一種懸架運動仿真快速建模方法研究

楊超飛+熊欣+代罡+張紅生+張建軍

摘 要：本文主要研究了針對乘用車常見的麥弗遜懸架、雙橫臂懸架型式下對不同硬點在CATIA中快速建模的方法，及對該方法的適用范圍進行了較完整的論述。快速建模方法，即根據懸架類型選擇數據庫中同種模型，修改模型設計表（EXCEL）中的硬點數據，即可快速完成新模型的建立。與傳統建模方法相比，本方法避免CATIA重復繁瑣的建模過程。它可為前期總布置及傳動軸滑移量校核提供技術支撐，同時大大提高了預研分析的工作效率。

關鍵詞：懸架硬點；DMU；快速建模；運動仿真；CATIA；參數化

中圖分類號：U463.3 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）06-0054-06

Abstract： This paper mainly expounds the method of rapid modeling of different hard points in CATIA， which is based on the common Mcpherson suspension and double cross arm suspension， and discusses the application scope of the method. Rapid modeling method， choose the same kind of model in the database， modify the design model table （EXCEL） in hard data points， you can quickly create a new application model based on the type of suspension. Compared with the traditional modeling methods， the present method avoids the tedious repetition CATIA modeling process. It can be pre-arranged and the total amount of the drive shaft slip checking to provide technical support， while greatly improving the work efficiency of the pre-research analysis.

隨著目前各汽車公司正向開發的普及，更多的可行性分析工作需要在整車預研階段完成，包括動力總成布置可行性分析，傳動軸校核，輪胎包絡生成等，而此類工作前提是要有懸架的DMU模型。

懸架運動模型的建立，目前比較普遍的方法是：按照零件結構，在3D數模成型后對各零件用CATIA命令添加運動副和約束，通過較為繁瑣的數模操作后完成。此種傳統的方法在整車預研階段存在如下問題：在前期預研階段，3D數模暫未建立，在只有硬點數據的情況下，該方法無法進行虛擬建模。同時，按照硬點數據在3D數模上建立懸架運動模型，往往只適用于單一懸架形式，硬點數據更改，懸架運動模型就需要重新建立，造成工作反復，工作量大，同時，此種方法不容易掌握，除了懸架本專業外，總布置等其他專業較難掌握并加以運用。

對于本文論述的快速建模方法，不需要實現各零件3D數模，即可完成不同硬點懸架模型的快速建立，而且數據庫模型建立，可避免重復性建模工作，針對任何不同硬點均可通過更改設計表更新模型，操作過程簡單，便于應用。

1 建模流程

建模流程如圖1所示。

建立數據庫模型：數據庫模型的建立為快速建模的基礎，一種懸架類型對應一種模型，針對同種模型不同硬點的DMU建模，即可在更新設計表硬點數據后完成。數據庫懸架模型的建立分為模型簡化、模型裝配和模型參數化等步驟。

建立應用模型：在建好的數據庫模型基礎上，可以針對同一型式不同硬點的懸架快速建模，分為參數輸入，建立模型，模型運用三部分。實際中，具體的模型需要根據不同用途做適應性改進，包括添加傳動半軸的模擬數模為校核滑移量，建立運動法則曲線為制作輪胎包絡等。圖1為快速建模的建模流程圖。

2 建立數據庫模型

建立數據庫模型分為模型簡化、模型裝配和模型硬點參數化等步驟。

模型簡化：因前期預研階段3D數據還不成熟，建模只能通過虛擬化的零件平臺，故將各懸架零件簡化為點、線、面。

模型裝配：利用CATIA操作，根據各零件間的運動關系添加約束及運動副，此步和傳統建模方法類似。

模型硬點參數化：通過將硬點坐標與參數公式進行關聯，建立關系樹與設計表關聯，方便根據不同硬點快速更新數據庫模型。

下面以麥弗遜懸架為例，論述數據庫懸架模型的建立方法。

2.1 模型簡化

所有零部件均簡化為點（減震器上鉸接點、三角臂鉸接點、轉向拉桿內/外點等）、線（減震器、轉向拉桿、驅動軸中心軸桿等）、面（三角臂），便于參數化。

1）將懸架系統內部鉸接視為剛性連接，且不考慮懸架、轉向、傳動軸等零件的變形。

2）為模型簡化及參數化，將無相對運動的零件進行整合，自身內部有相對運動的零件進行拆分，參考如下原則：

a、轉向機構分解為轉向器殼體、左右轉向拉桿三個零件；

b、驅動軸分解為外球籠、中心軸桿、內球籠三個零件。

c、針對麥弗遜懸架：轉向節、車輪、減震器、外球籠合并為一個零件；針對雙橫臂懸架：轉向節、車輪、外球籠合并為一個零件。

d、針對麥弗遜懸架：前托架、轉向器殼體、內球籠、懸架機構與車身安裝點合并為一個零件；針對雙橫臂懸架：車架（或前托架）、轉向器殼體、內球籠、懸架機構與車身（車架）安裝點合并為一個零件。

2.2 模型裝配

將各零件的簡化模型進行裝配，結合零件的運動關系添加相應的約束，建立運動模型。

各線性零件模型間的接合命令和約束副如表1所示：

模型結構樹如圖1所示：

2.3 模型硬點參數化

建好運動模型后，需對模型各硬點進行參數化。方法如下：

1）運行CATIA知識工程命令中的“公式”新建參數公式，并對應各硬點名稱。

3）建立關系樹，關聯設計表

運行知識工程命令中的“設計表”，將參數化后的硬點數據轉化到EXCEL中，即完成關聯設計表。

以上，即完成麥弗遜懸架的數據庫模型建立。

3 建立應用模型

建立懸架模型不需要重復CATIA建模繁瑣操作，只需要按照懸架類型選擇相對應的數據庫模型，更新設計表（EXCEL）中的硬點數據，懸架運動模型即可自動更新，完成建立。

建模過程分為三個步驟：參數輸入，建立模型，模型運用。流程如圖1。

3.1 參數輸入

需提供硬點數據表及懸架類型。

硬點數據表作為模型建立的參數輸入，所建懸架模型需與數據庫調取模型類型一致。

如下分別為雙橫臂懸架、麥弗遜懸架的硬點數據表信息：

3.2 建立模型

從數據庫中調出同類型懸架模型，打開后運行“設計表”命令，調出設計表（設計表為EXCEL，可保存到本地，自動與CATIA模型關聯），更改對應設計表中硬點參數，如圖6：

運行CATIA中“更新位置”命令，再對更新后的模型進行改進和細化，即可完成新的硬點參數下懸架模型的初步建立。

對更新后的懸架模型進行檢查、改進、細化，通過評審，即完成懸架模型的最終建立。

另外，設計表除了可在CATIA樹中激活，還可以保存到本地，并與CATIA數模相關聯，更改本地的設計表，CATIA中的數模即自動完成更新建模，使工作過程更加方便。

3.3 模型運用

最終的懸架模型可運用于商品概念設計階段的總布置預研分析，傳動軸校核，輪胎包絡的初步計算等工作中。

對于總布置預研分析工作，又包含了前艙動力總成布置的可行性分析，而該工作的進行需要確定動力總成硬點（包含發動機和變速箱），這就同時需要判斷變速箱的輸出軸坐標位置是否滿足傳動軸夾角和滑移量等性能，而是否滿足傳動軸要求的依據就是通過本文方法所建立的懸架模型，模擬仿真其整個運動過程后作出判斷。

此外，在整車開發前期，輪胎包絡可以較準確的模擬車輛實際行駛工況，這就為車身輪罩、車身地板、前圍等零件的設計提供了邊界，而輪胎包絡同樣可以通過將輪胎裝配到本文所建懸架模型，模擬仿真運動后完成制作。

4 建模方法驗證

以A車型的硬點數據建立麥弗遜懸架數據庫模型，如圖7：

將車型B的懸架硬點按照上述快速建模方法輸入到數據庫模型對應的設計表中，運行更新命令操作后，新的數據庫模型如圖9。

從圖中可以明顯看出硬點更新前后數模發生變化。經過數模對比，快速方法建立的B車型的懸架模型與實際模型一致，從而該快速建模的方法得到驗證。

5 結語

本文主要是以麥弗遜懸架為例對建模過程進行了論述，除了麥弗遜懸架外，該方法也同樣適用于其他的懸架形式，包括雙橫臂懸架，拖曳臂懸架等，通過一次對各種常用懸架模型數據庫的建立，可以根據不同輸入硬點下的模型隨時快速更新運動模型，從而對動力總成布置，傳動軸校核等可行性進行判斷，同時，也可以為滿足其他系統的要求，微調懸架硬點，更改設計表中參數，最終得到較為合理的硬點值。

該方法主要是將懸架各零件進行簡化，避免前期3D數據的缺失導致建模工作無法進行，同時對各硬點進行參數化設計，可滿足不同硬點懸架模型的快速建立，有效減少工作量，提高工作效率。該方法同樣可以運用于總布置專業的其他分析工作中。

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Key Words： Suspension hard point； DMU； rapid modeling； motion simulation； CATIA parameterization