伍 剛，李 艷，許秀美，許醇婷

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

汽車前輪胎的運(yùn)動(dòng)軌跡主要包括上下彈跳運(yùn)動(dòng)軌跡和左右轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)軌跡。其綜合運(yùn)動(dòng)軌跡組成的前輪胎包絡(luò)空間常用于與周邊環(huán)境件進(jìn)行間隙校核，以在滿足汽車預(yù)設(shè)的舒適性和轉(zhuǎn)向性能要求的同時(shí)，要與周邊環(huán)境件具有一定的安全間隙，保證整車的總布置要求和底盤性能要求。目前常用的前輪胎包絡(luò)設(shè)計(jì)方法為在多體動(dòng)力學(xué)軟件ADMAS 上進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真分析，然后把分析結(jié)果文件導(dǎo)入到UGNX、CATIA 等建模仿真軟件中進(jìn)行聯(lián)合仿真生成輪胎包絡(luò)模型的輪胎包絡(luò)生成方法。該方法充分考慮了輪胎和襯套的力學(xué)特性，分析精度較高，但由于需要大量的建模數(shù)據(jù)，在車型的前期開發(fā)工作中對(duì)輪胎選型和邊界結(jié)構(gòu)選型工作上效率較低。本研究旨在探討應(yīng)用簡(jiǎn)化模型運(yùn)用一套軟件進(jìn)行快速的輪胎包絡(luò)設(shè)計(jì)方法，提高車型前期開發(fā)效率。UGNX 軟件是Siemens PLM Software 公司出品的一個(gè)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)CAD/CAM/CAE 三維建模及分析軟件，在汽車整車研發(fā)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。因此基于UGNX 軟件生成輪胎包絡(luò)模型的設(shè)計(jì)方法，可以快速在同一軟件平臺(tái)下進(jìn)行輪胎包絡(luò)模型制作和整車輪胎邊界校核?？梢蕴岣咂嚽捌谠O(shè)計(jì)上的輪胎選型和邊界結(jié)構(gòu)選型的開發(fā)效率。下面以我公司開發(fā)的某純電動(dòng)汽車前輪胎包絡(luò)制作為例進(jìn)行介紹。

1 輪胎外輪廓模型建立

汽車輪胎外輪廓模型的建立首先需要?jiǎng)?chuàng)建需要生成外輪廓模型的草圖曲線。進(jìn)入U(xiǎn)GNX 建模模塊，在草圖Sketch 環(huán)境下創(chuàng)建圖1（a）的輪胎外輪廓曲線。其中外輪廓曲線的控制尺寸參數(shù)值應(yīng)通過選擇輪胎外形尺寸中的大值和相應(yīng)的輪輞尺寸來(lái)建立。輪胎外形尺寸值可查閱GB/T2977《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》，輪輞外形尺寸值可參考GB/T3487《乘用車輪輞規(guī)格系列》或輪輞產(chǎn)品圖紙來(lái)確定。下面以某車型初選的輪胎型號(hào)：175/75R14C，輪輞型號(hào)：5J為例進(jìn)行說(shuō)明。圖1（a）中Smax為輪胎最大寬度尺寸：184 mm，Dmax為輪胎最大直徑尺寸：628 mm，dr為輪輞直徑：354.8 mm，輪輞安裝最大寬度Amax：129 mm，輪緣高度最小值Gmin：16.5 mm，輪緣寬度最小值Bmin：11 mm，高寬比ar：75，Rt＝（14.8 -0.14 ×ar）×Smax＝791.2 mm，Re＝0.032 × 0.688（hg×Smax）＝34.08 mm（hg＝（Dmax-dr）/2）＝136.6 mm），C＝（1.15 -0.005 ×ar）×A＝98.425 mm（其中A為輪胎輪輞安裝寬度127 mm）。如果所選的輪胎和輪輞型號(hào)變化，只需要對(duì)上述參數(shù)數(shù)值進(jìn)行變更，圖1（a）的輪胎外輪廓曲線在參數(shù)化驅(qū)動(dòng)情況下可以更改曲線形狀。確定完上述參數(shù)后在UGNX 建模模塊創(chuàng)建特征環(huán)境下創(chuàng)建輪胎外輪廓三維模型見圖1（b）。

圖1 輪胎外廓圖

2 輪胎運(yùn)動(dòng)分析模型建立

本例中的前懸架為麥弗遜懸架，其結(jié)構(gòu)主要由前懸支柱總成、下擺臂總成、前制動(dòng)角總成、轉(zhuǎn)向器總成等結(jié)構(gòu)件組成[2]。其中對(duì)輪胎起主要導(dǎo)向作用的是前懸支柱總成中的減振滑柱、下擺臂、轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向拉桿[3]。通過定義這些主要導(dǎo)向件上的結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)，并通過硬點(diǎn)創(chuàng)建前輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系是輪胎運(yùn)動(dòng)分析模型的基礎(chǔ)。本例前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

根據(jù)表1 的硬點(diǎn)坐標(biāo)運(yùn)用UGNX 建模模塊及運(yùn)動(dòng)仿真模塊創(chuàng)建前懸架運(yùn)動(dòng)仿真分析模型。其中：模型包含5 個(gè)連桿。對(duì)應(yīng)表2 的硬點(diǎn)分別定義連桿L001（B-C-E）、連桿L002（A）、連桿L003（A-E-FD）、連桿L004（F-G）、連桿L005（G）7 個(gè)運(yùn)動(dòng)副。分別為固定旋轉(zhuǎn)副J001（連桿L001）、固定球面副J001（連桿L002）、滑塊J003（連桿L002 與連桿L003）、球面副J004（連桿L003 與連桿L001）、球面副J005（連桿L003 與連桿L004）、球面副J006（連桿L004 與連桿L005）、固定滑塊J007（L005）。根據(jù)前輪運(yùn)動(dòng)約束條件，定義2 個(gè)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)副（固定旋轉(zhuǎn)副J001-模擬輪胎上下彈跳運(yùn)動(dòng)、固定滑塊J003-模擬轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)）。定義主軸為硬點(diǎn)D-H 的連線。定義1 個(gè)追蹤（主軸曲線D-H）。分析模型如圖2。

表1 前懸硬點(diǎn)坐標(biāo)表

圖2 前懸架運(yùn)動(dòng)仿真分析模型圖

前輪胎運(yùn)動(dòng)關(guān)系有隨懸架上下彈跳運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。正常情況下，在車輪上跳到100%行程時(shí)，轉(zhuǎn)向輪不會(huì)轉(zhuǎn)到極限位置。在進(jìn)行輪胎包絡(luò)分析時(shí)各整車廠會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)車輛的實(shí)際用途定義輪跳和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系，以盡可能的覆蓋車輛絕大部分的使用情況。結(jié)合本例的電動(dòng)汽車使用條件。定義6 種常用工況用于運(yùn)動(dòng)仿真分析見表2。

根據(jù)表2 的分析工況在UGNX 中運(yùn)動(dòng)分析模塊中進(jìn)行解算。求解模式采用鉸接運(yùn)動(dòng)模式（圖3（a）為工況3 的參數(shù)設(shè)置例），解算過程中分別追蹤主軸DH 在6 種工況下的位置見圖3（b）。

表2 輪胎運(yùn)動(dòng)分析工況表

3 輪胎包絡(luò)分析模型建立

運(yùn)用UGNX 車輛設(shè)計(jì)自動(dòng)化模塊進(jìn)行輪胎包絡(luò)創(chuàng)建。進(jìn)入U(xiǎn)GNX 車輛設(shè)計(jì)自動(dòng)化模塊，選擇輪胎包絡(luò)體命令。在輪胎包絡(luò)體命令導(dǎo)航器選項(xiàng)——構(gòu)造研究中選創(chuàng)建輪胎包絡(luò)體特征后點(diǎn)下一步。進(jìn)入輪胎定義對(duì)話框中類型選實(shí)體，選擇圖1（b）創(chuàng)建的輪胎外輪廓模式后點(diǎn)下一步。進(jìn)入車輪定義對(duì)話框中輪胎坐標(biāo)系的原點(diǎn)（選主軸D-H 的端點(diǎn)即輪心點(diǎn)D）、XC軸（主軸D-H）、YC 軸（平行于整車絕對(duì)坐標(biāo)系的X軸）后點(diǎn)下一步。進(jìn)入運(yùn)動(dòng)定義對(duì)話框的運(yùn)動(dòng)方式選擇從主軸線，選擇主軸線DH、選主軸端點(diǎn)H、選擇主軸線組即圖3（b）的6 組工況下的主軸線組后點(diǎn)下一步。進(jìn)入包絡(luò)體選項(xiàng)。將凸度盡量減小，這樣生成的包絡(luò)體比較光滑，包絡(luò)體的起始角和終止角設(shè)置合適值以便觀察到初始的輪胎外輪廓體。完成設(shè)置后點(diǎn)完成即可生成輪胎包絡(luò)體如圖4。

圖3 運(yùn)動(dòng)分析工況圖

圖4 輪胎包絡(luò)體生成圖

4 輪胎包絡(luò)體與周邊環(huán)境件的間隙校核

進(jìn)行輪胎包絡(luò)體間隙校核時(shí)，首先要確定所校核的車輪是否為驅(qū)動(dòng)輪，如果是驅(qū)動(dòng)輪要考慮安裝防滑鏈的空間，如果是非驅(qū)動(dòng)輪，可以選擇考慮防滑鏈或不考慮防滑鏈。輪胎包絡(luò)的周圍環(huán)境件主要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)件（包括下擺臂及球頭、轉(zhuǎn)向拉桿及球頭、穩(wěn)定桿及拉桿、等速驅(qū)動(dòng)軸等）。相對(duì)不運(yùn)動(dòng)件（包括輪罩板、輪眉及安裝螺釘、擋泥板及安裝螺釘、車架縱梁及支架、副車架、減振器及彈簧拖盤等）[4]。同時(shí)，由于懸架有大量的襯套，汽車在制動(dòng)時(shí)輪胎在制動(dòng)力作用下襯套變形較大，輪胎向后移動(dòng)量需要校核時(shí)考慮預(yù)留間隙?；谝陨祥g隙要求建立輪胎包絡(luò)間隙檢查表見表4。

表4 前輪胎包絡(luò)間隙檢查表

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用UGNX 軟件的建模、運(yùn)動(dòng)分析和車輛設(shè)計(jì)自動(dòng)化模塊的輪胎包絡(luò)生成模塊?？梢栽谕卉浖脚_(tái)上進(jìn)行輪胎包絡(luò)建模、運(yùn)動(dòng)仿真分析和生成輪胎包絡(luò)體。對(duì)于非轉(zhuǎn)向輪同樣可應(yīng)用本方法，基于主軸軸線的運(yùn)動(dòng)追蹤線組生成非轉(zhuǎn)向輪的輪胎包絡(luò)體。同時(shí)可以在同一軟件平臺(tái)上進(jìn)行輪胎包絡(luò)體創(chuàng)建及與周邊環(huán)境件的間隙校核。對(duì)于校核過程中有不滿足間隙要求的環(huán)境件，可以及時(shí)調(diào)整和修改輪胎建模模型的硬點(diǎn)或環(huán)境件的布置位置。應(yīng)用本方法創(chuàng)建輪胎包絡(luò)體在整車前期產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，可以早期發(fā)現(xiàn)汽車車輪布置設(shè)計(jì)過程中輪胎與周邊環(huán)境件是否存在運(yùn)動(dòng)干涉以及間隙量是否滿足要求，實(shí)現(xiàn)輪胎及周邊環(huán)境件結(jié)構(gòu)的快速選型，從而在提高設(shè)計(jì)開發(fā)效率、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本方面都具有一定的指導(dǎo)意義。