基于Inventor的桑塔纳型汽车5MT变速箱建模与装配仿真毕业论文.docx
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基于Inventor的桑塔纳型汽车5MT变速箱建模与装配仿真毕业论文
本科生毕业论文（设计）
基于Inventor的桑塔纳2000型汽车5MT变速箱建模与装配仿真
2013AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
BasedonInventorofsantana2000car5mtgearboxmodelingandassemblysimulation
Department:
MechanicalEngineeringDepartment,CollegeofEngineering
Major:
MechanicalEngineeringandAutomation
Grade:
2009
Student’sName:
linfeizhou
StudentNo.:
200903050613
Tutor:
haowu（assistant）
June,2013
摘要
目前单个零部件已经实现了生产自动化、集成化，实现了高效率低成本的目标，但是装配技术还无法满足生产自动化、集成化的需求，因此数字化装配技术应运而生，更受到了学术界和工业界的广泛关注。
数字化装配技术是指在计算机系统中建立具有物理性能产品零件的数字化模型，并对这些模型进行装配，以便在产品的研制过程中及时进行静态干涉检测，可拆卸性检查和可维护性检查等，以此尽快发现错误，并及时修改。
现在汽车作为人们生活中最重要的交通工具之一，汽车性能的好坏直接影响人们生命财产安全，然而变速箱在汽车动力分配环节占有重要地位，变速箱的好坏直接影响了汽车的性能。
所以本文主要针对桑塔纳2000型手动汽车变速箱，运用Inventor建立数字化模型，并对数字化模型进行虚拟装配，制作装配动画及运动仿真；对装配结果进行静态干涉检测；可拆卸性检查。
对检测结果进行分析，增强对汽车变速箱的认识，为提高汽车变速箱的性能提供参考。
同时进一步深化对数字化装配技术的研究。
关键词：
数字化；Inventor；装配；干涉；拆卸；桑塔纳
ABSTRACT
Currentlyasinglecomponenthasrealizedtheproductionautomation,integration,implementationofhighefficiencylowcostgoal,buttheassemblytechnologyisunabletomeettheneedsofproductionautomation,integration,digitalassemblytechnologyarisesatthehistoricmoment,therefore,moreattentionbytheacademiaandindustry.Digitalassemblytechnologyreferstothecomputersystemtobuildadigitalmodelofthephysicalpropertiesoftheproductparts,andassemblyofthesemodel,sothatintheproductdevelopmentprocessinatimelymannerthestaticinterferencedetection,removablesexinspectedandmaintainability,etc.,tothediscoveryoftheerrorassoonaspossible,andchangesinatimelymanner.
Automobilenowasoneofthemostimportanttransportationtoolinpeople'slife,thecarperformanceisgoodorbaddirectlyaffectpeoplelifeandpropertysafety,however,occupiesanimportantpositioninthetransmissionofpowerdistributionin,thestandorfalloftransmissiondirectlyaffectstheperformanceofthecar.Sothisarticlemainlyaimedatsantana2000typemanualcartransmission,digitalmodelwasestablished,andthedigitalmodelforvirtualassembly,productionassemblyanimation;Thefittingresultsarestaticinterferencedetection;Removablecheck.Analyzethetestresults,enhancethepeopleunderstandingofautomobilegearbox,providereferenceforimprovingtheperformanceofautomobilegearbox.Atthesametimetofurtherdeepenthestudyofdigitalassemblytechnology.
Keywords:
digitization;inventor;assemble;interference;dismantle
目录
第一章绪论3
1.1背景3
1.2数字化装配技术3
1.3国内外研究现状及应用3
1.3.1国内研究现状及应用3
1.3.2国外研究现状及应用3
1.4研究意义3
第二章变速箱工作原理及Inventor简介3
2.1汽车变速箱的分类和自动变速箱的原理3
2.2手动变速箱的工作原理3
2.3同步器作用3
2.4同步器的工作原理3
2.5Inventor简介3
第三章零件建模3
3.1建模文件的创建3
3.2二轴法兰的创建3
3.4中间轴的创建3
3.5其余零部件的创建3
第四章变速箱装配3
4.1装配文件的创建3
4.2中间轴总成的装配3
4.2.1装配——中间轴3
4.2.2装配——中间轴二档齿轮3
4.2.3装配——中间轴三档齿轮3
4.2.4中间轴余下零部件装配3
4.3四五档同步器装配3
4.3.1装配——四五档同步器齿座3
4.3.2装配——四五档同步器弹簧支架、钢球、弹簧3
4.3.3装配——四五档同步器锁环（左右）3
4.3.4装配——四五档同步器齿圈3
4.4变速器总装配3
4.4.1装配——箱体3
4.4.2装配——倒档总成3
4.4.3装配——中间轴总成3
4.4.4装配——二轴总成3
4.4.5装配——一轴总成3
4.4.6装配——换档机构总成3
4.4.7装配——其于零部件3
第五章装配仿真及动画的制作3
5.1装配动画制作3
5.1.1零部件装配动画制作——箱体3
5.1.2零部件装配动画制作——倒档轴总成3
5.1.3余下零部件装配动画制作3
5.2运动仿真3
5.2.1传动比的计算3
5.2.2运动仿真制作3
第六章总结3
参考文献3
附录A13
致谢3
第一章绪论
1.1背景
随着人类在不断的进化，世界也在不断的进步，市场竞争的国际化、全球化。
由曾经的大批量、单一化生产模式向变批量、多品种的生产模式逐步的转变，这给制造业提出了更高的要求，同时也给制造业带来了巨大的发展。
因为有需求、有竞争才能推动社会的发展，所以在市场的需求和科学家不断的探索中，产生了许多先进的制造技术，如计算机集成制造技术、虚拟制造技术、敏捷制造技术等众多先进的生产制造技术。
但是这些先进的技术都还处于试用阶段，单一的零部件已经基本实现的自动化、集成化生产方式。
然而大型的或者说较为复杂的机构还处于相对落后的阶段。
在这样的社会需求下科学家们又提出了数字化装配（虚拟装配）技术。
因为数字化装配技术能实现对零部件的数字化管理，包括对零部件的装配过程管理、干涉检测、可拆卸性检查等。
对其中所存在的问题进行评估预测，并将装配信息反馈给设计人员，及时对设计进行修改、优化。
这样不仅可以缩短产品的研制周期，还可以提高产品的质量，从而降低研制成本，增强市场竞争力。
1.2数字化装配技术
数字化装配（DigitalAssembly）是指在计算机系统中创建零件的数字化模型（三维实体），并对这些模型进行模拟装配，以便在产品的研制过程中及时进行工艺性检查、静动态干涉检验、可维护性检查和可拆卸性检查等，以此尽快发现设计错误，及时进行修改优化。
数字化装配的产品对象不仅仅指产品结构的装配，还包括产品的各种系统件，如机械系统、电气系统等各方面。
随着计算机系统及其相关设备的数据处理能力增强，产品的可视化成为可能，计算机辅助技术在产品开发中的应用，为基于信息的装配过程的研究打下了技术基础[1]。
1.3国内外研究现状及应用
数字化装配技术目前还处于萌芽阶段，与其相关的一系列标准还没有得到完善，所以国内外的研究人员都在不断对虚拟装配技术进行探索[1]。
1.3.1国内研究现状及应用
在国内，虽然对数字化装配技术的研究起步较晚，但近年来国内各研究机构对数字化装配技术的研究比较活跃。
华中科技大学的姜华博士等人在Pro/E环境下，利用其开发工具Pro/Develop成功开发了包括装配序列规划、装配路径规划及装配过程仿真等功能模块的数字化装配系统。
哈尔滨工业大学的顾廷权博士等人在现有CAD系统的基础上，开发了面向机器人装配的并行设计系统。
清华大学的张林煊博士基于Pro/E开发了一种寄生式的面向工艺规划的装配仿真子系统，该系统能在产品设计阶段通过数字化装配验证和改进装配工艺，并在必要时通过动态拆卸获取装配工艺，可作为产品装配过程可行性分析的可视化工具。
北京航空航天大学的张建标、唐荣锡与西北工业大学的魏生民等研究了利用增量干涉检测法得到任意两个零件之间的连接函数及移动函数，进一步求得装配产品的零件连接图、匹配关系图及稳定性方图，然后运用割集分析理论得到装配序列的方法。
河北理工学院的宋玉银博士对集成化产品装配设计与模糊评价方法进行了研究，采用基于实例的双向设计方法进行产品参数化结构设计，并建立了产品可装配性模糊评价系统[1]。
在应用方面:
西飞公司研制的数字化产品设计制造系统实现了产品零件的三维模型设计、数字化装配、空间检查等功能;西南交通大学机械工程研究所对基于虚拟现实技术的原型设计机理进行了研究，把虚拟现实技术与CAD设计环境结合起来;上海交通大学建立了分布式虚拟制造系统的框架体系（DVMS）等等。
对于基于虚拟现实技术的“沉浸式”虚拟装配技术，国内在这方面的研究以浙江大学和华中科技大学为代表，但因受到昂贵的硬件价格制约而得不到广泛的应用[1]。
1.3.2国外研究现状及应用
国外对虚拟装配技术的研究起步较早，在理论上的研究涉及面广，且己经有较为广泛的应用，较为典型的是美国华盛顿州立大学开发的“虚拟装配设计环境”。
美国华盛顿州立大学的Jayaram等开发研制了一个“虚拟装配设计环境”（VADE）的虚拟装配设计系统。
利用这个系统，设计人员可以在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题，从而避免了装配设计方面的缺陷。
在这个系统中，设计人员首先将在CAD系统建立的零件模型导入虚拟装配系统，然后在虚拟装配系统中设计人员直接操作虚拟零件进行装配，有关产品的可装配性得到检验，同时也获得了许多有关产品的设计和制造工艺信息。
HARI等提出了由各设计模块构成的拆卸框架，包括知识库创建、拆卸方法选择、拆卸分析和设计分析，根据设计分析提出更改设计建议。
Dewar等[35]提出了虚拟环境中辅助进行手工装配的方法。
该方法能够自动记录操作人员在虚拟环境中对虚拟部件的装配动作，还能辅助操作人员自动进行装配，并且询问操作人员装配时的装配方法，同时生成装配规划。
Zhade等提出在虚拟环境中利用自动和交互技术相结合的方法，研究了虚拟环境中原型产品的可拆卸性。
Derws等利用虚拟现实技术构建了虚拟工作平台，设计人员可以在此平台上可以借助各种虚拟外设对产品的装配进行分析，该平台还可以对简单机构的动力学进行仿真。
Gbaryaa等对虚拟环境下装配工人的培训问题进行了研究。
Choi等研究了使用虚拟装配工具DNYAMO进行装配仿真和装配验证技术，使设计人员可以尽早发现设计中存在的潜在问题[1]。
1.4研究意义
由于数字化装配技术具有容易实现产品设计、工艺设计、工装设计的并行工程，能够缩短产品研制周期，降低开发成本等特点和满足生产自动化、集成化的需求，数字化装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，对数字化装配技术进行研究具有很强的现实意义与迫切性。
本文利用Inventor的数字化装配技术，对桑塔纳2000型手动变速箱进行建模与数字化装配研究；在模拟装配的过程中进行静态干涉检测，以便发现设计中存在的问题。
通过Inventor对桑塔纳2000型手动变速箱进行模拟装配，理解数字化装配技术的理念，学习Inventor的数字化装配技术，体验数字化装配设计的操作过程。
第二章变速箱工作原理及Inventor简介
2.1汽车变速箱的分类和自动变速箱的原理
汽车变速箱主要分为三种，一种是手动变速箱，第二种是自动变速箱，最后一种是序列变速器。
手动汽车变速箱又分为：
4MT、5MT、6MT等型号；自动汽车变速箱又可以分为普通自动变速箱（AT）、手自一体变速器（Tiptronic）、无极变速器（CVT）、双离合变速器（AT）。
其中普通自动变速箱又可以分为：
4AT、5AT、6AT、8AT等型号；双离合自动变速器（AT）又分为干式和湿式两种。
自动变速器是利用行星齿轮机构进行变速，它能通过油门踏板的程度和车速的变化自动地调整传动的比例，从而进行变速。
2.2手动变速箱的工作原理
变速箱是由不同齿比的齿轮组构成的，它基本工作原理就是通过驾驶者手动切换不同的齿轮组，来实现齿比的变换，从而改变车辆的输出速度。
作为动力分配的关键环节，变速箱必须有动力输入轴和输出轴这两大件，再加上构成变速箱的齿轮组，就是一个手动变速箱最基本的组件。
动力输入轴与离合器相连，动力由离合器直接传递到输入轴，再传递给齿轮组，齿轮组是由不同齿轮比的齿轮组成的，不同的齿轮比例所达到的动力传输效果是完全不同的，平常驾驶中的换挡也就是指换齿轮比[7]。
各档位动力传输路径：
一档：
输入轴中间轴中间轴一档齿轮输出轴一档齿轮
一档同步器输出轴
二档：
输入轴中间轴中间轴二档齿轮输出轴二档齿轮
二档同步器输出轴
三档：
输入轴中间轴中间轴三档齿轮输出轴三档齿轮
三档同步器输出轴
四档：
输入轴四档同步器输出轴
五档：
输入轴中间轴中间轴五档齿轮输出轴五档齿轮
五档同步器输出轴
倒档：
输入轴中间轴中间轴一档齿轮倒档轴倒档齿轮输出轴倒档齿轮倒档同步器输出轴
档位动力输出路径如图2-1所示：
图2-1档位动力输出路径
2.3同步器作用
手动变速器的换挡机构形式有直齿滑动齿轮，啮合套和同步器三种，在轿车变速器上，前两种的换档形式已经很少使用，同步器换挡已经得到了非常广泛的应用。
由于换挡的时候，想要顺利的换挡，换挡前后两组主动齿轮的转速要保持一致，就算不能保持一致，也至少保证速度相近，但是由于前后两组齿轮比是不同的，所以在行驶过程中是不可能出现一致的情况的。
所以同步器应运而生，同步器通俗的说法就是在结合套和齿轮组上放置的摩擦片，与一般摩擦片不同的是，它的摩擦面是锥形的。
它的作用就是在直齿和圆盘的的立齿相接触以前，提前进行接触摩擦，将转速较大的一方的能量传递给转速较小的一方，以提升转速较小的一方的转速，使转速相对同步[7]。
2.4同步器的工作原理
同步器主要分为常压式（锁环式）同步器、惯性式同步器、和增压式同步器等类型。
锁环式同步器运用的较为广泛，锁环式同步器主要由同步器锥环、同步器锁环（左右）、同步器齿座、同步器齿圈、同步器定位压簧组成。
锁环式同步器结构如图2-1所示：
1同步器锥环、2、5同步器锁环、3同步器齿座、4同步器齿圈、6同步器定位压簧
图2-2同步器结构图
同步器不仅要实现变速前后不同齿轮组的速度同步，并且肩负了传动的功能，作为输出轴与传递齿轮直接的桥梁。
同步器工作时：
齿座的内花键与输出轴的外花键啮合，外花键与齿圈的内花键啮合；锁环的外花键与齿圈的内花键啮合，锁环的内圆锥面与锥环的外圆锥面配合；锥环的内花键与传动齿轮的外花键啮合，从而实现动力从传动齿轮到锥环、到锁环、到齿圈、到齿座、到输出轴的传动过程。
换挡时拨叉拨动齿圈移动，带动锁环与齿座移动，锁环的内圆锥面与锥环的外圆锥面先摩擦，使同步器与传动齿轮的转速慢慢趋于同步，同步后锁环的外花键与齿圈的内花键啮合，锥环的外花键也与齿圈的内花键啮合，即完成了一个换挡的过程。
2.5Inventor简介
Inventor是美国AutoDesk公司推出的一款三维可视化实体模拟软件AutodeskInventor?
Professional（AIP），目前已推出最新版本AIP2014。
同时还推出了iphone版本，在appstore有售。
AutodeskInventorProfessional包括AutodeskInventor®三维设计软件；基于AutoCAD平台开发的二维机械制图和详图软件AutoCADMechanical；还加入了用于缆线和束线设计、管道设计及PCBIDF文件输入的专业功能模块，并加入了由业界领先的ANSYS技术支持的FEA功能，可以直接在AutodeskInventor软件中进行应力分析。
在此基础上，集成的数据管理软件AutodeskVault-用于安全地管理进展中的设计数据。
由于AutodeskInventorProfessional集所有这些产品于一体，因此提供了一个无风险的二维到三维转换路径，您能以自己的进度转换到三维，保护的二维图形和知识投资，并且清楚地知道自己在使用目前市场上DWG兼容性最强的平台[8]。
第三章零件建模
3.1建模文件的创建
1.选择命令
新建建模文件的方式有3种：
选择菜单【文件】/【新建】命令。
选择工具栏新建工具。
按住键盘Ctrl键同时按下N键。
使用上述方法之一打开【新建】对话框如图3-1
2.选择文件类型
在【新建】对话框中设置文件的类型。
在【类型】选项组中选择sheetMetal.ipt
图标点击创建。
图3-1新建界面
完成文件创建后，即进入了Inventor建模环境进入建模环境后，点击择【三维建模】，即激活了建模操控板如图3-2所示，在此环境中进行零部件的三维实体创建。
图3-2建模操控板
3.2二轴法兰的创建
选择【新建】创建二轴法兰建模文件，点击【创建二维草图】激活二维草图绘制界面，草图绘制完成后确定，点击【旋转】创建毛坯，创建流程图如图3-3结果如图3-4所示：
图3-3二轴法兰创建流程
图3-4二轴法兰创建结果
3.3中间轴三挡齿轮的创建
图3-5正齿轮零部件生成器
由于Inventor具有设计加速器功能，则直接运用设计加速器进行设计。
打开Inventor新建装配操作界面，设置存储路径为桌面/毕业论文/中间轴三档齿轮。
点击快速访问工具栏中的【设计】按钮，单击【齿轮】选择【正齿轮】，弹出正齿轮零部件生成器如图3-5所示。
输入齿数、模数、螺旋角及齿宽等参数，点击计算即可得出其他参数，点击查看即可查看齿轮的材料、受力等信息，参数表如图3-6及图3-7所示。
图3-6齿轮相关参数表
图3-7齿轮相关参数表
点击确定得结果如图3-8：
图3-8齿轮生成器创建的结果
点击浏览器中需要的齿轮，另存为中间轴三档齿轮，打开中间轴三档齿轮进行编辑，创建草图拉伸、打通孔、创建凸台、创建凹槽、倒脚、完成并保存，结果如图3-9.
图3-9中间轴三档齿轮创建的结果
3.4中间轴的创建
中间轴的创建分为两个部分，一个是轴部分，另一个是轴上齿轮部分。
创建有两种方法，第一种就是利用设计加速器中轴生成器直接生成，然后经过设计加速器上的齿形设计，创建出轴上齿轮部分；第二种方法是用普通拉伸、旋转等方法创建轴部分，然后经过设计加速器创建轴上齿轮部分。
齿轮部分还可以通过渐开线法进行绘制但是过程过于复杂不宜选用。
第一种创建方式的过程及结果如图3-10所示。
图3-10中间轴的创建过程及结果
3.5其余零部件的创建
其余零部件的创建，创建方法也如齿轮、轴的创建方式相似，简单的零部件只需要用到一个或几个特征，而复杂的零部件则需要运用多个特征，更复杂的零部件则需要重复运用多个特征。
基本步骤都是：
创建建模文件——草图——拉伸（旋转、孔、圆角、倒脚、扫掠、放样）——完成并保存；对标准键库所有的零部件则可以直接掉用，有部分零部件也可以运用Inventor的设计加速器功能，进行设计生成；完成变速箱零件库的创建。
零件库如附录A1表3-1。
第四章变速箱装配
4.1装配文件的创建
1.选择命令
新建装配文件的方式有3种：
选择菜单【文件】/【新建】命令。
选择工具栏新建工具。
按住键盘Ctrl键同时按下N键。
使用上述方法之一打开【新建】对话
框如图所示。
2.选择文件类型
在【新建】对话框中设置文件的类型。
在【类型】选项组中选择【standard.iam】
点击创建。
图4-1新建文件对话框
完成文件创建后，即进入了Inventor装配环境如图4-2：
进入装配环境后，可以选择【放置】从资源中心或指定文件夹装入零件；也可以选择【创建】创建所要装入的零件。
装入零件后使用操控板可以定义零件的放置位置，装配关系如果不便选择装配参照，还可移动零件位置以选取，操控板如图4-2：
图4-2零件装配操控板
4.2中间轴总成的装配
创建中间轴装配文件，装入中间轴，利用零部件装配操控板对其装入的零部件进行编辑定义，中间轴的装配流程如图4-4所示：
图4-4中间轴的装配流程图
4.2.1装配——中间轴
将文件保存至“毕业设计/中间轴。
选择【放置】工具，打开放置对话框，查找需要装入的零件，选择“1-3-0-1-shaft_3”，单击“预览”按钮，在对话框左边出现该零件的模型预览如图4-5所示：
图4-5零部件放置对话框
确认无误后，单击“打开”按钮插入第一个装配零件，在装配工具区控制板被激活。
即完成第一个零件的装配。
4.2.2装配——中间轴二档齿轮
采用齿轮与轴的配合，选取装配—插入—对齐—干涉检测，完成齿轮定位装配，装配流程及结果如图4-6所示。
图4-6中间轴二档齿轮的装配流程及结果
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