一種懸架運(yùn)動(dòng)仿真快速建模方法研究

楊超飛+熊欣+代罡+張紅生+張建軍

摘 要：本文主要研究了針對乘用車常見的麥弗遜懸架、雙橫臂懸架型式下對不同硬點(diǎn)在CATIA中快速建模的方法，及對該方法的適用范圍進(jìn)行了較完整的論述。快速建模方法，即根據(jù)懸架類型選擇數(shù)據(jù)庫中同種模型，修改模型設(shè)計(jì)表（EXCEL）中的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，即可快速完成新模型的建立。與傳統(tǒng)建模方法相比，本方法避免CATIA重復(fù)繁瑣的建模過程。它可為前期總布置及傳動(dòng)軸滑移量校核提供技術(shù)支撐，同時(shí)大大提高了預(yù)研分析的工作效率。

關(guān)鍵詞：懸架硬點(diǎn)；DMU；快速建模；運(yùn)動(dòng)仿真；CATIA；參數(shù)化

中圖分類號：U463.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1005-2550（2016）06-0054-06

Abstract： This paper mainly expounds the method of rapid modeling of different hard points in CATIA， which is based on the common Mcpherson suspension and double cross arm suspension， and discusses the application scope of the method. Rapid modeling method， choose the same kind of model in the database， modify the design model table （EXCEL） in hard data points， you can quickly create a new application model based on the type of suspension. Compared with the traditional modeling methods， the present method avoids the tedious repetition CATIA modeling process. It can be pre-arranged and the total amount of the drive shaft slip checking to provide technical support， while greatly improving the work efficiency of the pre-research analysis.

隨著目前各汽車公司正向開發(fā)的普及，更多的可行性分析工作需要在整車預(yù)研階段完成，包括動(dòng)力總成布置可行性分析，傳動(dòng)軸校核，輪胎包絡(luò)生成等，而此類工作前提是要有懸架的DMU模型。

懸架運(yùn)動(dòng)模型的建立，目前比較普遍的方法是：按照零件結(jié)構(gòu)，在3D數(shù)模成型后對各零件用CATIA命令添加運(yùn)動(dòng)副和約束，通過較為繁瑣的數(shù)模操作后完成。此種傳統(tǒng)的方法在整車預(yù)研階段存在如下問題：在前期預(yù)研階段，3D數(shù)模暫未建立，在只有硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，該方法無法進(jìn)行虛擬建模。同時(shí)，按照硬點(diǎn)數(shù)據(jù)在3D數(shù)模上建立懸架運(yùn)動(dòng)模型，往往只適用于單一懸架形式，硬點(diǎn)數(shù)據(jù)更改，懸架運(yùn)動(dòng)模型就需要重新建立，造成工作反復(fù)，工作量大，同時(shí)，此種方法不容易掌握，除了懸架本專業(yè)外，總布置等其他專業(yè)較難掌握并加以運(yùn)用。

對于本文論述的快速建模方法，不需要實(shí)現(xiàn)各零件3D數(shù)模，即可完成不同硬點(diǎn)懸架模型的快速建立，而且數(shù)據(jù)庫模型建立，可避免重復(fù)性建模工作，針對任何不同硬點(diǎn)均可通過更改設(shè)計(jì)表更新模型，操作過程簡單，便于應(yīng)用。

1 建模流程

建模流程如圖1所示。

建立數(shù)據(jù)庫模型：數(shù)據(jù)庫模型的建立為快速建模的基礎(chǔ)，一種懸架類型對應(yīng)一種模型，針對同種模型不同硬點(diǎn)的DMU建模，即可在更新設(shè)計(jì)表硬點(diǎn)數(shù)據(jù)后完成。數(shù)據(jù)庫懸架模型的建立分為模型簡化、模型裝配和模型參數(shù)化等步驟。

建立應(yīng)用模型：在建好的數(shù)據(jù)庫模型基礎(chǔ)上，可以針對同一型式不同硬點(diǎn)的懸架快速建模，分為參數(shù)輸入，建立模型，模型運(yùn)用三部分。實(shí)際中，具體的模型需要根據(jù)不同用途做適應(yīng)性改進(jìn)，包括添加傳動(dòng)半軸的模擬數(shù)模為校核滑移量，建立運(yùn)動(dòng)法則曲線為制作輪胎包絡(luò)等。圖1為快速建模的建模流程圖。

2 建立數(shù)據(jù)庫模型

建立數(shù)據(jù)庫模型分為模型簡化、模型裝配和模型硬點(diǎn)參數(shù)化等步驟。

模型簡化：因前期預(yù)研階段3D數(shù)據(jù)還不成熟，建模只能通過虛擬化的零件平臺(tái)，故將各懸架零件簡化為點(diǎn)、線、面。

模型裝配：利用CATIA操作，根據(jù)各零件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加約束及運(yùn)動(dòng)副，此步和傳統(tǒng)建模方法類似。

模型硬點(diǎn)參數(shù)化：通過將硬點(diǎn)坐標(biāo)與參數(shù)公式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立關(guān)系樹與設(shè)計(jì)表關(guān)聯(lián)，方便根據(jù)不同硬點(diǎn)快速更新數(shù)據(jù)庫模型。

下面以麥弗遜懸架為例，論述數(shù)據(jù)庫懸架模型的建立方法。

2.1 模型簡化

所有零部件均簡化為點(diǎn)（減震器上鉸接點(diǎn)、三角臂鉸接點(diǎn)、轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)/外點(diǎn)等）、線（減震器、轉(zhuǎn)向拉桿、驅(qū)動(dòng)軸中心軸桿等）、面（三角臂），便于參數(shù)化。

1）將懸架系統(tǒng)內(nèi)部鉸接視為剛性連接，且不考慮懸架、轉(zhuǎn)向、傳動(dòng)軸等零件的變形。

2）為模型簡化及參數(shù)化，將無相對運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行整合，自身內(nèi)部有相對運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行拆分，參考如下原則：

a、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)分解為轉(zhuǎn)向器殼體、左右轉(zhuǎn)向拉桿三個(gè)零件；

b、驅(qū)動(dòng)軸分解為外球籠、中心軸桿、內(nèi)球籠三個(gè)零件。

c、針對麥弗遜懸架：轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪、減震器、外球籠合并為一個(gè)零件；針對雙橫臂懸架：轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪、外球籠合并為一個(gè)零件。

d、針對麥弗遜懸架：前托架、轉(zhuǎn)向器殼體、內(nèi)球籠、懸架機(jī)構(gòu)與車身安裝點(diǎn)合并為一個(gè)零件；針對雙橫臂懸架：車架（或前托架）、轉(zhuǎn)向器殼體、內(nèi)球籠、懸架機(jī)構(gòu)與車身（車架）安裝點(diǎn)合并為一個(gè)零件。

2.2 模型裝配

將各零件的簡化模型進(jìn)行裝配，結(jié)合零件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加相應(yīng)的約束，建立運(yùn)動(dòng)模型。

各線性零件模型間的接合命令和約束副如表1所示：

模型結(jié)構(gòu)樹如圖1所示：

2.3 模型硬點(diǎn)參數(shù)化

建好運(yùn)動(dòng)模型后，需對模型各硬點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化。方法如下：

1）運(yùn)行CATIA知識(shí)工程命令中的“公式”新建參數(shù)公式，并對應(yīng)各硬點(diǎn)名稱。

3）建立關(guān)系樹，關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)表

運(yùn)行知識(shí)工程命令中的“設(shè)計(jì)表”，將參數(shù)化后的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到EXCEL中，即完成關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)表。

以上，即完成麥弗遜懸架的數(shù)據(jù)庫模型建立。

3 建立應(yīng)用模型

建立懸架模型不需要重復(fù)CATIA建模繁瑣操作，只需要按照懸架類型選擇相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫模型，更新設(shè)計(jì)表（EXCEL）中的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，懸架運(yùn)動(dòng)模型即可自動(dòng)更新，完成建立。

建模過程分為三個(gè)步驟：參數(shù)輸入，建立模型，模型運(yùn)用。流程如圖1。

3.1 參數(shù)輸入

需提供硬點(diǎn)數(shù)據(jù)表及懸架類型。

硬點(diǎn)數(shù)據(jù)表作為模型建立的參數(shù)輸入，所建懸架模型需與數(shù)據(jù)庫調(diào)取模型類型一致。

如下分別為雙橫臂懸架、麥弗遜懸架的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)表信息：

3.2 建立模型

從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出同類型懸架模型，打開后運(yùn)行“設(shè)計(jì)表”命令，調(diào)出設(shè)計(jì)表（設(shè)計(jì)表為EXCEL，可保存到本地，自動(dòng)與CATIA模型關(guān)聯(lián)），更改對應(yīng)設(shè)計(jì)表中硬點(diǎn)參數(shù)，如圖6：

運(yùn)行CATIA中“更新位置”命令，再對更新后的模型進(jìn)行改進(jìn)和細(xì)化，即可完成新的硬點(diǎn)參數(shù)下懸架模型的初步建立。

對更新后的懸架模型進(jìn)行檢查、改進(jìn)、細(xì)化，通過評審，即完成懸架模型的最終建立。

另外，設(shè)計(jì)表除了可在CATIA樹中激活，還可以保存到本地，并與CATIA數(shù)模相關(guān)聯(lián)，更改本地的設(shè)計(jì)表，CATIA中的數(shù)模即自動(dòng)完成更新建模，使工作過程更加方便。

3.3 模型運(yùn)用

最終的懸架模型可運(yùn)用于商品概念設(shè)計(jì)階段的總布置預(yù)研分析，傳動(dòng)軸校核，輪胎包絡(luò)的初步計(jì)算等工作中。

對于總布置預(yù)研分析工作，又包含了前艙動(dòng)力總成布置的可行性分析，而該工作的進(jìn)行需要確定動(dòng)力總成硬點(diǎn)（包含發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱），這就同時(shí)需要判斷變速箱的輸出軸坐標(biāo)位置是否滿足傳動(dòng)軸夾角和滑移量等性能，而是否滿足傳動(dòng)軸要求的依據(jù)就是通過本文方法所建立的懸架模型，模擬仿真其整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程后作出判斷。

此外，在整車開發(fā)前期，輪胎包絡(luò)可以較準(zhǔn)確的模擬車輛實(shí)際行駛工況，這就為車身輪罩、車身地板、前圍等零件的設(shè)計(jì)提供了邊界，而輪胎包絡(luò)同樣可以通過將輪胎裝配到本文所建懸架模型，模擬仿真運(yùn)動(dòng)后完成制作。

4 建模方法驗(yàn)證

以A車型的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)建立麥弗遜懸架數(shù)據(jù)庫模型，如圖7：

將車型B的懸架硬點(diǎn)按照上述快速建模方法輸入到數(shù)據(jù)庫模型對應(yīng)的設(shè)計(jì)表中，運(yùn)行更新命令操作后，新的數(shù)據(jù)庫模型如圖9。

從圖中可以明顯看出硬點(diǎn)更新前后數(shù)模發(fā)生變化。經(jīng)過數(shù)模對比，快速方法建立的B車型的懸架模型與實(shí)際模型一致，從而該快速建模的方法得到驗(yàn)證。

5 結(jié)語

本文主要是以麥弗遜懸架為例對建模過程進(jìn)行了論述，除了麥弗遜懸架外，該方法也同樣適用于其他的懸架形式，包括雙橫臂懸架，拖曳臂懸架等，通過一次對各種常用懸架模型數(shù)據(jù)庫的建立，可以根據(jù)不同輸入硬點(diǎn)下的模型隨時(shí)快速更新運(yùn)動(dòng)模型，從而對動(dòng)力總成布置，傳動(dòng)軸校核等可行性進(jìn)行判斷，同時(shí)，也可以為滿足其他系統(tǒng)的要求，微調(diào)懸架硬點(diǎn)，更改設(shè)計(jì)表中參數(shù)，最終得到較為合理的硬點(diǎn)值。

該方法主要是將懸架各零件進(jìn)行簡化，避免前期3D數(shù)據(jù)的缺失導(dǎo)致建模工作無法進(jìn)行，同時(shí)對各硬點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，可滿足不同硬點(diǎn)懸架模型的快速建立，有效減少工作量，提高工作效率。該方法同樣可以運(yùn)用于總布置專業(yè)的其他分析工作中。

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Key Words： Suspension hard point； DMU； rapid modeling； motion simulation； CATIA parameterization