基于CATIA參數化建模校核Ackermann誤差的方法

楊洪云，胡偉，陳琪，施正生

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術中心，重慶 401122）

基于CATIA參數化建模校核Ackermann誤差的方法

楊洪云，胡偉，陳琪，施正生

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術中心，重慶 401122）

介紹了Ackermann誤差概念和傳統校核方法的局限性，提出采用CATIA參數化建模方式，建立全空間轉向機構硬點-骨架模型，依靠CATIA參數化驅動功能，通過改變參數得到非常精確的Ackermann誤差，并且利用參數與設計表關聯，快速得到所有車型轉向系統的骨架模型，實現了高效、準確校核大量車型Ackermann誤差的目的。

CATIA；參數化模型；Ackermann誤差；設計表

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.047

CLC NO.:TG156 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-138-03

前言

車輛轉向輪的轉角誤差值（又稱Ackermann誤差）會直接影響到輪胎的使用壽命，它決定了輪胎在正常使用條件下單位時間內的磨損程度。轉向輪的轉角誤差值越小，則輪胎的使用壽命、更換周期就越長；反之則使用壽命越短、更換周期也短。

1、轉向梯形的設計要求

汽車在轉向時，需要保證四個車輪作純滾動運動，各個車輪在每個時刻都必須圍繞著同一個瞬心轉動，即必須滿足阿克曼原理（圖1），阿克曼幾何學原理要求：單前軸車型在轉向時，內外輪必須符合如下關系式：

在上式中δ0為外側轉向輪轉角；δi為內側轉向輪轉角；L 為輪距；t kp為主銷軸線與地面交點間的距離。

圖1 理想阿克曼轉向原理圖

由于在實際轉彎的過程中，車輛的轉向梯形很難在整個轉動范圍內都滿足該條件，通常只是近似地滿足。實際的車輪轉角與理想的滿足上式關系的轉角誤差之間的差值即稱為Ackermann誤差，此差值反映了實際的轉向系統與理想的純滾動轉向系統的接近程度。在設計開發中，轉向系統各個部位的參數變化都會影響到Ackermann 誤差的大小。比如，車輪前束角、車輪外傾角、主銷內傾、梯形的長邊、梯形的短邊和梯形的腰等。

2、傳統校核方法的局限性

傳統的Ackermann 誤差校核方法一般采用草圖平面作圖法：將轉向梯形、轉向傳動桿件等投影到平面上進行分析(圖2)，這樣做的好處是簡化了分析過程，但存在的弊端是：

（a）忽略了輪胎的外傾角、主銷內傾角參數，降低了計算結果的精度，與車輛實際誤差值存在一定出入；

（b）若為雙轉向橋系統，不能根據轉向系統的結構觀察到第一轉向橋和第二轉向橋之間的Ackermann誤差關系。

圖2 傳統Ackermann誤差校核方法

3、CATIA知識工程與參數化設計原理

3.1 CATIA知識工程

知識工程是基于知識驅動為基礎的工程設計的新思路。為定義一個模型內對象的不同參數和特性所編寫的規則和公式是相互關聯的。對于應用知識工程開發的設計，最終用戶只需輸入、改變工程參數或添加、修改工程規則，系統會根據這些規則計算工程參數對產品幾何參數的影響，從而驅動最終的幾何模型。

知識工程是以知識本身為處理對象，研究如何使用人工智能的原理和方法來設計、構造和維護知識系統的一門學科。知識工程的核心問題包括知識的表示、知識的利用和知識的獲取三大塊。

傳統的CAD系統無法將研究領域的設計原理、成功的設計方案和專家經驗知識融入到最終的產品模型中，且都無法實現知識資源的重用，設計師仍然要在可能犯重復錯誤的前提下做大量重復性的工作。因此，知識工程與CAD結合是現代設計的關鍵。

3.2 CATIA參數化設計的原理

參數化設計是指設計對象模型的尺寸用變量及其關系式表示，而不需要確定具體的數值，是CAD技術在實際應用中提出的課題。一般是指產品的形狀比較定型，用一組參數約束該幾何圖形的結構尺寸和零部件的特征，參數與設計對象的控制尺寸和特征有顯式對應關系。當賦予不同的參數序列值時，就可驅動原設計對象到新的目標幾何元素和特征。參數化設計就是通過尺寸驅動和特征驅動的形式，以獨立的幾何約束和一定的函數公式關系來進行產品的設計。參數化設計將原有設計中某些尺寸，如定形、定位或裝配尺寸定義為變量，修改這些變量的同時，由一些簡單公式計算出并變動其他相關尺寸，計算機根據這些新的參數值自動完成產品設計。它不僅可使CAD系統具有交互式設計功能，還具有自動繪圖的功能。參數化為產品模型的多變性、可重用性、并行設計等提供了可能，使設計人員可以利用之前的模型方便地進行模型的重新構建，并可以在遵循原設計意圖的情況下，方便地改動模型，生成系列化產品。設計師通過定義特征、公式、規則等生成參數、方程、設計表等對象，設計過程與用戶定義的參數設置順序有關。參數化設計有以下特點：

（a）尺寸約束。用自定的規則或限制條件，建立和規定各元素之間的關聯關系。

（b）驅動尺寸。在約束創建完成后，若修改某一尺寸參數，程序將自動檢索和計算新要求的參數量，從而驅動修改幾何模型。

（c）數據關聯。通過修改尺寸參數將改變其他相關模塊中的相關尺寸。

（d）基于幾何元素的設計。在某些重要的點、線、面的構造過程中將其尺寸存為可調參數，用來形成骨架，并以此為基礎進行復雜的骨架模型構造。

4、全參數化轉向機構模型

4.1 全參數化轉向機構模型建模方法

（a）先在CATIA里新建一個帶參數的Part文件，在Part內根據模型復雜程度，插入數個幾何圖形集，用來保存各個子模塊的點、線、面等元素。

圖3 幾何圖形集和參數

圖4 參數化關聯建模

（b）根據需要改變的值，建立轉向系統模型的全部可變參數（圖3）。

（c）在曲面模塊中，利用創建點、線、面的命令，創建模型。

（d）創建點、線、面時將具體的值由上一步設定的參數公式來表達，以便建立參數式數學關系式，構造參數驅動（圖4）。

4.2 全參數化轉向機構模型優勢

在參數化的轉向骨架模型里，所有的參數：轉向機安裝位置坐標、各個擺臂安裝位置坐標、各個拉桿的安裝位置坐標、車輪前束角、車輪外傾角、主銷內傾角等和骨架模型都依靠知識工程的公式編輯器建立了相互依賴的關系，如果改變參數值，則骨架模型隨即發生改變，牽一發而動全身。因此用這種方法建立的骨架模型不但運動結果精確，而且易于改變。全參數化轉向機構的模型優勢可小結為幾點：

(a)參數和模型聯動；

(b)模型運動精確；

(c)模型易于修改和管理。

最終創建完成的全參數化雙轉向橋機構骨架模型（圖5）：

圖5 完整的全參數雙轉向橋機構骨架模型

5、Ackermann誤差檢查

為了檢查模型的Ackermann誤差，我們可以通過間斷遞增取值的方式，通過改變模型中的參數來獲得Ackermann誤差值。如將一橋內輪轉角參數設定為20°，模型立即便得到另外三個車輪的轉角值，分別為：18.722°、15.699°和14.459°（圖6）。

圖6 由骨架模型得到的車輪轉角

通過連續設定一橋內輪轉角參數，可以得到連續的對應的另外三個車輪的轉角，將所有車輪對應的轉角記錄下來，通過Excel圖表將Ackermann誤差以直觀的曲線反映出來。為了與理想的轉角關系曲線進行比較，可以同時計算出理想的轉角曲線。

最后以圖表的方式得到參數化模型的Ackermann誤差值隨轉角變化的函數曲線（圖7）。

圖7 由骨架模型得到的精確Ackermann誤差曲線

6、全參數化模型與設計表關聯

另外，此校核方法的另一功能是，可以將參數化骨架模型的參數關聯到設計表（圖8），對骨模型的參數進行管理。這樣，我們可以將幾乎全部車型的轉向系統參數，通過測量各零部件的安裝位置、尺寸等幾何參數，將每個車型轉向系統的參數用EXCEL表進行匯總管理（圖9）。每次在分析某一款具體車型時，可以通過更改設計表里的參數，來迅速的為該款車型建立其對應的轉向參數化骨架模型。

圖8 參數與設計表關聯

圖9 設計表的管理

7、結束語

介紹了利用CATIA V5軟件的知識工程創建全參數化轉向系統骨架模型，這樣得到的模型與參數能夠實現聯動，能夠得到比傳統的校核方法更精確的Ackermann誤差，再通過將參數與設計表關聯，使模型可以拓展到不同結構類型的車輛轉向系統上，從而實現了對大量產品的快速、準確的校核工作，有效的提高了產品開發效率和設計質量，縮短了開發周期。

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Ackermann error checking method based on CATIA Parametric-modeling

Yang Hongyun, Hu Wei, Chen Qi, Shi Zhengsheng
( Saic-iveco Hongyan Commercial Vehicle Co., Ltd., Technical Center, Chongqing 401122 )

This article presents the concept of Ackermann error and the defects of traditional checking method , building full-geometrical steering hard-point model by the parametric- modeling method to obtain the precise Ackermann error with the function of parameter-driven, realized the goal of checking Ackermann error of a mount of vehicles with high efficiency and precision utilizing the Design table to build the skeleton model of steering system of all vehicles.

CATIA; Parametric-model; Ackermann error; Design table

TG156

B

1671-7988(2016)01-138-03

楊洪云，就職于上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術中心DMU工程師。主要研究方向為商用車DMU。