基于逆向的汽車底盤零件設(shè)計(jì)

楊建南 張昭 祝建崇

汽車良好的操控穩(wěn)定性取決于優(yōu)良的底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精確的底盤零部件制造。目前我國(guó)的汽車底盤設(shè)計(jì)行業(yè)當(dāng)中多采用逆向工程設(shè)計(jì)，以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。但對(duì)于汽車底盤開(kāi)發(fā)過(guò)程中正向設(shè)計(jì)和標(biāo)桿車逆向設(shè)計(jì)之間往往會(huì)有不同的處理方式。而在汽車的底盤零件當(dāng)中，鋼板沖壓件以其成型性能好、重量輕、強(qiáng)度剛度好等優(yōu)點(diǎn)廣泛的應(yīng)用在汽車底盤零部件當(dāng)中，本文以汽車底盤沖壓件逆向設(shè)計(jì)為例，對(duì)汽車底盤零件設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)進(jìn)行探討。

1底盤設(shè)計(jì)要求

底盤設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵在于滿足整車性能的各項(xiàng)指標(biāo)。汽車應(yīng)當(dāng)具備的基本性能可概括為動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、操穩(wěn)性、平順性、安全性和耐久性。一般所說(shuō)的底盤工程包括前后懸架、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系和車輪的設(shè)計(jì)配置。與這些系統(tǒng)直接相關(guān)的整車性能有制動(dòng)性、操穩(wěn)性和平順性。底盤的懸架部件本身要足夠牢固，而其設(shè)計(jì)是否到位直接影響車架車身的受力大小，同時(shí)底盤設(shè)計(jì)也和耐久性相關(guān)。

2車底盤零件設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

目前汽車上每個(gè)總成幾乎是機(jī)械、電子和信息一體化裝置。在系統(tǒng)中電子和信息部分所起的作用也越來(lái)越重要，汽車工電子裝置的增加使連接的電子線路迅速膨脹，線束越來(lái)越復(fù)雜。在汽車設(shè)計(jì)、裝配、維護(hù)中的負(fù)擔(dān)甚至到了無(wú)法承受的程度。而且線路接頭的增加引起安全隱患。另外線的重量和占用空間也是值得考慮的問(wèn)題，重量的增加意味著降低效率。線路體積（直徑）太大在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部分之間過(guò)線非常困難，所以在電子裝置不斷增加的情況下，減少線束成為一個(gè)必須解決的問(wèn)題，而使用傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)平行連接方式顯然無(wú)法擺脫這種困境，因而基于串行通信傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為一種必然的選擇?；谄嚨妆P的電子化技術(shù)、線控技術(shù)的應(yīng)用、汽車底盤的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)成為必然。如何建立局域網(wǎng)將汽車底盤的各種電子設(shè)備的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、ECU的數(shù)據(jù)和信息通過(guò)一個(gè)總的ECU進(jìn)行集中控制成為急需解決的問(wèn)題。

3汽車底盤零件設(shè)計(jì)的一般步驟

汽車底盤沖壓件逆向設(shè)計(jì)流程通常分為以下幾個(gè)步驟：標(biāo)桿產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集→標(biāo)桿數(shù)據(jù)分析處理→產(chǎn)品模型重建→制造系統(tǒng)→新產(chǎn)品。

3.1標(biāo)桿產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集

即將標(biāo)桿產(chǎn)品數(shù)據(jù)化，通過(guò)測(cè)量裝置獲取零件的結(jié)構(gòu)、尺寸等信息轉(zhuǎn)化成在三維坐標(biāo)下的點(diǎn)、線、面。

3.2標(biāo)桿數(shù)據(jù)分析處理

即對(duì)采集的標(biāo)桿見(jiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除無(wú)用的信息，保留并強(qiáng)化對(duì)后期建模有用的信息，它的結(jié)果將直接影響后期模型的構(gòu)建質(zhì)量。

3.3產(chǎn)品模型重建

利用建模軟件，將采集到的點(diǎn)、線、面等數(shù)據(jù)構(gòu)建成完整的產(chǎn)品模型。

4零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的過(guò)程中，產(chǎn)品模型重建是決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，此過(guò)程不但要將標(biāo)桿產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征信息完整的還原到模型當(dāng)中，還要充分理解標(biāo)桿產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖，融入設(shè)計(jì)者自己的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)要判斷哪些信息是由于制造過(guò)程的不穩(wěn)定造成的誤差，哪些信息是由于零件在使用過(guò)程中有變形而造成的誤差，并且要根據(jù)不同的工藝水平對(duì)零件進(jìn)行工藝適應(yīng)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

完全按照標(biāo)桿件逆向的底盤零部件中，其線性尺寸、沖壓圓角、沖裁圓角和角度等結(jié)構(gòu)尺寸均不是整數(shù)，往往帶有一位或多位的小數(shù)點(diǎn)。在開(kāi)發(fā)周期較短的前提下，設(shè)計(jì)者往往沒(méi)有充足的時(shí)間和精力對(duì)零件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行元整，更沒(méi)有時(shí)間對(duì)零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；同時(shí)，“得益于”數(shù)控加工中心性能的不斷發(fā)展，加工結(jié)構(gòu)異形、形狀復(fù)雜的零件變得比較容易，這就導(dǎo)致一些完全逆向、未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的底盤零件圖紙直接流入開(kāi)發(fā)流程的下一序，最終生產(chǎn)制造的也將是完全逆向的、未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的零部件。

然而，正向設(shè)計(jì)的零部件為了便于尺寸計(jì)算和過(guò)程控制，其特征尺寸往往是整數(shù)，結(jié)構(gòu)通常也比較規(guī)則，不會(huì)出現(xiàn)大量的異形結(jié)構(gòu)。完全逆向的零件之所以會(huì)結(jié)構(gòu)異形或特征尺寸不完整，通常有兩個(gè)方面的原因造成，一是標(biāo)桿件的加工制造過(guò)程誤差，二是標(biāo)桿件在使用過(guò)程當(dāng)中發(fā)生了一定的變形。

作為零件的設(shè)計(jì)者，在逆向設(shè)計(jì)零件的過(guò)程中應(yīng)該充分考慮以上因素，對(duì)零部件進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品才能最大限度的接近標(biāo)桿件的真實(shí)狀態(tài)，達(dá)到最合理的設(shè)計(jì)。

5汽車底盤設(shè)計(jì)的改制

汽車底盤設(shè)計(jì)的改制主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①沿用汽車底盤設(shè)計(jì)平臺(tái)。在底盤設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)沿用原底盤設(shè)計(jì)中的構(gòu)架等，且汽車底盤中的子系統(tǒng)應(yīng)保持不變。②取消部分影響汽車底盤子系統(tǒng)的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。由于一些全新的汽車動(dòng)力系統(tǒng)將取代原有的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)而取代了原有的汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等，所以，需要在原有構(gòu)架的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)調(diào)整。比如，汽車底盤中的制動(dòng)真空助力泵缺少一定的真空源，因此，需要增加相應(yīng)的真空動(dòng)力泵，為其提供新的真空源，并科學(xué)整改管路零部件。在新的動(dòng)力系統(tǒng)中，與原車相比發(fā)生改變的還有減速器接口，所以，應(yīng)根據(jù)所輸入的信息重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)；各個(gè)子系統(tǒng)中的零部件設(shè)計(jì)完成后，還需要根據(jù)總體布置、零部件的質(zhì)量設(shè)計(jì)懸置支架；進(jìn)行CAE分析，從而改進(jìn)懸置系統(tǒng)的強(qiáng)度，并降低該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的噪聲。③由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了新的總布置方案，使車體后艙的總布置與以往車型相比發(fā)生了巨大的改變。因此，需要重新計(jì)算整車質(zhì)量和荷載匹配，目的是確保懸架系統(tǒng)的可靠性。如果發(fā)現(xiàn)懸架系統(tǒng)的可靠性較低，則需要對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整或重新設(shè)計(jì)。相關(guān)工作人員需要統(tǒng)計(jì)同一平臺(tái)中新能源汽新增部件的質(zhì)量和質(zhì)心位置，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定新能源汽車的總布置方案；分析新能源汽車前、后軸荷的分布情況，并校驗(yàn)原有懸架系統(tǒng)的可靠性，如果發(fā)現(xiàn)原有懸架系統(tǒng)無(wú)法沿用，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)或更改系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)；利用Adams分析更改后的懸架四輪定位參數(shù)，并依照分析結(jié)果科學(xué)調(diào)整懸架設(shè)計(jì)。

改制過(guò)程的主要原則是盡可能地沿用原有的汽車底盤，并根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整局部設(shè)計(jì)。這樣更改的優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)發(fā)難度低、開(kāi)發(fā)成本少和開(kāi)發(fā)周期短，且能使用傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)平臺(tái)和零件。在傳統(tǒng)汽車的底盤設(shè)計(jì)中，承載式汽車與非承載汽車有一定的差別。比如，在總布置方面，這兩種車身存在著較大的差異，且其在新能源汽車底盤設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也有不同之處。

5.1 承載式車身

在汽車行業(yè)中，大部分轎車采用了承載式車身。因此，在新能源汽車底盤設(shè)計(jì)中保持了這樣的構(gòu)架特點(diǎn)，且在動(dòng)力總成部件方面，均要在車身上尋找相應(yīng)的懸置點(diǎn)，這是因?yàn)楦避嚰懿痪邆涑袚?dān)車身質(zhì)量的功能。在此類結(jié)構(gòu)中，車身的懸置設(shè)計(jì)工作十分復(fù)雜，且要進(jìn)行大量的CAE分析，這不利于車身的量化；布置空間不規(guī)范，導(dǎo)致總體布設(shè)工作十分困難。目前，此類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較為普遍，比如通用汽車的氫動(dòng)3號(hào)等。

5.2 非承載式車身

運(yùn)用非承載式汽車車身設(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)，不必投入過(guò)多的人力、物力。由于此類汽車底盤具有大梁，可形成較大的框架，具備一定的承重能力，可將動(dòng)力系統(tǒng)全部置于汽車底盤的框架中。因此，可在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行部件的整體規(guī)劃和集中布置，這樣不僅可降低總體布置的難度，還能使車身的重心降低、質(zhì)量減輕。通用汽車早期生產(chǎn)的Chevrolet Volt運(yùn)用的便是此類底盤結(jié)構(gòu)。E-Flex系統(tǒng)也采用了非承載式車身設(shè)計(jì)，其精髓在于可通過(guò)同一個(gè)框架更換不同的動(dòng)力系統(tǒng)，且在總布置上不必進(jìn)行過(guò)多的變動(dòng)。

6結(jié)束語(yǔ)

底盤是汽車最重要的部件之一，底盤設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜漫長(zhǎng)的過(guò)程，如何在最短的時(shí)間里設(shè)計(jì)出合理的底盤將會(huì)是汽車工業(yè)的一個(gè)重大突破。通過(guò)對(duì)底盤零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立底盤零件庫(kù)，可以快速提高底盤設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，具有非常大的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。該方法可以應(yīng)用到汽車底盤產(chǎn)品關(guān)鍵零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中。

（作者單位：精誠(chéng)工科汽車系統(tǒng)有限公司底盤研究院）