基于Pro/E的后平衡懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

楊銀輝，范學(xué)瓊，趙化剛，上官望義

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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基于Pro/E的后平衡懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

楊銀輝，范學(xué)瓊，趙化剛，上官望義

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘 要：建立鋼板彈簧的參數(shù)化模型，利用Pro/E機(jī)構(gòu)模塊模擬不同工況時(shí)后平衡懸架運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，輸出的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)和軌跡曲線為其他周邊零部件輸出設(shè)計(jì)邊界。該運(yùn)動(dòng)校核方法，為懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種便利的途徑，節(jié)省了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，也為其他系統(tǒng)的提供設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：Pro/E鋼板彈簧；平衡懸架；運(yùn)動(dòng)分析；校核

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.023

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-66-04

前言

平衡懸架廣泛應(yīng)用于重型汽車上，它提高了重型汽車特別是重型工程汽車輪胎的接地性，保證了各種工況下兩橋或多橋之間載荷的均衡性。但目前的分析手段還大部分是經(jīng)驗(yàn)法或簡(jiǎn)單計(jì)算，再進(jìn)行裝配驗(yàn)證、改進(jìn)，分析手段落后，無(wú)法滿足現(xiàn)代汽車新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，基于此，以某車型后平衡懸架為例，運(yùn)用Pro/E機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行了輔助分析，縮短了后平衡懸架的開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并可為汽車設(shè)計(jì)工程師提供設(shè)計(jì)參考。

1、鋼板彈簧的參數(shù)化建模

本文運(yùn)用Pro/E Wildfire5.0中的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，為了能更好的模擬車輛零負(fù)載、滿載、極限載荷等各種工況時(shí)對(duì)其他零件的影響，首先需將鋼板彈簧進(jìn)行參數(shù)化建模，建模分為以下幾步：

（1）將鋼板彈簧近似為一拋物線，建立曲線方程如以下公式。

x= L*cos(t*180)

y= H- h*x*x/(s*s)

其中：L—鋼板彈簧長(zhǎng)度；H—鋼板彈簧中間部位與兩端接觸點(diǎn)高度差；h—鋼板彈簧弧高；s—鋼板彈簧作用長(zhǎng)度半長(zhǎng)；t—常量（0～1）。

（2）創(chuàng)建布局，建立鋼板彈簧示意及板簧參數(shù)表，如圖1。

（3）申明布局，將步驟（2）與步驟（1）關(guān)聯(lián)，如圖2。

（4）在步驟（1）曲線基礎(chǔ)上建立鋼板彈簧實(shí)體模型，如圖3。

圖3　鋼板彈簧模型

2、系統(tǒng)組成及裝配

后平衡懸架主要由車架、平衡軸、平衡軸殼、軸承、鋼板彈簧、上推力桿、下推力桿及橋組成，運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，鋼板彈簧與平衡軸緊固為一體繞平衡軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鋼板彈簧分別在中、后橋接觸滑動(dòng)，為便于機(jī)構(gòu)分析，將平衡軸殼、軸承、鋼板彈簧用騎馬螺栓緊固為一分裝總成，系統(tǒng)簡(jiǎn)化后共7個(gè)構(gòu)件，各構(gòu)件的連接類型及自由度見(jiàn)表1。

按照表1所列，進(jìn)行后平衡懸架裝配，機(jī)構(gòu)中引入特殊連接，即在中、后橋與鋼板彈簧接觸部位增加凸輪連接，系統(tǒng)共11個(gè)3級(jí)運(yùn)動(dòng)副、2個(gè)4級(jí)運(yùn)動(dòng)副，系統(tǒng)自由度為1，裝配完后的模型如圖4。

表1　平衡懸架系統(tǒng)連接類型及自由度

圖4　平衡懸架三維裝配示意

3、運(yùn)動(dòng)分析

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真

進(jìn)入Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊，選擇“平衡軸殼及鋼板彈簧分裝總成”的銷釘連接為伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸，輪廓設(shè)置為余弦曲線，參照后懸架的跳動(dòng)極限將模擬振幅為設(shè)置為8.7°，2個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，具體如圖5所示。

圖5　伺服電動(dòng)機(jī)的設(shè)置

圖6　運(yùn)動(dòng)仿真

針對(duì)此運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，選取當(dāng)前位置作為分析起點(diǎn)，設(shè)定運(yùn)動(dòng)時(shí)間為30 s，幀頻為10幀／s，電動(dòng)機(jī)恰好完成2個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。隨后將運(yùn)動(dòng)仿真的分析結(jié)果保存起來(lái)，以便于分析后懸架各元件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。分析仿真設(shè)置如圖6。

3.2 懸架運(yùn)動(dòng)校核

分析仿真完成后，在機(jī)構(gòu)工具的動(dòng)畫中點(diǎn)擊回放按鈕，產(chǎn)生如圖7所示的動(dòng)畫，可進(jìn)行后懸架的動(dòng)態(tài)校核，分別校核鋼板彈簧零負(fù)載、空載和滿載工況時(shí)懸架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周邊間隙，如存在零件之間干涉問(wèn)題，再修改零件數(shù)模。

圖7　機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫

3.3 運(yùn)動(dòng)軌跡、包絡(luò)

選擇菜單命令的插入︱軌跡曲線，彈出圖8所示，選取橋中心點(diǎn)、推力桿球頭中心點(diǎn)、滑板接觸點(diǎn)等，生成某一零件的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線；選取運(yùn)動(dòng)回放的包絡(luò)按鈕，如選取下推力桿為包絡(luò)元件，生成的包絡(luò)圖形如圖9，校核其他相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，可調(diào)入包絡(luò)模型進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖8　運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9　運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

3.4 推力桿球銷扭轉(zhuǎn)角校核

推力桿球銷初始角設(shè)計(jì)不合理，均會(huì)導(dǎo)致推力桿球銷損壞，理論上，為保證零部件的通用性，在設(shè)計(jì)滿載工作過(guò)程，推力桿球頭可以不設(shè)計(jì)預(yù)扭角度，極限位置時(shí)不超過(guò)許用角度就可以，該車型的后平衡懸架的上、下推力桿許用扭轉(zhuǎn)角行程為±22°，根據(jù)表2、表3校核數(shù)據(jù)分析，上推力桿極限行程滿足許用角度，下推力桿在零負(fù)載工況時(shí)下極限位置最大扭轉(zhuǎn)角度為27.1°，不符合設(shè)計(jì)要求，為此，綜合裝配、球銷的壽命等因素，下推桿設(shè)計(jì)球銷初始角度為10.5°，極限行程及工作行程均在許用要求范圍。

表2　上推力桿球銷扭轉(zhuǎn)角校核

表3　下推力桿球銷扭轉(zhuǎn)角校核

3.5 傳動(dòng)軸空間運(yùn)動(dòng)分析

圖10　傳動(dòng)軸三維模型

由于后平衡懸架的運(yùn)動(dòng)，會(huì)影響到中、后橋間傳動(dòng)軸的空間運(yùn)動(dòng)，如傳動(dòng)軸夾角及布置不合理，引起整車傳動(dòng)噪聲、抖動(dòng)和傳動(dòng)軸十字軸失效、貫通軸損壞等問(wèn)題，為此，在平衡懸架模型基礎(chǔ)上，裝配橋間傳動(dòng)軸的模型，可進(jìn)一步校核傳動(dòng)軸的空間布置合理性，如圖10。

表4　傳動(dòng)軸伸縮量及極限夾角

根據(jù)該車型傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)規(guī)范要求，橋間傳動(dòng)軸的最大伸縮量小于110mm，傳動(dòng)軸的極限夾角小于35°，結(jié)合表4傳動(dòng)軸最小伸縮量為30mm，最大伸縮量為72mm，最大極限夾角為27.1°，均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Pro/E機(jī)構(gòu)模塊對(duì)某車型的后平衡懸架及傳動(dòng)軸的空間位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真、校核、包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并可為其他周邊零部件輸出設(shè)計(jì)邊界。該運(yùn)動(dòng)校核方法，為懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種便利的途徑，節(jié)省了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，也可用于汽車其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：U463.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)04-66-04

作者簡(jiǎn)介：楊銀輝，碩士研究生，就職于陜西重型汽車有限公司。主要從事商用車底盤懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Motion Analysis of the Rear Balanced Suspension Based on Pro／E

Yang Yinhui, Fan Xueqiong, Zhao Huagang, Shangguan Wangyi
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

Abstract:After the establishment of balanced suspension movement leaf spring parametric model, using Pro/E agency module to simulate different operating conditions, the realization of the suspension system design optimization, motion and trajectory envelope curve of the output of other peripheral components output design border. The movement verification method for the optimal design of the suspension system provides a convenient way to save the design development cycle, but also for other systems to provide design.

Key words:Pro/E Leaf spring Balanced; suspension; Motion analysis; Check