān)的零件尺寸，并更新相關(guān)零件模型從而最終更新虛擬裝配模型的目的。根據(jù)仿真分析結(jié)果修改模型，實(shí)現(xiàn)零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由許多零部件組成，本文應(yīng)用UG軟件的參數(shù)化建模方法建立各個(gè)部件的參數(shù)化實(shí)體模型，為后續(xù)的模型修改、虛擬裝配、設(shè)計(jì)分析打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而不斷提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。UG在建模模塊中，提供了各種功能，主要包括建立草圖（Sketch）、曲線（Curve）、成型特征（Form Feature）、自由形狀特征（Free Form Feature）以及鈑金特征（Sheet Metal Feature）等功能。圖1所示為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器殼體，其建模操作命令主要有圓柱體（Cylinder）、草圖（Sketch）、拉伸（Extrude Body）、凸臺(tái)（Boss）、引用特征（Instance）、打孔（Hole）等，然后進(jìn)行一些細(xì)節(jié)處理，如倒角、加肋板等完成模型制作。

圖1 轉(zhuǎn)向器殼體的實(shí)體模型

本文的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪軸是使用UG中的齒輪設(shè)計(jì)向?qū)В?/SPAN>Gear Wizard）模塊建立的，選擇其工具條中的圓柱螺旋齒輪（Helical Cylindrical Gear）按鈕，出現(xiàn)如圖2所示的對(duì)話框，在其中輸入?yún)?shù)即可得到建立齒輪軸模型所需的齒輪。轉(zhuǎn)向齒輪主要技術(shù)參數(shù)如下：

分度圓直徑 d＝13.413mm，

齒數(shù)Z＝6

螺旋角β＝10°

法面壓力角αn＝20°

法面齒頂高系數(shù)han*＝ 1

法面頂隙系數(shù)cn*＝0.25

法面模數(shù)mn＝2.236

圖2 圓柱螺旋齒輪建模對(duì)話框

建立的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪軸模型如圖3，而另一些螺釘、螺母之類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)件則可以從標(biāo)準(zhǔn)件圖庫(kù)中導(dǎo)入。

圖3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪軸模型

2．2 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的虛擬裝配

虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行裝配，裝配件中的零件與原零件之間是鏈接關(guān)系，對(duì)原零件的修改會(huì)自動(dòng)反映到裝配件中，從而節(jié)約內(nèi)存，提高裝配速度，及早發(fā)現(xiàn)零件配合之間存在的問(wèn)題 ,保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。UG軟件中的虛擬裝配方法主要有：自頂向下裝配（Top-Down assembly）、自底向上裝配（Bottom-Up assembly），或者使用上述兩種方法進(jìn)行混合裝配。自頂向下裝配就是在上下文中進(jìn)行設(shè)計(jì) (working in context) ，即由裝配件的頂級(jí)向下產(chǎn)生子裝配和組件，在裝配層次上建立和編輯組件，由裝配件的頂級(jí)向下進(jìn)行設(shè)計(jì)。自底向上裝配是先建立單個(gè)零件的幾何模型即組件，再組裝成子裝配件，最后裝成裝配件，由底向上逐級(jí)地進(jìn)行設(shè)計(jì)。零件之間使用配對(duì)約束、對(duì)齊約束、正交約束、角度約束、平行約束、中心對(duì)齊約束、距離約束等約束條件建立配對(duì)條件，這樣一旦部件的零件模型改變，產(chǎn)品的虛擬裝配模型將隨著改變，實(shí)現(xiàn)了真正意義的參數(shù)化設(shè)計(jì)。本文采用混合裝配方法進(jìn)行虛擬裝配，完成的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬裝配模型如圖4所示。

圖4汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬裝配模型

基于虛擬裝配模型可以建立裝配順序。裝配順序（Assemblies Sequences）功能給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造提供了很大方便，用戶(hù)可以根據(jù)不同的用途例如：設(shè)計(jì)、工藝、制造、維修等建立不同的裝配順序，包括拆卸順序，有利于排除組件間的干涉和間隙，有利于設(shè)計(jì)、工藝、制造部門(mén)之間的友好合作，實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)。

3、汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的虛擬分析

UG的運(yùn)動(dòng)分析模塊（motion）主要是利用虛擬裝配模型，通過(guò)將一個(gè)或一組零件定義為許多互相關(guān)聯(lián)的連桿（Links），并將連桿間的連接關(guān)系定義為運(yùn)動(dòng)付（Joints），通過(guò)加入運(yùn)動(dòng)輸入使機(jī)構(gòu)模型產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)（Kinematic）分析或動(dòng)力學(xué)（Dynamic）分析。本文對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)分析。分析時(shí)若發(fā)現(xiàn)干涉或間隙過(guò)大等問(wèn)題，可以及時(shí)修改零件模型，然后在進(jìn)行分析直至滿(mǎn)意為止，充分發(fā)揮虛擬裝配技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。

3．1運(yùn)動(dòng)分析方案的建立

建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析方案（Scenario），打開(kāi)軟件右側(cè)的運(yùn)動(dòng)分析導(dǎo)航器（Scenario Navigator），將光標(biāo)放置在虛擬裝配文件上，點(diǎn)擊右鍵出現(xiàn)new scenario，選擇新建一個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案scenario1。點(diǎn)擊定義連桿（Links）按鈕并選擇所要定義的部件模型，定義的連桿如表1所示。

表1 連桿的定義

完成了連桿（Links）的定義，下一步就是定義能使機(jī)構(gòu)靈活運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)付（Joints）了。點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)分析工具欄中的運(yùn)動(dòng)付按鈕出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)付定義對(duì)話框，機(jī)構(gòu)所能定義的運(yùn)動(dòng)付包括旋轉(zhuǎn)付（Revolute）、滑動(dòng)付（Slider）、柱面付（Cylinder）、齒輪齒條付（Rank and Pinion）等。定義的運(yùn)動(dòng)付如表2所示。當(dāng)模型的所有連桿和運(yùn)動(dòng)付都定義好了之后，整個(gè)模型就成為了一個(gè)可以自由運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，由機(jī)械原理可知，要使一個(gè)機(jī)構(gòu)按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，必須輸入運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)（Motion Driver）。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)定義在轉(zhuǎn)向軸上。選擇驅(qū)動(dòng)類(lèi)型為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)（Harmonic）。點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)仿真（Animation）按鈕輸入運(yùn)動(dòng)時(shí)間（Time）和步數(shù)（Step）即可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。

表2 運(yùn)動(dòng)付說(shuō)明

3．3 封裝選項(xiàng)功能及MPEG電影文件的生成

封裝選項(xiàng)功能是UG運(yùn)動(dòng)分析模塊中用來(lái)收集指定的需要了解的對(duì)象信息的工具，它可以實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）測(cè)量（Measure），測(cè)量點(diǎn)或?qū)ο箝g的距離關(guān)系；定義對(duì)象之間需保持的間隙距離，如超過(guò)界限則發(fā)出警告。（2）跟蹤（Trace），跟蹤點(diǎn)或?qū)ο蟮倪\(yùn)動(dòng)軌跡。（3）干涉檢查（Interference），檢查對(duì)象間是否存在干涉，并可以給出干涉量。選擇某項(xiàng)封裝功能及所要檢查的對(duì)象和一些相應(yīng)的參數(shù)，則該功能的選項(xiàng)在運(yùn)動(dòng)分析（Animation）和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（Articulation）對(duì)話框下方的選項(xiàng)中加亮顯示并可以調(diào)用，處理并輸出檢查的結(jié)果。

一旦發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在干涉等問(wèn)題，可以立即對(duì)零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，如調(diào)整齒數(shù)比、修改孔徑、加長(zhǎng)或縮短構(gòu)件的長(zhǎng)度等。零件模型改變后，相應(yīng)的虛擬裝配模型及運(yùn)動(dòng)分析模型將隨著改變。運(yùn)動(dòng)分析模型改變后再重新進(jìn)行分析，直到確定最終的優(yōu)化方案。本文選擇轉(zhuǎn)向柱和橫拉桿作為干涉檢查對(duì)象，同時(shí)利用測(cè)量（Measure）功能測(cè)量轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度。當(dāng)在運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中干涉檢查對(duì)象間出現(xiàn)干涉時(shí)，測(cè)出轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)40°7′28″，與轉(zhuǎn)向輪實(shí)際最大轉(zhuǎn)向角40°18′近似相等，因此得出結(jié)論，此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型基本符合設(shè)計(jì)要求。

在UG的Motion模塊中提供了將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真轉(zhuǎn)化為可以播放的MPEG電影文件的功能。輸出MPEG文件的過(guò)程可以分為創(chuàng)建UG/Photo Animation照相機(jī)路徑和生成運(yùn)動(dòng)仿真的MPEG文件兩個(gè)步驟。一般選擇定義關(guān)鍵幀（Define Key Frames）作為照相機(jī)的路徑，可以在路徑中加入繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)。然后使機(jī)構(gòu)做一個(gè)循環(huán)的仿真運(yùn)動(dòng)，最后右鍵點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)分析導(dǎo)航器中的方案Scenario_1選擇輸出（Export）選項(xiàng)下的MPEG按鈕輸出包含機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的電影文件。所輸出的MPEG文件可以用Windows Media Player播放器播放。

4、結(jié)論

基于UG建立汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的虛擬裝配。虛擬裝配模型應(yīng)是參數(shù)化的實(shí)體模型，從而滿(mǎn)足用戶(hù)不斷修改并最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)或變形產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，并使用封裝選項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)量、跟蹤、干涉檢查，提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。以MPEG電影文件形式輸出，形成電影動(dòng)畫(huà)。通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示，可以更直觀、正確的理解汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)動(dòng)。虛擬裝配可以減少實(shí)物模型和樣機(jī)的投入，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本和制造成本，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計(jì)或變形產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

（轉(zhuǎn)載）