韓鋒鋼，陳 都，李 如，洪漢池

(1.廈門理工學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 廈門 361024;2.廈門威迪思汽車設(shè)計(jì)服務(wù)公司，福建廈門 361024)

目前，隨著CAD/CAM/CAE一體化集成解決方案的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足人們對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)效率的要求。特別是汽車設(shè)計(jì)時(shí)，大多需要在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行局部換型和調(diào)整、重組，適應(yīng)性和靈活性較強(qiáng)。若運(yùn)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，各系統(tǒng)都是孤立的設(shè)計(jì)，可能導(dǎo)致后期總裝各部件時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的干涉現(xiàn)象。采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法能較好地解決該問題，體現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計(jì)和并行工程的優(yōu)勢(shì)［1］。本文采用Top-down設(shè)計(jì)方法對(duì)賽車進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并在原有的骨架模型圖上進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。

1 基于creo的Top-down參數(shù)化設(shè)計(jì)

自頂向下是一種從總體設(shè)計(jì)到局部設(shè)計(jì)的過程和方法［2］。它首先確定總體思路、設(shè)計(jì)總體布局，然后設(shè)計(jì)零部件，從而完成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)符合設(shè)計(jì)思路的三維設(shè)計(jì)，本文采用creo軟件，考慮了規(guī)范的模型管理，以實(shí)現(xiàn)模型間的信息傳遞和結(jié)構(gòu)控制，完成自頂向下的三維設(shè)計(jì)。具體來(lái)講就是根據(jù)概念設(shè)計(jì)布局，然后建立裝配結(jié)構(gòu)樹，再建立總骨架模型，發(fā)布幾何到子組件，最后進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 Top-down設(shè)計(jì)流程

FSAE賽車為自主研發(fā)，賽車的主體結(jié)構(gòu)、整車配置情況、空間布置等設(shè)計(jì)較成熟，外觀如圖2所示。為方便賽車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)快速的結(jié)構(gòu)修改，本文提出自頂向下的設(shè)計(jì)方法。本研究將車架、前懸掛、后懸掛、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系定義為一級(jí)組件。這些一級(jí)組件下面又包含各自的組成零件。具體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖2 自主研發(fā)的FSAE系列賽車

2 FSAE賽車Top-down參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)施方案

賽車總布置設(shè)計(jì)時(shí)首先確定原點(diǎn)坐標(biāo)系。以橫向通過前輪中心的豎直平面為X平面，以左右對(duì)稱面為Y平面，以地平面為Z平面，然后確定軸距、輪距和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出點(diǎn)［3］。由于發(fā)動(dòng)機(jī)是外購(gòu)件，屬于成熟體，只需要它的輸出位置、安裝位置以及整體的大致外觀，因此采用收縮包絡(luò)外部幾何的方式獲取，通過在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出點(diǎn)建立坐標(biāo)系來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)在整車中的布置位置，同時(shí)用該坐標(biāo)系與差速器鏈輪進(jìn)行位置匹配。另外，關(guān)系到賽車操縱穩(wěn)定性能的所有參數(shù)都是本次設(shè)計(jì)的控制要點(diǎn)。為了方便今后在adams中對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)改進(jìn)，需要在adams中仿真分析出各項(xiàng)的最優(yōu)參數(shù)，直接賦予相應(yīng)的零件模型。

圖3 具體設(shè)計(jì)流程

2.1 賽車裝配特征樹

裝配體中各個(gè)子系統(tǒng)及其部件之間的關(guān)系構(gòu)成了裝配關(guān)系樹。在建立模型之前，需要先建立好整車總裝配的特征樹［4］?？傃b配樹的根節(jié)點(diǎn)為所要建立的整車文件，各子系統(tǒng)為樹型結(jié)構(gòu)的1級(jí)子節(jié)點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜的總成可能還有2級(jí)甚至3級(jí)子節(jié)點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系由相關(guān)參數(shù)表示，這些參數(shù)包括配合參數(shù)和安裝定位參數(shù)。裝配特征樹不僅列出了系統(tǒng)的組成元件，同時(shí)定義了它們的層次關(guān)系。由本文擬定的設(shè)計(jì)思路可知，整車以下包含的一級(jí)組件有車架、前后懸掛、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、傳動(dòng)系，二級(jí)組件則是各系統(tǒng)的零件。后懸掛子裝配特征樹如圖4所示。另外，車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)、差速器屬于成熟體，在建模完成后直接裝配。完成的總裝配特征樹見圖5。

圖4 后懸掛子裝配特征樹

圖5 總裝配特征樹

2.2 建立布局

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，使用creo中的布局功能，用簡(jiǎn)單的2D草繪工具繪制草繪圖，以此描述零件和子組件之間的位置和裝配關(guān)系，明確設(shè)計(jì)的意圖。整車布局如圖6所示。在布局中能定義關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，并且為這些相關(guān)參數(shù)建立關(guān)系式，然后將這些參數(shù)與零件中的尺寸相互關(guān)聯(lián)，便可以利用布局控制子組件和零件的相關(guān)尺寸。

整車布局是實(shí)體模型設(shè)計(jì)意圖的體現(xiàn)，用于建立尺寸、位置參數(shù)及其相互關(guān)系，以便對(duì)三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)管理。本研究將整車參數(shù)控制點(diǎn)體現(xiàn)于布局中，再將關(guān)鍵控制參數(shù)標(biāo)注出來(lái)，每標(biāo)注一處即創(chuàng)建一個(gè)參變量，并對(duì)其賦予初始值。根據(jù)實(shí)際需要對(duì)這些相關(guān)參數(shù)建立關(guān)系式，然后將這些參數(shù)與零件中的尺寸相互關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到利用布局控制子組件和零件的相關(guān)尺寸的目的。關(guān)鍵參數(shù)定義完成后將其以數(shù)據(jù)表格的形式體現(xiàn)出來(lái)，如表1所示。這樣可以很方便地對(duì)各參數(shù)重新賦值，完成對(duì)整車的布局。

圖6 整車布局

2.3 建立骨架模型

Top-down設(shè)計(jì)利用骨架模型來(lái)表示裝配設(shè)計(jì)的重要元素。建立骨架模型所使用的幾何特征優(yōu)先順序?yàn)辄c(diǎn)、線、面、實(shí)體［5－6］。對(duì)于賽車而言，其主體結(jié)構(gòu)屬桁架結(jié)構(gòu)，因此采用線作為骨架模型的基礎(chǔ)特征。賽車分為如下幾大部分:車架、轉(zhuǎn)向系、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)，其中前4個(gè)部分采用一級(jí)骨架。懸掛系統(tǒng)由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減震組件兩大部分組成，采用二級(jí)骨架。設(shè)計(jì)的整車主骨架如圖7所示，主要表達(dá)的信息是前后懸掛在X方向的布置、發(fā)動(dòng)機(jī)空間劃定、前環(huán)和主環(huán)的位置及外形、轉(zhuǎn)向器和制動(dòng)踏板的位置等。

圖7 整車主骨架

表1 參數(shù)表

2.4 設(shè)計(jì)信息傳遞

傳遞設(shè)計(jì)信息是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。Topdown設(shè)計(jì)的過程其實(shí)就是一個(gè)數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)管理的過程。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享在creo中有許多方法，本文主要采用發(fā)布幾何和復(fù)制幾何的方法。通過在上層的設(shè)計(jì)中選擇復(fù)制點(diǎn)、曲線和面等參考基準(zhǔn)，然后將其發(fā)布，這樣下層的設(shè)計(jì)通過復(fù)制幾何就能得到適當(dāng)?shù)膮⒖夹畔ⅰＴ谡嚬羌苣Ｐ徒⒑弥?，即可發(fā)布幾何。在頂層骨架模型中，選擇【模型】＞【模型意圖】＞【發(fā)布幾何】。發(fā)布幾何如圖8所示。

圖8 發(fā)布幾何

2.5 建立模型

各子系統(tǒng)建模的必要參考信息均來(lái)自于骨架，因此在建立各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型前需要復(fù)制骨架中的發(fā)布幾何。這里運(yùn)用“復(fù)制幾何”命令，調(diào)入各子系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的發(fā)布幾何即可。然后將發(fā)布幾何作為基礎(chǔ)參考信息建立模型。圖9～13為幾大總成完成后的模型。最終的整車總裝模型如圖14所示。

圖9 后懸掛總成

圖10 前懸掛總成

圖11 轉(zhuǎn)向總成

圖12 差速器總成

圖13 車架

圖14 整車總裝模型

2.6 產(chǎn)品系列化改型設(shè)計(jì)

完成整車的設(shè)計(jì)后，creo即可依據(jù)骨架模型的規(guī)劃進(jìn)行變更、改型。當(dāng)設(shè)計(jì)變更涉及多個(gè)零件的相對(duì)位置或整個(gè)組件的骨架模型時(shí)，可在骨架模型上進(jìn)行必要的修改。當(dāng)骨架或者布局變動(dòng)后，組件也會(huì)自動(dòng)再生。同一系列的產(chǎn)品，一般只在尺寸規(guī)格上存在差異。修改布局中的主控參數(shù)，使用總骨架點(diǎn)與子系統(tǒng)骨架點(diǎn)的“再生”命令，將布局中的參數(shù)傳遞到底層數(shù)據(jù)模型中，根據(jù)變化后的骨架特征和實(shí)際需求，在骨架中修改其他細(xì)節(jié)特征，檢查模型修改不合理的地方，即可完成產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的參數(shù)如表2所示。初始整車模型與改進(jìn)后的整車模型如圖15、16所示。

表2 改進(jìn)后的參數(shù)表

圖15 初始整車模型

圖16 改進(jìn)后的整車模型

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了Top-down的設(shè)計(jì)流程與思路，并運(yùn)用creo軟件，通過Top-down的設(shè)計(jì)方法完成了賽車整車部件的開發(fā)。整個(gè)設(shè)計(jì)過程從頂層開始，設(shè)計(jì)之初就控制著機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)目標(biāo)與性能狀況，在設(shè)計(jì)過程中不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化和賽車的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，同時(shí)為新賽車設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該方法可大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，為賽車模塊化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

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