基于Pro／E的懸架運(yùn)動(dòng)校核方法研究

卜凡龍

（中國第一汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，吉林長春130011）

基于Pro／E的懸架運(yùn)動(dòng)校核方法研究

卜凡龍

（中國第一汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，吉林長春130011）

分析了目前板簧懸架運(yùn)動(dòng)校核方法存在的問題。針對(duì)這些問題，借用Pro／E軟件中的機(jī)構(gòu)仿真功能，建立了板簧懸架運(yùn)動(dòng)校核的三維模型，直接進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)校核，使校核更接近實(shí)車狀態(tài)、更具直觀性，彌補(bǔ)了二維校核的不足，防止了實(shí)車運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)干涉，為以后的設(shè)計(jì)校核奠定了模型基礎(chǔ)。

Pro／E軟件；板簧懸架；運(yùn)動(dòng)校核；仿真分析

0 前言

懸架運(yùn)動(dòng)校核是懸架設(shè)計(jì)流程中不可缺少的一部分，懸架主要包括彈性元件、減振器、橫向穩(wěn)定桿等零部件，減振器的長度、擺角，橫向穩(wěn)定桿和吊臂支架的夾角，以及它們與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的拉桿、輪胎以及車架之間間隙校核都是非常關(guān)鍵的［1］。目前，采用的校核方法大多都是將它們分別在AutoCAD中進(jìn)行二維布置校核，該方法比較簡單，對(duì)于簡單的懸架系統(tǒng)來說，使用該校核方法能夠滿足要求；當(dāng)懸架系統(tǒng)較復(fù)雜且周圍零部件較多時(shí)，二維校核就有了缺陷，間隙校核往往不準(zhǔn)確，易發(fā)生二維校核不干涉而實(shí)車運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生干涉的現(xiàn)象，因此需要一種能直觀反映且接近實(shí)車狀態(tài)的校核方法。目前三維設(shè)計(jì)軟件較多，作者僅結(jié)合工作中使用的Pro／E三維設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行了某車型前懸架系統(tǒng)的建模，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析校核，通過與傳統(tǒng)校核方法的對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的正確性，提供了一種簡便的校核方法。

1 懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 懸架系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)

懸架系統(tǒng)由鋼板彈簧、減振器、橫向穩(wěn)定桿、連接支架及連接銷等組成，如圖1所示。板簧支架、減振器上支架、橫向穩(wěn)定桿吊臂支架、限位支架均固定在車架總成上，它們之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)；鋼板彈簧總成、緩沖塊總成、減振器下支架及穩(wěn)定桿支架通過U形螺栓連接在一起，它們之間也無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可看成一個(gè)整體；其他的零部件之間以及與固定的零件之間都通過銷軸進(jìn)行連接。當(dāng)車輪受載上下跳動(dòng)時(shí)，板簧產(chǎn)生變形，板簧主片中心點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)吊環(huán)、橫向穩(wěn)定桿、吊臂、減振器發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

1.2 懸架系統(tǒng)平面簡化結(jié)構(gòu)

為了建立一個(gè)有效的三維模型并且減少模型中的物體數(shù)量，需要將上述的懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理。模型簡化處理中，首先要解決的是將作為彈性元件的鋼板彈簧進(jìn)行合理的簡化。鋼板彈簧總成簡化是否合理，直接決定了該懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是否正確。通過查找有關(guān)的資料，發(fā)現(xiàn)有關(guān)板簧變形運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究文獻(xiàn)比較少，目前普遍使用的是 “圓弧近似算法”（簡稱SAE圓弧），它是基于鋼板彈簧在垂直載荷作用下，假設(shè)其各片為理想的圓弧形狀，首片板簧葉片各部分的尺寸如圖2所示。還有一種方法是三連桿近似簡化法，它將板簧簡化成了等效的三連桿機(jī)構(gòu)，可以方便地描述板簧的運(yùn)動(dòng)特性［2］，各桿長度與板簧中心的確定由公式 （1）— （4） 確定，吊耳的長度取其實(shí)際長度，如圖3所示。

根據(jù)上述內(nèi)容并結(jié)合下一步的建模考慮，決定采用鋼板彈簧的三連桿簡化模型。同時(shí)運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械原理知識(shí)，將懸架系統(tǒng)簡化成一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖，如圖4所示。

2 懸架系統(tǒng)三維模型的建立

2.1 創(chuàng)建懸架系統(tǒng)零部件模型

2.1.1 鋼板彈簧的模型建立

目前工作中使用較多的為等剛度的鋼板彈簧總成，因此選擇它進(jìn)行簡化。該模型在研究懸架的運(yùn)動(dòng)校核時(shí)，同樣適用于其他剛度特性的鋼板彈簧。

首先由上節(jié)所述的三連桿近似原理與計(jì)算公式，計(jì)算確定各桿的長度和鉸鏈點(diǎn)位置。其中鋼板彈簧的主葉片由3個(gè)連桿替代，加上吊耳一起構(gòu)成具有2個(gè)自由度的五桿機(jī)構(gòu)，因此板簧的運(yùn)動(dòng)，可以用板簧簧座中心垂直方向和水平方向的位移來確定，這兩個(gè)位移相互獨(dú)立。在板簧簧座中心加載荷使桿系機(jī)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，由板簧簧座中心的受力與簧座中心的位移量確定簡化模型的剛度曲線。在Pro／E環(huán)境下，建立簡化的三連桿鋼板彈簧模型，如圖5所示，分別由A、B、C三部分組成，三部分通過銷釘連接進(jìn)行裝配。

為了驗(yàn)證模型在Pro／E環(huán)境下的正確性，利用Pro／E軟件中的 【軌跡曲線】功能，繪制出板簧主片中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，然后和用 “SAE圓弧法”理論作圖繪制的曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者的軌跡曲線近似，因此Pro／E中建立的鋼板彈簧三連桿模型是正確的，可以作為運(yùn)動(dòng)校核的基礎(chǔ)。

2.1.2 減振器總成模型的建立

首先將減振器總成的各個(gè)零部件采用拉伸、剪切、旋轉(zhuǎn)、倒圓角等命令進(jìn)行繪制，然后將減振器分成以防塵罩和油缸為主體的兩部分，進(jìn)行連接裝配，以使在懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程中，反映減振器的行程變化，如圖7所示。

2.1.3 其他零部件的模型建立

這些零部件的模型建立，均采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，以便后期更改以及新零件的設(shè)計(jì)，而且由于本身內(nèi)部沒有相互發(fā)生運(yùn)動(dòng)的部件，因此都將它們看成剛體模型，如圖8所示。

2.2 創(chuàng)建懸架系統(tǒng)裝配模型

各零件的三維實(shí)體建模完成后，首先要分別完成減振器上支架及穩(wěn)定桿吊臂支架在車架上的裝配，這些裝配都依據(jù)已經(jīng)布置好的懸架硬點(diǎn)進(jìn)行裝配，懸架的硬點(diǎn)在懸架的骨架模型中進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便后期變動(dòng)修改方便［3］。由于各零部件之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故可視為一個(gè)整體來處理。然后進(jìn)行建立在各總成基礎(chǔ)之上的懸架系統(tǒng)的虛擬裝配。由于各總成間既有位置要求，又有相對(duì)運(yùn)動(dòng)要求，故在該裝配過程中，除了要保證各總成的位置關(guān)系，還要定義相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，如板簧總成、車架基礎(chǔ)、吊環(huán)、減振器、橫向穩(wěn)定桿之間的連接采用 “銷釘” 約束，減振器的油缸和防塵罩連接采用 “圓柱”約束。其中各總成的位置關(guān)系采用剛性連接中的 “匹配” 和 “插入” 約束。具體的裝配順序是：以車架的骨架作為裝配的基礎(chǔ)，通過銷釘連接的方式，依次進(jìn)行鋼板彈簧總成、減振器總成、橫向穩(wěn)定桿吊臂、橫向穩(wěn)定桿的裝配。伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)置在板簧主片的中心點(diǎn)上，以模擬懸架系統(tǒng)的上、下跳動(dòng)變化。圖9為裝配后的懸架系統(tǒng)連接機(jī)構(gòu)的簡化模型。

3 運(yùn)動(dòng)校核仿真及結(jié)果分析

3.1 運(yùn)動(dòng)校核仿真

懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真的過程如圖10所示。該運(yùn)動(dòng)過程為連續(xù)變化的過程，在運(yùn)動(dòng)過程中，各個(gè)連接點(diǎn)位置隨著板簧中心點(diǎn)的變化而發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真。

3.2 干涉檢查

干涉檢查的目的是找出懸架系統(tǒng)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)干涉及“死點(diǎn)”位置。利用Pro／E自動(dòng)檢查各部件在運(yùn)動(dòng)過程中的干涉問題，不僅準(zhǔn)確，而且效率高，使得干涉問題在設(shè)計(jì)過程中就能得到有效解決。在Pro／E環(huán)境下，利用其 【分析】? 【模型】 ? 【配合間隙】、 【全局間隙】、 【全局干涉】、 【體積干涉】 （見圖11），進(jìn)行特征添加，可以得到懸架系統(tǒng)零部件在運(yùn)動(dòng)過程中，部件間隙及干涉情況隨時(shí)間的變化曲線 （見圖12）。通過曲線可以對(duì)干涉情況進(jìn)行判斷，對(duì)間隙不足、出現(xiàn)干涉的地方進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整布置。

3.3 運(yùn)動(dòng)校核仿真結(jié)果分析

根據(jù)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以減振器行程的變化、減振器擺角的變化、橫向穩(wěn)定桿與吊臂的夾角變化作為研究對(duì)象，創(chuàng)建測(cè)量曲線，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真分析［4］。通過仿真分析有助于分析運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果，并為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供幫助。

減振器行程變化及擺角的變化見圖13、圖14。可以看出在懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程中減振器是如何運(yùn)動(dòng)的。以此與借用的減振器參數(shù)進(jìn)行比較，看此曲線的變化值是否在現(xiàn)有減振器的行程及擺角范圍內(nèi)，來確定是否對(duì)減振器進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。

橫向穩(wěn)定桿與吊臂的夾角變化見圖15，通過分析其變化曲線，可以看出其極限位置夾角是否符合要求，以及是否出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。以此為依據(jù)判斷是否需要進(jìn)行更改設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

應(yīng)用Pro／E軟件的建模和運(yùn)動(dòng)分析模塊，成功地解決了懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)校核過程中傳統(tǒng)校核方法無法直觀懸架系統(tǒng)空間運(yùn)動(dòng)狀況的難題，并將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的干涉問題在試制樣車之前予以解決。此次運(yùn)動(dòng)校核的研究是直觀、方便地進(jìn)行懸架系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、布置、動(dòng)態(tài)模擬和分析的一次有益嘗試，為生產(chǎn)高質(zhì)量、高性能的懸架系統(tǒng)提供了可靠的保證。今后，還需對(duì)懸架系統(tǒng)機(jī)構(gòu)作進(jìn)一步的深入研究，與其他軟件結(jié)合對(duì)關(guān)鍵部件的受力情況進(jìn)行相關(guān)分析，以更好地完善設(shè)計(jì)。

【1】陳家瑞，吉林大學(xué)（原吉林工業(yè)大學(xué)）汽車工程系.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2002.

【2】吳碧磊.重型汽車動(dòng)力學(xué)性能仿真研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.長春：吉林大學(xué)，2008：28－37.

【3】朱玉紅.基于PRO／E的機(jī)械零件虛擬裝配方法［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2004（2）：67－68.

【4】祝凌云，李斌.Pro／ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

2015節(jié)能與新能源車展年底登陸上海

2015第八屆中國國際節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)將于2015年12月11—13日盛大登陸上海新國際博覽中心，本屆展會(huì)以 “智·創(chuàng)未來”為主題，秉承推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、助力汽車企業(yè)發(fā)展、滿足消費(fèi)者需求的宗旨，將吸引國內(nèi)外30多家主流新能源車企的上百款純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等各種車型參展，為海內(nèi)外車企打造一個(gè)新能源車輛展示、電動(dòng)汽車品牌推廣及前沿技術(shù)交流的專業(yè)平臺(tái)，為廣大新能源汽車消費(fèi)者打造一場全方位的賞車、玩車、購車的車市盛會(huì)。

數(shù)據(jù)顯示，上半年我國新能源汽車共生產(chǎn)7.6萬輛，銷售7.3萬輛，同比分別增長2.5倍和2.4倍。在新能源汽車火爆增長的帶動(dòng)下，本屆12月11—13日的EV CHINA 2015節(jié)能與新能源車展·上海站將定位于提升節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)品認(rèn)知度和市場占有率，通過本次上海車展轉(zhuǎn)變消費(fèi)模式，培養(yǎng)消費(fèi)者品牌忠實(shí)度，塑造品牌形象；并將立足節(jié)能與新能源汽車展業(yè)，將EV CHINA節(jié)能與新能源車展規(guī)劃覆蓋整個(gè)中國區(qū)域和終端消費(fèi)者。

EV CHINA 2015節(jié)能與新能源車展·上海站預(yù)計(jì)展出面積超40 000 m2、100家參展企業(yè)、參觀觀眾5萬人次。本屆上海車展同期活動(dòng)將更具人性化，觀眾參與度更高。針對(duì)專業(yè)觀眾車展主辦方組織專業(yè)論壇、行業(yè)評(píng)選、產(chǎn)品推介等一系列可參與學(xué)習(xí)的活動(dòng)；與此同時(shí)車展主辦方還將舉辦車展攝影大賽、試乘試駕、慈善公益以及觀眾最喜愛車型評(píng)選等活動(dòng)，讓上海及周邊地區(qū)的人群可全程參與進(jìn)來。

（來源：互聯(lián)網(wǎng)）

Study of Suspension Movement Check Based on Pro／E

BU Fanlong
（China FAW Group Corporation R＆D Center，Changchun Jilin 130011，China）

The problems existing in leaf spring suspension movement checkingmethod were analyzed.Aiming at these problems，adop?ting simulation function of Pro／E software，the three?dimensionalmodel ofmovement check for leaf spring suspension was established，tomake 3Dmotion check directly.The check was closer to the real car status，more intuitive，making up the shortages of2D check.Somotion interfer?ence in vehiclemotion is prevented.It laysmodel foundation for future design and check.

Pro／E software；Leaf spring suspension；Movement check；Simulation analysis

2015－04－22

卜凡龍 （1983—），男，工程碩士，工程師，從事商用車底盤設(shè)計(jì)研究。E?mail：bfl171＠163.com。