摘 要：為降低汽車開發(fā)成本，滿足消費者對汽車節(jié)能環(huán)保性、美觀性、舒適性等各種性能需求，本文應用計算機輔助三維設計的高端主流軟件UG（Unigraphics）內(nèi)置的裝配模塊，完成對汽車驅(qū)動橋虛擬裝配。首先，介紹了汽車驅(qū)動橋組成。其次，應用UG三維設計軟件，完成對汽車驅(qū)動橋殼的3D設計以及仿真計算。最后，對汽車驅(qū)動橋的行星齒輪軸、齒輪、端蓋、軸承、螺絲、彈墊、半軸行星齒輪橋殼、十字頭、螺栓、螺母等各種輔件進行虛擬裝配設計，為后期汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設計工作有效地開展提供重要的依據(jù)和參考。

關鍵詞：UG 汽車驅(qū)動橋 虛擬現(xiàn)實 虛擬裝配

0 引言

在汽車工業(yè)的不斷發(fā)展下，我國消費者對汽車的性能、外觀等提出了更高的要求，在這樣的背景下，汽車作為大眾消費品，出現(xiàn)更新迭代快、產(chǎn)品上市周期短、汽車產(chǎn)品開發(fā)成本高等問題。傳統(tǒng)產(chǎn)品設計開發(fā)技術過于落后，難以滿足汽車現(xiàn)代化開發(fā)需求。為此，相關技術人員需利用計算機輔助三維設計的高端主流軟件UG（Unigraphics）內(nèi)置的虛擬裝配模塊，對汽車驅(qū)動橋進行虛擬裝配處理，使得汽車產(chǎn)品開發(fā)周期、開發(fā)成本不斷降低。虛擬裝配主要是指計算機系統(tǒng)采用仿真分析的方式，根據(jù)產(chǎn)品裝配結(jié)構，分析最終裝配結(jié)果，并結(jié)合該裝配結(jié)果，完成對裝配相關工程決策的制定。通過進行汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設計和實現(xiàn)，不僅可以幫助技術人員采用虛擬處理的方式分析和設計汽車的零部件，還能從根本上解決汽車整個研發(fā)期間存在的產(chǎn)品研發(fā)周期長、產(chǎn)品研發(fā)成本高等問題，從而有效地提高汽車產(chǎn)品的性能。

1 汽車驅(qū)動橋組成

1.1 橋殼

橋殼作為汽車的重要零件，通過將橋殼結(jié)構設計為非斷開式驅(qū)動橋，可以保證汽車荷重的支承效果，同時，還能向車輪傳遞相關載荷。為保證橋殼設計質(zhì)量，技術人員需要在一定的動載荷下，完成對高強度、高剛度橋殼的設計。為降低汽車簧下質(zhì)量，促使整個汽車能夠平穩(wěn)地行駛，在最大限度地提高橋殼強度、剛度的基礎上，將橋殼質(zhì)量降到最低，確保橋殼具有結(jié)構簡單、制造方便、制造成本低等特點。橋殼結(jié)構型式主要包含以下兩種：（1）在可分式橋殼中，當主減速器、差速器裝配完成后，將整個橋殼劃分為鑄件殼體、半軸套管等多個組成部分。其中，借助鉚釘，將半軸管套直接聯(lián)接于殼體。通過設計可分式橋殼結(jié)構，不僅可以促使整個橋殼制造工藝變得更加簡化、高效，還能為主減速器軸承提供高強度的支承力。但是，該結(jié)構型式設計存在以下弊端，不利于后期主減速器裝配與維修，同時，還大大降低了橋殼的強度、剛度，可分式橋殼結(jié)構應用范圍較窄，僅僅用于輕型汽車虛擬裝配領域中。（2）整體式橋殼。整體式橋殼結(jié)構主要是指對整個橋殼進行制作，使其制作成一個統(tǒng)一整體，橋殼功能類似于整體空心梁，具有良好的強度、剛度。整體式橋殼被劃分為橋殼、主減速器殼兩個外殼。在整個主減速殼里，單獨設置主減速器齒輪、差速器。當整個主減速殼設計完畢后，向橋殼內(nèi)插入主減速殼中心部分，并借助螺栓，將其與橋殼進行固定和連接，方便后期相關人員快捷有效地拆裝、維修和保養(yǎng)主減速器、差速器。

1.2 主減速器

主減速器主要用于對汽車驅(qū)動橋轉(zhuǎn)動方向的改變和控制，同時還能對轉(zhuǎn)速、扭矩進行科學地調(diào)整，確保汽車在實際運行期間，表現(xiàn)出較高的驅(qū)動力和最佳的運行速度。在主減速器3D模型結(jié)構中，主要用到單級主減速器。單級主減速器主要是指借助兩個減速齒輪，適當?shù)亟档推囼?qū)動橋的速度。該減速器具有結(jié)構簡單、小巧玲瓏等特點，被廣泛地應用于輕型、中型載重汽車領域中，并取得了良好的應用效果，使其進行穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，從而保證一級減速實現(xiàn)效果。在進行第二季減速期間，需沿著同軸，對主動圓柱齒輪、從動圓錐齒輪進行旋轉(zhuǎn)，從而保證第二季減速實現(xiàn)效果。

1.3 差速器

差速器主要用于對左右兩個半軸的統(tǒng)一化連接處理，確保兩側(cè)車輪以合適的旋轉(zhuǎn)速度進行扭矩傳遞，促使整個車輪能夠正常、穩(wěn)定地滾動。將差速器安裝和固定于分動器內(nèi)或者傳動的軸間，從而形成典型的橋間差速器，通過應用該差速器，可以確保汽車平穩(wěn)地運行于轉(zhuǎn)彎、凹凸不平的路面，使得前驅(qū)動車輪與后驅(qū)動車輪之間形成一定的速度差。差速器3D模型結(jié)構主要包含以下兩種：（1）對稱式錐齒輪差速器。該差速器主要包含半軸齒輪、星馳齒輪等組成部分。（2）行星齒輪式差速器。該差速器除了用到圓錐行星齒輪、行星齒輪軸外，還用到左右差速器等組成部分。

1.4 半軸

半軸主要是指車輪在進行差速器傳遞期間，所產(chǎn)生的扭矩，車輪借助該扭矩，可以穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。當輪毅安裝結(jié)構出現(xiàn)變化后，半軸受力也會出現(xiàn)明顯改變。

2 汽車驅(qū)動橋3D設計

2.1 UG三維設計軟件功能與特點分析

UG三維設計軟件主要用于對虛擬產(chǎn)品的設計和制作。該軟件主要運用并行工程設計理念，為設計人員提供了可反饋、參數(shù)化功能，方便設計人員實時修改和完善模型，當模型修改完畢后，該軟件可將修改后的模型快速呈現(xiàn)出來，提高產(chǎn)品設計質(zhì)量和效率。因此，在UG三維設計軟件的作用下，可以幫助設計人員快速完成對汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設計。UG三維設計軟件主要應用于以下三大領域：（1）數(shù)字化產(chǎn)品設計。在進行數(shù)字化產(chǎn)品設計期間，通常用到，Unigraphics產(chǎn)品設計技術，該設計技術主要用到了多種多樣的設計方法，確保概念設計、詳細產(chǎn)品設計組合為統(tǒng)一整體。通過應用設計技術，不僅幫助工程師科學有效地評估整個產(chǎn)品以及生產(chǎn)過程，還能簡化工程師修改零件、設計尺寸等內(nèi)容，使得產(chǎn)品整體設計質(zhì)量得以顯著提升。（2）數(shù)字化仿真。UG三維設計軟件在具體應用中，可結(jié)合不同產(chǎn)品特性，有針對性地開展虛擬仿真工作。在傳統(tǒng)虛擬仿真模式下，必須用到物理原型外，還需要專門訓練的工程師參與其中，目前，大量的高級仿真工具被推廣和應用，省略了對物理原型的使用。但是，在設計產(chǎn)品時，高級仿真工具應用會增加操作難度，同時，還要對操作人員進行系統(tǒng)化、專業(yè)化的培訓。在UG三維設計軟件中，主要用到產(chǎn)品仿真應用模塊，應用該模塊，可以實現(xiàn)對產(chǎn)品結(jié)構強度的有效分析，保證產(chǎn)品模態(tài)分析質(zhì)量。在UG三維設計軟件中，隨著多種現(xiàn)代化仿真工具的嵌入和使用，降低了非專業(yè)設計師的學習成本，促使整個產(chǎn)品表現(xiàn)出較高的物理特性。

2.2 UG三維設計軟件基本操作流程

UG三維設計軟件基本操作流程如下：（1）對UG三維設計軟件進行啟動。（2）當出現(xiàn)新設計內(nèi)容時，需創(chuàng)建相應的文件；當需要修改現(xiàn)有零件時，需打開現(xiàn)有文件。（3）結(jié)合設計實際需求，選用結(jié)構分析、裝配、制圖等設計功能模塊。（4）結(jié)合實際設計情況，設置坐標系以及相關參數(shù)等，為提高用戶操作體驗打下堅實的基礎。（5）落實具體設計操作工作。（6）對零部件模型進行檢查，檢查其是否設計合理，如果存在模型設計不合理問題，需修改和優(yōu)化模型。（7）將所需要的文件保存完畢后，自動退出系統(tǒng)登錄和使用。

2.3 選擇研究對象

本課題研究具有一定的特殊性，在進行本課題研究時，需結(jié)合前人經(jīng)驗，在參照前人實際產(chǎn)品模型的基礎上，對本次研究對象進行分析和驗證，并采用一種新型、先進的設計方法，對本文汽車驅(qū)動橋3D設計方法進行有效地探索。

本文所選擇的汽車驅(qū)動橋結(jié)構具有以下特點：（1）結(jié)合汽車給定使用條件，科學調(diào)整和控制主減速比，保證燃油經(jīng)濟實用性。（2）結(jié)合汽車運動學控制要求，科學地控制左、右驅(qū)動車輪的差速，保證整個汽車驅(qū)動橋結(jié)構的平穩(wěn)性。（3）結(jié)合驅(qū)動車輪與地面之間所形成的附著系數(shù)大小不同，選用汽車牽引力。（4）強化對車架式車廂鉛垂力的控制，提高整個汽車驅(qū)動橋的反作用力矩。（5）在提高驅(qū)動橋各個零部件的強度、剛度的基礎上，將簧下質(zhì)量降到最低。（6）輪廓尺寸相對較小，方便后期汽車總體布局。（7）齒輪與其他傳動機件始終保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)，避免出現(xiàn)噪聲污染現(xiàn)象。（8）對于該驅(qū)動橋而言，其零部件設計符合零件相關設計標準和要求。（9）在不同轉(zhuǎn)速工況下，均表現(xiàn)出較高的傳動效率。（10）結(jié)構簡單，易維修，易制造。

2.4 汽車驅(qū)動橋殼3D建模

汽車驅(qū)動橋殼具有結(jié)構復雜、曲面過渡等特點，通過應用UG三維建模軟件，構建橋殼3D模型。當橋殼3D模型構建完畢后，該模型的壁厚、輪距、板簧距分別為16mm、1830mm、1040mm。結(jié)合汽車驅(qū)動橋殼受力情況，在保證受力均勻的情況下，適當?shù)睾喕瘶驓?D模型結(jié)構，從而獲得如圖1所示的橋殼3D模型。同時，運用ANSYSWorkbench軟件，劃分該模型網(wǎng)格，從而獲得相應的有限元模型，該模型節(jié)點、單元數(shù)量分別為49204個、26229個。

2.5 仿真計算結(jié)果與分析

應用ANSYSWorkbench軟件，對上述所構建的汽車驅(qū)動橋殼3D模型進行有限元處理，并采用仿真計算的方式，計算該模型結(jié)構的強度、振動模態(tài)，當仿真求解結(jié)束后，可綜合分析和評價最終仿真結(jié)果。

2.5.1 汽車驅(qū)動橋殼強度有限元分析

應用ANSYSWorkbench軟件對上述汽車驅(qū)動橋殼3D模型仿真計算后，發(fā)現(xiàn)當該汽車驅(qū)動橋殼的工作載荷達到30000N時，該橋殼各點應力集中出現(xiàn)在約束點、橋殼上、下表面。為方便后期更好地對比不同厚度的橋殼應力，技術人員要優(yōu)先選取最大點，并將該點應力值設置為76.5MPa。當材料的屈服極限為620MPa時，后備系數(shù)K應控制在6以上，然后，對各厚度橋殼結(jié)果進行精確化計算，獲得如表1所示的汽車驅(qū)動橋殼厚度計算結(jié)果，從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，該汽車驅(qū)動橋殼強度符合預期設計標準和要求。

2.5.2 汽車驅(qū)動橋殼模態(tài)有限元分析

模態(tài)分析主要是指運用試驗分析法，對振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)進行識別。在整個結(jié)構動力學中，運用模態(tài)分析法，可以詳細化描述振動系統(tǒng)的固有頻率、固有振型等特性，為后期振動系統(tǒng)動態(tài)設計提供重要的依據(jù)和參考。

應用ANSYSWorkbench軟件計算出如表2所示的汽車驅(qū)動橋殼前6階固有頻率，從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，整個汽車驅(qū)動橋殼前6階固有頻率均低于790Hz，符合預期設計標準和要求，這說明整個橋殼結(jié)構設計合理。

3 汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設計

在進行汽車驅(qū)動橋虛擬裝配設計期間，設計人員要從以下幾個方面入手：（1）裝配處理行星齒輪軸和齒輪，并在指定的裝配界面中放置相應的軸，以達到缺省放置的目的。（2）裝配端蓋。首先，采用花鍵鏈接的方式，將端蓋放置在平面上，并對其進行對齊處理。（3）軸承裝配。軸承裝配操作與端蓋裝配原理相似，同時，按照相同的操作步驟，對螺絲、彈墊、半軸行星齒輪橋殼、十字頭、螺栓、螺母等其它輔件進行裝配處理。

4 結(jié)語

綜上所述，應用UG三維設計軟件，對汽車驅(qū)動橋進行虛擬裝配設計，不僅可以及時模擬和處理分析汽車驅(qū)動橋裝配工藝的問題，促使汽車驅(qū)動橋裝配工藝變得更加科學化、合理化，還能實現(xiàn)對虛擬裝配與并行工程的有效融合，將汽車驅(qū)動橋開發(fā)周期和成本降到最低，為進一步地提高該驅(qū)動橋產(chǎn)品的生產(chǎn)力和市場競爭力提供重要的技術支持。

基金項目：陜西職業(yè)技術學院2023年度校級教科研項目《基于UG的汽車驅(qū)動橋虛擬裝配技術應用研究》（2023ZRKX03）。

參考文獻：

[1]郭棟，石曉輝，黎洪林，等.雙邊加載驅(qū)動橋整體傳動誤差測試分析技術[J].機械設計，2020，37（1）：77-83.

[2]尹明睿，李學偉，井宸，等.驅(qū)動橋傳動系典型工況下的一體化動力學仿真[J].機械傳動，2019，43（4）：133-138.

[3]盧雙桂，劉剛，陳思維.某種車型后驅(qū)動橋裝配工藝及其工裝的設計[J].裝備制造技術，2019（1）：22-24，39.

[4]饒劍文，吳國華.半浮式驅(qū)動橋輪邊漏油分析及結(jié)構優(yōu)化設計[J].汽車工藝師，2022（12）：57-59.

[5]張景春，張志超，干金明，等.新能源商用車電驅(qū)動橋下線檢測技術[J].汽車實用技術，2023，48（13）：111-116.

[6]張兆苗，劉鵬，畢云軍，等.驅(qū)動橋從動齒輪螺栓失效分析和對策[J].內(nèi)燃機與配件，2022（17）：67-69.

[7]謝香衛(wèi).某車型路試后驅(qū)動橋通氣塞滲油問題分析和解決[J].裝備制造技術，2022（1）：176-179.