虚拟装配中挠性元件变形的研究

陶泽柳，杨柳彬

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009；2.中国电子科技集团第38研究所，合肥 230031)

虚拟装配中挠性元件变形的研究

陶泽柳1，杨柳彬2

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009；2.中国电子科技集团第38研究所，合肥 230031)

论文研究了在机械零部件装配过程中，有些元件在预紧力作用下发生的非弹塑性变形范围内的挠性变形问题。针对在虚拟样机设计时，因挠性变形导致的装配干涉、挠性变形状态紊乱、机构分析不能顺利进行、挠性变形后的尺寸未真实体现等诸多实际工程问题，通过对典型挠性元件弹簧、密封圈、皮带传动的机械产品设计实例作相关性研究，很好地解决了工程设计中挠性元件变形引起的虚拟装配干涉等诸多问题。

挠性元件；虚拟样机；挠性化；装配

0 引言

在进行机械产品结构设计时，经常碰到在虚拟装配过程中有些元件在预紧力作用下会发生挠性变形，即零件的实际使用状态与原始状态有变化。因此，在工程应用中需要解决的问题主要有：①做虚拟样机设计分析时，各零件若处在干涉状态，会导致运动学和动力学分析不能正常进行。②在虚拟样机设计中，同一元件在装配体中发生挠性变形量的不同会呈现多种状态，实际在BOM清单中又只能体现一个相同的零件。③在实际装配中发生挠性变形后的零件，其具体尺寸如何确定。

国内外针对虚拟装配类型及约束定位技术的研究众多[1-5]，针对上述问题，在目前的文献资料中只能查阅到对弹簧的挠性装配问题的探讨，没有进一步研究基于挠性化元件的一般工程性问题的处理方法。本文基于Pro/E进行虚拟样机设计与装配[6-8]，通过对齿轮传动设计中提供预紧摩擦力的弹簧、电子产品防水设计中橡胶密封圈、带轮传动设计中皮带等典型挠性元件的挠性化处理的研究，很好地解决上述问题。

1 挠性化处理实例

1.1 弹簧装配

在机械产品结构设计中，弹簧作为一种提供预紧力的元件，被广泛应用。其类别大致有压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧等几类[9]，装配时一般呈受压、受拉或扭转状态。弹簧经装配后，与其原始状态相比，有状态或位置的变化，所以在虚拟样机设计中存在挠性装配问题。

在进行齿轮传动设计时，为防止运动机构的堵转造成电机的损坏，将其中某级齿轮的刚性传动类型改成通过摩擦力作用的摩擦传动，如图1所示，蜗轮和分离齿轮通过摩擦力咬合传动，锥形弹簧的压变形提供预紧力以产生摩擦力。

图1 弹簧装配三维实体模型

通过计算，将锥形弹簧设计成两端受压并磨平结构，有效圈数n=3，具体尺寸如图2a所示。由于弹簧装配后，总长度由12.5mm压缩为5.5mm，所以中间有效圈数部分的节距需要根据压缩后的高度进行调整，通过图2b关系式控制压缩装配后的有效圈数的节距[8]。

图2 锥形弹簧结构

弹簧的挠性化装配过程中，将总高度12.5mm作为可变项目，变化控制的数值按照测量数值即弹簧压缩装配的空间距离数值来设置。在本例中，弹簧压缩装配的空间距离数值为5.5mm，挠性装配的结果及参数化控制方式设置如图3所示。

图3 弹簧的挠性化装配

1.2 橡胶密封

密封可分为静密封和动密封两大类。静密封主要有垫片密封、密封胶密封和直接接触密封三大类；动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型[10]。在密封产品设计中，大多需要使所采用的密封件在密封装配中有一定的变形量，如O型圈、端面垫片压紧密封等，这就涉及密封圈的挠性变形装配问题。

如汽车防盗报警喇叭的防水等级需要做到IP57等级，外部音腔需要密封，如图4所示，采用类O型圈的端面压紧密封方式密封，设计的密封圈和密封槽的具体尺寸如图5所示，密封圈直径比密封槽直径要小，在虚拟样机装配中，密封圈原始状态处在失位状态，在做全局体积干涉检查时会出现干涉问题。

图4 密封圈与密封槽对应关系

图5 密封圈设计尺寸

在装配过程中，为便于对密封圈进行挠性化处理，将密封圈的截面尺寸重新定义，只需要改变密封圈的内半径R=13.5，就可方便地挠性化处理密封圈的半径使之和密封槽的内半径相匹配。如图6所示的密封圈的挠性化装配定义，将密封圈的内半径作为可变项目，在不改变密封圈原始模型的基础上，密封圈与密封槽配对处在安装位置上。

图6 密封圈的挠性化装配

在实际装配状态下，由于密封圈有变形，其截面状态会有所变化，产品在最终装配状态下，密封圈的密封压缩量到底是多少无法很直观地体现。本例中利用橡胶零件的体积基本不可压缩特性来定义变形后的密封圈截面变化，定义如图7所示的截面尺寸控制关系图。挠性化处理后，密封圈的截面尺寸1mm变到了如图所示的0.8mm，由此在密封状态下，橡胶的压变形量由之前的0.5mm变到实际的0.3mm，这在实际设计中是非常重要的数据。

图7 挠性化处理后密封圈截面变化

1.3 带传动挠性装配

在带传动中，由于需要提供足够的张紧力，在选定皮带长度后，大小带轮的中心距需要变位来保证皮带的张紧力，显然在皮带的虚拟装配过程中也涉及挠性装配问题。

以某鼓风机用普通V带传动设计为例：动力机为Y系列异步三相电动机，功率P=7.5kW,转速n1=1440r/min，鼓风机转速n2=630r/min，每天工作16h。实际中心距不超过700mm。

通过相关计算，选择A型V带，小带轮直径D1=125mm，大带轮直径D2=280mm，中心距a=677.4mm，皮带基准长度Ld=2000mm，传动带根数z=5根，考虑安装调整及补偿张紧力的需要，中心距的变动范围为amax=737.4mm，amin=647.4mm。为保证皮带提供足够的张紧力，将中心距a调整到700mm。由于皮带基准长度Ld=2000mm不变，在虚拟样机中装配就会出现干涉问题，此时需要将皮带结构在装配体中进行挠性处理(不影响原始零件尺寸)，在草图中将皮带中心距尺寸(如图8所示677.4mm)与大小带轮的轴间距700mm关联，如图9所示。

图8 皮带截面的扫描轨迹

图9 皮带中心距按照带轮中心距挠性处理

对皮带进行挠性化处理的效果对比如图10所示。挠性化处理后的皮带处在正确的安装位置上(图中皮带的数量只选择装配2根是为了更好地显示图片效果)，未挠性化处理的皮带与带轮会产生干涉；同时两者在零件目录中所显示的零件名称是一致的，只是显示符号有差别，这在产品设计的零件BOM表中有很好地体现与应用。

图10 挠性化处理的对比图

2 结论

在不考虑由弹塑性变形造成的结构件挠性化问题的前提下，本文通过对机械设计中典型挠性元件弹簧、密封圈、皮带在虚拟样机装配中挠性化处理进行一般性的研究，很好地解决由于零件挠性化造成的装配干涉等实际工程问题；同时开创性地提出通过挠性化处理手段，针对橡胶密封件的实际密封状态进行研究，对密封件的可靠性设计具有一定的指导意义。

[1] 李建广,夏平均.虚拟装配技术研究现状及其发展[J].航空制造技术,2010(3):35-36.

[2] 段晓坤,吴波，赵秀林.虚拟装配中的混合设计建模方法研究[J].机电工程,2012,29(9):1007-1010.

[3]JayaramS,ConnacherHI,JayaramU.VirtualAssemblyUsingVirtualRealityTechniques[J].ComputerAidedDesign(S0010-4485),1997,29(8):575-584.

[4]DewaRG.AssemblyPlanninginAVirtualEnvironment[C].ProceedingsofPortlandInternationConferenceonManagementandTechnology，Portland,USA:1997:664-667.

[5]MarcelinoL,MurrayN.AConstraintManagertoSupportVirtualMaintainability[J].Computers&Graphics(S0097-8493),2003,27(9):19-27.

[6] 胡雯婧.基于Pro/E平台的虚拟装配技术研究 [D]. 西安:西安电子科技大学,2012.

[7] 张延，胡修池.Pro/Engineer5.0应用教程[M]. 北京：机械工业出版社,2011.

[8] 江有永.Pro/E环境中的弹簧装配研究及应用[J]. 机械设计,2012，29(6):74-76.

[9] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社,2007.

[10] 邱宣怀.机械设计[M]. 北京：高等教育出版社,1997.

(编辑 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

陶泽柳(1973—)，男，安徽安庆人，合肥工业大学博士研究生，工程师，研究方向为先进制造技术与应用，(E-mail)tzl_349@163.com。

TH122；TG

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