基于CATIA數(shù)字樣機技術(shù)的汽車輪胎跳動模擬及包絡間隙檢查分析方法

程小彪，楊志剛，周振福，毛 韻

1 背景

汽車懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部件，它的功能是支撐車身、改善乘坐舒適性。它綜合了多種作用力，決定著轎車的動力傳遞性、穩(wěn)定性、舒適性和安全性。如何提前對其進行虛擬的運動仿真及問題檢驗是懸架設計的關(guān)鍵。

本文運用CATIA軟件對懸架模型進行動態(tài)仿真，分析汽車懸架實際運動狀態(tài)，對懸架安裝附件(如輪胎、管路、線束等)工程變更后的狀態(tài)進行動靜態(tài)分析，及時發(fā)現(xiàn)懸架系統(tǒng)安裝匹配布置過程中潛在的各種間隙問題和設計過程中各系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部零件之間的動靜態(tài)干涉情況，并根據(jù)分析結(jié)果適當調(diào)整懸架系統(tǒng)各項參數(shù)和極限運動鎖止位置，可有效減少車型改款或工程變更過程中的多項成本風險及后期市場風險。

2 目標

采用CATIA軟件中的DMU模塊對前懸架的數(shù)字樣機模型施加符合其運動方式的運動副和驅(qū)動命令，實現(xiàn)對前懸架的運動仿真，從而形象地分析汽車前獨立懸架的運動狀態(tài)，優(yōu)化懸架系統(tǒng)的總體布置，提高系統(tǒng)零件間的相互協(xié)調(diào)匹配能力。具體實現(xiàn)步驟為:

1)運用CATIA軟件的Part Design模塊建立整車前麥弗遜式懸架的簡化模型。

2)運用CATIA軟件的DMU模塊，添加符合其運動方式的運動副和驅(qū)動命令，實現(xiàn)簡化模型的可運動仿真。

3)建立輪胎的極限運動包絡體，分析包絡體與周邊零件的間隙情況。

3 過程

3.1 前麥弗遜懸架3D數(shù)據(jù)模型

運用CATIA軟件建立前麥弗遜懸架3D數(shù)字模型，如圖1所示，該懸架的爆炸圖如圖2所示。

圖1 前麥弗遜式懸架3D數(shù)字模型

圖2 懸架爆炸圖

3.2 簡化數(shù)模

運用CATIA軟件的Part Design模塊編輯麥弗遜懸架數(shù)模，將懸架結(jié)構(gòu)簡化為線條模型。先提取各活動連接關(guān)節(jié)點的3D坐標，連桿及零件用其中心線代替。簡化線條模型適用于多種麥弗遜懸架，只需要根據(jù)懸架對應的尺寸及坐標位置參數(shù)修改懸架連桿活動關(guān)節(jié)點坐標值，就能快速實現(xiàn)運動仿真。

3.2.1 輪胎

設定輪胎寬為變量a，輪胎高寬比為變量b，輪輞直徑為變量c，在假設型號為205_55R_16的子午線輪胎的基礎上，通過CATIA曲面設計里的仿射命令和編輯公式命令f(x)，實現(xiàn)輪胎型號快速變換。

所用公式為:

根據(jù)上述命令及公式，在CATIA里快速變換車輪型號，車輪變換參數(shù)設置窗口如圖3所示。

圖3是在輪胎型號為205_55R_16的基礎上根據(jù)需要變換的不同型號車輪。圖4的車輪型號為215_50R_18。圖5的車輪型號為165_55R_16。

圖3 車輪變換參數(shù)設置窗口

圖4 輪胎型號:215_50R_18

圖5 輪胎型號:165_55R_16

3.2.2 懸架簡化后的效果

在簡化懸架時需要注意，前懸架系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)中采用了橡膠減振元件，減震器上半部分與車身連接處的連接方式為橡膠襯套彈性鉸鏈，確認此處結(jié)構(gòu)后在CATIA仿真中正確地添加運動副，整個懸架簡化后的效果如圖6所示。

圖6 懸架簡化效果

3.3 添加運動副及驅(qū)動

3.3.1 懸架關(guān)節(jié)點運動副

運用CATIA軟件中的DMU kinematics模塊，根據(jù)相應關(guān)節(jié)實際的運動情況，在懸架簡化線條上添加適合的模擬運動副，所需運動副如圖7所示。麥弗遜懸架左右部分對稱，左右所添加的運動副也相同。表1為關(guān)于懸架各個關(guān)節(jié)點所添加運動副的名稱及原理。

圖7 整車懸架運動副

3.3.2 添加驅(qū)動命令

經(jīng)過對懸架的分析可知:車輪左、右方向的驅(qū)動力主要來自駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤，其轉(zhuǎn)向力經(jīng)過萬向節(jié)機構(gòu)傳遞至方向機，然后方向機將駕駛員輸出的往復運動轉(zhuǎn)向力作用在齒輪齒條上，并傳遞至轉(zhuǎn)向橫拉桿上。在仿真中，可以用DMU模塊里的命令添加驅(qū)動力來模擬駕駛員的轉(zhuǎn)向作用力。命令中驅(qū)動力的輸入值即為實際零件方向機的左右行程，假設方向機的總行程為140 mm，具體軟件命令設置如圖8所示。

圖8 左右轉(zhuǎn)向驅(qū)動力輸入框簡圖

而車輪上、下跳動的驅(qū)動力主要由路面反作用力引起，車輪將此作用力傳遞給減震器，減震器內(nèi)部做活塞運動來消耗此力。在仿真中，用命令模擬上下拉伸運動，通過添加拉伸驅(qū)動力來模擬車輪的上下跳動。由于為獨立懸架，左右車輪相互獨立跳動，需要在懸架左右減震器上各加1個相同的拉伸驅(qū)動力。這里假設減震器的總行程為120 mm，上跳行程為80 mm，下跳行程為40 mm。上下跳動驅(qū)動力輸入框，如圖9所示。

圖9 上下跳動驅(qū)動力輸入框

3.3.3 仿真效果

經(jīng)過以上步驟，已經(jīng)可以實現(xiàn)懸架的基本仿真。圖10為CATIA軟件運動仿真過程中車輪由左上極限位置轉(zhuǎn)動到右上極限位置的運動效果。

表1 關(guān)節(jié)運動副名稱及原理

圖10 仿真運動效果

3.4 車輪包絡制作

根據(jù)車輛在行駛過程中的實際情況，分析可能出現(xiàn)車輪跳動極限位置的情況，運用CATIA軟件進行運動仿真模擬。

3.4.1 理論情況

前輪上跳到極限位置與前輪滿角度轉(zhuǎn)向同時出現(xiàn)，則車輪最大包絡為車輪左、右轉(zhuǎn)向極限與車輪上跳極限時的位置。圖11為理論情況車輪最大包絡圖。

圖11 理論情況車輪最大包絡

3.4.2 實際情況

根據(jù)實際實驗分析結(jié)論，前輪上跳到極限位置與前輪滿角度轉(zhuǎn)向同時出現(xiàn)的可能性極小，但一旦出現(xiàn)則往往是危險工況。

1)滿角度轉(zhuǎn)向只在極限上跳量的60%以下范圍內(nèi)出現(xiàn);

2)當上跳到極限位置時，車輪最大轉(zhuǎn)向角為滿角度的20%。

據(jù)此，可重新定義轉(zhuǎn)向和跳動2個驅(qū)動源驅(qū)動量的范圍，并生成相應包絡面。圖12為實際情況下的車輪最大包絡。

圖12 實際情況下的車輪最大包絡

4 結(jié)果分析

4.1 車輪包絡面與輪罩干涉問題檢查

輪胎包絡面決定了輪罩和翼子板形狀及位置。運用CATIA軟件仿真技術(shù)對輪胎跳動包絡體進行詳細間隙檢查，可以在產(chǎn)品投產(chǎn)前有效地檢查間隙及極限干涉情況，降低后期投產(chǎn)風險及相應成本。圖13是車輪實際運動極限包絡面與輪罩的間隙檢查圖。

由圖13可知，車輪極限運動包絡與輪罩最小間隙為20 mm，滿足輪胎極限跳動要求?？紤]到車輪在冰雪路面上可能需要安裝防滑鏈，如圖14所示，需在設計汽車輪轂包、輪罩、翼子板時預留足夠防滑鏈安裝間隙。一般轎車防滑鏈的最大厚度為10 mm，經(jīng)驗要求車輪包絡與周邊最小間隙不小于10 mm，因此設計時在考慮防滑鏈的前提下車輪包絡間隙最少為20 mm。本案例中研發(fā)分析的汽車間隙為20 mm，加上減震器模型行程的保守誤差方案，認為此處設計符合實際要求。

圖13 車輪包絡與輪罩的包絡檢查圖

圖14 汽車車輪防滑鏈安裝圖

4.2 車輪與橫向穩(wěn)定桿間隙檢查

車輪在左右轉(zhuǎn)動過程中，必須保證車輪與橫向穩(wěn)定桿不發(fā)生任何干涉。圖15為包絡面與橫向穩(wěn)定桿間隙檢查圖。圖16為假設轉(zhuǎn)向機由-70 mm至+70 mm轉(zhuǎn)動的過程中，每隔0.4 mm記錄的車輪與橫向穩(wěn)定桿間隙測量值分布曲線。

圖15 車輪與橫向穩(wěn)定桿間隙檢查圖

由圖16可以看出:車輪由左極限轉(zhuǎn)動到右極限的過程中不會發(fā)生任何干涉，車輪與橫向穩(wěn)定桿的最小間隙為84 mm，在車輪右極限時發(fā)生干涉。

圖16 車輪與橫向穩(wěn)定桿間隙分布

5 結(jié)束語

本文運用CATIA中的DMU模塊對汽車前麥弗遜懸架進行運動仿真分析。首先對汽車懸架進行簡化，然后在懸架關(guān)節(jié)點處添加合理的運動副實現(xiàn)汽車前懸架的運動仿真。通過運動仿真技術(shù)制作出車輪的極限跳動包絡體，運用包絡體完成對汽車翼子板、擋泥板及橫向穩(wěn)定桿的間隙檢查。在數(shù)模投產(chǎn)前運用CATIA仿真技術(shù)預先評估，有效地降低了后期質(zhì)量風險、成本及開發(fā)周期。

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