2022年自由方向铰接系统转向机构方案与有限元分析

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1、个人资料整理仅限学习使用目录第一章绪论 . 1 1.1 全地形车简介 . 11.1.1 全地形车定义 . 1 1.1.2 全地形车发展历史 . 1 1.1.3 军用全地形车发展现状 . 21.2. 本课题研究的全地形车 - 全地虎 . 31.2.1 全地虎功能特点 . 3 1.2.2 全地虎结构特点 . 4 1.2.3 全地虎应用 . 51.3 本课题研究的主要内容. 5第二章转向油缸设计 . 6 2.1 油缸的安装要求 . 62.2 转向时基本几何关系 . 72.3 确定液压缸主要尺寸 . 82.3.1 工作压力的确定 . 8 2.3.2 计算液压缸的内径 D和活塞杆直径 . 9 2.4 液

2、压缸的缓冲装置 . 9第三章全地形车铰接转向机构的建模与优化分析. . 11 3.1 铰接转向系统 . 11 3.2 建模过程分析 . 123.2.1 转向连接件建模 . 12 3.2.2 转向主件建模 . 19 3.2.4 其他零件建模结果 . 24 3.3 模型的装配 . 25 3.3.1 UG 常用装配方法 . 25 3.3.2 UG 装配模式 . 25 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用3.3.3 设计装配过程 . 25第四章机构运动仿真及有限元分析 . 28 4.1 对铰接转向系统

3、进行运动仿真 . 29 4.1.1 创建连杆 (Links . 29 4.1.2 创建运动副 (Joints . 29 4.1.3 定义运动驱动 ”以及美国的 M-gator等3。1.2.本课题研究的全地形车 -全地虎1.2.1全地虎功能特点本课题研究的铰接式全地形车是军用物品人员运输机械，由于结构的特殊性，它能适应恶劣的气候、极差的地形以及具有高的可用性。铰接式全地形车由前后两个部分组成，每一部分都有自己独立的车架。前一部分布置发动机及其操作系统、驾驶室；后一部分布置车斗和自卸装置，通过铰链接头将汽车的动力部分与载货后车部分连接起来，铰链接头直接与汽车前车架或者后车架相连，接入垂直铰链和水平

4、铰链后使车辆具有良好的行驶性能：利用转向液压缸汽车的前车可以在水平面内相对于后车部分向左或向右进行一定的转弯，同时还可以利用铰接在前后车的液压装置进行俯仰。另外，前后车架都可以在垂直于公共纵轴的平面内绕公共纵轴作独立的无限制转动。图 1.3 全地虎全地形车由于铰接卡车转弯时两部分车架形成折叠角，使得汽车外轮廓转弯半径减小，而内轮廓转弯半径加大，这样使得其可以在狭窄的通道内通行；车身的两部分能相精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用对于公共纵轴转动，可以明显地减少车轮在悬架系统垂直方向跳动。上述因

5、素造成必须使用长而窄的车厢，同时有足够的深度4。铰接式通常采用大型宽截面履带，其接地比压小，保证车辆在松软和潮湿土壤地面的通过性和稳定性；翻斗车箱采用高强度钢制成，长行程液压缸可使车箱翻转角达到 70 度以上，保证将物料顺利卸载。图1.3 为全地虎全地形车整车图。全地虎全地形履带式多功能车是一种全天候全地形水陆两栖多功能车。一般具有以下功能：1. 适用于全地形、全路面。例如从冰雪覆盖的北极圈到沙漠、沼泽和泥泞丛林，都能正常使用。2. 作为通用平台，完成各种保障任务。3. 具有两栖功能，从陆上行进到水中浮游状态转换迅速。4. 可空投空运，实现人员与装备的快速部署。5. 具有高灵活性和高可靠的防护

6、能力, 可遂行敌火下的保障任务。6. 军民两用。1.2.2全地虎结构特点【1】. 性能优越的双车体结构采用前后车体铰接式连接，而且前后车均有驱动，贴地性好。具有突出的越野通过性能，可克服诸如双弹坑等恶劣地形，还可快速通过通用履带车辆需要缓慢行驶的土岭等障碍。图 1.4 全地虎双车体结构图【2】. 满足全路面的行走系统采用四条橡胶履带 , 接地比压小。同时橡胶履带在水中为划水装置。适于全路面行驶。【3】. 独特的五自由度转向系统精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用该车转向系统采用液压连接方式，车

7、辆前后车厢采用铰接连接方式。由两套液压缸驱动转向。转向是借助两个液压缸改变前后车厢之间的方向实现的，通过1 个普通的方向盘进行伺服控制5。该液压系统的设计允许在两节车厢之间有很大自由度该转向装置位于车身中部，最小转弯半径仅为8m。在水中行进时可通过液压操纵，调整前后车转动角度 +17 度- -25度，由于铰接式连接方式转向灵活, 可靠性高，因此为复杂路况行驶提供了有力的保障。其在空间方向上，可以实现转向油缸的绕液压杆铰点的平动以及主连接轴的转动，俯仰油缸的转动等五个方向的自由度。1.2.3 全地虎应用全地虎由于用于优越的性能，因此其市场反响热烈，并且具用很大的开发潜力。在军队建设和与生产生活中

8、都有其身影。由其车族开发出来的军用车辆包括开放式平台、野外车间、消防车、拖挂装置车、供水车、装载车、运载燃油车、多功能工程车、野外医院、拖车、救护车等民用车辆；以及应用于军事作战中的巡逻车、运兵车、运输车、战时流动医院、野战司令部、野战维修车间等车辆。1.3 本课题研究的主要内容本论文以企业委托的一种履带式全地形运输车为研究对象，结合车辆工程、机械设计制造、理论力学等基础学科为基础，对履带式全地形车的转向机构进行设计、分析与建模并在有限元理论的基础上进行运动仿真，以验证其可靠性。本文研究内容主要包括：1. 履带式全地形车铰接转向机构的结构设计；2. 利用 UG 软件对所涉及的转向系统进行分析建

9、模；3. 对所设计的机构进行运动仿真并进行有限元分析其受力情况，并做优化设计分析。第二章 转向油缸设计转向系统采用双缸两侧布置,中间铰接转向。如此布置可使向左、右转向的力矩相同, 并且能够有效提高转向的稳定性。铰接车辆一般采用全液压动力转向方式，其系统精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用组成包括动力泵、转向器、方向盘、液压缸、过滤器、油箱等。转向工作过程为：转动方向盘，经转向管柱带动转向器中的阀芯旋转，使阀芯与阀套发生相对转向，分别接通油泵与油缸进油腔、油箱与油缸回油腔，使油缸伸缩，推动载荷小

10、的车架相对载荷大的车架产生转角，从而使车辆转向。与此同时，经过转向器的油流带动计量马达而带动阀套向阀芯转动方向转动，以消除阀芯与阀套的相对转角，切断油路，停止转向6。其转向系统原理图7如下所示：图2.1 1- 转向油缸 2- 全液压转向器 3- 方向盘 4- 液压泵2.1 油缸的安装要求在整个转向过程中液压油缸与周围部件应无碰撞，并在装拆周围部件时亦不受妨碍。为了避免在转向过程中，由于油缸的摆动而引起的运动十涉，这就需要结构布置时预留出油缸的摆动空间；为了空间布置的方便，尽量在确定油缸的位置时要求油缸在转向运动过程中摆动角度口最小。油缸行程最短，结构最紧凑。所以，转向油缸的结构布置就是指转向阻

11、力矩已经确定的前提下，确定下图中A、B、0、C 、D 的相对位置，使得在满足转向要求的前提下，油缸行程最短，结构最紧凑，油缸的摆转角度最小。铰接式车架转向油缸在车架上的布置方案如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图2.2 转向油缸布置方案2.2 转向时基本几何关系根据铰接式车架转向油缸在车架上的布置方案，简化后可以得到全地形车在转向时的基本几何关系8：图2.3 全地形车基本转型关系在图中， R 为最小转弯半径， 为单边最大转角，为转向油缸液压杆与液压缸铰点之间的距离， A, B,

12、C, D为转向机构铰点布置位置。由于一般铰接底盘车辆是对称布精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用置2只直径相同的转向油缸，而其中的一只油缸的运动规律与另一只油缸的运动规律相同，方向相反，所以，仅研究1只油缸的运动过程。2.3 确定液压缸主要尺寸液压缸按作用结构特点，分为活塞缸，柱塞缸，组合缸和摆动缸四种类型。活塞缸可以用于实现直线运动，输出推力和速度，因此在工程机械中应用较多，本设计的双转向油缸均选用单杆式双作用液压缸，以满足由两个方向供油，由液压作用力实现两个方向的运动9。图 2.4 1-

13、液压杆 2- 活塞 3- 液压缸2.3.1工作压力的确定工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据。它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能。在系统功率一定时，一般选用较高的工作压力，使执行元件和系统的结构紧凑、质量轻、经济性好。但是，若工作压力选得过高，会提高对元件的强度、刚度及密封要求和制造精度要求，不但达不到预期的经济效果，反而会降低元件的容积效率、增加系统发热、降低元件寿命和系统可靠性；反之，若工作压力选得过低，就会增大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大。所以应根据实际情况选取适当的工作压力。结合设备实际应用情况及载重能力，选定工作压力值为。精选学习资料 - - - -

14、 - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用表 2.1 按负载选择系统工作压力负载 KN 5 510 1020 2030 3050 50 系统压力 MPa 0.8 l 1.6 2 2.5 3 34 45 57 2.3.2计算液压缸的内径 D和活塞杆直径选择液压缸背压为，油缸的机械效率，根据 GB2348-93 液压缸尺寸系列表，将液压缸内径圆整成标准直径D=50mm，外径为 63mm。根据 GB2349-80 选择活塞杆的行程为100mm，活塞杆直径 30mm，活塞直径50mm，长度为 300mm。由此可以计算出：无杆腔面积：

15、有杆腔积：2.4 液压缸的缓冲装置在现代工业的机械中越来越多地使用液压缸。但是当液压缸所驱动的工作部件质量较大、速度较高时，由于惯性力较大，活塞运动到终端时会撞击缸盖，产生冲击和噪声，严重影响液压缸工作性能，甚至使液压缸损坏。因此随着在机床、冶金、工程机械等大型、高速或高精度的液压设备中对液压缸的要求也愈来愈高，不仅要求液压缸运动快，定位准确特别是在负载惯量大的情况下，还要使液压缸拥有良好的缓冲及定位性能，以满足生产节奏和控制精度的要求10。液压缸的缓冲原理是当活塞运动到接近液压缸缸盖时，在活塞和缸盖之间封住一部分油液，利用节流的方法，强迫它从精选学习资料 - - - - - - - - -

16、名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用小孔或缝隙中挤出，以增大液压缸的回油阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。本设计选择一种可调节流孔式缓冲装置以实现设计目的。图 2.5 为液压缸的可调式节流口缓冲装置简图，在液压缸活塞端部有直径为 d 的缓冲柱塞 , 缸盖上有与缓冲柱塞相配的缓冲内孔, 当缓冲柱塞进入缓冲内孔后, 活塞与缸盖间的油液须经节流阀排出, 从而使活塞运动受阻、速度减慢, 达到缓冲目的。图 2.5 为液压缸的可调式节流口缓冲装置简图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总

17、结 - - - - - - -第 12 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用第三章全地形车铰接转向机构的建模与优化分析3.1 铰接转向系统铰接，即是用铰链把两个装置或零件连接起来。铰接转向与偏转车轮转向相比，具有结构简单，转向半径小，机动性好，可使前后轮轨迹相同，从而转向行驶时阻力较小，转向功率消耗也较小的优点，在工程机械上得到了广泛的应用。本课题研究的铰接式全地形车充分利用铰接式转向连接方式的优点，将全地形车的前后车部分连接起来。利用动力供给液压缸液压油使车辆能够在大载荷的情况下轻松转向。如果能够在保证转向可靠性的前提下减小液压缸的设计尺寸，将使整机结构布置更容易实现，而且可以降低制造成

18、本。常规的铰接式履带车通常采用万向节、十字铰、关节轴承或球铰等连接前后车体，使之可以相对运动，但相对运动部件之间的运动角度是不可以控制的，而对于地形极度崎岖、受力复杂的深海采矿车而言，在行走过程中，车体之间俯仰、侧翻和转向运动应具有可控性，使前后车体之间相对角度能根据极端地形的需求而改变11。本文是利用两个对称布置的转向油缸和两个俯仰油缸来实现全地形车的行驶转向功能。为此利用 UG 动力学分析模块，先将转向系用的模型构造出来，然后经过动力学分析后，再通过优化结构设计合理零部件尺寸参数。在此先对转向系统的结构进行分析，绘制转向结构草图，如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - -

19、 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.1 转向系统草绘图3.2 建模过程分析 UG 是 Unigraphics 的缩写，它是当今应用最为广泛的三维建模软件之一。其建模功能强大，用户能够迅速方便地利用其建立各种结构复杂的零部件模型。现将铰接转向机构的主要部件进行建模：3.2.1 转向连接件建模在图 2.1 中第二个部件为连接件，所起到的作用是将转向主件与连接板连接在一起，其耳部用于安装转向油缸的液压杆，外伸的上下两板用与将主件与转向连接件连接起来。【1】. 在 UG NX7.5 建模模块中，执行【文件】【新建】命令，或单击按钮，选择模

20、型模板，新建模型文件02. prt。【2】. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择X-Z 平面为草图绘制平面，以坐标原点为圆心绘制两个直径分别为120mm，160mm 的圆。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用【3】. 单击“完成草图绘制按钮”进入拉伸选项菜单，键入拉伸长度为60mm, 方向为 Y 轴正向。【4】. 单击基准平面按钮，以某一距离的方式，选择X- Y 平面为基准，输入长度80mm 完成新建一基准平面，其结果如下图所示：图 3.2 创建基准平面【5】. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选

21、择新建立的基准平面为草图绘制平面，绘制草图如下图所示：图 3.3 创建基准平面上的板精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用【6】. 单击“完成草图绘制按钮”进入拉伸选项菜单，输入开始距离为-10mm, 结束距离为 5mm, 方向为 Z 轴正向 , 布尔运算为求和，完成拉伸命令。【7】. 单击边倒圆按钮，对新拉伸的板前端进行倒圆，半径为40mm。【8】. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择上端平面为草图绘制平面，在草绘界面里选择圆命令，以倒圆圆心绘制直径为40mm 的圆，在其水平相距60mm 处绘

22、制同样大小的圆。【9】. 单击“完成草图绘制按钮”进入拉伸选项菜单，输入距离为20mm, 方向为 Z轴正向 , 布尔运算为求差，选择体为圆环，完成拉伸命令，结果如下图所示：图 3.4 创建上板的孔【10】. 单击镜像特征命令按钮，将上板的所有特征选中，以X- Y 平面为镜像平面，完成镜像命令。【11】. 单击基准平面按钮，以某一距离的方式，选择Y- Z 平面为基准，输入长度 70mm完成新建一基准平面，其结果如下图所示:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.5 创建新的基准平面【12】

23、. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择新插入的基准平面为草图绘制平面，在草绘界面里选择圆命令，绘制草图如下图所示：图 3.6 绘制拉伸草图【13】. 单击“完成草图绘制按钮”进入拉伸选项菜单，输入距离为50mm, 方向为X 轴正向 , 布尔运算为求差，选择体为圆环，完成拉伸命令。【14】. 单击镜像特征命令按钮，将拉伸的凸台的所有特征选中，以Y- Z 平面为镜像平面，完成镜像命令，结果如下图所示：图 3.7 完成镜像体【15】. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择新创建的凸台上表面为草图绘制平面，绘制草图如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -

24、 - -第 17 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.8 凸台上表面草图绘制【16】. 单击“完成草图绘制按钮”进入拉伸选项菜单，输入结束距离的值为50mm, 方向为 -X 轴, 布尔运算为求差，选择体为圆环实体，完成拉伸命令。【17】. 在特征操作菜单中选择孔按钮，在新创建的凸台肋板上表面创建一般孔，其直径为 15mm，深度限制为直至下一个，位置如下图所示：图 3.9 创建一般孔【18】. 以同样的方法在下肋板创建孔。【19】. 单击边倒圆按钮，对新创建的肋板前端进行倒圆，半径为25mm。【20】. 单击镜像特征命令按钮，将拉伸的凸台肋板的所有特征选中，以Y-Z 平面为镜像平面，

25、完成镜像命令，结果如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.10 创建凸台肋板镜像体【21】. 在特征操作菜单中选择拉伸命令，创建俯仰调整油缸安装板，以伸出板侧面为基准绘制草图，结果如下图所示：图 3.11 绘制俯仰油缸安装板草图【22】. 单击“完成草图绘制按钮”进入拉伸选项菜单，输入结束距离的值为15mm, 方向为 -X 轴, 布尔运算为求差，选择体为圆环实体，完成拉伸命令。【23】. 单击基准平面按钮，以某一距离的方式，选择Y- Z 平面为基准，输入长度-14mm 完成新

26、建一基准平面，其结果如下图所示:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.12 插入新的基准平面【24】. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择新插入的基准平面为草图绘制平面，在草绘界面里选择圆命令，绘制一厚度为10mm的圆截面。【25】. 单击“完成草图绘制按钮”进入拉伸选项菜单，输入拉伸长度的值为42mm, 方向 Y轴正向平齐 , 布尔运算为求和，选择体为圆环实体，完成拉伸命令。【26】. 利用镜像命令按钮完成对加强筋以及俯仰调整油缸安装板的镜像操作。【27】. 完成建模，点击保存按钮，最

27、后建模模型为下图所示：图 3.13 部件最后建模模型精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用3.2.2 转向主件建模转向主件为铰接转向机构的关键部位，其主要作用是：安放转向油缸。【1】. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择X-Y 平面为草图绘制平面，在草绘界面里绘制草图如下图所示：图 3.14 绘制转向主件底板草图【2】. 单击“完成草图绘制按钮”进入拉伸选项菜单，输入拉伸长度的值为20mm,方向与 Z 轴负向平齐 , 布尔运算为无，完成拉伸命令。【3】. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择Y-Z

28、平面为草图绘制平面，在草绘界面里绘制草图如下图所示：图 3.15 绘制转向主件伸出部分草图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用【4】. 单击“完成草图绘制按钮”进入拉伸选项菜单，输入拉伸开始距离为-40mm,结束距离为 40mm, 方向与 X 轴负向平齐 , 布尔运算为求和，选择体为底板，完成拉伸命令。【5】. 在特征工具栏中单击边倒圆按钮，选择新创建的板前端进行倒圆，倒圆半径为 40mm。【6】. 在特征工具栏中单击孔按钮，在与底板孔伸出端孔对齐的地方创建一个一般孔，孔的方向为垂直于面，直

29、径为40mm，深度为直至下一个，布尔运算为求差，选择体为底板，完成后结果如下所示：图 3.16 创建转向主件底板孔【7】. 单击基准平面按钮，以某一距离的方式，选择X- Y 平面为基准，输入长度50mm，方向为 Z 轴正向，完成新建一基准平面。【8】. 单击镜像特征命令按钮，将前面创建的所有特征选中，以新插入的基准平面为镜像平面，完成镜像命令，结果如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.17 完成底板镜像命令【9】. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择与X- Z 平面平行的底板

30、侧面为草图绘制平面，在草绘界面里绘制直径分别为120mm，160mm的圆。【10】. 单 击完成 草图 绘制 按钮， 进入 拉伸 选择 菜单 ， 输入 圆柱 结 束距离 为220mm，布尔运算为求和，选择体为底板。【11】. 对新创建的圆柱进行边倒圆，倒圆半径为为 20mm。【12】. 在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择与Y- Z 平面平行的底板上连接板侧面为草绘平面，绘制参数如下图所示以完成加强板的创建：图 3.18 绘制转向主件加强板草图【13】. 单击完成草图绘制按钮，进入拉伸选择菜单，输入圆柱结束距离为80mm，方向为 X 轴负向，布尔运算为求和，选择体为底板，以完成创建。【14】. 对

31、新创建的加强板进行边倒圆，倒圆半径为为 20mm, 结果如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.19 加强板倒圆【15】. 单击特征菜单中的孔命令，在下图所示参考线交点位置创建螺纹孔，大小为 M10 1.5 ，深度为 20mm，顶锥角为，布尔运算为求差，选择体为底板，结果如下图所示：图 3.20 创建螺纹孔【16】. 完成孔的创建后，单击特征选项菜单中的实例选择圆形矩阵命令，选择新创建的螺纹孔特征进行圆形矩阵，结果如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - -

32、名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.21 圆形矩阵螺纹孔【17】. 通过镜像操作命令，对螺纹孔圆形矩阵进行镜像，使底板孔周围都有螺纹孔，以用来连接安装液压缸。【18】. 在两底板间创建加强筋板，在特征工具栏中单击拉伸按钮，选择底板内表面为草图绘制基准面，单击完成草图绘制按钮，进入拉伸选择菜单，拉伸长度为100mm, 方向为 Z 轴正向，完成拉伸命令，结果如下图所示：图 3.22 创建转向主件两底板间加强筋板【21】. 单击特征菜单中的拉伸命令，在加强筋板上创建孔。【22】. 利用镜像命令，对加强筋板及孔进行镜像，完成建模最终结果如下

33、图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.23 转向主件最终建模模型3.2.4 其他零件建模结果连接板建模模型：连接板的作用是将转向系统与前后车固连在一起，底板上钻孔以安装螺钉，使零件连接于车辆上。图 3.24 连接板建模模型对于用于在底板上安装螺钉以连接夹紧转向套筒的上下端盖、用于在底板上安装的螺钉以连接夹紧转向套筒、用于在两底板间安装的转向油缸的转向件、液压杆及活塞模型、转向液压缸主体部分和转向液压缸缸盖部分、以及用于安装在转向主件底板精选学习资料 - - - - - - -

34、- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用孔中，以减少液压缸转向摩擦的转向套筒等转向机构中其他零件的模型结构尺寸见装配图 A0号图纸，各零件的设计尺寸均与设计的主要部件有装配关系。3.3 模型的装配UG 的装配模块可以实现利用零件和部件模型快速组合成更高级得部件或产品，或先建立产品装配模型，然后再建立各装配零件和部件细部模型。如果将零件和部件统称为组件，则 UG 的装配模块主要实现产品组件的装配和装配模型的分析管理12。3.3.1UG常用装配方法【1】. 自顶向下装配：先创建组件装配体，然后详细设计各组件的装配过程。【2】. 自底向上装配

35、：先创建组件模型，然后将组件模型合成为更高级别组件装配模型或产品和装配模型的方法。【3】. 混合装配：将自底向上装配和自顶向上装配方法结合在一起的装配方法。3.3.2 UG装配模式【1】. 多零件装配用此方法进行装配，装配件中的零件与原零件之间是一种拷贝关系而非链接关系，对原零件的修改不能自动反映到装配件中，既耗内存，又影响装配速度。【2】. 虚拟装配用此方法进行装配，装配件中的零件与原零件之间是链接关系，对原零件修改会自动反映到装配件中，从而节约了内存，提高了装配速度，UG软件采用虚拟装配模式。3.3.3设计装配过程【1】. 打开UG软件，新建一个文档；【2】. 选择装配模块应用装配体；【3

36、】. 选择装配模块添加组件命令；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.25 装配添加组件菜单【4】. 将建模所创建的连接板，转向连接件，转向主件等所有设计建模的主模型添加到装配模块中；【5】. 设置定位方法 , 单击确定按钮 , 弹出点构造器；【6】. 在屏幕上任选一点将部件初步定位；【7】. 选择装配约束条件对话框 , 根据配对要求 , 选择配对类型功能图标，例如同心，接触对齐，拟合，平行等，如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -

37、- - -第 28 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 3.26 装配约束菜单【8】. 选择与配对类型相对应的对象过滤方法；【9】. 分别选择“ From”与“ To”的配对对象，将主模型各部件一一配对建立装配约束关系以使其相互之间建立链接；【10】. 选择预览，查看配对是否符合要求；【11】. 如果配对不符合要求，用可回滚编辑选取该约束进行另一种配对方式，或利用配对条件树进行编辑修改；【12】. 重复以上步骤添加其他配对约束条件；【13】. 单击应用按钮，完成装配操作过程，隐藏装配约束关系，最终装配体的创建如下图所示：图 3.27 完整装配体精选学习资料 - - - - - - -

38、- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用第四章 机构运动仿真及有限元分析运动仿真是 UG/ CAEComputer Aided Engineering）模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过UG/ Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/ Motion的功能给三维实体模型的各个部件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既可建立一个运动仿真模型。 UG/ Motion的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得

39、到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化13。运动仿真功能的实现步骤为：【1】. 建立一个运动分析场景；【2】. 进行运动模型的构建，包括设置每个零件的连杆特性，设置两个连杆间的运动副和添加机构载荷；【3】. 进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制；【4】. 运动分析结果的数据输出和表格、变化曲线输出，人为的进行机构运动特性的分析。利用UG/ Modeling的功能建立了一个三维实体模型后，并不

40、能直接将各个部件按一定的连接关系连接起来，必需给各个部件赋予一定的运动学特性，即让其成为一个可以与别的有着相同的特性的部件之间相连接的连杆构件Links）。同时，为了组成一个能运动的机构，必需把两个相邻构件包括机架、原动件、从动件）以一定方式联接起来，这种联接必需是可动连接，而不能像焊接和铆接那样是无相对运动的固接，凡是使两个构件接触而又保持某些相对运动的可动连接即称为运动副。在 UG/ Motion中两个部件被赋予了连杆特性后，就可以用运动副 首先把建模主模型AABA ( 连接板 和 02转向连接件）定义为连杆L001，把液压缸的缸体定义为连杆L002，把液压杆的缸体、缸盖及挡圈定义为连杆L

41、003，把 03 在建立了一个运动场景和设置了连杆特性后，就可以开始进行运动副的创建操作。点击连杆特性和运动副模块中的铰链连接Joint）按钮后，将弹出一个对话框要求用户选择铰链连接的类型，运动副的位置是指两个连杆连接或者连杆与机架连接时关节点的所在，连杆将在此点与机架或者连杆相连接。由于不同的运动副其方向的定义不同，所以转动副的方向指的是连杆转动的旋转轴，而移动副的方向指的是连杆平移的方向。在这里转向油缸是对称布置，只分析一边的运动情况即可。为能够实现此系统的一个转动过程，可以用一个滑动副和三个转动副来实现。连杆L001 与 L004 之间构成转动副 J005，连杆 L001 与 L002

42、之间构成转动副 J003，连杆 L002与 L003 之间构成滑动副 J002，连杆 L003 与 L004 之间构成转动副 J004。定义好的连杆与运动副图4.1 所示。图 4.1 连杆与运动副定义精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用4.1.3定义运动驱动 Motion Driver ）结合实际情况可知转动系统在转向的过程中是以液压缸的运动来驱动的，所以我们应该只给连杆L002 一个驱动力，此驱动力选用STEP 函数，因为它是一个阶梯函数 ， 运 动 付 直 接 按 照 给 定 的 时 间

43、 和 位 移 移 动 ， 能 使 得 仿 真 更 为 准 确 。是阶梯 step function）函数 , 定义如下：F=其中， x 为自变量，通常为时间 。4.1.4运动分析结果的图表输出ADAMS 求解器是根据运动模型的各项参数计算出运动模型在各个步骤的数据，不但可以以动画的形式输出运动分析的结果，还可以直接以图表的形式输出各个数据。UG/ Motion 该项功能主要是利用外挂的Microsoft Excel 软件的功能实现的。点击功能菜单区运动分析模块中的图表X- Y-Graphing）按钮，将弹出一个运动时间和步骤设置对话框，与运动控制参数的设置相同，输入一定的运动时间和运动步骤后，

44、ADAMS求解器将自动根据运动模型的参数和运动控制参数来计算运动模型在各步运动状态下的数据。在运动模型所设立的运动副和载荷列表框中选择所要考察的对象，然后设定所需输出的数据的属性，参考类型，单击加入是利用数学近似的方法对真实物理现象进行模拟的一种分析方法。是对真实情况的一种数值近似，它利用简单而又相互联络的单元元素，经求解就可以用有限个数值来逼近真实系统的无限个未知量。传统力学分析的方法一般可以分为解读法和数值法。但现代结构设计中物体实际结构形状和所受荷载越来越复杂，按解读法求解应经不能满足基本力分析的需要，所以数值法已经成为最为广泛应用的方法。有限单元方法就是伴随计算机技术发展而日益广泛应用

45、的一种数值分析方法，因为它能够灵活地处理和求解各种复杂问题14。有限单元方法产生于上世纪五十年代，随着计算机应用水平的提升同样也得到迅速发展。其解决问题的领域已经由固体力学扩展到流体力学、热力学、电磁学等领域，解决问题的深度也由杆件结构的静态弹性问题扩展到平面问题、空间问题的弹性力学、塑性力学静动态分析，分析对象由弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 33 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用等。因而在工程领域得到广泛的应用，并成为各类工业产品设计和性能分析的有效手段和工具。有限元法的基本思

46、想是将连续的区域离散化为一组有限个、且按一定方式互相联系在一起的单元组合体，将整个集合体看作是由这有限个力学单元相互联接而成的等效集合体。各单元方程“组集”在一起而形成总体方程组，在计入边界条件后，即可对方程组求解。由于单元能按不同的方式进行组合，且单元本身又有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。但进行有限单元离散后，单元与单元间只通过节点相联系，所有的力和位移都通过节点进行计算。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、内部边界以及子域与外部边界都满足一定的条件。然后把所有单元的方程组合起来，求解该方程，就得到了整个结构的方程15。利用 UG 软件进行有限元分析时，在

47、UG 的高级仿真模块下允许用户给运动机构添加一定的外载荷，例如力、压力、扭矩等，使整个运动模型工作在真实的工程状态下，尽可能的使其运动状态与真实的情况相吻合。一个被应用的力只能设置在运动机构的两个连杆之间，运动副上或是连杆与机架之间，它可以被用来模拟两个零件之间的弹性连接，模拟弹簧和阻尼的状态，以及传动力与原动力等多种零件之间的相互作用。4.2.2关键部件有限元分析【1】. 打开UG软件，运行模型转向主件上半部分，在开始菜单栏选择高级运动仿真。【2】. 在仿真导航其中，鼠标右键单击转向主件，选择新建FEM和仿真选项。结果如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结

48、 - - - - - - -第 34 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 4.3 UG 高级仿真模块下新建FEM和仿真【3】. 在解算方案菜单中，选择默认求解器NX NASTRAN ，默认温度为 20。【4】. 在约束类型当中应用固定约束设置转向主件上半部分后面。【5】. 根据运动仿真过程中转向主件上部连接铰点的转动副受力，给选择载荷为压力，大小为 F=。【6】在装配导航器中，将建立的fem文件设为显示部件，给部件赋选材料为steel。【7】. 在特征选项菜单中选择 3D四面体网格，对部件进行网格划分，单元大小为10mm。图 4.4 对部件进行3D四面体网格划分精选学习资料 - - -

49、 - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 35 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用【8】在仿真导航其中右键单击03-sim2. sim，选择显示仿真；【9】. 在仿真导航器中右键单击 03-sim2. sim，选择求解所有解算方案；【10】. 在仿真导航器中双击Result选项弹出后处理导航器，双击Slotion选项即可得出对部件的有限元分析结果如下图所示：图 4.5 有限元分析结果位移图4.2.3 有限元结果分析在最终结果图形可以看到转动副5处的最大变形量，分析结果显示转动副5的受力变形主要以位移变化为主，其最大受力变形量为1.03E-004，即 2.80m

50、m，即在径向位置的变化量为 1.40mm。 其分析作业信息表如下：表4.1 有限元分析作业信息表NAME NUMBER CTETRA 16263 GRID 29142 MAT 11 MATT 11 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 36 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用PARAM 4 PLOAD 4 126 PSOLID1 SPC992 TABLEM 1 2 【1】. 静强度校核检验条件： max = 其中： 材料的许用应力； max 实际计算出的节点的最大应力；n材料的安全系数，在此取安全系数n2。在此部件的静力载荷检验中，

51、应力最大的区域是在圆环截面左半部分。部件的材料为steel，在此选择其具体型号为Q235,其材料的屈服极限为 23516，则其许用应力为： = 235/2=117.5根据结果图可得部件最大应力为0.884， max ，因此该部件具有足够的稳定性和强度。图 4.6 有限元分析结果应力分布图【2】. 部件根据实际计算的节点的最大应力结果根据单元节点应力结果图可得部件最大应力为 = 1.029精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 37 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用图 4.7 有限元分析结果节点应力分布图同样 max 因此部件在转动副

52、 5处的应力最大处计算的应力结果max 小于材料的许用应力 ，部件具有足够的稳定性和强度。【3】. 有限元静力分析结论根据以上对部件进行分析可知该部件在外加载荷条件下产生的位移和应力最大在圆环垂直于固定基准面处），但均远小于材料的最大许用应力，因此具有足够的稳定性和强度。在实际使用中，不会发生了断裂或失效的情况。并保持其材料用量基本不变，将单元格划分的更小一些，生成有限元网格模型，可提高其应力承受能力17。4.2.4 有限元分析精度影响因素在部件材料确定的条件下，应用UG 进行有限元分析的精度主要取决于划分3D 单元网格尺寸和插值函数的迭代次数。但通常在解决实际的工程问题时，由于对问题的实际工

53、作情况并不十分确定，导致影响分析结果的因素要复杂的多。而一般情况下影响工程问题有限元分析精度的主要因素有:【1】. 网格形式。包括单元尺寸的大小和网格的密度分布，直接影响力及其他类型载荷的传递。【2】. 单元类型。划分计算模型的单元类型很多，单元位移插值函数的次数越高，单元的形状越复杂，它们的适应能力就越强，计算精度也越高。【3】. 误差舍入的精度。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 38 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用4.2.5 提高有限元分析精度的措施为提高工程问题有限元分析的精度，针对上述主要影响因素，可采取的措施包括:

54、 【1】. 深入研究工程问题本身，更全面地考虑影响数学物理方程形式的各项因素，使建立的数学物理模型更加完善。【2】. 进行材料实验，研究材料常数在不同情况下的变化。【3】. 通过实验测试或理论分析确定更合理的边界条件并采用合理的边界条件施加方式。【4】. 一般 CAD 软件将实体建模和有限元分析集成在一起，使分析模型和设计模型相关一致，结合高配置硬件条件，分析问题是更为精细，减小结构简化造成的误差。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 39 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用第五章设计总结5.1 设计结论铰接转向系统是大多数履带式全

55、地形车车辆结构的关键组成部分，其功能首先是要保证全地形车的安全行驶；其次，由于全地形车通常自重以及负载较大，转向频繁因此转向系统是否轻便灵活，是减轻驾驶员的劳动强度、提高车辆运行效率的重要因素，尤其是对于有作战要求的车辆更应具备这样的能力。在全地形车车辆研究使用初期，人们主要关注的是如何提升其负载能力和提升速度等方面的性能，但在近些年来随着人们对驾驶车辆的安全性、舒适性的要求提高，同时由于各国军方加大对全地形车辆转向性能的研究投入，以期能够在特殊地形拥有更加良好的作战性能，转向系统越来越多的与电子技术、计算机应用技术等高科技技术结合在一起。本文在现有全地形车车辆转向系统研究的基础上，对全地虎全

56、地形车转向系统做了简单的分析和研究，并建立转向铰接机构的三维模型和模拟装配。本文的研究内容与研究成果主要体现在以下几个方面：【1】. 对全地形车铰接转向系统的组成、工作原理及各部分特点进行了介绍。【2】. 根据转向铰接机构，建立左右转向缸在转向过程中的简单数学模型。【3】. 对铰接转向系统的主要部件进行了三维建模、模拟装配、简单的运动仿真以及主要受力点的有限元分析。5.2 总结展望毕业设计是我们毕业生进入社会工作的最后一个设计任务，经过两个月的设计过程，从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计，每一个过程都是对自己专业知识掌握能力的一次检验和充实。通过这次实践任务，我了解到了更多关于车辆结构

57、设计的内容，锻炼了自身的工程设计能力，培养了自己团队协作能力，同时也认识到要成为一名设计工程师的艰辛。我在毕业设计过程中收获良多，例如学会了查找机械设计、液压设计等手册，空间想象能力，提高了自己的三维绘图技巧，懂得了作为一名未来的工程师应该在学习工作中养成严谨认真的作风以及高度负责的职业精神。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 40 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用最后的毕业设计实践是对自己人生学习生涯的一次汇总，使我明白自己知识层面还不够宽广，专业和基础理论知识还不够牢靠，虽然即将进入工作岗位，但是自己的求学之路还很长，为了自

58、己的人生奋斗目标，在以后的工作生活中更应该努力要求自己不断进步，不断学习，使自己成为一个对祖国和人民有用的人，为中华民族的伟大复兴做出自己应有的贡献。由于本人学识和经验水平有限，仅对铰接转向机构进行建模与简单的有限元分析，如果要进行更进一步的研究，个人认为还需要从以下两个方面进行：【1】. 本文所做转向机构的数学模型建立只是就其转弯半径能力做一定分析，但为了进一步减小建模误差，需要考虑到实际路况的摩擦阻力距系数。并且应该对转向过程中的动力学做进一步分析，以方便在做有限元分析时得到更为精确的转向力矩。【2】. 本文仅对液压转向系统的主要结构特点做了简单的阐述，在液压缸及其附件的选择上并未进行准确

59、的手册查选，对其进行建模只是示意模拟图。若要做进一步研究，则应对气缸体组件、活塞组件以及密封、缓冲、排气等装置查找液压系统设计手册按步选取。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 41 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用致谢毕业设计是我大学生活中忙碌而又充实一段时光。这里有治学严谨而又亲切的老师，有互相帮助的同学，更有积极、向上、融洽的学习生活氛围。在这短短的两个月时间里，我不仅学到就更多的理论知识，扩展了知识面，提高了自己的实际操作能力，而且学会了如何去学习新的知识，学会了面对困难和挑战，学会了团结合作，互助互利。借此论文之际，向所

60、有帮助、关心、支持我的老师、朋友同学，表达我最真诚的谢意。首先要对贺福强老师奉上我崇高的敬意。本论文是在老师悉心指导下得以完成的。在此，我对他给予我的帮助和关心表达我最真诚的谢意，在这段时间里，我从他身上不仅学到了许多的专业知识，更感受到了他在工作中兢兢业业，诲人不倦的精神风 貌 。 在 此 ， 我 要 向 我 的 老 师 说 一 声 ： “ 您 辛 苦 了 ！ ” 。再者，我非常感谢我的同学。当我在毕业设计过程中遇到问题和困难时，是他们给我提出许多关键性的意见和建议，使我对整个毕业设计的思路更加清晰，使我获益良多。同时，感谢大学四年以来那些传到授业解惑的恩师们，感谢我的家人及朋友对我学业上的

61、支持和鼓励，感谢所有关心、帮助过我的人。同时感谢我的母校，我会永远记得你亲切的面容与对我的呵护。总之，在以后的学习、工作、生活中我将加倍努力、勤奋上进，用自己的实际行动回报祖国、母校、家人、老师和我的同学。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 42 页，共 43 页个人资料整理仅限学习使用参考文献1 巩青松 . 履带式工作车辆设计及分析的关键技术研究D. 扬州大学硕士学位论文.2008 2 贾小平，于魁龙，李军. 全地形车辆现状与发展趋势J.装甲兵工程学院，北京：100072 3 金晓辉，高树新，何建清等. 军用轻型全地形车的发展现状及趋

62、势分析J.专用汽车，20054）： 43-444 王国彪，马铸，王岩松. 工程车辆铰接式转向机构的计算机辅助分析J 机械科学与技术，1998.917 ）:8415 李荣丽 . 履带式联合收割机转向机构设计及实验研究D. 东北农业大学硕士学位论文.2006 6 邝星海 . 铰接式底盘车辆转向油缸的受力及参数计算J.石油矿场机械，2018.398 ）： 75-787 张杨铰接式装载机转向系统动力学分析与研究D 吉林大学硕士学位论文2006 8 王国彪，李海涛. 铰接式工程车辆转向能力的计算J.矿山机械， 1998.8 9 容一鸣，陈传艳. 液压传动 M. 北京：化学工业出版社，2009.8 10

63、陶苏玉，耿雷 . 液压缸节流缓冲装置的动力学分析J.起重运输机械，2000(10 ）11 朱博 . LG953装载机转向机构的优化设计及液压转向系统的分析D 吉林大学硕士学位论文.200912 林琳 .UG NX5.0 中文版机械设计典型范例M. 北京：电子工业出版社，2008.1 13 吕洋波，胡仁喜，吕小波等.UG NX7.0 动力学与有限元分析从入门到精通M. 北京：机械工业出版社， 2018.214 王勖成 . 有限单元法 M. 北京：清华大学出版社，2003:13-54 15 屈钧利，韩江水. 工程结构的有限元方法M. 西安：西北工业大学出版社，2004 16 申荣华，丁旭主编. 工程材料及其成型技术基础M. 北京大学出版社，2008.8 17 李力，张科，程新平等. 利用 UG 有限元优化设计机械结构J.数字化设计，99-101 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 43 页，共 43 页