基于DELMIA的主减速器及差速器总成装配仿真

任永强，张强强

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009)



基于DELMIA的主减速器及差速器总成装配仿真

任永强，张强强

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009)

针对主减速器及差速器总成装配复杂、精度要求高等问题，文章采用“反装”思路，以DELMIA软件为平台实现虚拟装配。将产品工艺设计与虚拟装配过程同时进行，凸显了并行设计的思想。在对主减速器及差速器总成碰撞干涉检测和甘特图分析的基础上，发现问题并对装配路径和装配节拍提出优化方案；最终生成可用于指导实际生产的装配序列和装配视频。仿真结果表明，运用虚拟装配技术提高了主减速器装配质量、降低了生产成本、缩短了研发和交付周期。

主减速器及差速器总成；DELMIA；干涉分析；可视化仿真

0 引言

装配设计不仅是产品研发的最后阶段，也是非常关键的环节；合理的结构设计不但可以使装配效率提高50%～100%，生产成本降低20%～40%，而且提高了装配质量；如何提出最优的装配设计方案和装配序列是当代企业面临的重要问题[1-2]。

传统产品研发过于依赖设计人员的经验，只有在实际装配阶段才能发现设计缺陷，在不断改进和发现问题的基础上逐渐完善产品，此过程效率低、研发周期长，不能在设计阶段验证装配的可行性。虚拟装配可以很好地将设计人员的经验融入装配系统，在设计阶段发现装配问题并提出改进意见，在产品开发中运用并行设计的思想将三维数据、产品数据与三维工艺数据同步。数字化制造分为工艺规划、工艺细化与验证和资源建模与仿真三个部分；在计算机上建立与实际工厂布局一致的虚拟装配环境(Virtual Assembly Environment，VAE)，设计人员在虚拟环境中对产品进行拆、装和装配路径分析，最终生成可用于指导实际装配的工艺卡片[3]。

本文主要运用“可拆定可装”，即“反装”思路，以DELMIA软件为平台，创建某型号主减速器及差速器总成装配仿真。在DELMIA 数字化制造工艺和工艺工程师模块下，分析装配过程的PERT时序图和干涉结果，评价主减速器及差速器总成装配的可行性并提出改进意见，最终达到在设计阶段优化产品的目的。

1 DELMIA简介

由法国Dassault公司开发的DELMIA[4](Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application)是一款数字企业精益制造交互式应用软件，也是应用范围和应用度比较广的仿真软件。它包含上百个子模块，按照功能的不同主要分为三个部分：DPE(Digital Process Engineer数字工艺工程)、DPM(Digital Process Manufacturing数字制造工艺)和Resource Modeling and Simulation(资源建模与仿真)。PPR HUB即工艺(Process)、产品(Product)和生产资源(Resource)，是所有模块连接中枢；将数字样机和装配现场的资源作为底层数据来定义数字化工厂布局、资源规划、装配关系和人机工程模拟。

2 主减速器及差速器总成装配过程

2.1 主减速器及差速器总成简介

主减速器及差速器总成在汽车传动系统中具有两大作用：①差速器的行星齿轮结构允许车辆在转弯时内外侧车轮以不同速度旋转。②主减速器[5]将变速器输出的纵向动力距转换成驱动后桥转动的横向转动距，同时将扭矩变大、转速降低，减小对变速器和传动轴尺寸的要求。根据啮合齿轮对数可分为单级和双级主减速器两种，单级主减速器适用于轻、中车型，单级主减速器具有机构简单、传动效率高、质量轻和价格便宜等优点，双级减速器主要用于大传功比和重型车。

主减速器及差速器总成装配质量和安装精度会影响传动平稳性、噪声大小和齿轮磨损情况，最终影响整车品质和乘客的舒适性；因此，为了确保装配可行性、提高装配精度，对其进行装配仿真研究是必要的。文章研究的减速器总成主要用于发动机纵向安装的小型轿车，采用单级、锥齿、双曲面形式，具有传动平稳的优点，如图1所示。

图1 主减速器及差速器总成

2.2 虚拟装配原理

主减速器及差速器在仿真过程中零部件走过的路线即为装配路径，主要包括直线平移和旋转两种表现形式，在这个过程零件的尺寸大小不发生变化，零部件参照自身某点或某条旋转轴作为基准运动。

用四维齐坐标(x,y,z,1)表示空间点(x,y,z)，坐标变换公式为：(u,v,w,1)=(x,y,z,1)T4×4，其中T4×4矩阵表达式[6]为：

2.2.1 平移变换矩阵

设零部件沿x、y、z轴移动距离分别为Lx、Ly、Lz后的四维齐坐标为(u,v,w,1)，用矩阵表示:

(x+Lx,y+Ly,z+Lz,1)

2.2.2 旋转变换矩阵

设零部件沿x、y、z轴旋转角度分别为α、β、γ后坐标变为(u,v,w,1)。

(1)沿x轴旋转α度的矩阵计算公式为:

(x,ycosα-zsinα,ysinα+zcosα,1)

(2)沿y轴旋转β角的矩阵计算公式为：

(xcosβ+zsinβ,y,zcosβ-xsinβ,1)

(3)沿z轴旋转γ度的矩阵计算公式为：

(xcosγ-ysinγ,xsinγ+ycosγ,z,1)

2.3 主减速器关联图

装配树反映了产品的构成关系，采用装配树形式可以直观表达各零部件的之间的父子级关系，最末端表示零件。观察装配树中产品的从属关系并根据“反装”原理，以减速器主轴为例进行拆卸序列规划[7]，如图2所示。

图2 主动锥齿轮装配树关系

图3 主动锥齿轮总成

图4 装配关联图

3 主减速器及差速器装配仿真

3.1 构建装配仿真

PPR HUB[9]是DELMIA的核心内容，在DPM模块、DPE模块和QUEST模块的三维仿真数据均调用PPR树，是生产过程、工艺资源、设计验证和规划的桥梁，因此仿真的首要工作是建立PPR结构树。DELMIA的三维建模[10]功能不如Catia、Solidworks、UG、Pro/E等软件强大，本文三维模型由Solidworks创建，保存成STEP中间格式，在APS(Assembly Process Simulation)环境下，将STEP格式的模型导入DELMIA产品列表中；在Resourceslist节点下插入仿真所需的资源，如工作台、机械设备、扳手等。

3.2 创建Processlist仿真流程

在工艺流程Process节点下创建主减速器及差速器总成拆卸动作，根据事先规划的装配路径添加零部件Move Activities子工艺，实际上是建立CATProcess扩展文件。创建Move子工艺时根据实际装配工位状况确定观察视角、装配顺序和时间信息，也可以双击Move Activities对已编辑的内容做进一步修改。

在所有可拆卸零部件都定义好运动路径后，运用“反装”原理，单击Reverse the Process，选择Reverse the entire Process选项，主减速器及差速器总成拆卸的逆过程即为装配过程，如图5所示。

图5 主减速器及差速器总成虚拟装配仿真

3.3 仿真结果分析与优化

3.3.1 干涉分析与优化

干涉碰撞在实际装配中是不允许发生的，特别对于重大设备和造价昂贵的设备，不仅影响装配精度而且可能造成巨大经济损失。干涉[11]一般分为三类：软干涉：零部件之间的距离小于预定值；硬干涉：零件之间部分区域交叉重叠；包容干涉：一个零件完全重叠隐藏在另一个零件内。

主减速器及差速器总成是汽车的重要组成部分，在行驶过程要求保持精确的传动比，因此对其装配干涉检测是必要的环节；无论何种干涉都不符合装配要求，应当在仿真阶段检测并改进。DELMIA具有强大的碰撞检测功能，单击Clash事件的碰撞检测(Clash Analysis)和干涉分析(Interactive Analysis)，检测到干涉发生时仿真过程自动停止并弹出干涉对话框，如图6所示。

图6 干涉检测结果

分析发现干涉的主要发生在两处：①设计阶段只考虑档尘罩内径大于主动锥齿轮紧固螺母直径，没有考虑到平垫片，从而造成平垫片与档尘罩发生干涉，通过增大档尘罩内径解决此干涉问题；②差速器壳螺栓孔深度不够，造成固定差速器的从动锥齿轮螺栓与差速器壳产生干涉，干涉值为0.42mm，此处可通过增加垫片厚度或螺纹孔深度解决干涉问题。

3.3.2 Gantt图分析与优化

单击Gantt(甘特图)图标会自动弹出主减速器及差速器总成装配时序图，Gantt图用于编制生产计划、合理安排瓶颈工位和调节生产周期，从而大大提高生产效率。Gantt图的结构与PPR树相似，能够清晰表达各工位父子级关系和装配流程，精确定义装配路径、节拍和装配顺序，在实际生产中具有重要指导意义。分析Gantt图，主减速器及差速器总成装配共135s，为了提高装配效率、体现并行性，调整装配顺序使减速器左侧和右侧装配同时进行，优化后总装配周期为108s，缩短了27s。进一步分析发现，差速器行星齿轮安装总耗时24s，此过程虽没有发生干涉，但是用时过长属于装配瓶颈工位，主要原因是差速器壳外缘孔过小导致行星齿轮装配空间不足，在不影响结构强度的情况下加大差速器外缘孔大小达到优化装配工艺的目的。

完成干涉和Gantt图分析优化[12]后，运用DELMIA自带视频录制功能导出虚拟装配仿真视频，作为演示文件分配到装配车间用于现场指导，减少工人因读图能力不强造成错装、漏装时间，提高装配效率。

4 结束语

本文采用“反装”思路，在DELMIA环境中模拟主减速器及差速器总成装配过程。与传统产品研发过程相比，虚拟装配仿真可以提前检测到设计缺陷、优化设计结构、减少装配时间、提高装配精度；通过对Gantt图分析，平衡生产负荷、调整装配序列和生产瓶颈，同时避免直接使用样机测试造成的损失。仿真结果表明，虚拟装配技术在产品开发中具有重要指导意义，推进机械行业的进一步发展。

[1] 佘建国，范晓卫，刘璐璐,等.基于DELMIA的车用空调虚拟装配过程仿真[J].江苏科技大学学报：自然科学版，2012,26(3):249-253.

[2] 李晓枫，王仲奇，康永刚. 基于DELMIA的装配过程仿真及其在飞机数字化柔性工装设计中的应用[J]. 锻压装备与制造技术,2012(6)：92-95.

[3] 魏巍.虚拟装配关键技术及其仿真应用的研究[D].大连：大连海事大学，2013.

[4] 盛选禹，盛选军.DELMIA人机工程模拟教程[M].北京：机械工业出版社，2009.

[5] 石大勇.主减总成轴承预紧力与壳体变形关系仿真及实验研究[D].合肥：合肥工业大学，2015.

[6] 张姗姗.基于DELMIA/Ergonomics的变速箱虚拟装配技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2014.

[7] 田文胜，谭一炯.基于DELMIA的三维装配作业指导书生成方法研究[J].中国制造业信息化，2012,41(11):44-46.

[8] 王光慧.基于DELMIA的减速箱虚拟装配技术与算法研究[D].兰州:兰州理工大学,2013.

[9] 周尔民，彭小剑,王佳强,等.基于DELMIA的双离合变速器装配过程可视化仿真[J].机械传动，2013，37(1):65-67.

[10] 侯朋，郑绍春.基于DELMIA/Robotics船体分段焊接仿真[J].船舶工程，2014，36(2):81-84.

[11] 陈宁，解彦琦.基于DELMIA的发动机装配过程可视化仿真[J].计算机辅助工程，2012,19(4)：66-69.

[12] 尹良.基于虚拟装配仿真的人机功效分析[D].武汉:华中科技大学，2012.

(编辑 李秀敏)

Visual Simulation of Final Drive and Differential Assy Process Based on DELMIA

REN Yong-qiang, ZHANG Qiang-qiang

(School of Machinery and Automobile Engineering ，Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China)

In allusion to the problems of numerous parts and complex assembly of the Final Drive and Differential assy , the article adopts "anti loading" mentality and bases on DELMIA software to implement virtual assembly platform. The process design and virtual assembly are carried out simultaneously, which highlight the idea of concurrent design. On the basic of interference detection and gantt chart analysis of the Final Drive and Differential assy，the assembly problems and optimization schemes were put forward for assembly paths and assembly beats. Finally generating assembly sequences and assembly videos can be used to guide the actual production. The simulation results show that the virtual technology improve the main reducer assembly quality, reduces the production cost, shorten the development and delivery cycle.

final drive and differential assy; DELMIA; interference analysis; visual simulation

1001-2265(2016)11-0122-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.033

2016-01-10；

2016-02-21

国家智能制造装备发展专项项目(发改办高技[2012]2144号)

任永强(1968—)，男，浙江金华人，合肥工业大学副教授，研究方向为精密测量，汽车成套自动化装备及测控研究；通讯作者：张强强(1990—)，男，安徽亳州人，合肥工业大学硕士研究生，研究方向为系统仿真、控制与优化，(E-mail)1240095100@qq.com。

TH132;TG65

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