陶澤柳，楊柳彬

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009；2.中國電子科技集團(tuán)第38研究所，合肥 230031)

虛擬裝配中撓性元件變形的研究

陶澤柳1，楊柳彬2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009；2.中國電子科技集團(tuán)第38研究所，合肥 230031)

論文研究了在機(jī)械零部件裝配過程中，有些元件在預(yù)緊力作用下發(fā)生的非彈塑性變形范圍內(nèi)的撓性變形問題。針對在虛擬樣機(jī)設(shè)計時，因撓性變形導(dǎo)致的裝配干涉、撓性變形狀態(tài)紊亂、機(jī)構(gòu)分析不能順利進(jìn)行、撓性變形后的尺寸未真實(shí)體現(xiàn)等諸多實(shí)際工程問題，通過對典型撓性元件彈簧、密封圈、皮帶傳動的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計實(shí)例作相關(guān)性研究，很好地解決了工程設(shè)計中撓性元件變形引起的虛擬裝配干涉等諸多問題。

撓性元件；虛擬樣機(jī)；撓性化；裝配

0 引言

在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，經(jīng)常碰到在虛擬裝配過程中有些元件在預(yù)緊力作用下會發(fā)生撓性變形，即零件的實(shí)際使用狀態(tài)與原始狀態(tài)有變化。因此，在工程應(yīng)用中需要解決的問題主要有：①做虛擬樣機(jī)設(shè)計分析時，各零件若處在干涉狀態(tài)，會導(dǎo)致運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析不能正常進(jìn)行。②在虛擬樣機(jī)設(shè)計中，同一元件在裝配體中發(fā)生撓性變形量的不同會呈現(xiàn)多種狀態(tài)，實(shí)際在BOM清單中又只能體現(xiàn)一個相同的零件。③在實(shí)際裝配中發(fā)生撓性變形后的零件，其具體尺寸如何確定。

國內(nèi)外針對虛擬裝配類型及約束定位技術(shù)的研究眾多[1-5]，針對上述問題，在目前的文獻(xiàn)資料中只能查閱到對彈簧的撓性裝配問題的探討，沒有進(jìn)一步研究基于撓性化元件的一般工程性問題的處理方法。本文基于Pro/E進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計與裝配[6-8]，通過對齒輪傳動設(shè)計中提供預(yù)緊摩擦力的彈簧、電子產(chǎn)品防水設(shè)計中橡膠密封圈、帶輪傳動設(shè)計中皮帶等典型撓性元件的撓性化處理的研究，很好地解決上述問題。

1 撓性化處理實(shí)例

1.1 彈簧裝配

在機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中，彈簧作為一種提供預(yù)緊力的元件，被廣泛應(yīng)用。其類別大致有壓縮彈簧、拉伸彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧等幾類[9]，裝配時一般呈受壓、受拉或扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。彈簧經(jīng)裝配后，與其原始狀態(tài)相比，有狀態(tài)或位置的變化，所以在虛擬樣機(jī)設(shè)計中存在撓性裝配問題。

在進(jìn)行齒輪傳動設(shè)計時，為防止運(yùn)動機(jī)構(gòu)的堵轉(zhuǎn)造成電機(jī)的損壞，將其中某級齒輪的剛性傳動類型改成通過摩擦力作用的摩擦傳動，如圖1所示，蝸輪和分離齒輪通過摩擦力咬合傳動，錐形彈簧的壓變形提供預(yù)緊力以產(chǎn)生摩擦力。

圖1 彈簧裝配三維實(shí)體模型

通過計算，將錐形彈簧設(shè)計成兩端受壓并磨平結(jié)構(gòu)，有效圈數(shù)n=3，具體尺寸如圖2a所示。由于彈簧裝配后，總長度由12.5mm壓縮為5.5mm，所以中間有效圈數(shù)部分的節(jié)距需要根據(jù)壓縮后的高度進(jìn)行調(diào)整，通過圖2b關(guān)系式控制壓縮裝配后的有效圈數(shù)的節(jié)距[8]。

圖2 錐形彈簧結(jié)構(gòu)

彈簧的撓性化裝配過程中，將總高度12.5mm作為可變項目，變化控制的數(shù)值按照測量數(shù)值即彈簧壓縮裝配的空間距離數(shù)值來設(shè)置。在本例中，彈簧壓縮裝配的空間距離數(shù)值為5.5mm，撓性裝配的結(jié)果及參數(shù)化控制方式設(shè)置如圖3所示。

圖3 彈簧的撓性化裝配

1.2 橡膠密封

密封可分為靜密封和動密封兩大類。靜密封主要有墊片密封、密封膠密封和直接接觸密封三大類；動密封可以分為旋轉(zhuǎn)密封和往復(fù)密封兩種基本類型[10]。在密封產(chǎn)品設(shè)計中，大多需要使所采用的密封件在密封裝配中有一定的變形量，如O型圈、端面墊片壓緊密封等，這就涉及密封圈的撓性變形裝配問題。

如汽車防盜報警喇叭的防水等級需要做到IP57等級，外部音腔需要密封，如圖4所示，采用類O型圈的端面壓緊密封方式密封，設(shè)計的密封圈和密封槽的具體尺寸如圖5所示，密封圈直徑比密封槽直徑要小，在虛擬樣機(jī)裝配中，密封圈原始狀態(tài)處在失位狀態(tài)，在做全局體積干涉檢查時會出現(xiàn)干涉問題。

圖4 密封圈與密封槽對應(yīng)關(guān)系

圖5 密封圈設(shè)計尺寸

在裝配過程中，為便于對密封圈進(jìn)行撓性化處理，將密封圈的截面尺寸重新定義，只需要改變密封圈的內(nèi)半徑R=13.5，就可方便地?fù)闲曰幚砻芊馊Φ陌霃绞怪兔芊獠鄣膬?nèi)半徑相匹配。如圖6所示的密封圈的撓性化裝配定義，將密封圈的內(nèi)半徑作為可變項目，在不改變密封圈原始模型的基礎(chǔ)上，密封圈與密封槽配對處在安裝位置上。

圖6 密封圈的撓性化裝配

在實(shí)際裝配狀態(tài)下，由于密封圈有變形，其截面狀態(tài)會有所變化，產(chǎn)品在最終裝配狀態(tài)下，密封圈的密封壓縮量到底是多少無法很直觀地體現(xiàn)。本例中利用橡膠零件的體積基本不可壓縮特性來定義變形后的密封圈截面變化，定義如圖7所示的截面尺寸控制關(guān)系圖。撓性化處理后，密封圈的截面尺寸1mm變到了如圖所示的0.8mm，由此在密封狀態(tài)下，橡膠的壓變形量由之前的0.5mm變到實(shí)際的0.3mm，這在實(shí)際設(shè)計中是非常重要的數(shù)據(jù)。

圖7 撓性化處理后密封圈截面變化

1.3 帶傳動撓性裝配

在帶傳動中，由于需要提供足夠的張緊力，在選定皮帶長度后，大小帶輪的中心距需要變位來保證皮帶的張緊力，顯然在皮帶的虛擬裝配過程中也涉及撓性裝配問題。

以某鼓風(fēng)機(jī)用普通V帶傳動設(shè)計為例：動力機(jī)為Y系列異步三相電動機(jī)，功率P=7.5kW,轉(zhuǎn)速n1=1440r/min，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n2=630r/min，每天工作16h。實(shí)際中心距不超過700mm。

通過相關(guān)計算，選擇A型V帶，小帶輪直徑D1=125mm，大帶輪直徑D2=280mm，中心距a=677.4mm，皮帶基準(zhǔn)長度Ld=2000mm，傳動帶根數(shù)z=5根，考慮安裝調(diào)整及補(bǔ)償張緊力的需要，中心距的變動范圍為amax=737.4mm，amin=647.4mm。為保證皮帶提供足夠的張緊力，將中心距a調(diào)整到700mm。由于皮帶基準(zhǔn)長度Ld=2000mm不變，在虛擬樣機(jī)中裝配就會出現(xiàn)干涉問題，此時需要將皮帶結(jié)構(gòu)在裝配體中進(jìn)行撓性處理(不影響原始零件尺寸)，在草圖中將皮帶中心距尺寸(如圖8所示677.4mm)與大小帶輪的軸間距700mm關(guān)聯(lián)，如圖9所示。

圖8 皮帶截面的掃描軌跡

圖9 皮帶中心距按照帶輪中心距撓性處理

對皮帶進(jìn)行撓性化處理的效果對比如圖10所示。撓性化處理后的皮帶處在正確的安裝位置上(圖中皮帶的數(shù)量只選擇裝配2根是為了更好地顯示圖片效果)，未撓性化處理的皮帶與帶輪會產(chǎn)生干涉；同時兩者在零件目錄中所顯示的零件名稱是一致的，只是顯示符號有差別，這在產(chǎn)品設(shè)計的零件BOM表中有很好地體現(xiàn)與應(yīng)用。

圖10 撓性化處理的對比圖

2 結(jié)論

在不考慮由彈塑性變形造成的結(jié)構(gòu)件撓性化問題的前提下，本文通過對機(jī)械設(shè)計中典型撓性元件彈簧、密封圈、皮帶在虛擬樣機(jī)裝配中撓性化處理進(jìn)行一般性的研究，很好地解決由于零件撓性化造成的裝配干涉等實(shí)際工程問題；同時開創(chuàng)性地提出通過撓性化處理手段，針對橡膠密封件的實(shí)際密封狀態(tài)進(jìn)行研究，對密封件的可靠性設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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(編輯 李秀敏)

Research on Deformation of Flexible Element in Virtual Assembly

TAOZe-liu1,YANGLiu-bin2

(1.SchoolofMechanicalandAutomativeEngineer，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009,China；2.ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporationNo.38ResearchInstitute,Hefei230031,China)

Intheassemblyprocessofmechanicalparts,someelementswillbeflexibledeformationundertheactionofpreload.Alloftheseproblemsarestudiedintherangeofinelasticdeformationinthispaper.Inviewofthevirtualprototypedesign,suchmanypracticalengineeringproblemsasassemblyinterference,flexibledeformationstatedisorder,institutionalanalysisnotbeingcarriedoutsmoothly,thesizeoftheflexibledeformationuntrue,whicharecausedbyflexibledeformation.Thosetypicalflexibleelements,suchasspring,sealingring,beltdrive,whicharestudiedonthecorrelationofmechanicalproductdesign.Andtheproblemsofvirtualassemblyinterferenceetcbeingcausedbydeformationofflexibleelementinengineeringdesignhavebeensolvedperfectly.

flexiblecomponents;virtualprototype;flexiblechange;assembly

1001-2265(2016)12-0110-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.030

2016-01-27；

2016-03-07

陶澤柳(1973—)，男，安徽安慶人，合肥工業(yè)大學(xué)博士研究生，工程師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與應(yīng)用，(E-mail)tzl_349@163.com。

TH122；TG

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