應(yīng)用Sim De signe r提高懸架DMU仿真準確性

葉錦文，王建宜，吳保玉，王瑞林

應(yīng)用Sim De signe r提高懸架DMU仿真準確性

葉錦文，王建宜，吳保玉，王瑞林

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州510640）

介紹在SimDesigner軟件中應(yīng)用襯套代替運動副的方法，建立更加準確的懸架DMU模型，通過設(shè)置零件重量參數(shù)、彈性件參數(shù)、調(diào)整靜平衡位置，提高模型的準確性，使模型與實際盡量相符合，最后對比分析SimDesigner與CATIA的仿真結(jié)果。

懸架；SimDesigner；DMU；仿真

汽車底盤零部件互不干涉是汽車安全行駛和具備舒適性的基本條件之一。運動零部件之間較小的間隙增加零部件的干涉風(fēng)險。由于車輛空間非常有限，較大的間隙設(shè)計則擠壓零部件所需的空間，這對零部件布置、形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計要求更高。此外，只有準確獲取球鉸、萬向節(jié)、花鍵在車輛各種行駛工況下的角度變化及位移變化，才能判斷設(shè)計參數(shù)能否滿足使用要求。因此，汽車前期設(shè)計時，準確獲得底盤各運動的零部件間的間隙等參數(shù)是非常重要的［1］。

1　CATIA與SimDesigner的DMU模型

DMU（Digital Mockup）是數(shù)字樣機的簡稱，即利用電腦建立模擬實際運動機構(gòu)的數(shù)字模型［2］。

應(yīng)用CATIA的DMU模塊可以較方便地建立DMU模型，校核運動零部件之間的間隙。但是CATIA無法模擬彈性件的變形，因此，對于底盤懸架這種帶襯套等彈性元件的機構(gòu)，用CATIA無法建立與實際相符的模型。而SimDesigner則可以很好地克服這些不足。

在車輛結(jié)構(gòu)上，穩(wěn)定桿拉桿通過兩個球頭分別跟穩(wěn)定桿和減振器連接。應(yīng)用CATIA建立DMU模型時，為保證整個DMU模型的自由度滿足CATIA要求，自由度必須等于零。因此，其中一個球副必須用萬象副代替。由于萬象副比球副少了一個自由度，造成仿真時兩個球頭的擺角差別很大，明顯與實際不符，不能準確判斷球頭設(shè)計的合理性，如圖1所示。

SimDesigner是MSC公司的產(chǎn)品。該軟件基于CATIA的裝配文件創(chuàng)建仿真模型，進行動態(tài)仿真，并且允許回放仿真過程動畫，還可以把仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)繪制成二維圖，十分方便［3］。SimDesigner與CATIA相比，優(yōu)勢有：允許創(chuàng)建襯套、彈簧、阻尼、3D接觸等約束副。應(yīng)用SimDesigner創(chuàng)建的DMU模型能反映襯套受力變形產(chǎn)生的影響，更接近實際，提高仿真結(jié)果的準確性。

根據(jù)懸架零部件間的連接關(guān)系，建立懸架DMU模型（以麥弗遜懸架為例）［4］：副車架固定；減振器與車身，下擺臂與副車架，橫向穩(wěn)定桿與副車架，轉(zhuǎn)向器與副車架均用襯套連接；減振器的運動用移動副模擬，并添加彈簧；減振器下端與轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)與車輪用固定副連接；驅(qū)動半軸固定式萬向節(jié)用萬向副模擬，內(nèi)端滑移式萬向節(jié)用點線副模擬，下擺臂外端與轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)用球副連接；轉(zhuǎn)向橫拉桿與齒條用萬象副模擬，齒條與轉(zhuǎn)向器用移動副連接［5］。建立點面副和移動副使車輪可以上下運動。穩(wěn)定桿拉桿上下兩個球副用襯套連接［6］。

穩(wěn)定桿拉桿的球頭存在摩擦。在SimDesigner中為了模擬球頭的真實特性，建模時用襯套代替球副，并通過襯套的扭轉(zhuǎn)剛度體現(xiàn)球頭的摩擦力。具體建模方法如下：襯套幾何中心和硬點（零部件鉸接中心）重合，襯套的Z軸和數(shù)模球頭的支座軸線重合。為提高仿真準確性，襯套的線剛度不應(yīng)小于108N/mm；扭轉(zhuǎn)剛度則很小，建議值為100 Nmm/deg。

襯套的線剛度很大。仿真時，襯套幾乎沒有變形；而襯套的扭轉(zhuǎn)剛度很小，穩(wěn)定桿拉桿有三個旋轉(zhuǎn)自由度，與球頭等效，微小的扭轉(zhuǎn)剛度等同于物理球頭的摩擦作用。因此，襯套具有球頭的各項特性，等同于球頭。

由于制造工藝、球頭尺寸等原因，球頭的摩擦力是不一樣，對應(yīng)的襯套扭轉(zhuǎn)剛度也不一樣。仿真時，襯套剛度細微的差別是否會引起仿真結(jié)果明顯的差別？下面用不同扭轉(zhuǎn)剛度襯套的仿真結(jié)果加以對比說明。假設(shè)以襯套扭轉(zhuǎn)剛度為0 Nmm/deg（即假設(shè)球頭沒有摩擦力）時的球頭擺角為理想值，襯套的扭轉(zhuǎn)剛度分別等于20Nmm/deg、100Nmm/deg、150Nmm/deg時，球頭擺角與理想值之差分別等于-0.0022°、-0.0114°、-0.0171°。由此可知，只要襯套扭轉(zhuǎn)剛度偏差不大，仿真結(jié)果差別就很小，不影響結(jié)果的準確性。圖2為用襯套建模的球頭擺角。

由圖2可知，拉桿上下球頭的擺角差別很小，能準確反映出拉桿的實際特性，可以指導(dǎo)設(shè)計拉桿球鉸參數(shù)。上下球鉸擺角不完全一致的主要原因：穩(wěn)定桿自重造成上下球頭的扭轉(zhuǎn)力矩不一樣，測量的球頭擺角是空間的角度［7-8］。

2　改進模型參數(shù)及結(jié)果分析

2.1設(shè)置數(shù)模材料屬性

在模型的數(shù)模零部件中輸入相應(yīng)的零部件材料屬性。設(shè)置材料屬性后，可通過“movingpart”確認零部件的質(zhì)量、慣量大小是否合理，或者修改獲得更加符合實際的質(zhì)量參數(shù)。

2.2彈性元件的參數(shù)輸入及處理

SimDesigner只能輸入線性的剛度。通常，彈簧的剛度是接近線性的，誤差不大。

襯套剛度包含X、Y、Z的線剛度及繞X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)剛度，并且襯套的剛度是非線性的。變形量較小時，襯套剛度較??；變形較大時，剛度明顯增加。因此，線性剛度的仿真結(jié)果不能準確反映襯套的實際變形，影響結(jié)果準確性。

襯套扭轉(zhuǎn)剛度對仿真結(jié)果的影響不大。模型通過控制輪跳或減振器的位移量仿真，輪跳或減振器的位移量確定之后，襯套的擺角隨之確定，因此，扭轉(zhuǎn)剛度對DMU校核影響很小。

通過仿真可知，襯套線剛度不變而扭轉(zhuǎn)剛度減小2 700 Nmm/deg（約減小一半）時，穩(wěn)定桿與轉(zhuǎn)向橫拉桿間隙減小0.12 mm。襯套扭轉(zhuǎn)剛度不變而線剛度減800 N/mm（約減小一半）時，穩(wěn)定桿與轉(zhuǎn)向橫拉桿的間隙增加0.49 mm。相對于設(shè)計狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)剛度的變化量遠大于線剛度的變化量，但對間隙的影響明顯小于線剛度。通過對比分析可知，在轎車襯套扭轉(zhuǎn)剛度范圍內(nèi)，襯套扭轉(zhuǎn)剛度引起的結(jié)果偏差很小，與實際經(jīng)驗相符合，仿真準確性可接受。

對于線剛度，如果輸入小變形量的襯套剛度（圖3 的K1），仿真時大變形量的襯套剛度明顯小于實際值，這一點對仿真結(jié)果的合理性影響很大。底盤零部件間的最小間隙經(jīng)常發(fā)生在極限工況下（一般指輪跳和轉(zhuǎn)向至少有一項達到極限設(shè)計值）。DMU校核的目的主要是獲取這些間隙數(shù)值，判斷設(shè)計能否滿足實際使用條件。極限工況下，襯套受力較大，若輸入的剛度為K1，則襯套的變形量增加，部分零部件間的最小間隙明顯小于（或者明顯大于）實際值。零部件所需的空間難以確定，設(shè)計難度加大。若仿真時輸入變形量較大時的襯套剛度，那么仿真結(jié)果與實際相比，不僅襯套變形量較小時的準確性差，襯套變形量大時的準確性也較低，即整個仿真過程的誤差均較大（如表1所示）。

表1　襯套受力變形量對比

解決方法一：采用線性擬合，輸入擬合的剛度值（K3，如圖3所示），減小誤差。該方法消除誤差的效果與襯套的剛度特性有密切關(guān)系：襯套的剛度的線性特性越明顯，則消除誤差的效果越明顯，準確性越高；若襯套剛度有很明顯的非線性特性，則該方法消除誤差的效果有限。該方法比較簡單，但提高準確性的效果不明顯。

解決方法二：建立剛度為K1的襯套，增加3D約束。3D約束的原理：仿真過程中，軟件通過計算判斷兩個（或多個）受約束的物體是否接觸。當(dāng)物體間發(fā)生接觸時，軟件計算出干涉量，并依據(jù)干涉量計算出作用力，然后同時施加在兩個物體上。依據(jù)該原理，在副車架所在的零件建立圓柱體（如圖4所示）。圓柱體與擺臂之間的距離等于此處襯套剛度曲線拐點對應(yīng)的變形量（如圖5所示）。建立3D約束時，約束特征分別選圓柱體側(cè)面和擺臂襯套安裝孔的內(nèi)表面。3D約束的剛度等于拐點后的曲線剛度與拐點前曲線剛度的差（即K2-K1）。仿真時，若襯套變形量小，約束特征未接觸，3D約束不起作用，此時的剛度為K1；當(dāng)襯套的變形量達到拐點的變形量時，3D約束的特征面開始接觸，3D約束產(chǎn)生作用，襯套的變形量繼續(xù)增大時，此時的剛度為3D約束的剛度與襯套剛度之和（即K2）。整個仿真過程中，剛度位移曲線由兩條直線構(gòu)成，與實際襯套曲線差別很小，可有效、可高仿真準確性，如圖6所示。

2.3調(diào)整靜平衡位置

建完模型后，模型靜平衡達到靜平衡時輪心的位置可能與數(shù)模不一致，表現(xiàn)為輪心Z坐標不一致。不一致的主要原因：實際車輛的襯套是受力變形，而模型的襯套沒有受力。因此，需要調(diào)整模型的靜平衡位置。

模型達到靜平衡的方法有以下兩種：

方法一：調(diào)整襯套預(yù)載，消除誤差。通過SimDesigner獲取自身襯套的預(yù)載比較麻煩。因此，預(yù)載常通過調(diào)好靜平衡位置的ADAMS獲取，然后根據(jù)輪心位移量再微調(diào)襯套預(yù)載，達到靜平衡。

方法二：根據(jù)輪心的位移量調(diào)整彈簧的自由長度，模型達到靜平衡。當(dāng)輪心相對初始位置向上偏移時，增加彈簧的自由長度，增加量等于偏移量。當(dāng)輪心相對初始位置向下偏移時，減小彈簧的自由長度，減小量等于偏移量。一般經(jīng)過2～3次的調(diào)整即可使模型達到靜平衡。用該方法能準確、快速使模型達到靜平衡狀態(tài)。

2.4仿真結(jié)果對比分析

DMU仿真時，利用測量工具獲得零部件的動態(tài)間隙或球鉸擺角等數(shù)據(jù)；通過導(dǎo)入輪跳位移-時間、齒條行程-時間的關(guān)系數(shù)據(jù)，可準確控制輪跳和齒條行程的位置，獲得各工況的DMU結(jié)果［9-10］。

以某項目車型為例，SimDesigner與CATIA DMU的仿真結(jié)果對比如表2所示，最小間隙（S）為SimDesigner的仿真結(jié)果；最小間隙（C）為CATIADMU的仿真結(jié)果。

表2　仿真結(jié)果對比

由表2可知，SimDesigner與CATIA DMU的仿真結(jié)果最大相差3.8 mm，且SimDesigner的間隙值均大于CATIA的間隙值。這是因為上述零部件的襯套受力方向與運動方向相同，襯套變形使間隙值變大。當(dāng)零部件的運動方向與襯套受力方向相反時，襯套變形使間隙減小。

3　結(jié)束語

利用SimDesigner建立DMU模型的主要優(yōu)勢：可以準確模擬球鉸在運動過程中的擺角；加入襯套，較為準確地反映襯套變形對間隙的影響；模型可以體現(xiàn)零部件重力的影響。

對比仿真結(jié)果表明，SimDesigner與CATIADMU的仿真結(jié)果相差較大，對底盤初期設(shè)計有很大影響。該值大小與車型及懸架結(jié)構(gòu)有關(guān)，可能會進一步增大，對零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計有明顯的影響。因此，有必要利用SimDesigner建立含有襯套的DMU模型，評估彈性元件變形對底盤設(shè)計產(chǎn)生的影響，然后在底盤設(shè)計過程中考慮這一影響因素。

［1］張宏欣.汽車設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［2］晉萍，聶宏.運用CATIA和ADAMS的十字軸萬向聯(lián)軸器的運動學(xué)和動力學(xué)仿真［J］.現(xiàn)代制造工程，2011，（2）：1-5.

［3］張萌，王鵬林.MSCSimDesigner在產(chǎn)品設(shè)計中的作用［J］.計算機輔助工程，2006，（15）：1-3.

［4］譚慶昌，趙洪志，曾平.機械設(shè)計［M］.長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

［5］張德智，劉文斌，汪桂林，等.粗軋機十字萬向軸中聞接軸力學(xué)分析［J］.重型機械，2006，（6）：52-54.

［6］王淑芳.基于CATIA的汽車懸架動態(tài)仿真［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2007.

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［8］郝點，宋恒，陳海峰，等.基于Pro/Engineer的單螺桿泵運動學(xué)仿真分析［J］.石油礦場機械，2010，39（6）：42-48.

［9］鐘小勇.基于CATIA和ADAMS的二級斜齒輪減速器的虛擬樣機建模和動力學(xué)仿真［J］.裝備制造技術(shù)，2008，（4）

［10］王智明，菅志軍，鄧洪超.MSC SimDesigner的救生絞車仿真研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009，（1）：98-99.

修改稿日期：2014-11-25

Improving Accuracy of Suspension's DMU Simulation with SimDesigner

Ye Jinwen，WangJianyi，Wu Baoyu，WangRuilin
（Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd，Automobile EngineeringInstitute，Guangzhou 510640，China）

The authors introduce howto replace joints with bushings to get a more accurate DMU model of the suspension.Then by inputting mass property of parts in the model，by changing parameters of the elastic elements and adjusting balance position of the model，they make the model more accurate and consistent with the true vehicle.At last，theycompare and analyze the simulation results ofSimDesigner and CATIA.

suspension；SimDesigner；DMU；simulation

U463.33

B

1006-3331（2015）01-0016-04

葉錦文（1987-），男，底盤性能工程師；主要從事底盤動力學(xué)相關(guān)工作。