2015/12/1 16:16:58 以滚动轴承为例的汽车零部件虚拟仿真软件研究

本文主要以Solid Works 和 ADAMS 软件为例介绍汽车零部件动力学特性虚拟仿真软件的分析与研究。探讨一种更为快速的零件动力学性能模拟分析方法。进而通过利用动态虚拟仿真技术达到辅助目前常规汽车台架试验、道路试验等对零部件及总成的动力学性能验证的目的,并为日后搭建汽车领域自动化虚拟仿真试验平台设计进行尝试。

  滚动轴承作为一种重要的机械零件在汽车设计领域用途广泛,而滚动轴承的运转状态的恶化不仅能导致设备振动和噪声的加剧,而且可以引起机械系统的重大事故。

目前国内外对于滚动轴承动力学的设计、制造方法、摩擦学、动力学和实验工作进行了比较深入的研究。但是由于滚动轴承组件中零件较多、运行工况复杂,已有工作往往对滚动轴承的运动状况进行了一定的简化。文中通过使用虚拟样机软件 ADAMS,利用多体动力学技术,对滚动轴承的动力学进行全面仿真,分析滚动体 - 内外圈游隙、滚动体 - 兜孔游隙、润滑状况、工作负荷和转速等因素对滚动轴承运动情况的影响,研究磨损、波纹度和表面点蚀等故障因素对轴承工作产生的影响。该工作的研究对于指导滚动轴承设计、降低滚动轴承振动和噪声有重要价值。

将滚动轴承虚拟原型运用到设计过程中,更可以大量节省开发费用,缩短开发周期,提高开发效率。

用 Solid Works 软件建模

Solid Works 软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统,使用了 Windows OLE技术、直观式设计技术、剑桥提供的先进 parasolid 内核以及良好的与第三方软件的集成技术,使其拥有功能强大、易学易用、技术创新三大特点,该软件成为目前世界领先的、主流的三维 CAD 解决方案。

模型设计

首先尝试从 Solid Works 库文件里直接调出某一型号的深沟球轴承,然后导入 ADAMS 软件进行仿真分析。但是实践证明,库文件里的标准件都是一体的,无法对滚动体、保持架、内圈等运动体一一进行分析。因此进行分开建模分析,基本流程为根据设计要求确定基本零件尺寸、做出基本零件体、实现总成装配,设计零件体及装配体。

轴承的参数化设计数据确定滚动轴承 ( 轴承代号 6208)模型参数、材料参数、接触碰撞参数等。

汽车虚拟仿真软件模型参数

用 ADAMS 软件建模软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。其仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

动力模型导入

两个软件交互导入过程很重要,其步骤如下:

(1) 在 Solid Works 中把零件或组件另存为 parasolid 格式,版本最好选 12. 0 以下,文件名和保存路径不能出现中文字符。把 . x_t 改为 . xmt_txt,这一步很重要。

(2) 在 ADAMS 中的 import 选择文件类型,指向文件,如果是组件就选 model name,如果为零件就选 part name,在后面的空格里单击右键,选 part 或 model,再选 create,可以改名字。如果直接在空格里输入名字,导入后会看不见模型,要更改透明度才能看见。  

  (3) 导入完成后,在 ADAMS 中编辑各个零件的属性,添加各种约束,进行分析。ADAMS 建立的模型如图 3 所示,其中箭头、文字等代表受力及旋转方向、约束关系及配合关系等。

    虚拟仿真约束力图

用 ADAMS 软件进行仿真动力学分析模拟滚动轴承的运动情况,通过对保持架、内圈的运动和碰撞情况进行运动仿真,再由 matlab 软件对结果进行分析。得出间隙变化、载荷变化对内圈和保持架运动的影响。

3. 1 间隙变化引起内圈运动的变化情况综合分析间隙在 30 μm、70 μm、110 μm 情况下的图 4、图 5和图 6 可得到以下结论:(1) 轴承内圈中心轨迹是混沌的,没有周期性可以遵循,这一点可以从水平和垂直方向的位移可以看出;

虚拟仿真软件间隔参数

(2) 间隙不同时内圈中心的运动范围分别是 - 0. 013 ~0. 012 mm、 - 0. 02 ~ 0. 02 mm、 - 0. 025 ~ 0. 025 mm。间隙越大内圈运动范围越大,引起的振动噪声等越大;

(3) 从频谱图上看都有较高频谱成分,在 20 Hz、270 Hz附近出现频率峰值。当间隙增到 110 μm 连续低频成分增多,间隙变化引起内圈运动不规则性增加;

(4) 同样方法也可以得到间隙变化引起保持架运动的变化情况。

   载荷变化引起内圈运动的变化情况

综合分析载荷值在 1 k N、5 k N、10 k N 情况下的数据图 可得到以下结论:

(1) 轴承内圈中心轨迹是混沌的,没有周期性可以遵循。但水平波动要小于垂直波动;

(2) 当载荷值增大时,内圈运动范围减小,偏心程度增大,引起的振动、噪声等越大;

(3) 从频谱图上来看都有比较高的频谱成分,在 20 Hz 附近出现频率峰值。载荷为 1 k N 时,连续低频成分很多,载荷增大时,引起保持架运动的不规则性减小;

(4) 同样方法也可以得到间隙变化引起保持架运动的变化情况。

  仿真实验总结及其应用前景展望

通过 Solid Works 和 ADAMS 软件建立了精细的动力学模型,模型中考虑了轴承部件———外圈、内圈、保持架和滚子之间的相互作用力,进行了滚动轴承的动力学模拟。并进一步通过Matlab 软件,得到了位移、频谱、运动轨迹图像分析结果。通过这些模拟和分析可以得到如下结论:

(1) 采用 ADAMS 软件建立动态模型可以较好反映零件实际工况,对于深入理解其工作机理有较好效果。

(2) 含径向间隙的保持架和内圈中心轨迹没有周期性,这是对滚动轴承这样含有间隙等非线性因素的多体系统的非线性特征的体现。因此对于复杂汽车零部件运动的非线性问题有较好的借鉴意义。

(3) 间隙、载荷等因素导致轴承内圈和保持架水平和垂直的频谱发生变化,保持架的频谱在低频区连续分布,证明其混沌程度较大。如果把此项工作运用到对波纹、砂眼等缺陷的分析上,对于故障检测、生产等方面将有重大的实际意义。

(4) 软件模拟分析运动模式基本涵盖目前汽车重要零部件的运动模式,因此可应用范围较广。但目前存在的主要问题是计算精度问题和相应算法的修正,因此日后仍然需要通过大量基础试验获得的更多数据来对软件的模拟环境及模拟算法进行不断修正和简化。但我们仍然有充足理由相信软件仿真会随着仿真软件的发展和基础试验数据的不断弥补更新,在汽车设计制造领域沿着前期仿真设计、中期辅助常规试验、未来全面代替常规试验的方向进行下去,从而带动更新更快的汽车设计周期及更为可靠的零部件设计质量。


 
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