基于CATIA的某重卡鋼板彈簧懸架運(yùn)動校核

張志龍

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

懸架是車輛的承載機(jī)構(gòu)，主要包括彈性元件、減震器、橫向穩(wěn)定桿等零部件。鋼板彈簧懸架是重型載貨汽車常用的懸架，鋼板彈簧同時(shí)起彈性元件和導(dǎo)向元件作用，此類懸架承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，制造成本低且維修方便。在板簧懸架的設(shè)計(jì)過程中，板簧、減震器、橫向穩(wěn)定桿、輪胎與周圍的轉(zhuǎn)向拉桿、車架、車身之間的間隙校核是十分重要的一個(gè)方面，如果布置不得當(dāng)，容易與周邊的部件產(chǎn)生干涉。鋼板彈簧作為一種彈性元件，在懸架跳動過程中伴隨著自身的彎曲，運(yùn)動較為復(fù)雜。傳統(tǒng)板簧懸架設(shè)計(jì)時(shí)多采用二維平面繪圖校核，但精確度較低，對于零部件較多的懸架系統(tǒng)間隙校核不夠精確。近年來汽車設(shè)計(jì)人員利用三維軟件進(jìn)行懸架運(yùn)動校核越來越普遍，數(shù)字樣機(jī)模擬仿真可以再現(xiàn)懸架運(yùn)動過程，并可以生成運(yùn)動包絡(luò)，可以更直觀準(zhǔn)確的進(jìn)行懸架各部件之間的間隙校核。

本文借助CATIA 軟件中的DMU數(shù)字樣機(jī)模塊，建立了鋼板彈簧前懸架運(yùn)動模型。根據(jù)SAE圓弧法計(jì)算出鋼板彈簧中心軌跡跳動曲線，通過點(diǎn)線結(jié)合命令模擬前懸架的跳動情況，從而進(jìn)行前懸架運(yùn)動校核，為懸架設(shè)計(jì)提供參考。

1 前懸架結(jié)構(gòu)及布置形式

該型重卡鋼板彈簧前懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由鋼板彈簧、減震器、橫向穩(wěn)定桿及相關(guān)的支架和底座等零部件組成。鋼板彈簧通過前卷耳后吊耳的方式安裝在車架縱梁正下方，隨前橋跳動板簧繞卷耳轉(zhuǎn)動并會發(fā)生彎曲變形。板簧中間通過板簧底座、U型螺栓和前橋固連，彼此沒有相對運(yùn)動。減震器布置在車架外側(cè)，上套筒安裝在減震器支架上，下套筒安裝在板簧底座上。懸架跳動過程中，減震器除拉伸和壓縮外，還隨著前橋做小幅的擺動。橫向穩(wěn)定桿安裝在板簧底座上，穩(wěn)定桿縱拉桿安裝在車架內(nèi)側(cè)，穩(wěn)定桿支架安裝在車架縱梁外表面。

2 前懸架運(yùn)動仿真模型

CATIA的DMU空間分析模塊全稱Digital Mock Up，即數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)，可以用來模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，幫助設(shè)計(jì)者分析與機(jī)構(gòu)運(yùn)動的相關(guān)性能和參數(shù)。利用DMU建立運(yùn)動仿真需要滿足3個(gè)條件：1）確定所有零部件都與其他零部件之間具有運(yùn)動副，例如：轉(zhuǎn)動、滑動、鉸鏈、齒輪轉(zhuǎn)動、固定連接等。2）確定一個(gè)固定不動的零部件作為基礎(chǔ)。3）在建立第一步的各種運(yùn)動副時(shí)，選擇其中一個(gè)運(yùn)動副作為控制動力源，通過其他運(yùn)動副作為約束方式帶動所有未固定的活動零件進(jìn)行運(yùn)動仿真。

建立前懸架運(yùn)動仿真模型時(shí)，首先對原前懸架機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，去除螺栓、螺母、襯套等小部件，只保留主要的運(yùn)動零件。進(jìn)行運(yùn)動仿真分析的零件包括車架、板簧底座、橫向穩(wěn)定桿、橫向穩(wěn)定桿縱拉桿、減震器以及相應(yīng)的穩(wěn)定桿支架、減震器支架。

2.1 板簧運(yùn)動模擬

圖2 前懸架板簧跳動軌跡示意圖

為準(zhǔn)確模擬前懸架的運(yùn)動情況，最重要的是準(zhǔn)確模擬鋼板彈簧的運(yùn)動情況。板簧變形運(yùn)動決定了懸架其他部件的跳動，是前懸架跳動的依據(jù)。板簧的簡化有多種方法，如SAE圓弧法、三連桿法，有限元法等。本文采用美國汽車工程協(xié)會推薦的“SAE圓弧”方法來近似計(jì)算鋼板彈簧的運(yùn)動軌跡。該方法認(rèn)為鋼板彈簧跳動時(shí)，主片中心點(diǎn)A的運(yùn)動軌跡近似為一段圓弧，該圓弧與板簧的實(shí)際運(yùn)動軌跡十分接近。如圖2所示，圓弧圓心O位于基線（前后卷耳中心連線）上方e/2處的平行線上，其中e為卷耳中心到主片中性層距離；圓弧的半徑R為板簧有效半長的3/4。e和R可以按式（1）計(jì)算。

式中d為卷耳內(nèi)徑，t為卷耳處板簧厚度，L為板簧主片平直狀態(tài)下左右卷耳中心距，S為U型螺栓距離，α為無效長度系數(shù)。

2.2 前輪純轉(zhuǎn)動DMU模擬

圖3 前輪轉(zhuǎn)向角示意圖

圖4 前輪純轉(zhuǎn)動形成的包絡(luò)面

前橋是轉(zhuǎn)向橋，前輪在隨懸架上下跳動的同時(shí)還要繞主銷轉(zhuǎn)動。為使運(yùn)動模型簡單，可以先建立前橋純轉(zhuǎn)動的局部模型，仿真模擬得到前輪純轉(zhuǎn)動包絡(luò)面，導(dǎo)入前懸架整體模型進(jìn)行前懸架跳動校核。樣車前橋車輪轉(zhuǎn)向極限位置如圖3所示，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角為 37.1°，內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角為 48.1°。固定車橋，令左右車輪和車橋主銷孔之間采用旋轉(zhuǎn)副結(jié)合，進(jìn)行運(yùn)動模擬可以得到前輪轉(zhuǎn)動時(shí)的包絡(luò)面，如圖4所示。

2.3 前懸架跳動DMU模擬

圖5 前懸架運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型

對該類板簧懸架系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真最關(guān)鍵的是如何模擬彈性元件鋼板板簧的變化情況。本文利用CATIA軟件DMU模塊中的點(diǎn)線命令，將事先畫好的板簧中點(diǎn)跳動軌跡導(dǎo)入到該仿真模型中，如圖5所示。利用點(diǎn)線約束命令，讓板簧座中點(diǎn)沿板簧跳動軌跡圓弧運(yùn)動，可以較為準(zhǔn)確的模擬真實(shí)的懸架跳動情況，從而得到除鋼板彈簧外的其余運(yùn)動部件在車橋跳動過程中的空間包絡(luò)，用來校核與周圍零件的干涉情況。

該懸架運(yùn)動模型選定的固定零件為車架，控制動力源為板簧底座沿板簧跳動軌跡的點(diǎn)線接觸運(yùn)動副，該運(yùn)動模型一共有14個(gè)運(yùn)動副，其中：

a.減震器支架和穩(wěn)定桿支架和車架固連，車橋和板簧底座固連。

b.穩(wěn)定桿支架和穩(wěn)定桿縱拉桿、穩(wěn)定桿縱拉桿和橫向穩(wěn)定桿、橫向穩(wěn)定桿和板簧底座均采用旋轉(zhuǎn)副結(jié)合；

c.減震器支架和減震器、減振器和板簧底座之間采用旋轉(zhuǎn)副結(jié)合，減震器上下套筒之間采用轉(zhuǎn)動滑動副結(jié)合。

圖6 各運(yùn)動副部件示意圖

建立好各個(gè)零件之間的運(yùn)動副后，檢查整個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的自由度，當(dāng)整個(gè)機(jī)構(gòu)的自由度為 0（包含驅(qū)動命令）時(shí)，仿真機(jī)構(gòu)可以被模擬，否則需要檢查各零件之間的運(yùn)動副是否有遺漏。仿真得到的該前懸架模型的上下跳極限位置如圖7、圖8所示。

圖7 懸架上跳極限位置

圖8 懸架下跳極限位置

2.4 前懸架周邊零件間隙校核

利用DMU模塊的掃略包絡(luò)體命令，可以得到前輪穩(wěn)定桿、減振器、輪胎包絡(luò)，校核與車架、轉(zhuǎn)向拉桿、車身、輪眉、擋泥板等周邊件的間隙是否滿足要求，保證車輛運(yùn)動過程中不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文利用CATIA軟件的DMU運(yùn)動仿真模塊，結(jié)合SAE圓弧法計(jì)算的鋼板彈簧的跳動軌跡，建立了前懸架三維運(yùn)動模型，有效解決了懸架設(shè)計(jì)過程中二維平面校核方法精確度較低，無法直觀觀察系統(tǒng)空間運(yùn)動情況的問題。該運(yùn)動仿真模型有利于在試制樣車之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的機(jī)構(gòu)干涉、間隙較小等情況，為此類鋼板彈簧非獨(dú)立懸架車型的懸架系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、布置及校核提供了重要參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉宏新,宋微微.CATIA 數(shù)字樣機(jī)∶運(yùn)動仿真祥解[M].2版.北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[2] 郭孔輝.板簧變形運(yùn)動學(xué)分析及其運(yùn)用.汽車工程, 1990(2)∶715.

[3] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2006.1.

[5] 王霄峰.汽車底盤設(shè)計(jì)[M].北京∶清華大學(xué)出版社2010.4.