一、前言
本文所介绍的加伍德举升机构动态仿真设计中，通过Pro/E的Mechanism功能，对装配后的举升机构进行运动仿真，可获得机构在任一时刻的位置、速度、加速度及受力情况的综合数据。最经济直观的是在计算机上仿真机构的实际装配、干涉检测以及运动协调性的验证，使举升机构的设计达到最佳效果，缩短产品设计的开发周期。
二、举升机构的动态仿真设计
加伍德举升机构以特有的：结构简单、刚度好、反力小、工作平稳可靠等优点，被广泛地运用于自卸汽车的举升机构设计中。综观机构设计中作图法、解析计算设计法、电算优化设计法的设计现况，笔者提出，利用作图法结合Pro/E的Mechanism功能，对举升机构进行运动仿真设计，实际效果经济直观，现实理想。
（一）三维实体造型
在加伍德举升机构作图设计的结构基础上，确定各零件的形状和尺寸。各零件的定位尺寸精度应保留小数后两位，避免数据传递出现的仿真失败。
（二）机构整体装配
装配前须合理确定各构件之间的运动副，按零件之间的位置、运动等关系完成装配连接。在进行加伍德举升机构动态仿真设计过程中，可根据构件间的相对运动情况，通过设定各种连接来限制加伍德举升机构的自由度，达到零件装配的正确约束。Pro/E装配提供的连接约束方式主要有：销钉(PIN)、滑动杆(SLIDER)、圆柱(CYLINDER)、平面(PLANAR)、球(BALL)、轴承(BEARING)等。
具体操作：在组件放置（Component Placement）阶段，切换至Move(移动)窗口。可直接利用鼠标拖移组件。通过平移和旋转操作，完成三维实体模型，如图1所示。
图1 加伍德举升机构的三维实体模型
（三）为零件模块分配质量属性
对举升机构进行运动仿真与分析时，首先设置机构中各实体的质量属性，主要内容包括：密度、体积、质量、重心和惯性矩。通过点击下拉菜单“Mechanism”→“质量属性”，对质量属性进行设置。定义属性有三个选项，一般只需对“密度”进行设置。在指定零件模块时，通常可选取“参照类型”为“组件”进行选取。实体“质量属性”的设置，能实现零件模块自身重力在仿真分析时的动态效果。如：车厢后门随举升角变化而绕铰节点的自动启闭；无油缸动力时，机构靠车厢重力的自动复位。
（四）施加载荷
在设计中可以根据具体设计要求为机构施加载荷。本例主要载荷有：车箱底板铰接座上的汽车载重及车箱自重、各连接轴上的运动阻尼力、各零件的重力。
1．定义重力加速度：通过
点击下拉菜单Mechanism→重力，在弹出的重力定义对话框中，可以对重力加速度的数值及方向进行设置。
2．创建阻尼器：当运动分析必要时，可在各连接轴上及两主体摩擦面之间设定阻尼要素，建立相应的运动阻尼力。通过点击菜单Mechanism→阻尼器→新建，在阻尼器定义对话框中，选择建立阻尼器的方式，设定阻尼器系数的大小。
载重汽车 3．创建外力和外力矩：通过点击下拉菜单Mechanism→力/力矩 →新建，来模拟机构运动的外部环境。其类型有“点力”与“主体扭矩”，必须指出“模”和“方向”，要特别注意。
（五）加伍德举升机构的驱动力设置
在已建立运动模型的基础上，定义运动的动力源，初始位置和状态，它将赋予模型运动的属性，系统将在此定义下完成要求的运动。
1．机构运动初始条件的设置：初始条件的设置包括初始位置和初始速度两个方面。点击下拉菜单Mechanism→初始条件 →新建，弹出“初始条件定义”对话框。确定主体位置。指出模的同时还必须设置方向和X、Y、Z的分量值。
2．推力油缸初始运动参数的设置：通过点击下拉菜单Mechanism，在屏显举升机构模型中，显示机构模块整体装配的各种连接状态。连续点击右侧模型树中“连接”和“接头”前的“＋”号，右键单击“平移轴”，左键单击“连接装置”。改变连接轴位置下方空框的数值，使推力油缸滑动杆伸出的距离与车箱、副樑平行装配的要求相适应。
3．伺服电动机的设置：依上所述，在右键单击“平移轴”，左键单击“伺服电机”。可在“类型”的从动图元框中选择“连接轴”，随后点选推力油缸连接的直线箭头。再换选“轮廓”，改选项为“速度”。模取常数：A=20，相当于推力油缸滑动杆以20(mm/s)的速度伸出。
（六）定义机构分析
通过对机构的各种动态分析，可迅速得到相关的信息，以改进设计和完善构件。通过施加不同的要素，可以对机构的多种工况进行研究分析。点击菜单Mechanism→Analyses命令，弹出Analyses（分析）对话框，选择不同的分析类型。对不涉及力、质量、惯性的机构运动分析时，可使用运动学分析类型。在“电动机”选项卡中：根据需要添加所需的电动机并为其设定起止时间。在“外部负荷”选项卡中：为机构
指定所需的外部负荷，可切换“启用重力、启用所有摩擦”选项。
（七）执行动力学仿真分析
定义完成后，点击“运行”按钮，系统就会根据运动模型和运动环境对机构进行分析，通过分析反馈信息，完善运动模型，变化运动环境，最终使结果趋向满意。
（八）定义分析测
量特征
加伍德举升机构设计主要仿真分析的对象为：三角臂总成与车箱底板铰接座、拉杆前端销孔、联轴节销轴之间的位移、速度、加速度与净负荷。点击菜单Mechanism→测量，弹出“测量结果”对话框，选定位移、速度与加速度、净负荷等测量对象，输入相关零件欲求点的相应分量或直接选定某一轴确定后，即可获得仿真测量定义物理量的相关图显，如图2所示。返回测量结果集。在结果集中单击“分析定义名”，在测量选项的名称后可显示测量分析的数值。再单击“测量名称”和“测量”钮，系统弹出“图形工具”框，显示特指测量对象的动态曲线图。通过上述仿真分析测量，获得机构零件各模块运动学、动力学过程各计算要素的精确参数。
图2 车厢某点速度的仿真测量定义
三、结论
通过对加伍德举升机构运动仿真的具体实践，实现了运动学、动力学分析及装配干涉、运动协调性的验证。揭示了运动仿真的特点、方法、对象和主要应用范围，论证了仿真运动分析对机构设计的指导作用。特别是仿真测量分析，对获得机构运动位置、速度、运动副之间相互关系及机构零件载荷情况的综合数据有着创造性的重要意义。使设计者能够直接在计算机上修改模型参数，达到机构优化的目的。
【参考文献】
[1]黄圣杰，等．Pro/ENGINEER.2001高级开发实例[M]．北京：电子工业出版社，2002.
[2]王雄，谢金元．自卸车倾卸机构设计的研究[J]．汽车技术，1992，(10)．
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