數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真在汽車(chē)前橋開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用*

□ 李 平

江鈴汽車(chē)股份有限公司 南昌 330004

1 應(yīng)用背景

汽車(chē)前橋的轉(zhuǎn)向受主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、前輪外傾角及前輪前束等四輪定位參數(shù)的影響,是一個(gè)極為復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程,用傳統(tǒng)二維圖形、數(shù)學(xué)運(yùn)算等手段很難準(zhǔn)確地描述和分析。因此,只能是在樣機(jī)整車(chē)下線后,依據(jù)試車(chē)階段及售后維修時(shí)司機(jī)反饋的轉(zhuǎn)彎半徑等實(shí)際測(cè)量結(jié)果和信息,憑經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整、驗(yàn)證,最終再確定設(shè)計(jì)。

近年來(lái),終端用戶(hù)對(duì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑、前橋的極限轉(zhuǎn)向角及操控性等各項(xiàng)功能的要求越來(lái)越嚴(yán)苛,在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段對(duì)整車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑、前橋轉(zhuǎn)向角度的準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高,為此,各主機(jī)廠對(duì)正向設(shè)計(jì)汽車(chē)前橋的呼聲越來(lái)越強(qiáng)。隨著數(shù)字樣機(jī)裝配及運(yùn)動(dòng)仿真等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用,此次新車(chē)型開(kāi)發(fā)立項(xiàng)時(shí),即定義為前端正向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),通過(guò)虛擬樣機(jī)建模、仿真和優(yōu)化,減少樣機(jī)制作驗(yàn)證過(guò)程,顯著縮短前橋乃至整車(chē)的開(kāi)發(fā)周期。

2 零部件模型建立

由于汽車(chē)前橋的前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向臂等大部分均為異形非標(biāo)零件,在CATIA V5R21軟件標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中無(wú)法自動(dòng)生成和調(diào)取,因此需要按照前橋前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂等零部件圖紙,在CATIA V5R21軟件的實(shí)體零件設(shè)計(jì)環(huán)境中通過(guò)草圖創(chuàng)建實(shí)體的凸臺(tái)、凹槽、旋轉(zhuǎn)體(槽)及實(shí)體混合、多界面實(shí)體等功能創(chuàng)建實(shí)體零件,再通過(guò)修飾特征、創(chuàng)建參考元素、零件變換特征及基于曲面創(chuàng)建特征等零件設(shè)計(jì)模塊的功能,分別創(chuàng)建前橋總成的轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂及前軸等各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件1∶1三維模型,如圖1所示,為前橋總成裝配仿真、后期轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)仿真做好準(zhǔn)備。

▲圖1 前橋各零部件三維模型

3 前橋總成裝配仿真

在CATIA V5R21軟件零部件裝配環(huán)境中,先加載前期創(chuàng)建的前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂等零件,再使用操作命令使轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向拉桿等零件按照裝配關(guān)系處于大致相對(duì)位置,然后將前軸作為基礎(chǔ)件固定,按照準(zhǔn)確的裝配關(guān)系設(shè)置和創(chuàng)建相合、接觸、偏移、角度等裝配約束,最后更新約束,將全部零件組成前橋總成的三維裝配體模型,如圖2所示,完成前橋總成的裝配仿真。

▲圖2 前橋總成三維裝配體模型

4 數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)分析前處理

在CATIA V5R21軟件數(shù)字化裝配空間的數(shù)字樣機(jī)環(huán)境中,先插入新機(jī)械裝置,再將前軸作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定件添加固定命令,然后按照前橋的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)關(guān)系分別對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂和前軸、輪轂制動(dòng)盤(pán)和轉(zhuǎn)向節(jié)之間等添加旋轉(zhuǎn)接合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),給轉(zhuǎn)向節(jié)、節(jié)臂和拉桿球頭添加剛性接合等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),再給拉桿球頭和拉桿球頭座添加球面接合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),如圖3所示,完成前橋總成數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。按照整車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑要求、軸距及前輪距等參數(shù),通過(guò)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何公式計(jì)算的轉(zhuǎn)向角度等給左轉(zhuǎn)向節(jié)添加角度驅(qū)動(dòng)命令值,再按照系統(tǒng)提示,參照運(yùn)動(dòng)結(jié)合機(jī)構(gòu),調(diào)整運(yùn)動(dòng)結(jié)合和命令,直至自由度為0,此時(shí)會(huì)提示可以模擬機(jī)械裝置。

▲圖3 運(yùn)動(dòng)前定義和添加約束

5 數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

在數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)界面中,設(shè)定模擬仿真參數(shù),對(duì)創(chuàng)建的機(jī)械裝置執(zhí)行運(yùn)動(dòng)仿真命令,此時(shí),可以清楚地顯示前橋轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向拉桿空間運(yùn)動(dòng)軌跡。

在空間分析界面,通過(guò)數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真的碰撞檢查和空間分析功能,對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向拉桿運(yùn)動(dòng)及與前軸的干涉與碰撞情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)精準(zhǔn)的檢查檢測(cè),并對(duì)前軸與轉(zhuǎn)向節(jié)臂、拉桿等零件部件的距離和區(qū)域進(jìn)行分析和測(cè)量,從而對(duì)正向設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。此時(shí),可以對(duì)有可能發(fā)生碰撞、干涉的部位進(jìn)行檢查,分析碰撞及干涉情況,如圖4所示。

▲圖4 前橋轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)碰撞仿真及干涉檢查

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)CATIA V5R21軟件中的數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析,可以在前橋開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確地對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂、拉桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行空間分析和干涉檢查,正向設(shè)計(jì)和確定汽車(chē)前橋的轉(zhuǎn)向臂外形及結(jié)構(gòu),同時(shí)還能夠精準(zhǔn)確定前橋在不同約束值下能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)向角等參數(shù),從而有效減少樣機(jī)制作驗(yàn)證過(guò)程,避免以往需要在樣機(jī)整車(chē)下線后憑借司機(jī)反饋信息,靠經(jīng)驗(yàn)?zāi)嫦蛟O(shè)計(jì)和確定前橋轉(zhuǎn)向角度等功能參數(shù),顯著縮短前橋乃至整車(chē)的開(kāi)發(fā)周期,提升前橋及整車(chē)的開(kāi)發(fā)效率,為汽車(chē)前橋設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供成功案例。