基于UG的汽车驱动桥虚拟装配技术应用研究

摘 要：为降低汽车开发成本，满足消费者对汽车节能环保性、美观性、舒适性等各种性能需求，本文应用计算机辅助三维设计的高端主流软件UG（Unigraphics）内置的装配模块，完成对汽车驱动桥虚拟装配。首先，介绍了汽车驱动桥组成。其次，应用UG三维设计软件，完成对汽车驱动桥壳的3D设计以及仿真计算。最后，对汽车驱动桥的行星齿轮轴、齿轮、端盖、轴承、螺丝、弹垫、半轴行星齿轮桥壳、十字头、螺栓、螺母等各种辅件进行虚拟装配设计，为后期汽车驱动桥虚拟装配设计工作有效地开展提供重要的依据和参考。

关键词：UG 汽车驱动桥 虚拟现实 虚拟装配

0 引言

在汽车工业的不断发展下，我国消费者对汽车的性能、外观等提出了更高的要求，在这样的背景下，汽车作为大众消费品，出现更新迭代快、产品上市周期短、汽车产品开发成本高等问题。传统产品设计开发技术过于落后，难以满足汽车现代化开发需求。为此，相关技术人员需利用计算机辅助三维设计的高端主流软件UG（Unigraphics）内置的虚拟装配模块，对汽车驱动桥进行虚拟装配处理，使得汽车产品开发周期、开发成本不断降低。虚拟装配主要是指计算机系统采用仿真分析的方式，根据产品装配结构，分析最终装配结果，并结合该装配结果，完成对装配相关工程决策的制定。通过进行汽车驱动桥虚拟装配设计和实现，不仅可以帮助技术人员采用虚拟处理的方式分析和设计汽车的零部件，还能从根本上解决汽车整个研发期间存在的产品研发周期长、产品研发成本高等问题，从而有效地提高汽车产品的性能。

1 汽车驱动桥组成

1.1 桥壳

桥壳作为汽车的重要零件，通过将桥壳结构设计为非断开式驱动桥，可以保证汽车荷重的支承效果，同时，还能向车轮传递相关载荷。为保证桥壳设计质量，技术人员需要在一定的动载荷下，完成对高强度、高刚度桥壳的设计。为降低汽车簧下质量，促使整个汽车能够平稳地行驶，在最大限度地提高桥壳强度、刚度的基础上，将桥壳质量降到最低，确保桥壳具有结构简单、制造方便、制造成本低等特点。桥壳结构型式主要包含以下两种：（1）在可分式桥壳中，当主减速器、差速器装配完成后，将整个桥壳划分为铸件壳体、半轴套管等多个组成部分。其中，借助铆钉，将半轴管套直接联接于壳体。通过设计可分式桥壳结构，不仅可以促使整个桥壳制造工艺变得更加简化、高效，还能为主减速器轴承提供高强度的支承力。但是，该结构型式设计存在以下弊端，不利于后期主减速器装配与维修，同时，还大大降低了桥壳的强度、刚度，可分式桥壳结构应用范围较窄，仅仅用于轻型汽车虚拟装配领域中。（2）整体式桥壳。整体式桥壳结构主要是指对整个桥壳进行制作，使其制作成一个统一整体，桥壳功能类似于整体空心梁，具有良好的强度、刚度。整体式桥壳被划分为桥壳、主减速器壳两个外壳。在整个主减速壳里，单独设置主减速器齿轮、差速器。当整个主减速壳设计完毕后，向桥壳内插入主减速壳中心部分，并借助螺栓，将其与桥壳进行固定和连接，方便后期相关人员快捷有效地拆装、维修和保养主减速器、差速器。

1.2 主减速器

主减速器主要用于对汽车驱动桥转动方向的改变和控制，同时还能对转速、扭矩进行科学地调整，确保汽车在实际运行期间，表现出较高的驱动力和最佳的运行速度。在主减速器3D模型结构中，主要用到单级主减速器。单级主减速器主要是指借助两个减速齿轮，适当地降低汽车驱动桥的速度。该减速器具有结构简单、小巧玲珑等特点，被广泛地应用于轻型、中型载重汽车领域中，并取得了良好的应用效果，使其进行稳定旋转，从而保证一级减速实现效果。在进行第二季减速期间，需沿着同轴，对主动圆柱齿轮、从动圆锥齿轮进行旋转，从而保证第二季减速实现效果。

1.3 差速器

差速器主要用于对左右两个半轴的统一化连接处理，确保两侧车轮以合适的旋转速度进行扭矩传递，促使整个车轮能够正常、稳定地滚动。将差速器安装和固定于分动器内或者传动的轴间，从而形成典型的桥间差速器，通过应用该差速器，可以确保汽车平稳地运行于转弯、凹凸不平的路面，使得前驱动车轮与后驱动车轮之间形成一定的速度差。差速器3D模型结构主要包含以下两种：（1）对称式锥齿轮差速器。该差速器主要包含半轴齿轮、星驰齿轮等组成部分。（2）行星齿轮式差速器。该差速器除了用到圆锥行星齿轮、行星齿轮轴外，还用到左右差速器等组成部分。

1.4 半轴

半轴主要是指车轮在进行差速器传递期间，所产生的扭矩，车轮借助该扭矩，可以稳定旋转。当轮毅安装结构出现变化后，半轴受力也会出现明显改变。

2 汽车驱动桥3D设计

2.1 UG三维设计软件功能与特点分析

UG三维设计软件主要用于对虚拟产品的设计和制作。该软件主要运用并行工程设计理念，为设计人员提供了可反馈、参数化功能，方便设计人员实时修改和完善模型，当模型修改完毕后，该软件可将修改后的模型快速呈现出来，提高产品设计质量和效率。因此，在UG三维设计软件的作用下，可以帮助设计人员快速完成对汽车驱动桥虚拟装配设计。UG三维设计软件主要应用于以下三大领域：（1）数字化产品设计。在进行数字化产品设计期间，通常用到，Unigraphics产品设计技术，该设计技术主要用到了多种多样的设计方法，确保概念设计、详细产品设计组合为统一整体。通过应用设计技术，不仅帮助工程师科学有效地评估整个产品以及生产过程，还能简化工程师修改零件、设计尺寸等内容，使得产品整体设计质量得以显著提升。（2）数字化仿真。UG三维设计软件在具体应用中，可结合不同产品特性，有针对性地开展虚拟仿真工作。在传统虚拟仿真模式下，必须用到物理原型外，还需要专门训练的工程师参与其中，目前，大量的高级仿真工具被推广和应用，省略了对物理原型的使用。但是，在设计产品时，高级仿真工具应用会增加操作难度，同时，还要对操作人员进行系统化、专业化的培训。在UG三维设计软件中，主要用到产品仿真应用模块，应用该模块，可以实现对产品结构强度的有效分析，保证产品模态分析质量。在UG三维设计软件中，随着多种现代化仿真工具的嵌入和使用，降低了非专业设计师的学习成本，促使整个产品表现出较高的物理特性。

2.2 UG三维设计软件基本操作流程

UG三维设计软件基本操作流程如下：（1）对UG三维设计软件进行启动。（2）当出现新设计内容时，需创建相应的文件；当需要修改现有零件时，需打开现有文件。（3）结合设计实际需求，选用结构分析、装配、制图等设计功能模块。（4）结合实际设计情况，设置坐标系以及相关参数等，为提高用户操作体验打下坚实的基础。（5）落实具体设计操作工作。（6）对零部件模型进行检查，检查其是否设计合理，如果存在模型设计不合理问题，需修改和优化模型。（7）将所需要的文件保存完毕后，自动退出系统登录和使用。

2.3 选择研究对象

本课题研究具有一定的特殊性，在进行本课题研究时，需结合前人经验，在参照前人实际产品模型的基础上，对本次研究对象进行分析和验证，并采用一种新型、先进的设计方法，对本文汽车驱动桥3D设计方法进行有效地探索。

本文所选择的汽车驱动桥结构具有以下特点：（1）结合汽车给定使用条件，科学调整和控制主减速比，保证燃油经济实用性。（2）结合汽车运动学控制要求，科学地控制左、右驱动车轮的差速，保证整个汽车驱动桥结构的平稳性。（3）结合驱动车轮与地面之间所形成的附着系数大小不同，选用汽车牵引力。（4）强化对车架式车厢铅垂力的控制，提高整个汽车驱动桥的反作用力矩。（5）在提高驱动桥各个零部件的强度、刚度的基础上，将簧下质量降到最低。（6）轮廓尺寸相对较小，方便后期汽车总体布局。（7）齿轮与其他传动机件始终保持稳定的运行状态，避免出现噪声污染现象。（8）对于该驱动桥而言，其零部件设计符合零件相关设计标准和要求。（9）在不同转速工况下，均表现出较高的传动效率。（10）结构简单，易维修，易制造。

2.4 汽车驱动桥壳3D建模

汽车驱动桥壳具有结构复杂、曲面过渡等特点，通过应用UG三维建模软件，构建桥壳3D模型。当桥壳3D模型构建完毕后，该模型的壁厚、轮距、板簧距分别为16mm、1830mm、1040mm。结合汽车驱动桥壳受力情况，在保证受力均匀的情况下，适当地简化桥壳3D模型结构，从而获得如图1所示的桥壳3D模型。同时，运用ANSYSWorkbench软件，划分该模型网格，从而获得相应的有限元模型，该模型节点、单元数量分别为49204个、26229个。

2.5 仿真计算结果与分析

应用ANSYSWorkbench软件，对上述所构建的汽车驱动桥壳3D模型进行有限元处理，并采用仿真计算的方式，计算该模型结构的强度、振动模态，当仿真求解结束后，可综合分析和评价最终仿真结果。

2.5.1 汽车驱动桥壳强度有限元分析

应用ANSYSWorkbench软件对上述汽车驱动桥壳3D模型仿真计算后，发现当该汽车驱动桥壳的工作载荷达到30000N时，该桥壳各点应力集中出现在约束点、桥壳上、下表面。为方便后期更好地对比不同厚度的桥壳应力，技术人员要优先选取最大点，并将该点应力值设置为76.5MPa。当材料的屈服极限为620MPa时，后备系数K应控制在6以上，然后，对各厚度桥壳结果进行精确化计算，获得如表1所示的汽车驱动桥壳厚度计算结果，从表1中的数据可以看出，该汽车驱动桥壳强度符合预期设计标准和要求。

2.5.2 汽车驱动桥壳模态有限元分析

模态分析主要是指运用试验分析法，对振动系统的模态参数进行识别。在整个结构动力学中，运用模态分析法，可以详细化描述振动系统的固有频率、固有振型等特性，为后期振动系统动态设计提供重要的依据和参考。

应用ANSYSWorkbench软件计算出如表2所示的汽车驱动桥壳前6阶固有频率，从表2中的数据可以看出，整个汽车驱动桥壳前6阶固有频率均低于790Hz，符合预期设计标准和要求，这说明整个桥壳结构设计合理。

3 汽车驱动桥虚拟装配设计

在进行汽车驱动桥虚拟装配设计期间，设计人员要从以下几个方面入手：（1）装配处理行星齿轮轴和齿轮，并在指定的装配界面中放置相应的轴，以达到缺省放置的目的。（2）装配端盖。首先，采用花键链接的方式，将端盖放置在平面上，并对其进行对齐处理。（3）轴承装配。轴承装配操作与端盖装配原理相似，同时，按照相同的操作步骤，对螺丝、弹垫、半轴行星齿轮桥壳、十字头、螺栓、螺母等其它辅件进行装配处理。

4 结语

综上所述，应用UG三维设计软件，对汽车驱动桥进行虚拟装配设计，不仅可以及时模拟和处理分析汽车驱动桥装配工艺的问题，促使汽车驱动桥装配工艺变得更加科学化、合理化，还能实现对虚拟装配与并行工程的有效融合，将汽车驱动桥开发周期和成本降到最低，为进一步地提高该驱动桥产品的生产力和市场竞争力提供重要的技术支持。

基金项目：陕西职业技术学院2023年度校级教科研项目《基于UG的汽车驱动桥虚拟装配技术应用研究》（2023ZRKX03）。

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