【正文】 1 前言 虛擬裝配是在虛擬環(huán)境中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品三維模型進(jìn)行預(yù)裝配，在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下，通過分析、評價、規(guī)劃、仿真等改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可裝配性和經(jīng)濟(jì)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品的裝配費(fèi)用占整個生產(chǎn)成本 30%～ 50%乃至更高，因此對產(chǎn)品裝配工藝進(jìn)行以提高質(zhì)量和效率、降低成本為目標(biāo)的改進(jìn)和再規(guī)劃，是增強(qiáng)制造業(yè)競爭力的重要環(huán)節(jié)。虛擬裝配技術(shù)可縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期、降低成本、提高質(zhì)量 [14]。 其任務(wù)就是用可視化手段研究和解決產(chǎn)品的可裝配性問題 [5]。它將產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)字信 息在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行虛擬實(shí)物復(fù)現(xiàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品的可裝配性。 在虛擬環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員可以像 實(shí)際操作一樣 對虛擬零件進(jìn)行裝配操作、建立產(chǎn)品裝配模型、進(jìn)行裝配規(guī)劃、檢查裝配過程中的干涉情況，以提高產(chǎn)品裝配的一次成功率 [6]。 本文以清障車變速箱為應(yīng)用對象，利用 Pro/Engineer（以下稱 Pro/E）作為虛擬裝配體系的軟件 平臺，對清障車變速箱進(jìn)行虛擬裝配與運(yùn)動學(xué)仿真 研究 。 2 國內(nèi)外 研究 現(xiàn)狀 清障車技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 清障車全名為道路清障車，又稱拖車，由底盤、起重裝置、托舉牽引裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、車體與工 具箱等組成，具有起吊 、拽拉和托舉牽引等多項(xiàng)功能，適用于高速公路、城市道路的清障作業(yè) 。 圖 1 為東風(fēng) 153 平板帶吊機(jī)清障 圖 1 東風(fēng) 153 平板帶吊機(jī)清障車 車。 道路清障與施救技術(shù)起源于 20 世紀(jì)初的美國，早期采用的方式是用鋼絲繩或硬拖桿拖拉事故車輛或故障車輛 [7]。 如圖 2，圖 3 所示。 20 世紀(jì) 20～ 50 年代的清障車，是在貨車上安裝滑輪、鋼絲繩和卷揚(yáng)機(jī)，靠機(jī)械傳動帶動卷揚(yáng)機(jī)、拉桿支撐，吊起故障車的一端拖離現(xiàn)場，結(jié)構(gòu)簡單，功能單一 。 圖 4 為 1947 年的清障車。 20 世紀(jì) 50～ 70 年 代，以引入液壓傳動與控制技術(shù)為標(biāo)志，采用全液壓傳動的清障車誕生，出現(xiàn)一批著名的清障車生產(chǎn)企業(yè)，如：美國的 CENTRY、JERR— DAN，加拿大的 NRC，英國的 BONIFACE 等，．清障車的技術(shù)和生產(chǎn)得到很大的發(fā)展。 我國清障車工業(yè)起步于上世紀(jì)八十年代末，在近二十年里，國內(nèi)清障圖 3 20世紀(jì) 30年 代的清障車 圖 2 1919 年美國的清障車 圖 4 1947 年的清障車 車行業(yè)經(jīng)歷了引進(jìn)整車、吸收仿制到自主研發(fā)清障車的過程。隨著我國城市交通和高速公路的快速發(fā)展，國內(nèi)清障車的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝也進(jìn)行了突破性發(fā)展，形成了清障車多功能化、智能化、人性化的產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)；專用機(jī)構(gòu)運(yùn)用新型材料、產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)、 專用設(shè)備的應(yīng)用的制造工藝技術(shù)特點(diǎn) [8]。 多功能清障車主要分為：升降平臺清障車、隨車吊平板清障車 。 按牽引噸位分為 ： 2 噸 、 3 噸 、 5 噸 、 8 噸 、 10 噸 、 15 噸 、 25 噸 、 30 噸 、 50 噸 、80 噸 等 。 2021 年我國公路通車?yán)锍桃堰_(dá) 萬公里，其中高速公路達(dá) 萬公里，躍居世界第二。隨著京沈、京滬、西南出海通道等高速公路的開通，我國以五縱七橫國道主干線為重點(diǎn)的國家公路主骨架已初步建成。這為清障車的突飛發(fā)展孕育了廣闊市場，作為 “讓大地的脈絡(luò)更暢通 ”的使者 ——清障車，要使其更能發(fā)揮安全快捷、強(qiáng)而有力的道路清障優(yōu)勢， 那么清障車底盤專用化、重型化、智能化、作業(yè)附件實(shí)用性是清障車技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 我國清障車技術(shù)現(xiàn)狀 現(xiàn)在的清障車已不再是單純的托（牽）車了，而是一車多用、一車多能。如在清障車上添加摩托車升降平臺，除能滿足對四輪車輛的托（牽）車的作業(yè)外，還可對二輪摩托車進(jìn)行背載作業(yè)，拓寬了清障車作業(yè)車輛的范圍。在清障車上配裝高空作業(yè)升降平臺，既滿足了道路清障作業(yè)的需要，又可滿足公路、交警、市政門對路標(biāo)、路燈等進(jìn)行高空作業(yè)。在清障車上配裝強(qiáng)光照明裝置，可為夜間作業(yè)提供照明光源。 清障車上配裝原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，作業(yè)人員 可以很輕松地校正清障車與被托車的相對位置。清障車在托舉事故車時，必需將托臂對準(zhǔn)被托舉的事故車后，才能作業(yè)。但在實(shí)際清障作業(yè)中，若駕駛員倒車技術(shù)不熟練或者路況不良，則可能要反復(fù)幾次倒車，方可校正清障車與事故車的相對位置。這時，作業(yè)人員只需操縱安裝在駕駛室的原地轉(zhuǎn)向操縱手柄，清障車可圍繞后橋中心原地轉(zhuǎn)動，調(diào)整清障車與被托車的縱向作業(yè)所需的位置，進(jìn)行作業(yè)。從而大大提高了工作效率。在一些公路隧道、城市道路和高架橋等較窄的路面上，如發(fā)生事故造成堵塞交通時，汽車掉頭轉(zhuǎn)向就非常困難了，清障車也就不能快速順暢地將事故車輛拖 走。如清障車上配裝帶動力驅(qū)動的原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)就能有效地解決以上問題。 折疊式平板機(jī)構(gòu)作業(yè)時，其與地面的最小夾角為 ≤8176。，能適用低矮且接近角較小的車輛，使被托車在被牽引上平板時，不會與平板發(fā)生干涉，從而能安全地完成托舉作業(yè)。 清障車托臂自動平衡機(jī)構(gòu)，利用傳感器（臨時安裝在被拖牽車輛的前端與尾端，即前端與清障車托臂、尾端與地面最有可能或最先趨向發(fā)生碰撞的位置。也可固定安裝在托臂上）發(fā)出被拖牽車輛與托臂的相對位置的變化信號，動力單元接收信號后即開始工作，同時電磁閥閥門打開，壓力油即進(jìn)入執(zhí)行油缸產(chǎn)生動作，使托臂立即變 幅角度或升降離地高度，調(diào)整被托車前端與清障車托臂、被托車尾端與地面的間距，從而避免發(fā)生碰撞。駕駛員不用擔(dān)心路面是如何的上坡下坡，也不用停車掛取力器，下車操縱，人為地調(diào)整托臂的變幅角度。 清障車技術(shù)發(fā)展趨勢 清障車重型化是清障車技術(shù)發(fā)展的一個顯著特點(diǎn)。隨著我國汽車噸位重型化的調(diào)整，國家西部開發(fā)、南水北調(diào)和西氣東輸?shù)慕ㄔO(shè)，加上奧運(yùn)建設(shè)的鋪開和上海世博會建設(shè)的啟動，道路條件的改善，交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，公路運(yùn)輸向高速化、集約化、專用化、集裝箱化發(fā)展，必將引起重型汽車業(yè) (包括專用重型汽車 )的崛起。作為保證道 路暢通的清障車，無凝也必須重型化，才能滿足重型車輛的清障需要。 清障車智能化，就是從安全、方便、人性化考慮，在系統(tǒng)中裝配一些智能設(shè)備，如遙控系統(tǒng)，機(jī)構(gòu)安全報警系統(tǒng)，緊急拯救系統(tǒng)。 清障車底盤專用化，是國內(nèi)清障車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，國內(nèi)的清障車全部是利用二類底盤來改裝的。二類底盤的軸荷分布是按載貨車來設(shè)計(jì)的，這與清障車托舉作業(yè)時的所要求軸荷分布是不同的。往往會出現(xiàn)清障的托舉機(jī)構(gòu)還有潛力，清障車的總質(zhì)量也小于其最大總質(zhì)量，但其后軸卻已經(jīng)超載了。二類底盤的軸荷分布對清障車是不適用的。由于清障車是 特種 作業(yè) 車，其需 要 隨車攜帶許多作業(yè)附件工具。現(xiàn)在國內(nèi)的二類底盤兩大梁外側(cè)已被燃油箱、電瓶、氣罐占住了空間，這樣就很難再布置工具箱來安放清障車所需的眾多作業(yè)附件。若清障車底盤專用化，就能很好地來解決這些問題。 作業(yè)安全、快速是道路清障拯救的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。而專用作業(yè)輔件是作業(yè)安全快速重要的保證。隨著車輛的種類和款式的不斷增多，道路上造成事故與故障的模式也千變?nèi)f化， 因此，只有不斷地開發(fā)安全、實(shí)用、高效的作業(yè)輔件才能滿足各類清障作業(yè)的需要。 變速器 的 發(fā)展現(xiàn)狀 變速箱的功用和組成 汽車變速箱用來改變發(fā)動 機(jī)傳到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。 現(xiàn)代汽車上廣泛采用活塞式內(nèi)燃機(jī)作為動力源，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍較小，而復(fù)雜的使用條件則要求汽車的驅(qū)動力和車速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。為解決這一矛盾，在傳動系統(tǒng)中設(shè)置了 變速器 。它的功用是： ①改變傳動比，擴(kuò)大驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件 （如起步、加速、上坡等），同時使發(fā)動機(jī)在有利（功率較高而油耗率較低）的工況下工作； ② 在發(fā)動機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，使汽車能倒退行駛 ； ③ 利用空擋中斷動力傳遞，以使發(fā)動機(jī)能夠起動、怠速，并便于 變速器 換擋或進(jìn)行動力輸出 [9]。 變速器 由變速傳動機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)需要，還可加裝動力輸出器。 變速器的類型 （ 1） 按傳動比變化方式，變速器可分為有級式、無級式和綜合式 3種 [9]。 有級式變速器應(yīng)用范圍最廣。它采用齒輪傳動，具有若干個定值傳動比。按所用輪系形式不同，有軸線固定式變速器（普通齒輪變速器）和軸線旋轉(zhuǎn)式變速器（ 行星 齒輪變速器） 兩種。 目前，轎車和輕、中型載貨汽車變速器的傳動比通常有 35 個前進(jìn)擋和 1 個倒擋，在重型載貨汽車用 的組合式變速器中，則有更多擋位。 無級式變速器的傳動比在一定范圍內(nèi)可按無限多級變化，常見的有電力式和液力式（動液式）兩種。電力式無級變速器的變速傳動部件為直流串激電動機(jī)，這種形式的變速器在超重型自卸車系統(tǒng)中有廣泛采用的趨勢。液力式的傳動部件是液力變矩器。 綜合式變速器是指由液力變矩器和齒輪式有級變速器組成的液力機(jī)械式變速器。其傳動比可在最大值和最小值之間的幾個間斷的范圍內(nèi)作無級變化，目前應(yīng)用較多。 （ 2） 按操縱方式不同，變速器又可分為手動操縱式、自動操縱式和半自動操縱式 3 種。 手動操縱式變速器靠駕駛員用手 操縱變速桿換擋，為大多數(shù)汽車所采用。 自動操縱式變速器的傳動比選擇（即換擋）是自動進(jìn)行的。即擋位的變換是借助反映發(fā)動機(jī)負(fù)荷和 車速的信號系統(tǒng)來 控制換擋系統(tǒng)的執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)的，駕駛員只需操縱加速踏板即可控制車速。 半自動操縱式變速器有兩種形式。一種是常用幾個擋位自動操縱，其余擋位則由駕駛員操縱；另一種是預(yù)選式，即駕駛員預(yù)先用按鈕選定擋位，在踩下離合器踏板或松開加速踏板時，自動接通電磁裝置或液壓裝置來進(jìn)行換擋。 考慮到自動變速器結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，相應(yīng)的維修技術(shù)要求高，維修成本高；制造成本較高；且傳動效率較低，使汽車的燃油經(jīng) 濟(jì)性有所下降等缺點(diǎn)，而清障車為道路用車，更看重其經(jīng)濟(jì)性，因而 清障車變速箱采用手動操縱有級 式變速器。 基于 Pro/E 的 虛擬裝配技術(shù)在國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢 進(jìn)入 21 世紀(jì)，面對日趨激烈的市場競爭和持續(xù)發(fā)展的市場需求，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)可以快速地建立三維模型，對主要部分進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)?？稍诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)初期及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而節(jié)省了資金，降低了風(fēng)險 .縮短了新產(chǎn)品開發(fā)的周期及產(chǎn)品開發(fā)的成功率。因此，重視并深入研究虛擬樣機(jī)技術(shù)對國家現(xiàn)代化建設(shè)和機(jī)械化生產(chǎn)都具有重要的 意義。 以往的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是采用二維平面圖形表示零件及其裝配的關(guān)系，圖形僅能表示某一靜態(tài)位置，難以表示機(jī)器在運(yùn)行中零件的運(yùn)動狀態(tài)及位置關(guān)系，無法判斷運(yùn)動的合理性及零件間的干涉問題。基于特征的三維參數(shù)化建模，不僅有特征技術(shù)的很多優(yōu)點(diǎn)，而且融入?yún)?shù)化的設(shè)計(jì)思想，是三維建模技術(shù)的熱點(diǎn)。本文將利用特征的三維參數(shù)化建模方法創(chuàng)建變速器 CAD三維模型，提供具體的建模過程和建模方法。 Pro/E 是美國參數(shù)技術(shù)公司 PTC(Parametric technology corporation)推出的參數(shù)化軟件包，已成為三維建模軟件的 主流，現(xiàn)在全球有 30 余萬設(shè)計(jì)人員和工程師使用 Pro/E， Pro/E 軟件包括了在機(jī)械設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，另外還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境 [10]。 虛擬裝配技術(shù)正受到世界各國越來越多的重視，很多國家都投入了大量的人力物力進(jìn)行研究，國外對虛擬裝配技術(shù)的研究起步較早，發(fā)展勢頭迅猛。 例如數(shù)字化飛機(jī)波音 777，它的設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試、包括試飛都是借助于虛擬裝配技術(shù)在電腦上完成的，研制時間從過去的 8 年雖短為 5 年，第一個虛擬裝配規(guī)劃原型系統(tǒng)由德國人開發(fā)成功，該系統(tǒng)能夠在虛擬環(huán)境中完成對 零件的拆卸與組裝，能夠產(chǎn)生裝配的前趨圖，能進(jìn)行裝配工時和裝配成本分析。虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境 VADE (virtual assembly design environment) 是一個具有代表性的虛擬裝配系統(tǒng) [11] 。 該系統(tǒng)由美國 Washington 州立大學(xué) VRCIM （ virtual reality and puter integrate manufacturing） 實(shí)驗(yàn)室與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所 NIST 合作開發(fā)，研究的主要目的是通過生成一個用于裝配規(guī)劃和評價的虛擬環(huán)境來探索產(chǎn)品制造中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)的可能性 [12]。 我國從 90 年代中后期開始進(jìn)行虛擬裝配方面的探索和研究工作，我國虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用研究尚處于起步階段，只有為數(shù)不多的機(jī)構(gòu)如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢理工大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等院校作了有益的研究， 由于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備非常昂貴，近年來國內(nèi)大多數(shù)研究被限制在介紹國外的進(jìn)展理論探討范圍內(nèi)，或者在非虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行研究。目前 ， 大多數(shù)虛擬裝配系統(tǒng)只提供了初步的裝配評估與驗(yàn)證功能 ,實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中 ， 影響裝配質(zhì)量的因素有很多 ， 如裝配精度以及裝配變形等 ， 然而目前的虛擬裝配系統(tǒng)并未提供對這些影響因素 進(jìn)行評估與驗(yàn)證的功能。因此 ，如何提供更多與裝配相關(guān)的評估、驗(yàn)證功能 ， 從而促進(jìn)最終產(chǎn)品質(zhì)量的提高 ， 是虛擬裝配今后要解決的問題之一 [13,14]。當(dāng)前大多數(shù)虛擬裝配系統(tǒng)的研究僅停留在仿真實(shí)際生產(chǎn)中的手工裝配過程 ， 而對于生產(chǎn)線的裝配過程研究不夠。生產(chǎn)線裝配過程與手工裝配過程之間往往存在著很大差異 ， 因此 ， 由手工裝配過程仿真過渡到生產(chǎn)線裝配過程仿真也是虛擬裝配的發(fā)展方向之一。虛擬裝配技術(shù)雖然取得了很大進(jìn)步 ，