喬曉亮 趙煒華 張永輝

摘 要：客車在轉向過程中，車輪會形成一定的運動空間。使用CATIA中DMU模塊對客車轉向運動軌跡進行仿真分析，在客車設計階段，就可判斷轉向系統(tǒng)與車架及車架其他零部件是否發(fā)生干涉。

關鍵詞：客車轉向系統(tǒng)；DMU；運動分析

中圖分類號：U462.2 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-127-02

Abstract： The wheel of bus will form a certain movement space in the steering process. Using DMU module in CATIA， the movement trajectory of bus will be simulated， therefore， in the bus design phase， the interference of steering system with the frame and other parts can be found.

Keywords： bus steering system； DMU； movement analysis

CLC NO.： U462.2 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-127-02

引言

客車設計階段，CATIA是一種常用的三維設計軟件，DMU是CATIA的空間分析模塊。在客車底盤設計階段，使用CATIA的裝配功能可發(fā)現(xiàn)靜態(tài)條件下的客車各個零部件安裝是否干涉、布置是否合理?？蛙囖D向時，客車轉向系統(tǒng)的各個零部件做空間運動，轉向系統(tǒng)有與車架及其他系統(tǒng)發(fā)生干涉可能性，如不能在設計階段發(fā)現(xiàn)干涉問題，則會造成設計缺陷，給企業(yè)造成損失。DMU模塊可實現(xiàn)客車轉向系統(tǒng)的運動軌跡分析，在客車虛擬設計階段就可提前發(fā)現(xiàn)產品設計缺陷，提高企業(yè)競爭力。

1 DMU的應用現(xiàn)狀

許曉楠在2016年運用CATIA中的“DMU運動機構”和“知識工程”模塊，分別對乘用車常用的雙十字軸萬向節(jié)轉向系統(tǒng)和三十字軸萬向節(jié)轉向系統(tǒng)的運動仿真模型進行參數(shù)化設計[1]。李兵在2014年利用CATIA對刮水器運動機構進行參數(shù)化設計，并對機構進行虛擬裝配、干涉檢查、參數(shù)化仿真分析[2]。李小慶2015年利用DMU模塊對汽車刮水器機構進行動態(tài)仿真，并進行了掛刷面積計算和分析[3]。楊光2014年基于CATIA運動學分析模塊建立了皮卡前懸架運動學仿真模型，并基于該模型研究了懸架在跳動中前輪心變化，制作了前輪的輪胎包絡[4]。李超帥2016年應用 CATIA DMU Kinematics 模塊建立車門鎖系統(tǒng)運動機構的運動仿真模型，通過動態(tài)分析輸出了各構件的行程對應關系曲線[5]。李玉魁2014年基于CATIA DMU模塊對麥弗遜式獨立懸架進行了運動學分析，得出某款轎車麥弗遜懸架的運動學特性[6]。

2 客車轉向系統(tǒng)裝配

本文采用與非獨立客車懸架匹配的轉向系統(tǒng)，主要由轉向盤、轉向軸、轉向萬向節(jié)、轉向傳動軸、轉向器、轉向搖臂、轉向直拉桿、轉向節(jié)臂、梯形臂及轉向橫拉桿等組成。使用CATIA的裝配設計，插入已建好的零部件，使用裝配約束里的固聯(lián)、相合、偏移約束命令，在客車底盤上完成轉向系統(tǒng)的裝配，如圖1所示。

3 基于CATIA DMU的客車轉向系統(tǒng)運動仿真模型

在 CATIA DMU Kinematics 模塊中，要實現(xiàn)機械傳動的運動仿真，機構自由度要保證為0。因此，建立客車轉向系統(tǒng)時，在滿足客車轉向系統(tǒng)實際運動的情況下，同時要保證建立的運動副自由度滿足為0 的要求。根據(jù)各轉向系統(tǒng)之間的相對運動關系，所建立的各零部件之間運動副主要包括剛性結合、球面結合及旋轉結合，如圖2所示。當完成所有運動副結合后，定義固定零件，并添加驅動條件，如圖3所示。當完成以上工作后，CATIA 會彈出系統(tǒng)提示信息，提示系統(tǒng)自由度為 0，機構的自由度被完全約束，可以進行運動模擬。

4 仿真分析

4.1 車輛運動干涉檢查

客車方向盤轉動角度一般在兩圈到兩圈半，主要根據(jù)客車實際設計轉向角度來確定，本文以方向盤總圈數(shù)兩圈，即左右各旋轉360°來研究方向盤轉動過程中車輪的運動軌跡，在運動模擬里面設置命令，如圖4所示。

參數(shù)設置完成后，可以在裝配圖里加載車架和車身以及車身附屬設備，模擬方向盤轉向過程中，觀察車輪及相關轉向系統(tǒng)部件的運動是否和車架、車身及附件設備干涉，在設計之初消除設計缺陷，車輪在左、右轉向極限位置的如圖5、圖6所示。

4.2 輪胎軌跡分析

掃掠包絡體的功能是來檢查某物體在運動過程中所掃掠的體積，掃掠體可以檢查物體在運動、裝配時所占用的體積。但是此功能只能使用于回放機構中，不能直接應用在模擬動畫。因此必須對創(chuàng)建好的機械在機械模擬的基礎上生成重放。

整個轉向系統(tǒng)在運動的同時，輪胎會有相應的轉動，輪胎隨著方向盤的左右共兩圈轉動，形成運動軌跡，轉過的運動軌跡的體積就是它所相應的包絡體。當然輪胎每個部位移動的軌跡也是包絡體中相對應的部分，輪胎轉動的包絡體如圖7所示。

此掃掠包絡體可以檢查輪胎在運動過程中所掃掠的體積，可以清晰地看出輪胎運動的軌跡，若該轉向系統(tǒng)裝配到客車整車三維模型后，利用此功能可清晰看出輪胎運動過程中是否與其他部件發(fā)生碰撞與干涉。

5 總結

利用 CATIA 的DMU運動仿真對客車轉向系統(tǒng)運動過程進行模擬，很好的解決了CATIA的裝配功能只能檢查出客車靜態(tài)而非動態(tài)下各個零部件的裝配是否合理，這在客車樣車試驗階段即可發(fā)現(xiàn)設計缺陷并提出改進方案。通過仿真模擬→優(yōu)化設計→試驗驗證的設計流程[2]，加速產品設計效率，并提高產品質量，提高企業(yè)的競爭力。

參考文獻

[1] 許曉楠，王虎.基于CATIA的汽車轉向系統(tǒng)DMU參數(shù)化設計[J].汽車實用技術，2016（10）：112-114.

[2] 李兵.基于CATIA-DMU的刮水器仿真分析及優(yōu)化設計[J].汽車電器，2014（03）：18-20.

[3] 李小慶.基于CATIA/DMU的刮水器參數(shù)化模型研究[J].武漢交通職業(yè)學院學報，2015，17（04）：87-89.

[4] 楊光.基于Catia DMU的皮卡前懸架運動學仿真[A].河南省汽車工程學會.第十一屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集[C].河南省汽車工程學會： 2014：4.

[5] 李超帥，方超，林森，于波，李瑞生.基于CATIA DMU的尾門氣彈簧運動仿真與設計優(yōu)化[J].汽車實用技術，2016（10）：56-58.

[6] 李玉魁.CATIA DMU在麥弗遜懸架運動學特性分析上的應用[J].機電技術，2014（01）：109-111.