知識驅(qū)動的雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

李文雙， 周秋忠

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159)

汽車速度隨著高速公路網(wǎng)的發(fā)展而不斷提高，使得獨(dú)立懸架獲得了很大的發(fā)展空間[1].其中，雙橫臂懸架憑借其優(yōu)秀的運(yùn)動特性和操縱穩(wěn)定性在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用[2].導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作為雙橫臂懸架的重要組成部分，其重要性不言而喻.

近年來，對于雙橫臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的研究主要是運(yùn)動學(xué)分析、機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇以及硬點(diǎn)坐標(biāo)的優(yōu)化.文獻(xiàn)[3]利用ADAMS建立導(dǎo)向機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型，借此計(jì)算出懸架剛度的動態(tài)特性；文獻(xiàn)[4]利用MATLAB加快導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真速度，降低了懸架幾何表示的復(fù)雜性；文獻(xiàn)[5]應(yīng)用RECURDYN對某6×6輪式雙橫臂獨(dú)立懸架的定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[6]指出導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要幾何參數(shù)的選取范圍；文獻(xiàn)[7]采用D-optimal算法對硬點(diǎn)位置進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，改善了整車的直線行駛穩(wěn)定性和不足轉(zhuǎn)向特性.上述方法在提高雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)效率方面發(fā)揮了一定作用，但在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)成本以及建模效率方面仍有改進(jìn)的空間.針對以上問題文中提出了一種基于定制知識推理的設(shè)計(jì)方法.

文中總結(jié)了雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，并建立了包括雙搖桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)硬點(diǎn)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)知識流程以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)化骨架模型.結(jié)合可視化設(shè)計(jì)知識定制系統(tǒng)，定制了雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)知識流程，最后通過設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性.

1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)涉及到多方面的知識，因此，在著手設(shè)計(jì)之前，建立完整的設(shè)計(jì)流程至關(guān)重要.雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程主要包括橫向平面設(shè)計(jì)、縱向平面設(shè)計(jì)以及水平面設(shè)計(jì)等內(nèi)容，具體的流程如圖1所示.

圖1 雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

(1)橫向平面設(shè)計(jì).由于側(cè)傾中心的位置會因橫向平面內(nèi)上擺臂和下擺臂的定位角不同而不同，因此，在設(shè)計(jì)上橫臂和下橫臂在橫向平面內(nèi)的布置方案時，應(yīng)該根據(jù)側(cè)傾中心的設(shè)計(jì)要求來進(jìn)行.根據(jù)整車制造廠提供的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過調(diào)用雙搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程來完成主銷、橫臂硬點(diǎn)Y、Z坐標(biāo)以及側(cè)傾中心高度的計(jì)算.最后，還需對側(cè)傾中心進(jìn)行校核，以確保結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求.

(2)縱向平面設(shè)計(jì).雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的縱向平面設(shè)計(jì)對于車輛的縱傾中心和抗制動點(diǎn)頭等車輛特性有著重要影響[8].在縱向平面內(nèi)，根據(jù)已知的設(shè)計(jì)參數(shù)和幾何關(guān)系，完成橫臂硬點(diǎn)的X、Z坐標(biāo)以及縱傾中心的計(jì)算.根據(jù)縱傾中心的位置，可以判斷汽車制動時車身的下沉程度，有助于懸架系統(tǒng)的調(diào)校.

(3)水平面設(shè)計(jì).水平面內(nèi)的設(shè)計(jì)主要目的是減小主銷的后傾角變化[9].根據(jù)已知的設(shè)計(jì)參數(shù)和幾何關(guān)系，完成橫臂硬點(diǎn)在水平面內(nèi)的X和Y坐標(biāo)的計(jì)算.通過這些計(jì)算結(jié)果，可以確定懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在水平面內(nèi)的幾何布局.

2 設(shè)計(jì)知識的構(gòu)建

實(shí)現(xiàn)雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵前提是對導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)知識進(jìn)行系統(tǒng)地歸納和分類，以建立包括雙搖桿機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)硬點(diǎn)設(shè)計(jì)在內(nèi)的完整設(shè)計(jì)知識流程.在此基礎(chǔ)上，依據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)化骨架模型，作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)基準(zhǔn).

2.1 雙搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)知識

在進(jìn)行導(dǎo)向機(jī)構(gòu)橫向平面設(shè)計(jì)時，為確保懸架構(gòu)件不與車身干涉，上下橫臂的擺動角度有一定的范圍約束.因此，可將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)視為平面雙搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理和分析.基于機(jī)構(gòu)綜合理論，并使用復(fù)合形算法作為具體實(shí)現(xiàn)手段，完成雙搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)知識流程的構(gòu)建，具體設(shè)計(jì)流程如圖2所示.

圖2 雙搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)知識流程

2.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)硬點(diǎn)設(shè)計(jì)知識

基于汽車懸架設(shè)計(jì)理論，整理導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)知識和專家經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合可視化設(shè)計(jì)知識定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用不同圖框表達(dá)設(shè)計(jì)知識，定制形成了雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)知識流程，具體流程如圖3所示.

圖3 硬點(diǎn)設(shè)計(jì)知識流程

流程圖從設(shè)定整車初始參數(shù)開始，按箭頭指向順序進(jìn)行上球銷支點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算等設(shè)計(jì)步驟.在設(shè)計(jì)中途需要調(diào)用上述雙搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，以計(jì)算上下橫臂內(nèi)支點(diǎn)的坐標(biāo).計(jì)算出懸架側(cè)傾中心高度后，若計(jì)算出的側(cè)傾中心高度不符合設(shè)計(jì)要求，流程返回至導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)定步驟，重新調(diào)整參數(shù)取值；反之，若計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，流程圖繼續(xù)運(yùn)行后續(xù)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)其它硬點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算步驟.最終得到的用于驅(qū)動雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型的各硬點(diǎn)坐標(biāo)，并結(jié)束流程.

與目前其它導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相比，通過圖框的方式呈現(xiàn)硬點(diǎn)設(shè)計(jì)知識，不僅能使設(shè)計(jì)人員更快速地找到所需信息，而且有助于維護(hù)設(shè)計(jì)知識，從而節(jié)省時間成本，提高工作效率.此外，本設(shè)計(jì)流程對設(shè)計(jì)人員的技術(shù)要求較低，這降低了企業(yè)對設(shè)計(jì)專家的依賴，進(jìn)一步減少了設(shè)計(jì)成本.

2.3 骨架模型的建立

除了流程設(shè)計(jì)知識外，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)知識還包括骨架模型知識，主要涉及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型中各參數(shù)和結(jié)構(gòu)關(guān)系的關(guān)聯(lián).通過關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)方法來控制導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型的布局和關(guān)鍵幾何要素等信息，設(shè)計(jì)人員能夠更直觀地理解空間結(jié)構(gòu)，提高建模效率.

利用CATIA知識工程模塊建立導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型如圖4所示，此骨架模型的構(gòu)建涉及到多個硬點(diǎn)之間的位置關(guān)聯(lián)關(guān)系.骨架模型以主銷軸線、主銷上下支點(diǎn)與上下橫臂的內(nèi)支點(diǎn)連線為基礎(chǔ)(圖中虛線所示)，形成了雙搖桿機(jī)構(gòu)的骨架模型.在此骨架模型基礎(chǔ)上，主銷上支點(diǎn)的位置由主銷下支點(diǎn)和主銷的內(nèi)傾角β、以及主銷軸線長度來確定的.同時，主銷上支點(diǎn)和上橫臂的定位角度決定了上橫臂內(nèi)支點(diǎn)的具體位置.上橫臂前支點(diǎn)和后支點(diǎn)的位置則由上橫臂內(nèi)支點(diǎn)和上擺軸與縱軸線之間的夾角θ6決定.最后，主銷上支點(diǎn)、上橫臂前后支點(diǎn)共同決定了上橫臂所在平面的空間位置；同樣，下橫臂內(nèi)支點(diǎn)的位置由主銷下支點(diǎn)和下橫臂的定位角度θ1確定.下橫臂前支點(diǎn)和后支點(diǎn)的位置由下橫臂內(nèi)支點(diǎn)和下擺軸與縱軸線之間的夾角θ5確定.最后，主銷下支點(diǎn)、下橫臂前后支點(diǎn)共同決定了下橫臂所在平面的空間位置.

圖4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主骨架模型

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某實(shí)際車輛的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為例[10]，通過定制的硬點(diǎn)設(shè)計(jì)知識流程和骨架模型完成導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.其中輪距、輪胎靜力半徑、質(zhì)心高度、軸距為整車已定參數(shù)，是固定值，其余參數(shù)可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求選定.

表1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

使用人機(jī)交互窗口，將上述參數(shù)輸入到硬點(diǎn)設(shè)計(jì)知識流程中進(jìn)行知識推理和推斷，并以高亮顏色顯示當(dāng)前正在進(jìn)行的流程圖框，整車初始參數(shù)賦值如圖5所示.圖中的主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角等參數(shù)都設(shè)定了取值范圍，作為賦值的約束條件，并顯示在賦值界面中，供設(shè)計(jì)人員參考.當(dāng)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參數(shù)賦值時，如果參數(shù)值不在約束范圍內(nèi)，界面會出現(xiàn)錯誤提示，提醒設(shè)計(jì)人員重新賦值.

圖5 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)賦值

以自主定制的設(shè)計(jì)知識流程為依據(jù)，按運(yùn)行順序?qū)?dǎo)向機(jī)構(gòu)的硬點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行推算，得到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的相應(yīng)的硬點(diǎn)參數(shù)坐標(biāo)，推算得到的硬點(diǎn)參數(shù)如表2所示.然后，將推算得到的硬點(diǎn)參數(shù)導(dǎo)入到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)骨架模板中，驅(qū)動雙橫臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實(shí)例模型的生成.圖6為根據(jù)實(shí)車參數(shù)生成的雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型.

表2 硬點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

圖6 雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型

4 結(jié) 論

針對當(dāng)前雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法存在的不足，提出了一種基于定制知識推理的設(shè)計(jì)方法，旨在降低導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)成本并提高建模效率.通過查閱文獻(xiàn)，總結(jié)出雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)過程，對導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)知識進(jìn)行歸納分類，整理形成包括雙搖桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)硬點(diǎn)設(shè)計(jì)的完整設(shè)計(jì)知識流程.然后，結(jié)合可視化設(shè)計(jì)知識定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用可視化圖框表達(dá)設(shè)計(jì)知識，定制出雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)知識流程，從而有效地削減了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)成本和操作難度.同時依據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)思想，利用CATIA知識工程模塊構(gòu)建導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)化骨架模型，從而大幅提高了建模效率.通過對具體車型參數(shù)的推理計(jì)算，以推算得到設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動參數(shù)化骨架模型，并完成具體實(shí)例設(shè)計(jì).這一系列實(shí)踐證明了基于知識定制方法用于雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，并為雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種全新的思路.