1、 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 船用液压马达虚拟样机设计 引言 上个世纪末以来世界经济和科学技术的飞速发展和因特网的广泛应用，明显加快了制造活动全球化的进程，使企业面临更加激烈的国内外市场竞争。企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计。这样才能对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。在这种环境下虚拟样机技术随之产生。 虚拟样机技术也称数字样机技术，是 20 世纪 80 年代随着计算机技术 而迅速发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和运动仿真技术，同时还包括
2、三维 CAD 建模、有限元分析、最优化等相关技术。运用数字样机技术，可以缩短机械产品的设计开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量与性能，获得最优的创新产品。目前该技术已在新产品设计中大量应用，推动了全球制造业和新产品开发技术的快速发展。 虚拟样机技术 虚拟样机技术也称数字样机技术，其研究正处于探索中， 目前对于虚拟样机的概念还没有一种通用精确的定义，针对不同的研究领域，有不同的定义方法。一般来说数字样机技术就是在建筑第一台物理样机之前 ，设计师利用计算机技术建立系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。数字样机是一种计
3、算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结构精简和优化系统。 虚拟样机技术是在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术 (指在某单一系统小零部件的 CAD和 FEA技术 )揉合在一起，在计算机 上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术是一项跨学科、综合性的技术，它的核心是机械系统运动学、多体动力学和控制理论，成熟的三维
4、计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，从系统的角度去思考问题，将分散的零部件设计和分析技术如有限元分析技术、 CAD技术 )整合在一起，为产品的开发与研制，提供了一条全新的思路 。 虚拟样机技术的特点 虚拟样机技术将传统的经验设计方法改为预测方法，具有无法比拟的优点 ： (1) 全 新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法存在很多弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程 (Conourrent Engineering)的思想，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真
5、实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能； (2) 更低的研发成本、更短的研发周期和更高的产品质里。采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖 。 通过计算机技术建立产品的数字化模型 (即虚拟样机 )，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案。因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期，提高了产品质盆，降低了研发成本； (2) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 (Virtual Company)的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过 Internet 临
6、时缔结成的一种虚拟企业 。 为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的快捷交流尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送 产品信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性 虚拟样机技术的应用 新产品的研发涉及诸如机械运动学与动力学、人机工程学、美学等多个相关 的学科，而传统的设计方法又无法使各学科理论的实现达到最优。在传统的产品 开发过程中，在详细设计完成后，通常要制造物理样机进行验证设计的正确性， 有时检验甚至是破坏性的。当发现缺陷时，只能回头修改设计并再用样机验证。 只有通过若干反复产品才能达到要求的性能。基于物理样机的设计研发模式的致 命缺陷 (成本
7、高、周期长 )，往往使物理样机的反复性试验不够充 分，加上设计人员通常不愿为修改局部而给整机带来不可预知的结果，这就使我国的机械产品造型沉闷、结构和功能老化，从而在市场上缺乏竞争能力。这种基于样机制造、试验的设计方法增加了新产品的研发周期和成本。产品结构越复杂，这种人力、物力、财力的浪费越严重。这一过程对于象汽车产品等结构复杂的产品代价是昂贵的。本文所指的复杂产品主要是汽车、摩托车等机械产品。由于设计周期无法缩短，基于物理样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的快速反应。数字样机技术在产品开发过程中的推动作用主要表现在以下几个 方面： 1.在产品的概念设计阶段，应
8、用系统工程的方法，确定产品的总体参数和局 部参数，并定义两者的关联控制结构，实现产品级的参数化。这样可以很好地贯重庆大学硕士学位论文彻设计师的设计意图和实现对概念模型因个性化需求的快速修改、优化和评估。 2.在产品的初步设计阶段，通过贯彻自顶向下的设计思想，建立部件级的几 何关联结构和约束层次关系，并确定详细设计步骤实现部件级的相关修改。 3.在产品的详细设计阶段，通过参数化和变量化技术建立零件级的数字化主 模型。 4.通过虚拟装配技术，方便实现复杂的大装配并检验产品是否 干涉及几何结 构是否正确，并对其进行修改、优化。这样可减少物理样机数量，节约成本。最 重要的是，再次修改设计时没有重复成本
9、。 5.通过进行关键零件的加工仿真和工装仿真，及时发现设计缺陷和工艺实现 问题，避免开发风险。 6.通过对零件、部件以及产品级的运动学和动力学性能分析仿真，及时发现 性能失真和结构不合理等问题，提高产品的可靠性和正确性。 7.整个设计过程中，贯彻并行工程的开发方法，提高产品上市时间，缩短开 发周期。 液压马达 液压马达属于能量转换装置，是能够产生连续旋转运动的执行元件 .液压马达能把输送来 的油液的压力能转换为机械能，其输入量是油液的压力和流量，输出量是转矩和转速 (角速度 )。液压马达按其结构可以分为齿轮式、叶片式及柱塞式等若干种。 选用液压马达通常是根据马达的扭矩、转速、安装尺寸和液压系统
10、的最大工作压力等参数决定的。由于液压马达在系统中属于执行元件，因此往往是带负载起动，即在负载扭矩最大状态下起动。而船舶机械大多是大功率负载，如果液压马达没有足够大的起动力矩是无法正常工作的。并且，为了缩小系统体积，提高系统工作可靠度，液压马达经常与低速工作机构直接连接，因此船用液压马达要求具有大的起动扭矩、很 宽的速度范围和良好的低速稳定性。 传统的摆线针轮液压马达，目前在各类机械设备上广泛使用。其结构采用以针轮固定为太阳轮，以摆线齿轮为行星轮，行星轮绕着太阳轮公转相啮合的液力传动机构 ;其运动输出机构结构较复杂，是采用一套球形内齿外套万向节轴来连接花键轴头，轴向尺寸大，其循环油路设计也十分复
11、杂，其密封也不充分，而且采用轴向配流方式，其流量不断变化，使液压马达的总效率和调速范围难以提高。 为了克服摆线针轮液压马达使用中存在的不足，设计了一种新型的行星针轮摆线液压马达，其基本原理主要采用带左右轴头上装有角接触轴承的摆 线齿轮 (内齿轮 )固定为太阳轮，而行星针轮为行星轮活套组合构成的液力传动机构，另借助4 根圆柱销轴组件的圆柱销轴和滚针轴承，把行星针轮与左右端盖串联装配在一起，用螺母拧紧成一个整体，即孔销机构为运动输出机构，然后通过左右端盖上的内孔，与摆线齿轮上 2 个角接触轴承定位，装成一只新型的液压马达机体，又利用行星针轮摆线齿轮的啮合付原理结构特点，和孔销机构中各相关零件的装配
12、关系的条件，一条空间结构同步同心旋转的端面配流方式，和具有全方位充分密封结构循环油路，形成这种新型的行星针轮摆线液压马达。 结语： 事实证明，虚拟样机 技术能有效加快新产品的开发时间、降低产品开发制造成本、提高产品质量，是目前国内外制造业中最前卫也是发展最快的产品开发技术手段。虚拟样机技术是开发手段的核心，能发展和应用好这项技术，对提高我们的新产品开发能力和产品市场竞争力将起到不可限量的作用。 参考文献： 1 施济华 . 摆线齿轮式液压马达简介 J .上海机床， 1999，（ 1）： 3238. 2 许益民 .非圆齿轮行星传动式液压马达运动学数学模型的建立 J .南昌大学学报（工程技术报），
13、1995，（ 1）： 18. 3 杨永军，张小蓉，陈孝朱 .介绍一种液压马达性能试验系统 J .流体传动与控制， 2006，（ 2）： 1618. 4 张玉莲，章海 .一种新型的行星针轮摆线液压马达设计研究 J .液压与气动， 2006，（ 9）：1921. 5 隋鹏飞，李隆春，邓家褆 . 复杂产品系统早期开发阶段数字样机的研究 J .制造业自动化， 2004, 26 (12)： 2530 . 6 陆凤霞，武美萍，廖文和 .基于产品数字样机开发的装配建模方法的研究和应用 J .机械科学与技术， 2007 , 26 (4)： 449454. 7 杨鑫华，常力，王春生，兆文忠 .基于数字样机的铁路
14、客车转向架动态设计与仿真 J .机械设计， 2007 , 24 (4)： 6365. 8 周建军，梁舟志 .基于数字样机技术的密珠摆线减速器开发 J .电子机械工程， 2002 , 18 (2 )： 1113. 9 达索系统 .利用数字样机加速产品开发 J .中国制造业信息化， 2007，（ 4）： 3839. 10 钟展，郭钢，韩花丽，刘煜，陈旭 .面向复杂产品数字样机运动分析评价技术的研究与应用 J .四川兵工学报， 2005 ， 25（ 4）： 3035. 11 余成龙，郭钢，刘保嘉 .数字样机 (DMU)技术在产品创新开发中的应用 J .四川兵工学报， 2003 ， 24（ 5）： 4
15、548. 12 张毅，刘琳娟，杨静，郭钢 . 虚拟数字样机开发 (VPD)支持技术的研究 J .现代制造工程， 2002（ 10）： 2526. 13 戎瑞亚，章海，刘全良 . 船用外行星摆线针轮液压马达的结构优化设计 J .现代制造工程， 2011， 3： 116119. 15 文怀兴，郭慧，刘正， WEN Huai-xing， GUO Hui， LIU Zheng.基于数字样机 技术的新产品开发 J .机械设计与制造， 2005， (9)： 5859. 16 李鹏忠，张为民，张月娥 .数字样机环境下产品试验工况仿真技术 J .机械设计与制造，2007，（ 9）： 6365. 17 高利，迟
16、毅林，曾谢华， Gao Li， Chi Yi-lin， Zeng Xie-hua.虚拟产品开发中的虚拟样机技术和数字样机技术 J .机械研究与应用， 2005， 18 （ 5 ）： 67. 18 Homem De Mello L S,Lee S K.Computer Aided Mechanical Assembly PlanningM.Kluwer Academic Publishers,Boston,1991. 19 Elliot t S J ， Johnson M E. Radiation modes and active control of sound powerJ . Journal of the A coustical Society of America， 1993， 94 (4) : 2 194-2 204
