基于CATIA的雨刮運動模型搭建方法

周俠

（眾泰汽車股份有限公司）

在汽車整車研發(fā)中，需要校核分析各個系統(tǒng)的設(shè)計方案是否合理以及是否滿足法規(guī)要求，前雨刮系統(tǒng)刮刷面積校核就是一個典型的法規(guī)校核項目。雨刮系統(tǒng)盡管結(jié)構(gòu)并不是特別復(fù)雜，但是其運動模型的搭建在實際工作中卻經(jīng)常出現(xiàn)不正確或不合理的現(xiàn)象。文章基于多年的實際工作經(jīng)驗，提出一種在CATIA 軟件環(huán)境中搭建雨刮系統(tǒng)運動模型的方法，該方法成熟且精確，可以實現(xiàn)雨刮機構(gòu)的動態(tài)仿真分析，為校核雨刮的刮刷面積提供依據(jù)。

1 機械系統(tǒng)運動副及自由度

使兩物體直接接觸而又能產(chǎn)生一定相對運動的聯(lián)接，稱為運動副，它是機械系統(tǒng)中一個重要部分。一個做空間運動的構(gòu)件具有6個獨立的運動，稱為6個自由度，即沿 X，Y，Z 軸的移動和繞 X，Y，Z 軸的轉(zhuǎn)動；一個做平面運動的構(gòu)件可以產(chǎn)生3個獨立運動，即沿X，Y 軸的移動和繞極點的轉(zhuǎn)動，所以具有3個自由度。汽車懸架系統(tǒng)其實是運動副的組合，將各個運動副有機地結(jié)合起來，形成一個運動副系統(tǒng)，進而完成復(fù)雜的機構(gòu)運動。

雨刮系統(tǒng)中的運動副主要有旋轉(zhuǎn)副、球鉸副、點面副等。每個運動副都會對運動構(gòu)件的自由度產(chǎn)生影響，在CATIA 環(huán)境中，當(dāng)整個系統(tǒng)的自由度為0 時，將允許對運動機構(gòu)進行仿真分析。

在汽車總布置設(shè)計中，雨刮系統(tǒng)布置完成后，需要校核雨刮在風(fēng)擋玻璃A、B 區(qū)的刮刷面積，因為風(fēng)窗玻璃刮水器的刮刷面積至少應(yīng)覆蓋按照GB 11555—2009中第4 章的有關(guān)規(guī)定確定的A 區(qū)域的98%、B 區(qū)域的80%[1-2]，方能滿足駕駛員前方視野[3]的要求。

2 雨刮系統(tǒng)運動模型的搭建

首先確定雨刮各構(gòu)件的硬點參數(shù)無誤，確保運動仿真結(jié)果的準確。硬點參數(shù)為關(guān)鍵點坐標、直線及平面。打開CATIA 軟件，點擊“開始”—“數(shù)字化裝配”—“DMU 運動機構(gòu)”，并打開雨刮模型，模型中的運動構(gòu)件需要拆分成獨立的part 文件，才能搭建運動模型，如圖1所示。工具條中的運動副按鈕，如圖2所示。

圖1 CATIA 雨刮模型顯示界面

圖2 CATIA 工具條中運動副按鈕顯示界面

2.1 運動副創(chuàng)建

創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)1：曲柄與電機機架總成，2條旋轉(zhuǎn)軸線元素和2個參考面元素。這2條旋轉(zhuǎn)軸線元素和2個參考面元素可以相同，復(fù)制即可（以下操作與此相同，不再重復(fù)）。此旋轉(zhuǎn)副是一個原動件，需要輸入曲柄的旋轉(zhuǎn)角度（360°），作為整個運動系統(tǒng)的一個驅(qū)動構(gòu)件，如圖3所示。

圖3 曲柄與電機機架總成的旋轉(zhuǎn)副創(chuàng)建界面

創(chuàng)建球面2：曲柄與連桿2，2個鉸接點元素，如圖4所示。

圖4 曲柄與連桿2的球鉸副創(chuàng)建界面

創(chuàng)建球面3：連桿1與連桿2，2個鉸接點元素，如圖5所示。

圖5 連桿1與連桿2的球鉸副創(chuàng)建界面

創(chuàng)建剛性4：連桿1與刮臂1為一個整體，直接點擊固結(jié)按鈕“”，如圖6所示。

圖6 連桿1與刮臂1的剛性聯(lián)接創(chuàng)建界面

創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)5：連桿1與電機機架總成，2條旋轉(zhuǎn)軸線元素和2個參考面元素，如圖7所示。

圖7 連桿1與電機機架總成的旋轉(zhuǎn)副創(chuàng)建界面

創(chuàng)建剛性6：連桿3與刮臂2為一個整體，直接點擊固結(jié)按鈕“”，如圖8所示。

圖8 連桿3與刮臂2的剛性聯(lián)接創(chuàng)建界面

創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)8：連桿3與電機機架總成，2條旋轉(zhuǎn)軸線元素和2個參考面元素，如圖9所示。

圖9 連桿3與電機機架總成的旋轉(zhuǎn)副創(chuàng)建界面

創(chuàng)建球面7：連桿3與連桿4，2個鉸接點元素，如圖10所示。

圖10 連桿3與連桿4的球鉸副創(chuàng)建界面

創(chuàng)建球面9：連桿2與連桿4，2個鉸接點元素，如圖11所示。

圖11 連桿2與連桿4的球鉸副創(chuàng)建界面

點曲面10：連桿1與連桿2，1個鉸接點元素和1個參考面元素，該點元素需要在該面元素上，如圖12所示。

圖12 連桿1與連桿2的點面副創(chuàng)建界面

點曲面11：連桿3與連桿4，1個鉸接點元素和1個參考面元素，該點元素需要在該面元素上，如圖13所示。

圖13 連桿3與連桿4的點面副創(chuàng)建界面

2.2 固定件設(shè)置

將電機機架總成作為固定件，選中結(jié)構(gòu)樹中的電機機架總成，并點擊固定零件按鈕“”，如圖14所示。此時自由度為0，提示機械裝置可以進行運動模擬，表示運動模型搭建完畢，如圖15所示。

圖14 電機機架總成設(shè)置為固定零件CATIA 顯示界面

圖15 運動模型搭建完成CATIA 顯示界面

2.3 運動仿真

圖16 進行運動仿真的CATIA 顯示界面

圖17 進行重放設(shè)置的CATIA 顯示界面

3 雨刮刮臂包絡(luò)體生成

圖18 掃掠包絡(luò)體CATIA 顯示界面

圖19 選擇需要掃掠包絡(luò)體的產(chǎn)品CATIA 顯示界面

生成構(gòu)件包絡(luò)體并保存生成的包絡(luò)體。點擊“保存”，可以保存生成的包絡(luò)體；點擊“預(yù)覽”，可以查看包絡(luò)體。生成“刮臂1”包絡(luò)體，如圖20所示。以同樣的步驟可以生成“刮臂2”包絡(luò)體。

圖20 “刮臂1”包絡(luò)體顯示界面

從雨刮系統(tǒng)運動模型的搭建過程可以看出，在CATIA 中創(chuàng)建雨刮系統(tǒng)各運動構(gòu)件的裝配后，根據(jù)文章所述方法，只需正確提取運動構(gòu)件的關(guān)鍵點、線等元素，并建立少數(shù)幾個相關(guān)運動副，即可完成雨刮系統(tǒng)運動模型的搭建，過程簡單，模型搭建方便。

4 結(jié)論

通過運動模型生成的左右2個雨刮刮臂的包絡(luò)體，可以校核前風(fēng)擋玻璃A、B 區(qū)的雨刮刮刷面積，該方法高效且方便。文章介紹的雨刮系統(tǒng)運動模型的搭建方法，是經(jīng)過多年的研究和實踐所得出，可以用來比對用錯誤方法或者不合理方法搭建的雨刮運動模型，從而找出原有模型中設(shè)置有誤的運動副約束，完成對原有模型的修正，因此該雨刮系統(tǒng)運動模型的搭建方法具有較高的應(yīng)用價值。目前大多數(shù)汽車廠商選擇使用CATIA 軟件進行產(chǎn)品設(shè)計及校核。雨刮系統(tǒng)運動模型并不復(fù)雜，搭建難度適中，但卻包含了重要的運動機構(gòu)元素。掌握了雨刮系統(tǒng)運動模型的搭建方法，可以較好地理解CATIA 軟件運動模擬模塊的使用，對于搭建更為復(fù)雜的運動模型（如底盤的前后懸架模型）具有十分重要的意義。