基于CATIA參數(shù)化建模校核Ackermann誤差的方法

楊洪云，胡偉，陳琪，施正生

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術(shù)中心，重慶 401122）

基于CATIA參數(shù)化建模校核Ackermann誤差的方法

楊洪云，胡偉，陳琪，施正生

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術(shù)中心，重慶 401122）

介紹了Ackermann誤差概念和傳統(tǒng)校核方法的局限性，提出采用CATIA參數(shù)化建模方式，建立全空間轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)硬點(diǎn)-骨架模型，依靠CATIA參數(shù)化驅(qū)動(dòng)功能，通過(guò)改變參數(shù)得到非常精確的Ackermann誤差，并且利用參數(shù)與設(shè)計(jì)表關(guān)聯(lián)，快速得到所有車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的骨架模型，實(shí)現(xiàn)了高效、準(zhǔn)確校核大量車型Ackermann誤差的目的。

CATIA；參數(shù)化模型；Ackermann誤差；設(shè)計(jì)表

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.047

CLC NO.:TG156 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-138-03

前言

車輛轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角誤差值（又稱Ackermann誤差）會(huì)直接影響到輪胎的使用壽命，它決定了輪胎在正常使用條件下單位時(shí)間內(nèi)的磨損程度。轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角誤差值越小，則輪胎的使用壽命、更換周期就越長(zhǎng)；反之則使用壽命越短、更換周期也短。

1、轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)要求

汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，需要保證四個(gè)車輪作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，各個(gè)車輪在每個(gè)時(shí)刻都必須圍繞著同一個(gè)瞬心轉(zhuǎn)動(dòng)，即必須滿足阿克曼原理（圖1），阿克曼幾何學(xué)原理要求：?jiǎn)吻拜S車型在轉(zhuǎn)向時(shí)，內(nèi)外輪必須符合如下關(guān)系式：

在上式中δ0為外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；δi為內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；L 為輪距；t kp為主銷軸線與地面交點(diǎn)間的距離。

圖1 理想阿克曼轉(zhuǎn)向原理圖

由于在實(shí)際轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，車輛的轉(zhuǎn)向梯形很難在整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)都滿足該條件，通常只是近似地滿足。實(shí)際的車輪轉(zhuǎn)角與理想的滿足上式關(guān)系的轉(zhuǎn)角誤差之間的差值即稱為Ackermann誤差，此差值反映了實(shí)際的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與理想的純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的接近程度。在設(shè)計(jì)開發(fā)中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個(gè)部位的參數(shù)變化都會(huì)影響到Ackermann 誤差的大小。比如，車輪前束角、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾、梯形的長(zhǎng)邊、梯形的短邊和梯形的腰等。

2、傳統(tǒng)校核方法的局限性

傳統(tǒng)的Ackermann 誤差校核方法一般采用草圖平面作圖法：將轉(zhuǎn)向梯形、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿件等投影到平面上進(jìn)行分析(圖2)，這樣做的好處是簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，但存在的弊端是：

（a）忽略了輪胎的外傾角、主銷內(nèi)傾角參數(shù)，降低了計(jì)算結(jié)果的精度，與車輛實(shí)際誤差值存在一定出入；

（b）若為雙轉(zhuǎn)向橋系統(tǒng)，不能根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)觀察到第一轉(zhuǎn)向橋和第二轉(zhuǎn)向橋之間的Ackermann誤差關(guān)系。

圖2 傳統(tǒng)Ackermann誤差校核方法

3、CATIA知識(shí)工程與參數(shù)化設(shè)計(jì)原理

3.1 CATIA知識(shí)工程

知識(shí)工程是基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)的新思路。為定義一個(gè)模型內(nèi)對(duì)象的不同參數(shù)和特性所編寫的規(guī)則和公式是相互關(guān)聯(lián)的。對(duì)于應(yīng)用知識(shí)工程開發(fā)的設(shè)計(jì)，最終用戶只需輸入、改變工程參數(shù)或添加、修改工程規(guī)則，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些規(guī)則計(jì)算工程參數(shù)對(duì)產(chǎn)品幾何參數(shù)的影響，從而驅(qū)動(dòng)最終的幾何模型。

知識(shí)工程是以知識(shí)本身為處理對(duì)象，研究如何使用人工智能的原理和方法來(lái)設(shè)計(jì)、構(gòu)造和維護(hù)知識(shí)系統(tǒng)的一門學(xué)科。知識(shí)工程的核心問(wèn)題包括知識(shí)的表示、知識(shí)的利用和知識(shí)的獲取三大塊。

傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)無(wú)法將研究領(lǐng)域的設(shè)計(jì)原理、成功的設(shè)計(jì)方案和專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)融入到最終的產(chǎn)品模型中，且都無(wú)法實(shí)現(xiàn)知識(shí)資源的重用，設(shè)計(jì)師仍然要在可能犯重復(fù)錯(cuò)誤的前提下做大量重復(fù)性的工作。因此，知識(shí)工程與CAD結(jié)合是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3.2 CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)的原理

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)對(duì)象模型的尺寸用變量及其關(guān)系式表示，而不需要確定具體的數(shù)值，是CAD技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中提出的課題。一般是指產(chǎn)品的形狀比較定型，用一組參數(shù)約束該幾何圖形的結(jié)構(gòu)尺寸和零部件的特征，參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸和特征有顯式對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)賦予不同的參數(shù)序列值時(shí)，就可驅(qū)動(dòng)原設(shè)計(jì)對(duì)象到新的目標(biāo)幾何元素和特征。參數(shù)化設(shè)計(jì)就是通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)和特征驅(qū)動(dòng)的形式，以獨(dú)立的幾何約束和一定的函數(shù)公式關(guān)系來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)將原有設(shè)計(jì)中某些尺寸，如定形、定位或裝配尺寸定義為變量，修改這些變量的同時(shí)，由一些簡(jiǎn)單公式計(jì)算出并變動(dòng)其他相關(guān)尺寸，計(jì)算機(jī)根據(jù)這些新的參數(shù)值自動(dòng)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。它不僅可使CAD系統(tǒng)具有交互式設(shè)計(jì)功能，還具有自動(dòng)繪圖的功能。參數(shù)化為產(chǎn)品模型的多變性、可重用性、并行設(shè)計(jì)等提供了可能，使設(shè)計(jì)人員可以利用之前的模型方便地進(jìn)行模型的重新構(gòu)建，并可以在遵循原設(shè)計(jì)意圖的情況下，方便地改動(dòng)模型，生成系列化產(chǎn)品。設(shè)計(jì)師通過(guò)定義特征、公式、規(guī)則等生成參數(shù)、方程、設(shè)計(jì)表等對(duì)象，設(shè)計(jì)過(guò)程與用戶定義的參數(shù)設(shè)置順序有關(guān)。參數(shù)化設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

（a）尺寸約束。用自定的規(guī)則或限制條件，建立和規(guī)定各元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（b）驅(qū)動(dòng)尺寸。在約束創(chuàng)建完成后，若修改某一尺寸參數(shù)，程序?qū)⒆詣?dòng)檢索和計(jì)算新要求的參數(shù)量，從而驅(qū)動(dòng)修改幾何模型。

（c）數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。通過(guò)修改尺寸參數(shù)將改變其他相關(guān)模塊中的相關(guān)尺寸。

（d）基于幾何元素的設(shè)計(jì)。在某些重要的點(diǎn)、線、面的構(gòu)造過(guò)程中將其尺寸存為可調(diào)參數(shù)，用來(lái)形成骨架，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行復(fù)雜的骨架模型構(gòu)造。

4、全參數(shù)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型

4.1 全參數(shù)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型建模方法

（a）先在CATIA里新建一個(gè)帶參數(shù)的Part文件，在Part內(nèi)根據(jù)模型復(fù)雜程度，插入數(shù)個(gè)幾何圖形集，用來(lái)保存各個(gè)子模塊的點(diǎn)、線、面等元素。

圖3 幾何圖形集和參數(shù)

圖4 參數(shù)化關(guān)聯(lián)建模

（b）根據(jù)需要改變的值，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型的全部可變參數(shù)（圖3）。

（c）在曲面模塊中，利用創(chuàng)建點(diǎn)、線、面的命令，創(chuàng)建模型。

（d）創(chuàng)建點(diǎn)、線、面時(shí)將具體的值由上一步設(shè)定的參數(shù)公式來(lái)表達(dá)，以便建立參數(shù)式數(shù)學(xué)關(guān)系式，構(gòu)造參數(shù)驅(qū)動(dòng)（圖4）。

4.2 全參數(shù)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型優(yōu)勢(shì)

在參數(shù)化的轉(zhuǎn)向骨架模型里，所有的參數(shù)：轉(zhuǎn)向機(jī)安裝位置坐標(biāo)、各個(gè)擺臂安裝位置坐標(biāo)、各個(gè)拉桿的安裝位置坐標(biāo)、車輪前束角、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角等和骨架模型都依靠知識(shí)工程的公式編輯器建立了相互依賴的關(guān)系，如果改變參數(shù)值，則骨架模型隨即發(fā)生改變，牽一發(fā)而動(dòng)全身。因此用這種方法建立的骨架模型不但運(yùn)動(dòng)結(jié)果精確，而且易于改變。全參數(shù)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的模型優(yōu)勢(shì)可小結(jié)為幾點(diǎn)：

(a)參數(shù)和模型聯(lián)動(dòng)；

(b)模型運(yùn)動(dòng)精確；

(c)模型易于修改和管理。

最終創(chuàng)建完成的全參數(shù)化雙轉(zhuǎn)向橋機(jī)構(gòu)骨架模型（圖5）：

圖5 完整的全參數(shù)雙轉(zhuǎn)向橋機(jī)構(gòu)骨架模型

5、Ackermann誤差檢查

為了檢查模型的Ackermann誤差，我們可以通過(guò)間斷遞增取值的方式，通過(guò)改變模型中的參數(shù)來(lái)獲得Ackermann誤差值。如將一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角參數(shù)設(shè)定為20°，模型立即便得到另外三個(gè)車輪的轉(zhuǎn)角值，分別為：18.722°、15.699°和14.459°（圖6）。

圖6 由骨架模型得到的車輪轉(zhuǎn)角

通過(guò)連續(xù)設(shè)定一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角參數(shù)，可以得到連續(xù)的對(duì)應(yīng)的另外三個(gè)車輪的轉(zhuǎn)角，將所有車輪對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角記錄下來(lái)，通過(guò)Excel圖表將Ackermann誤差以直觀的曲線反映出來(lái)。為了與理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線進(jìn)行比較，可以同時(shí)計(jì)算出理想的轉(zhuǎn)角曲線。

最后以圖表的方式得到參數(shù)化模型的Ackermann誤差值隨轉(zhuǎn)角變化的函數(shù)曲線（圖7）。

圖7 由骨架模型得到的精確Ackermann誤差曲線

6、全參數(shù)化模型與設(shè)計(jì)表關(guān)聯(lián)

另外，此校核方法的另一功能是，可以將參數(shù)化骨架模型的參數(shù)關(guān)聯(lián)到設(shè)計(jì)表（圖8），對(duì)骨模型的參數(shù)進(jìn)行管理。這樣，我們可以將幾乎全部車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)測(cè)量各零部件的安裝位置、尺寸等幾何參數(shù)，將每個(gè)車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)用EXCEL表進(jìn)行匯總管理（圖9）。每次在分析某一款具體車型時(shí)，可以通過(guò)更改設(shè)計(jì)表里的參數(shù)，來(lái)迅速的為該款車型建立其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向參數(shù)化骨架模型。

圖8 參數(shù)與設(shè)計(jì)表關(guān)聯(lián)

圖9 設(shè)計(jì)表的管理

7、結(jié)束語(yǔ)

介紹了利用CATIA V5軟件的知識(shí)工程創(chuàng)建全參數(shù)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)骨架模型，這樣得到的模型與參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)，能夠得到比傳統(tǒng)的校核方法更精確的Ackermann誤差，再通過(guò)將參數(shù)與設(shè)計(jì)表關(guān)聯(lián)，使模型可以拓展到不同結(jié)構(gòu)類型的車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量產(chǎn)品的快速、準(zhǔn)確的校核工作，有效的提高了產(chǎn)品開發(fā)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了開發(fā)周期。

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Ackermann error checking method based on CATIA Parametric-modeling

Yang Hongyun, Hu Wei, Chen Qi, Shi Zhengsheng
( Saic-iveco Hongyan Commercial Vehicle Co., Ltd., Technical Center, Chongqing 401122 )

This article presents the concept of Ackermann error and the defects of traditional checking method , building full-geometrical steering hard-point model by the parametric- modeling method to obtain the precise Ackermann error with the function of parameter-driven, realized the goal of checking Ackermann error of a mount of vehicles with high efficiency and precision utilizing the Design table to build the skeleton model of steering system of all vehicles.

CATIA; Parametric-model; Ackermann error; Design table

TG156

B

1671-7988(2016)01-138-03

楊洪云，就職于上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術(shù)中心DMU工程師。主要研究方向?yàn)樯逃密嘍MU。