陶 勇,褚長勇,高澤峰,楊愛喜,吳 欣,萬民偉

(1.杭州職業(yè)技術學院 吉利汽車學院,浙江 杭州 310018;2.杭州電子科技大學 機械工程學院,浙江 杭州 310018;3.華立集團 浙江寶琪汽車有限公司,浙江 杭州 311121;4.杭州世寶汽車方向機有限公司,浙江 杭州 310018)

0 引 言

從汽車發(fā)展歷程來看,作為汽車上的關鍵零部件,轉向機構經歷了多種演變,而齒輪齒條式轉向機構無疑是其中最典型的一種。

如果齒輪齒條的設計存在缺陷,在極端工作條件下,就無法滿足轉向機構的靜扭強度、沖擊強度等方面的要求,嚴重影響行車的安全。傳統(tǒng)的強度校核方法建立在材料的彈性假設基礎之上,其評估結果不準確,且試驗耗時長、費用高。而借助于有限元分析技術的轉向機構虛擬評估方法則可以完全解決上述問題。該方法為轉向機構在極限工況下的性能評估提供了一種解決途徑。

張松青等人[1]分析了齒輪齒條轉向機構的主要結構特點,并對齒輪齒條轉向機構的參數(shù)進行了優(yōu)化,改善了齒輪齒條轉向機構的承載能力。為了對齒輪的嚙合過程進行研究,LIN T等人[2]采用顯示、隱式動力學和靜力學方法,分別對齒輪齒條轉向機構進行了仿真計算。借助于接觸動力學方法,唐進元等人[3]深入分析了齒輪嚙合過程中輪齒的接觸沖擊現(xiàn)象,得到了輪齒最大接觸應力點的分布數(shù)據(jù)。肖前進等人[4]通過改變不同齒面摩擦及材料彈塑性參數(shù),得到了不同參數(shù)條件下的齒面應力分布狀況。VISHWAKARMA B等人[5]通過改變齒寬參數(shù),得到了齒寬和齒根彎曲的應力關系。

有限元技術的應用為轉向機構的設計提供了一種快速有效的性能評估手段。但是在齒輪齒條轉向機構實際設計校核過程中,由于受到評估目標、評估準則、建模效率等因素的影響,難以形成一個標準的統(tǒng)一的仿真方案,這給轉向機構的設計和仿真帶來較大的困擾。因此,開發(fā)一種自動化、智能化的轉向機構性能評估系統(tǒng)非常有必要。

在仿真建模自動化、智能化的研究方面,諸多學者已取得了顯著進展。馬沁怡[6]對基于KBE的快速有限元分析法進行了深入的研究,提出了一種新的方法,并借此在設計/分析環(huán)節(jié)完成了對數(shù)據(jù)、知識、信息的有機集成,提高了產品設計/分析過程中知識的重用度。WRIGGERS P等人[7]提出了一種修正性算法和案例檢索算法,并且借此對系統(tǒng)模型進行了重新設計。鄭國君[8]基于知識工程,提出了一種CAE后處理軟件平臺的設計方法,采用該方法可以提高產品的分析效率。程中娜[9]通過構建有限元案例庫,并結合有限元技術,實現(xiàn)了有限元分析前處理過程的智能化。

準靜態(tài)大扭矩測試是轉向機構測試的極限工況之一,是實驗室環(huán)境測試汽車轉向機構性能的關鍵測試項目。因此,本文針對齒輪齒條轉向機構在重載極限工況下,靜扭工況的性能評估問題,基于知識推理相關理論,構建轉向機構三元組知識表達模型,并采用基于邏輯的正向推理策略,完成轉向機構仿真模型的智能配置生成;同時,結合面向對象技術對轉向機構仿真流程、經驗、知識進行封裝,以實現(xiàn)轉向機構輔助評估系統(tǒng)的智能設計開發(fā),提高轉向機構的設計仿真效率。

1 轉向機構輔助評估系統(tǒng)功能設計

在已有的轉向機構設計、分析經驗的基礎上,筆者提出了這套轉向機構輔助評估系統(tǒng);通過智能配置其仿真模型方案(包括力學模型建立、結構離散、分析求解及結果后處理等),并定制其仿真建模流程,以提高轉向機構仿真建模的效率。

轉向機構輔助評估系統(tǒng)功能設計模型如圖1所示。

圖1 轉向機構輔助評估系統(tǒng)功能設計模型

系統(tǒng)功能層是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心,功能層的設計主要包括以下兩項關鍵技術:

(1)基于物理模型的仿真方案的智能配置技術。即運用對象-屬性-結構三元組知識表達模型,來描述轉向機構的物理模型結構事實,并采用基于邏輯的推理規(guī)則,將其映射為對象-方法-屬性三元組表達的仿真模型;

(2)仿真建模分析流程自動化技術。即采用面向對象有限元仿真流程定制開發(fā)技術,基于.NET框架,開發(fā)仿真建模流程的自動化系統(tǒng);該系統(tǒng)具有與有限元軟件的深度交互功能,從而實現(xiàn)齒輪齒條轉向機構的自動仿真建模。

2 基于物理模型的仿真流程規(guī)劃

2.1 齒輪齒條式轉向機構簡介及物理模型

汽車齒輪齒條轉向機構由1個齒輪軸和1個齒條組成,當汽車方向盤轉動時齒輪軸跟著一起轉動,從而帶動齒條直線運動,齒條再帶動汽車轉向橫拉桿運動,從而實現(xiàn)汽車轉向[10，11]。

齒輪齒條轉向機構結構如圖2所示。

圖2 齒輪齒條轉向機構結構圖

傳統(tǒng)的汽車齒輪齒條轉向機構主要是由齒輪軸、轉向齒條、轉向機構殼體和其他零部件構成。通過分析轉向機構結構特點,可分解抽象出齒輪齒條嚙合物理模型和殼體物理模型。

齒輪齒條嚙合物理模型如圖3所示。

圖3 齒輪齒條嚙合物理模型

齒輪齒條嚙合物理模型主要用于傳遞扭矩,為軸承、托塊提供支撐。

齒輪齒條轉向機構殼體物理模型如圖4所示。

圖4 齒輪齒條轉向機構殼體物理模型

殼體物理模型主要用于支撐齒輪齒條嚙合機構,并提供保護作用,同時為各軸承、托塊、襯套提供支撐作用;安裝腳內孔面用于轉向機構的固定安裝。

2.2 轉向機構物理模型知識的表達

轉向機構物理模型知識的表達是將其裝配關系、設計參數(shù)等結構事實用邏輯語義進行表示,采用有效的表達結構,物理地表示并存儲到計算機中,構建其表達語義網,以便靈活地操作所存儲的知識。

齒輪齒條嚙合物理模型語義網知識OAV如表1所示。

表1 齒輪齒條嚙合物理模型語義網知識OAV

殼體物理模型語義網知識OAV如表2所示。

表2 殼體物理模型語義網知識OAV

根據(jù)轉向機構結構特點,筆者采用對象-屬性-值三元組(OAV, object-attribute-value triple)來表示其物理模型結構事實知識,并將OAV三元組所表達的語義知識轉化為計算機可識別代碼。

該代碼的表達方式模板結構如下:

( defmodule OAV (export deftemplate oav ) )

( deftemplate OAV: : oav

( multislot object ( type SYMBOL) )

( multislot attribute ( type SYMBOL ) )

( multislot value ) )

2.3 仿真模型知識庫的表達

仿真模型知識庫主要表達如下信息:單元格信息、零件材料屬性、載荷信息、邊界約束信息、分析類型和相關評估準則。

齒輪齒條嚙合仿真模型語義網知識OAV如表3所示。

表3 齒輪齒條嚙合仿真模型語義網知識OAV

殼體仿真模型語義網知識OAV如表4所示。

表4 殼體仿真模型語義網知識OAV

2.4 知識推理

轉向機構從物理模型知識到仿真模型知識的映射轉換有著邏輯清晰、關系明確的特點。如對于轉向機構齒輪齒條的嚙合仿真分析中,需要根據(jù)軸承類型等結構知識來確定其邊界條件,該過程涉及多條規(guī)則:

(1)如果零件1是滾針軸承,約束徑向增長;(2)如果零件2是向心球軸承,那么約束徑向增長和沿軸向滑動;(3)如果零件3是齒條托塊,那么產生對稱約束(僅允許沿曲面滑動)。

故筆者構建基于OAV三元組知識表達方式的規(guī)則庫,采用IF P THEN Q產生式的規(guī)則表達方式(其中:P—規(guī)則前提事實,即為轉向機構物理模型結構事實;Q—結論事實,即為轉向機構仿真模型解決方案事實)。

齒輪齒條嚙合仿真規(guī)則知識庫如表5所示。

表5 齒輪齒條嚙合仿真規(guī)則知識庫

殼體仿真規(guī)則知識庫如表6所示。

表6 殼體仿真規(guī)則知識庫

由表5和表6可以看出:殼體力學模型的建立與轉向機構結構設計及齒輪齒條設計參數(shù)有關,故事實27、28既是齒輪齒條嚙合仿真的結論事實,又是殼體仿真的前提事實。

知識的推理過程即為根據(jù)一定的規(guī)則,按照一定的策略,推理出所對應的結論。OAV三元組的知識表達方式構建了轉向機構結構仿真過程的事實庫和規(guī)則庫,故可根據(jù)用戶層輸入的物理模型信息遍歷規(guī)則庫正向推理出仿真模型信息,從而實現(xiàn)仿真方案的智能配置。

規(guī)則庫的適用性取決于規(guī)則的完備性,規(guī)則邏輯越清晰、條目越完備,則規(guī)則庫適用性越高。通過對多型號產品的分析,不斷積累和完善其規(guī)則庫,便可實現(xiàn)轉向機構行業(yè)物理模型規(guī)則庫的動態(tài)更新。

3 基于面向對象的仿真流程自動化

面向對象方法是一種基于結構分析的,以分析數(shù)據(jù)為核心的程序設計方法[12-14]。其核心思想是將實體的屬性(數(shù)據(jù))和方法(行為、功能)封裝于對象中,并抽象為類。通用CAE分析流程通常包括前處理、求解計算、后處理3個環(huán)節(jié)[15],對各環(huán)節(jié)進行流程細化,并分析各子流程之間的關聯(lián)性,即可抽象出有限元建模分析主要的對象類。

仿真建模流程自動化系統(tǒng)框架模型如圖5所示。

圖5 仿真建模流程自動化系統(tǒng)框架模型

由圖5可以看出:為了便于項目管理,幾何體信息的管理及建模分析流程的控制還需包括GUI、Application、Object、FEA Plateform、Solver、Input、Output等對象類。下面筆者僅對部分重要類進行具體闡述:

GUI。系統(tǒng)圖形用戶界面,使用者通過該界面實現(xiàn)與CAE平臺的交互,實現(xiàn)流程自動化;

Input。系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入模塊,進行載荷的輸入或提取計算,并訪問材料數(shù)據(jù)庫以定義材料,實現(xiàn)流程自動化系統(tǒng)與有限元軟件輸入數(shù)據(jù)的傳輸過程;

Application。有限元分析類,管理有限元分析的所有信息,控制系統(tǒng)與CAE平臺之間的通信;

Object。面向產品對象類,有限元分析直接面向的幾何體,對幾何體有限元流程和信息進行控制管理。

該框架模型通過對有限元分析各對象類的層次劃分及類之間關聯(lián)、泛化關系的表達,簡單描述了系統(tǒng)的宏觀抽象框架,對象主要屬性均已列出,對象方法的詳細設計則需對其進行再細化分析。

為了簡化起見,上述模型中只列出網格對象方法。Application類中集成了有限元分析基本流程命令,各流程抽象類作為其成員函數(shù)封裝調用;Object類只需基于產品仿真方案簡單集成,調用Application類中的成員函數(shù)即可。

4 轉向機構結構輔助評估系統(tǒng)

4.1 轉向機構結構仿真方案

以某型號齒輪齒條轉向機構結構為背景,筆者進行其輔助評估系統(tǒng)的開發(fā)設計，對其物理模型進行OAV三元組的知識表達,并檢索規(guī)則庫,生成平臺無關模型。

齒輪齒條嚙合強度仿真模型如表7所示。

表7 齒輪齒條嚙合強度仿真模型

殼體靜扭強度仿真模型如表8所示。

表8 殼體靜扭強度仿真模型

4.2 轉向機構結構仿真建模

基于上述已構建的某型號齒輪齒條式轉向機構性能評估仿真模型(平臺無關),筆者以Femap + NX Nastran為有限元平臺,以VB.NET為開發(fā)語言,定制開發(fā)了轉向機構結構智能輔助評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:齒輪齒條嚙合強度分析模塊和殼體強度分析模塊。

齒輪齒條嚙合強度分析建模如圖6所示。

圖6 齒輪齒條嚙合強度分析建模

殼體強度分析建模如圖7所示。

圖7 殼體強度分析建模

4.3 仿真與結果分析

4.3.1 齒輪齒條仿真與結果分析

齒輪齒條轉向機構主要失效形式有兩種:(1)因齒根彎曲強度不夠而導致的輪齒疲勞斷裂;(2)因齒面接觸強度不夠而導致的疲勞點蝕。

齒輪軸應力云圖如圖8所示。

圖8 齒輪軸應力云圖

在300 N·m載荷作用下,齒輪軸應力校核結果如表9所示。

表9 300 N·m載荷作用下齒輪軸應力校核結果

由圖8和表9可以看出:當載荷為300 N·m時,齒輪軸齒面接觸區(qū)域局部峰值應力小于材料許用接觸應力;齒根彎曲應力略大于齒輪材料屈服極限,即齒根微小局部區(qū)域會發(fā)生塑性變形[16-18],但局部峰值應力均小于材料的斷裂應力,此時結構不發(fā)生斷裂。

齒條應力云圖如圖9所示。

在300 N·m載荷作用下,齒條應力校核結果如表10所示。

表10 300 N·m載荷作用下齒條應力校核結果

由圖9和表10可以看出:當載荷為300 N·m時,齒條齒面接觸區(qū)域局部峰值應力均小于材料的許用接觸應力,齒根的微小局部區(qū)域會發(fā)生塑性變形,但不會發(fā)生斷裂。

綜上所述,考慮材料特性、材料表面熱處理工藝和以往實驗數(shù)據(jù),可以認為被分析對象符合強度設計要求;通過助齒輪齒條轉向機構傳動性能評估輔助軟件,可以快速、高效地建立仿真分析模型,通過設置評估準則可以對被分析對象進行強度預判,從而使得齒輪齒條式轉向機構強度校核效率大幅提高。

4.3.2 殼體仿真與結果分析

在傳動扭矩達到300 N·m的極限工況下,筆者借助上述性能評估輔助軟件,對齒輪齒條式轉向機構殼體進行強度評估。

殼體等效應力云圖如圖10所示。

圖10 殼體等效應力云圖

由圖10可以看出:殼體中最大等效應力達到261 MPa,大于材料240 MPa斷裂應力,此時殼體發(fā)生斷裂。

殼體實際斷裂位置如圖11所示。

圖11 殼體實際斷裂位置

由圖11可以看出:破壞性試驗表明斷裂位置與仿真所示斷裂帶吻合,驗證了所開發(fā)的性能評估輔助系統(tǒng)的有效性。

通過上述結果分析可以知道結構薄弱之處,然后可以做出有針對性的優(yōu)化。

優(yōu)化后殼體等效應力云圖如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后殼體等效應力云圖

由優(yōu)化后的殼體等效應力云圖可以看出:此時殼體所受的最大等效應力降低為207 MPa,該結果可進一步驗證該優(yōu)化方案具有良好的效果。

5 結束語

本文以極限工況下齒輪齒條式轉向機構的性能評估為背景,設計開發(fā)了轉向機構結構仿真輔助評估系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)對某型號齒輪齒條式轉向機構進行了性能評估,結果表明:

(1)當扭矩達到300 N·m時,齒輪齒條嚙合強度小于許用應力,滿足設計要求;

(2)殼體應力達到261 MPa,殼體會斷裂,通過與破壞性實驗結果的對比,驗證了評估技術的有效性;通過對殼體的優(yōu)化設計,應力下降到207 MPa,小于許用應力,滿足設計要求,因此具有一定的工程應用價值;

(3)采用OAV三元組的知識表達模型對轉向機構仿真知識庫進行了建模,探索并實現(xiàn)了基于物理模型的仿真方案智能配置生成;采用面向對象技術研究了仿真建模分析流程的封裝技術,構建了通用的結構仿真建模分析流程的平臺無關性模型,因此仿真建模時間可以降低50%以上,提高了轉向機構結構仿真效率,也進一步說明了輔助評估系統(tǒng)具有一定的理論和工程價值。

同時,該研究工作還有很大的優(yōu)化空間。在針對零部件較多的復雜模型時,知識表達模型存在表達結構冗余、不清晰等缺點。因此,探討更為簡潔、高效的知識表達模型是進一步深入研究的重點。