1、基于 ProENGINEER 的机盖锁运动仿真与应力分析倚真蜀厘簖彭红星潘玉山(江苏省靖江职业教育中心校)摘要:CAD 与 CAE 一体的设计方法进行产品设计这种设计方法可减少实物模型和样机的投入,避免设计缺陷,缩短产品开发周期和降低产品成本.文章在发动机盖锁相关零件三维模型已建立的基础上,尝试利用 Pro/ENGINEER 的机构模块进行发动机盖锁的运动仿真,利用 Pro/ENGINEER 的有限元分析模块 Pro/MEcHANIcA 进行发动机盖锁的强度和刚度校核,表明零件在危险截面区的最大应力小于许用应力,满足强度要求,底板满足刚度要求,提高了设计的可靠性.关键词:发动机盖锁;计算机辅助
2、设计;运动仿真;有限元分析HoodLockMotionSimulationandStressAnalysisBasedonPro/ENGINEERAbstract:TheproductdesigncombiningCADandCAEcanreducethecostofmodelandtrialmodelSOastoavoiddesigndefect,shortenproductdevelopmentcycleandreduceproductcost.Basedontheestablishmentofthethreedimensionalmodeloftherelativepartsofengi
3、nehoodlock,thispaperintroducesthechecksoftheintensityandstiffnessofenginehoodlockwiththehelpofPrO/ENGINEERfiniteelementanalysismodule,indicatingthatattheweaksectionofparts,itwillmeetthedemandofintensitybecausethemaxstressislessthanadmissiblestress,whichenhancesthereliabilityofdesign.Keywords:Engineh
4、oodlock;CAD;Motionsimulation;Finiteelementanalysis汽车发动机盖锁属于发动机盖的附件,是具有独立功能的部件.其功能旨在使发动机盖安全锁合,并保证机盖不得自动开启.发动机盖锁的结构包括锁本体,内开机构和安全锁 3 部分1.文章介绍如何利用 Pro/ENGINEER(版本为 WILDFIRE4.0)的相关模块进行机盖锁的计算机辅助设计,其中机盖锁的运动仿真涉及的模块为 MDX(MechanismDesigneXtension 机构设计扩展),机盖锁的强度和刚度校核涉及的模块为 Pro/MECHANICA.1 发动机盖锁锁合过程的动力学分析图 1 为某
5、车型的发动机盖锁,该锁采用棘轮棘爪锁合机构,并设有保险钩,使用可靠,大大提高了汽车行驶的安全性怛 J.1)在组件 (即装配 )中,设置保险钩,棘轮,棘爪与底板的连接均为销钉连接(即转动副);模拟发动机盖的圆柱体与底板的连接为滑动杆连接(即移动副).252)进入机构模块,建立 3 个凸轮机构,分别为棘轮与棘爪的凸轮连接,模拟发动机盖的圆柱体与棘轮的凸轮连接和模拟发动机盖的圆柱体与保险钩的凸轮连接.3 个凸轮连接都启用升离.另外,还需要定义保险钩回位簧,棘轮回位簧和棘爪回位簧等 3 根弹簧.各弹簧的参数见表 1,其中为各弹簧的原长,k 为各自的刚度系数(即倔强系数).表 1 各弹簧参数因为要验证
6、4kg 重物从 300mm 高处落下,机盖锁是否能够顺利锁合,所以将模拟发动机盖的圆柱体质量设成 4kg,其它零件的质量属性按其实际的密度来设置.3)建立动态的机构分析,并启用重力.仿真表明,在给定的条件下,机盖锁能顺利锁合,且整个过程中运动部件之间无干涉.发动机盖锁锁合前,后的状态,如图 2 和图 3 所示.图 2 发动机盖锁锁合前的状态一26图 3 发动机盖锁锁合后的状态通过测量,可得到机盖下落过程中棘轮角加速度随时间的变化情况,如图 4 所示.分析数据可知,在 0.24S时,即机盖与棘轮刚接触的瞬间,棘轮的角加速度获得极大值,为 4.76X10(.)/s,约 8.3X10rad/s.l3
7、时间/s图 4 发动机盖下落过程中棘轮角加速度的变化情况由软件分析可知,棘轮绕棘轮轴的惯性张量(即转动惯量)1 为 1.56x10kg?1TI. 结合相关数据,可计算出机盖与棘轮刚接触瞬间机盖对棘轮产生的冲力FoFI:k(L一 L)=3.32(6650)53NFrFIr,=I3F:!: 114N=:一ll4l,.0.023式中:,r棘轮回位簧的长度,产生的弹力及对应的力臂:,机盖冲力所对应的力臂.2 发动机盖锁的应力及变形分析【31机盖锁强度和刚度校核的前提是棘轮受 5000N向上的拉力作用.校核强度时,分 2 种情形:一种是棘轮轴孔和棘爪轴孔被约束(即假定底板不发生变形);另一种是底板上 3
8、 个安装孔被约束.在 Pro/ENGINEER 集成的有限元分析模块Mechanica 中 ,首先对底板 ,棘轮和棘爪的材料进行定义,由于 3 者材料均为 20 热轧钢板,故设置它们为各向同性的线性材料,且杨氏模量为210“Pa,泊松比为 0.27;接着设置约束及载荷,如前所述,约束分 2 种情形,而载荷都为棘轮受到的 5000N 的拉力(该力作用在图 5 中棘轮的 U 形圆弧面上,力的方向向上);最后定义并运行分析(网格划分由软件自动完成),获取分析结果.棘轮受5000N 向上的拉力作用,棘轮,棘爪和底板在不同板厚时所受的 vonMises 应力,如表 2 所示(在组合 1 和组合 2 这
9、2 种情况下,底板被处理为不发生形变的刚体).97531一/【o 若_【)蛔磊表 2 不同板厚组合时的最大应力棘轮,棘爪和底板的板厚分别为 4,3,2.3mm,底板上 3 个安装孔被约束,棘轮受 5000N 向上的拉力作用时,最大应力为 789MPa,如图 5 所示.底板上棘轮轴孔和棘爪轴孔处 X 方向的位移均约为一 0.1mm,如图 6 所示.20 热轧钢板供货状态:410MPa;热处理状态:表面为11331397MPa,芯部为 850MPa.对比数据可知,零件在危险截面处的最大应力小于许用应力,棘轮,棘爪和底板满足强度要求.此外,底板上棘轮轴孔和棘爪轴孔的间距由于弹性变形而发生的改变可忽略
10、不计,底板的刚度亦够.图 5 机盖锁 yonMises 应力图(上接第 24 页)图 2 电池 SOC 变化曲线5 结论模糊控制策略对 PHEV 控制有效,降低了排放,图 6 机盖锁方向的位移图3 结论利用 Pro/ENGINEER 的相关模块进行发动机盖锁的计算机辅助设计,通过运动仿真验证其锁合过程,通过应力应变分析校核其强度和刚度,提高了设计的可靠性.这种集 CAD 与 CAE 一体的设计方法,可减少实物模型和样机的投入,避免设计缺陷,缩短产品开发周期,降低产品开发及制造成本1.参考文献11 黄虎,赵波 ,刘宇虹,等.虚拟样机技术在汽车发动机盖锁设计中的应用Jl 机械设计,2005,22(
11、8):45 47.2汽车工程手册 编辑委员会.汽车工程手册一设计篇M.北京:人民交通出版社,2001:695.3祝陵云,李斌 .Pro/ENGINEER 运动仿真和有限元分析M 】北京:人民邮电出版社,2003:45.47.(收稿日期:2009.0610)提高了整车经济性.模糊控制使 SOC 的波动较小,延长了电池组的使用寿命.文章研究使用的模糊逻辑控制策略设计,可以为国内开发其他并联式混合动力汽车驱动控制策略模块提供参考.参考文献1】段岩波 ,张武高,黄震.混合动力汽车模糊逻辑控制策略仿真J】.内燃机工程,2003,2(24):66-69.2陈萍.并联混合动力汽车动力总成控制策略的仿真研究D】.吉林:吉林大学,2007.3闻新,周露 ,李东江,等.Matlab 模糊逻辑工具箱的分析与应用M.北京:科学出版社,2002.(收稿日期:2009.05.28)一27
