程小彪，楊志剛，周振福，毛 韻

1 背景

汽車懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部件，它的功能是支撐車身、改善乘坐舒適性。它綜合了多種作用力，決定著轎車的動(dòng)力傳遞性、穩(wěn)定性、舒適性和安全性。如何提前對(duì)其進(jìn)行虛擬的運(yùn)動(dòng)仿真及問(wèn)題檢驗(yàn)是懸架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

本文運(yùn)用CATIA軟件對(duì)懸架模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析汽車懸架實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)懸架安裝附件(如輪胎、管路、線束等)工程變更后的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)懸架系統(tǒng)安裝匹配布置過(guò)程中潛在的各種間隙問(wèn)題和設(shè)計(jì)過(guò)程中各系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部零件之間的動(dòng)靜態(tài)干涉情況，并根據(jù)分析結(jié)果適當(dāng)調(diào)整懸架系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)和極限運(yùn)動(dòng)鎖止位置，可有效減少車型改款或工程變更過(guò)程中的多項(xiàng)成本風(fēng)險(xiǎn)及后期市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

2 目標(biāo)

采用CATIA軟件中的DMU模塊對(duì)前懸架的數(shù)字樣機(jī)模型施加符合其運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)前懸架的運(yùn)動(dòng)仿真，從而形象地分析汽車前獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化懸架系統(tǒng)的總體布置，提高系統(tǒng)零件間的相互協(xié)調(diào)匹配能力。具體實(shí)現(xiàn)步驟為:

1)運(yùn)用CATIA軟件的Part Design模塊建立整車前麥弗遜式懸架的簡(jiǎn)化模型。

2)運(yùn)用CATIA軟件的DMU模塊，添加符合其運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化模型的可運(yùn)動(dòng)仿真。

3)建立輪胎的極限運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體，分析包絡(luò)體與周邊零件的間隙情況。

3 過(guò)程

3.1 前麥弗遜懸架3D數(shù)據(jù)模型

運(yùn)用CATIA軟件建立前麥弗遜懸架3D數(shù)字模型，如圖1所示，該懸架的爆炸圖如圖2所示。

圖1 前麥弗遜式懸架3D數(shù)字模型

圖2 懸架爆炸圖

3.2 簡(jiǎn)化數(shù)模

運(yùn)用CATIA軟件的Part Design模塊編輯麥弗遜懸架數(shù)模，將懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為線條模型。先提取各活動(dòng)連接關(guān)節(jié)點(diǎn)的3D坐標(biāo)，連桿及零件用其中心線代替。簡(jiǎn)化線條模型適用于多種麥弗遜懸架，只需要根據(jù)懸架對(duì)應(yīng)的尺寸及坐標(biāo)位置參數(shù)修改懸架連桿活動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，就能快速實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真。

3.2.1 輪胎

設(shè)定輪胎寬為變量a，輪胎高寬比為變量b，輪輞直徑為變量c，在假設(shè)型號(hào)為205_55R_16的子午線輪胎的基礎(chǔ)上，通過(guò)CATIA曲面設(shè)計(jì)里的仿射命令和編輯公式命令f(x)，實(shí)現(xiàn)輪胎型號(hào)快速變換。

所用公式為:

根據(jù)上述命令及公式，在CATIA里快速變換車輪型號(hào)，車輪變換參數(shù)設(shè)置窗口如圖3所示。

圖3是在輪胎型號(hào)為205_55R_16的基礎(chǔ)上根據(jù)需要變換的不同型號(hào)車輪。圖4的車輪型號(hào)為215_50R_18。圖5的車輪型號(hào)為165_55R_16。

圖3 車輪變換參數(shù)設(shè)置窗口

圖4 輪胎型號(hào):215_50R_18

圖5 輪胎型號(hào):165_55R_16

3.2.2 懸架簡(jiǎn)化后的效果

在簡(jiǎn)化懸架時(shí)需要注意，前懸架系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)中采用了橡膠減振元件，減震器上半部分與車身連接處的連接方式為橡膠襯套彈性鉸鏈，確認(rèn)此處結(jié)構(gòu)后在CATIA仿真中正確地添加運(yùn)動(dòng)副，整個(gè)懸架簡(jiǎn)化后的效果如圖6所示。

圖6 懸架簡(jiǎn)化效果

3.3 添加運(yùn)動(dòng)副及驅(qū)動(dòng)

3.3.1 懸架關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)副

運(yùn)用CATIA軟件中的DMU kinematics模塊，根據(jù)相應(yīng)關(guān)節(jié)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況，在懸架簡(jiǎn)化線條上添加適合的模擬運(yùn)動(dòng)副，所需運(yùn)動(dòng)副如圖7所示。麥弗遜懸架左右部分對(duì)稱，左右所添加的運(yùn)動(dòng)副也相同。表1為關(guān)于懸架各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)所添加運(yùn)動(dòng)副的名稱及原理。

圖7 整車懸架運(yùn)動(dòng)副

3.3.2 添加驅(qū)動(dòng)命令

經(jīng)過(guò)對(duì)懸架的分析可知:車輪左、右方向的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，其轉(zhuǎn)向力經(jīng)過(guò)萬(wàn)向節(jié)機(jī)構(gòu)傳遞至方向機(jī)，然后方向機(jī)將駕駛員輸出的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向力作用在齒輪齒條上，并傳遞至轉(zhuǎn)向橫拉桿上。在仿真中，可以用DMU模塊里的命令添加驅(qū)動(dòng)力來(lái)模擬駕駛員的轉(zhuǎn)向作用力。命令中驅(qū)動(dòng)力的輸入值即為實(shí)際零件方向機(jī)的左右行程，假設(shè)方向機(jī)的總行程為140 mm，具體軟件命令設(shè)置如圖8所示。

圖8 左右轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力輸入框簡(jiǎn)圖

而車輪上、下跳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力主要由路面反作用力引起，車輪將此作用力傳遞給減震器，減震器內(nèi)部做活塞運(yùn)動(dòng)來(lái)消耗此力。在仿真中，用命令模擬上下拉伸運(yùn)動(dòng)，通過(guò)添加拉伸驅(qū)動(dòng)力來(lái)模擬車輪的上下跳動(dòng)。由于為獨(dú)立懸架，左右車輪相互獨(dú)立跳動(dòng)，需要在懸架左右減震器上各加1個(gè)相同的拉伸驅(qū)動(dòng)力。這里假設(shè)減震器的總行程為120 mm，上跳行程為80 mm，下跳行程為40 mm。上下跳動(dòng)驅(qū)動(dòng)力輸入框，如圖9所示。

圖9 上下跳動(dòng)驅(qū)動(dòng)力輸入框

3.3.3 仿真效果

經(jīng)過(guò)以上步驟，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)懸架的基本仿真。圖10為CATIA軟件運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中車輪由左上極限位置轉(zhuǎn)動(dòng)到右上極限位置的運(yùn)動(dòng)效果。

表1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副名稱及原理

圖10 仿真運(yùn)動(dòng)效果

3.4 車輪包絡(luò)制作

根據(jù)車輛在行駛過(guò)程中的實(shí)際情況，分析可能出現(xiàn)車輪跳動(dòng)極限位置的情況，運(yùn)用CATIA軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬。

3.4.1 理論情況

前輪上跳到極限位置與前輪滿角度轉(zhuǎn)向同時(shí)出現(xiàn)，則車輪最大包絡(luò)為車輪左、右轉(zhuǎn)向極限與車輪上跳極限時(shí)的位置。圖11為理論情況車輪最大包絡(luò)圖。

圖11 理論情況車輪最大包絡(luò)

3.4.2 實(shí)際情況

根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論，前輪上跳到極限位置與前輪滿角度轉(zhuǎn)向同時(shí)出現(xiàn)的可能性極小，但一旦出現(xiàn)則往往是危險(xiǎn)工況。

1)滿角度轉(zhuǎn)向只在極限上跳量的60%以下范圍內(nèi)出現(xiàn);

2)當(dāng)上跳到極限位置時(shí)，車輪最大轉(zhuǎn)向角為滿角度的20%。

據(jù)此，可重新定義轉(zhuǎn)向和跳動(dòng)2個(gè)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)量的范圍，并生成相應(yīng)包絡(luò)面。圖12為實(shí)際情況下的車輪最大包絡(luò)。

圖12 實(shí)際情況下的車輪最大包絡(luò)

4 結(jié)果分析

4.1 車輪包絡(luò)面與輪罩干涉問(wèn)題檢查

輪胎包絡(luò)面決定了輪罩和翼子板形狀及位置。運(yùn)用CATIA軟件仿真技術(shù)對(duì)輪胎跳動(dòng)包絡(luò)體進(jìn)行詳細(xì)間隙檢查，可以在產(chǎn)品投產(chǎn)前有效地檢查間隙及極限干涉情況，降低后期投產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)成本。圖13是車輪實(shí)際運(yùn)動(dòng)極限包絡(luò)面與輪罩的間隙檢查圖。

由圖13可知，車輪極限運(yùn)動(dòng)包絡(luò)與輪罩最小間隙為20 mm，滿足輪胎極限跳動(dòng)要求?？紤]到車輪在冰雪路面上可能需要安裝防滑鏈，如圖14所示，需在設(shè)計(jì)汽車輪轂包、輪罩、翼子板時(shí)預(yù)留足夠防滑鏈安裝間隙。一般轎車防滑鏈的最大厚度為10 mm，經(jīng)驗(yàn)要求車輪包絡(luò)與周邊最小間隙不小于10 mm，因此設(shè)計(jì)時(shí)在考慮防滑鏈的前提下車輪包絡(luò)間隙最少為20 mm。本案例中研發(fā)分析的汽車間隙為20 mm，加上減震器模型行程的保守誤差方案，認(rèn)為此處設(shè)計(jì)符合實(shí)際要求。

圖13 車輪包絡(luò)與輪罩的包絡(luò)檢查圖

圖14 汽車車輪防滑鏈安裝圖

4.2 車輪與橫向穩(wěn)定桿間隙檢查

車輪在左右轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，必須保證車輪與橫向穩(wěn)定桿不發(fā)生任何干涉。圖15為包絡(luò)面與橫向穩(wěn)定桿間隙檢查圖。圖16為假設(shè)轉(zhuǎn)向機(jī)由-70 mm至+70 mm轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，每隔0.4 mm記錄的車輪與橫向穩(wěn)定桿間隙測(cè)量值分布曲線。

圖15 車輪與橫向穩(wěn)定桿間隙檢查圖

由圖16可以看出:車輪由左極限轉(zhuǎn)動(dòng)到右極限的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生任何干涉，車輪與橫向穩(wěn)定桿的最小間隙為84 mm，在車輪右極限時(shí)發(fā)生干涉。

圖16 車輪與橫向穩(wěn)定桿間隙分布

5 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用CATIA中的DMU模塊對(duì)汽車前麥弗遜懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。首先對(duì)汽車懸架進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后在懸架關(guān)節(jié)點(diǎn)處添加合理的運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)汽車前懸架的運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)制作出車輪的極限跳動(dòng)包絡(luò)體，運(yùn)用包絡(luò)體完成對(duì)汽車翼子板、擋泥板及橫向穩(wěn)定桿的間隙檢查。在數(shù)模投產(chǎn)前運(yùn)用CATIA仿真技術(shù)預(yù)先評(píng)估，有效地降低了后期質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、成本及開(kāi)發(fā)周期。

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