UGNX 軟件在前輪胎包絡設計中的應用

伍 剛，李 艷，許秀美，許醇婷

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

汽車前輪胎的運動軌跡主要包括上下彈跳運動軌跡和左右轉向運動軌跡。其綜合運動軌跡組成的前輪胎包絡空間常用于與周邊環境件進行間隙校核，以在滿足汽車預設的舒適性和轉向性能要求的同時，要與周邊環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設計方法為在多體動力學軟件ADMAS 上進行多體動力學仿真分析，然后把分析結果文件導入到UGNX、CATIA 等建模仿真軟件中進行聯合仿真生成輪胎包絡模型的輪胎包絡生成方法。該方法充分考慮了輪胎和襯套的力學特性，分析精度較高，但由于需要大量的建模數據，在車型的前期開發工作中對輪胎選型和邊界結構選型工作上效率較低。本研究旨在探討應用簡化模型運用一套軟件進行快速的輪胎包絡設計方法，提高車型前期開發效率。UGNX 軟件是Siemens PLM Software 公司出品的一個汽車產品設計CAD/CAM/CAE 三維建模及分析軟件，在汽車整車研發領域具有廣泛的應用[1]。因此基于UGNX 軟件生成輪胎包絡模型的設計方法，可以快速在同一軟件平臺下進行輪胎包絡模型制作和整車輪胎邊界校核。可以提高汽車前期設計上的輪胎選型和邊界結構選型的開發效率。下面以我公司開發的某純電動汽車前輪胎包絡制作為例進行介紹。

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創建需要生成外輪廓模型的草圖曲線。進入UGNX 建模模塊，在草圖Sketch 環境下創建圖1（a）的輪胎外輪廓曲線。其中外輪廓曲線的控制尺寸參數值應通過選擇輪胎外形尺寸中的大值和相應的輪輞尺寸來建立。輪胎外形尺寸值可查閱GB/T2977《載重汽車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》，輪輞外形尺寸值可參考GB/T3487《乘用車輪輞規格系列》或輪輞產品圖紙來確定。下面以某車型初選的輪胎型號：175/75R14C，輪輞型號：5J為例進行說明。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變化，只需要對上述參數數值進行變更，圖1（a）的輪胎外輪廓曲線在參數化驅動情況下可以更改曲線形狀。確定完上述參數后在UGNX 建模模塊創建特征環境下創建輪胎外輪廓三維模型見圖1（b）。

圖1 輪胎外廓圖

2 輪胎運動分析模型建立

本例中的前懸架為麥弗遜懸架，其結構主要由前懸支柱總成、下擺臂總成、前制動角總成、轉向器總成等結構件組成[2]。其中對輪胎起主要導向作用的是前懸支柱總成中的減振滑柱、下擺臂、轉向器及轉向拉桿[3]。通過定義這些主要導向件上的結構硬點，并通過硬點創建前輪的運動關系是輪胎運動分析模型的基礎。本例前懸架硬點坐標見表1。

根據表1 的硬點坐標運用UGNX 建模模塊及運動仿真模塊創建前懸架運動仿真分析模型。其中：模型包含5 個連桿。對應表2 的硬點分別定義連桿L001（B-C-E）、連桿L002（A）、連桿L003（A-E-FD）、連桿L004（F-G）、連桿L005（G）7 個運動副。分別為固定旋轉副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）。根據前輪運動約束條件，定義2 個運動驅動副（固定旋轉副J001-模擬輪胎上下彈跳運動、固定滑塊J003-模擬轉向運動）。定義主軸為硬點D-H 的連線。定義1 個追蹤（主軸曲線D-H）。分析模型如圖2。

表1 前懸硬點坐標表

圖2 前懸架運動仿真分析模型圖

前輪胎運動關系有隨懸架上下彈跳運動和轉向運動。正常情況下，在車輪上跳到100%行程時，轉向輪不會轉到極限位置。在進行輪胎包絡分析時各整車廠會根據設計時車輛的實際用途定義輪跳和轉向運動的耦合關系，以盡可能的覆蓋車輛絕大部分的使用情況。結合本例的電動汽車使用條件。定義6 種常用工況用于運動仿真分析見表2。

根據表2 的分析工況在UGNX 中運動分析模塊中進行解算。求解模式采用鉸接運動模式（圖3（a）為工況3 的參數設置例），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 輪胎運動分析工況表

3 輪胎包絡分析模型建立

運用UGNX 車輛設計自動化模塊進行輪胎包絡創建。進入UGNX 車輛設計自動化模塊，選擇輪胎包絡體命令。在輪胎包絡體命令導航器選項——構造研究中選創建輪胎包絡體特征后點下一步。進入輪胎定義對話框中類型選實體，選擇圖1（b）創建的輪胎外輪廓模式后點下一步。進入車輪定義對話框中輪胎坐標系的原點（選主軸D-H 的端點即輪心點D）、XC軸（主軸D-H）、YC 軸（平行于整車絕對坐標系的X軸）后點下一步。進入運動定義對話框的運動方式選擇從主軸線，選擇主軸線DH、選主軸端點H、選擇主軸線組即圖3（b）的6 組工況下的主軸線組后點下一步。進入包絡體選項。將凸度盡量減小，這樣生成的包絡體比較光滑，包絡體的起始角和終止角設置合適值以便觀察到初始的輪胎外輪廓體。完成設置后點完成即可生成輪胎包絡體如圖4。

圖3 運動分析工況圖

圖4 輪胎包絡體生成圖

4 輪胎包絡體與周邊環境件的間隙校核

進行輪胎包絡體間隙校核時，首先要確定所校核的車輪是否為驅動輪，如果是驅動輪要考慮安裝防滑鏈的空間，如果是非驅動輪，可以選擇考慮防滑鏈或不考慮防滑鏈。輪胎包絡的周圍環境件主要有相對運動件（包括下擺臂及球頭、轉向拉桿及球頭、穩定桿及拉桿、等速驅動軸等）。相對不運動件（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，由于懸架有大量的襯套，汽車在制動時輪胎在制動力作用下襯套變形較大，輪胎向后移動量需要校核時考慮預留間隙。基于以上間隙要求建立輪胎包絡間隙檢查表見表4。

表4 前輪胎包絡間隙檢查表

5 結語

應用UGNX 軟件的建模、運動分析和車輛設計自動化模塊的輪胎包絡生成模塊。可以在同一軟件平臺上進行輪胎包絡建模、運動仿真分析和生成輪胎包絡體。對于非轉向輪同樣可應用本方法，基于主軸軸線的運動追蹤線組生成非轉向輪的輪胎包絡體。同時可以在同一軟件平臺上進行輪胎包絡體創建及與周邊環境件的間隙校核。對于校核過程中有不滿足間隙要求的環境件，可以及時調整和修改輪胎建模模型的硬點或環境件的布置位置。應用本方法創建輪胎包絡體在整車前期產品開發設計中，可以早期發現汽車車輪布置設計過程中輪胎與周邊環境件是否存在運動干涉以及間隙量是否滿足要求，實現輪胎及周邊環境件結構的快速選型，從而在提高設計開發效率、縮短開發周期、降低開發成本方面都具有一定的指導意義。