基于UG的双离合自动变速器运动仿真分析

王 琛， 于嘉浩

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

UG运动仿真功能是在结构设计、三维建模、虚拟装配的机构模型基础上，对机构中每个部件的三维模型赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系，使之成为一个运动仿真机构模型[1]，从而模拟机构的实际运动，分析机构的运动规律，研究机构运动时的受力情况。UG运动仿真功能可以对机构模型进行大量的装配分析和运动合理性分析工作，例如干涉检查，轨迹包络，分析机构中零件的速度、加速度、作用力与反作用力等，得到大量的运动参数，实现对机构模型的改进和设计方案的优化。

1 运动学特性设置

UG运动仿真的关键步骤是对机构模型进行运动学特性设置，包含连杆设置和运动副设置[2]。运动机构在装配完成后，各个部件并不能按照装配模块中的连接关系进行连接，需要为每个部件赋予一定的运动学特性，即为机构指定连杆和运动副[3]。在运动学中，连杆和运动副两者是相辅相成，缺一不可的。运动是基于连杆和运动副的，而运动副是创建于连杆上的副。

连杆是创建运动仿真的基础，合理地设置连杆的惯性和材料属性，可以使运动仿真更加准确真实[4]。建立连杆的对象既可以是具有一定质量和体积的三维实体，也可以是二维的曲线和点。每个连杆可以由多个对象组成，但是一个对象只能属于一个连杆，对象之间可以存在间隙，也可以相互干涉。如果连杆不需要运动，可以设置连杆为“固定连杆”。在一个运动机构中必须有一个固定连杆或者运动副，否则将无法进行运动仿真。

运动副的作用是将机构中的连杆连接在一起，成为一个有机的整体进行运动。为了让机构的运动按照预期设置进行，必须使用运动副连接以实现协调。运动副的设置需要根据机构模型的实际运动状态来进行选用[5-6]。UG软件中提供了15种类型的运动副，分别为旋转副、滑动副、柱面副、固定、螺旋副、球面副、平面副、万向节、等速、共点、共线、共面、方向、平行、垂直，其中旋转副、滑动副和柱面副可以提供驱动[7-8]。

2 双离合自动变速器运动仿真分析

2.1 创建运动分析方案

运行UG软件，打开装配完成的双离合自动变速器传动机构文件，进入运动仿真模块，在运动导航器中选择双离合自动变速器传动机构为主模型.

新建运动仿真方案后，系统自动生成机构所定义的连杆，但系统生成的连杆中有多余定义的部分，需要进行删减与修改，删去多余定义的部分，保存有用的连杆。为了进行精准的仿真分析，还需要对连杆的质量特性进行定义，包括质心位置和材料属性定义[9-10]。由于传动机构中的连杆多为绕其中心轴线旋转的齿轮和轴，其质心位置常设置于连杆的结构中心点上，也在连杆的中心轴线上。根据双离合自动变速器传动机构的实际材料应用，设置材料类型为20CrMnTi。

创建运动副主要分为四个步骤：第一步，选择运动副的类型，供选择的类型有旋转副、滑动副、柱面副等；第二步，选择第一个连杆，确定其运动副的原点位置和矢量方向；第三步，选择第二个连杆，确定其运动副的原点位置和矢量方向；第四步，定义运动驱动，其中旋转副、滑动副和柱面副可以提供驱动。双离合自动变速器的传动机构中，由于各啮合齿轮、传动轴之间的实际运动为旋转运动，创建各旋转部件的运动副为旋转副。对于如平键之类的部件，由于其实际运动为平移运动，创建其运动副为滑动副[11]。

2.2 前进一档仿真分析

以前进一档为例，对前进一档进行仿真分析。双离合自动变速器处于前进一档时，动力从离合器传递到输入轴，经由主动齿轮传递到输出齿轮，再由同步器将动力传至输出轴输出。此时动力的主要传输路径为主动齿轮与输出齿轮的啮合。对于齿轮传动机构的运动仿真分析，需要增加齿轮副，齿轮副由输入轴旋转副J001和输出轴旋转副J002构成。输入轴旋转副J001对应于一档主动齿轮与输入轴的连接，旋转副J002对应于一档从动齿轮与输出轴的连接。

给输入轴旋转副J001定义运动驱动，设置驱动类型为“恒定”数值驱动，输入初速度为360 deg/s。在“分析类型”中选择“运动学/动力学”，“时间”设置为1，“步数”设置为30，其他设置默认，运行求解。输入轴旋转副J001和输出轴旋转副J002的匀速前进一档仿真分析如图1所示。

从图1中可以看出，输入轴和输出轴都是匀速转动的，输入轴的转速为360 deg/s，大于输出轴的转速100 deg/s。反映了一档的传动特征，即双离合自动变速器产生了减速、增大扭矩的作用。计算输入轴和输出轴的传动比为：i1=输出轴速度/输入轴速度=100/360≈0.27，与由齿数计算而来的传动比相同。

图1 匀速前进一档仿真分析

给输入轴旋转副J001定义运动驱动，设置驱动类型为“恒定”数值驱动，输入初速度为200 deg/s，加速度为100 rad/s2，在“分析类型”中选择“运动学/动力学”，“时间”设置为1，“步数”设置为30，其他设置默认，运行求解。输入轴旋转副J001和输出轴旋转副J002的加速前进一档仿真分析如图2所示。

图2反映了一档加速时的运动情况，从最上面起，第一条曲线是输入轴旋转副J001的速度曲线，第二条是输入轴旋转副J001的加速度曲线，第三条是输出轴旋转副J002的速度曲线，第四条是输出轴旋转副J002的加速度曲线。对比4条曲线可以看出输入轴的速度比输出轴的速度快，同时输入轴加速度比输出轴加速度大，所得仿真结果与机构实际运动状况相符。

给输入轴旋转副J001定义运动驱动，设置驱动类型为“恒定”数值驱动，输入初速度为360 deg/s，加速度为-180 rad/s2，在“分析类型”中选择“运动学/动力学”，“时间”设置为1，“步数”设置为30，其他设置默认，运行求解。输入轴旋转副J001和输出轴旋转副J002的减速前进一档仿真分析如图3所示。

图3反映了一档减速时的运动情况，从最上面起，第一条曲线是输入轴旋转副J001的速度曲线，第二条是输入轴旋转副J001的减速度曲线，第三条是输出轴旋转副J002的速度曲线，第四条是输出轴旋转副J002的减速度曲线。对比4条曲线可以看出输入轴的速度比输出轴的速度快，同时输入轴的减速度比输出轴的减速度大，所得仿真结果与机构实际运动状况相符。

3 总结

UG运动仿真是在结构设计、三维建模、虚拟装配的机构模型基础上，对机构中每个部件的三维模型赋予一定的运动学特性，模拟机构的实际运动，分析机构的运动规律，研究机构运动时受力情况的过程。本文选用双离合自动变速器为研究案例，建立了双离合自动变速器传动机构的仿真分析方案，并以前进一档为例进行仿真分析，所得仿真结果与机构实际运动状况相符，验证了UG运动仿真功能在实际应用中的可靠性。