基于CATIA的转向轮运动仿真干涉分析

1、引言

    早期的汽车设计过程相对简单，技术落后，最关键的总装设计主要依赖经验，其最大的弊端在于缺乏一系列的定量分析，而过多采用定性分析，需要通过复杂的计算来表示相互装配关系，所设计出来的图样不够直观，同时缺乏必要的优化设计，无法在第一时间反映装配过程中可能出现的问题。在装配过程中，工人需要对图样进行仔细的研究，装配进行中遇到的潜在问题一般难以及时得到解决，甚至造成返工，且改进设计之后也不一定能够达到预期的效果。其中最典型的就是装配干涉问题，由于在前期的总装设计过程中无法提前发现零部件之间的相互位置关系以及可能产生的运动，只有在装配过程中才能发现干涉问题的存在，因此这不仅给设计者带来了难题，同时还增加了装配工人的劳动强度。为了解决这一难题，汽车设计者们通过开发出一系列的计算机辅助装配系统，结合快速发展的模拟装配技术，最终实现汽车的虚拟装配。如今众多计算机三维设计软件的开发应用推动了汽车设计的新时代，如CATIA V5、CREO、SolidWorks、NX等，三维软件最大的特点在于它的灵活性，通过创建三维实体模型可进行模拟装配、静态干涉检查，发现问题可随时进行改进优化设计。同时利用分析软件可进行机构分析、动力学分析、强度分析等，通过运动干涉检验可校核运动件之间的最小间隙，同时还可以进行机构运动分析。因此利用三维软件进行建模分析已经成为当今最快速、最有效的汽车设计方法。

二、干涉分析的意义

    在早期的二维设计过程中，各装配零件之间、运动部件之间的运动关系、间隙空间等难予判定，通常在完成各组件的总体装配后，需要对装配件中包含的各个组件的信息进行整理与反馈，一般在组件图中无法直接发现尺寸匹配问题。如果在装配后发现某个组件的尺寸存在误差，装配完成之后发生干涉现象，或者操作空间不够，则需要修改组件尺寸，造成返工的情况。为了避免上述情况的发生，CATIA软件提供了空间分析模块——Space Analysis来检查各个组件之间的干涉情况，判定相互的空间关系；该模块使用先进的干涉检查与分析工具、测量工具以及距离分析工具等进行最佳的DMU校验，进行碰撞、间隙及接触等干涉检查计算，使得零件关系的空间关系的判定变得简单容易，给设计者提供更为精确的分析结果。利用该模块进行装配干涉检查，设计人员可以及时发现设计缺陷，从而进行优化设计，这样可以从根本上避免干涉问题的发生，提高汽车产品设计的质量和效率。

三、转向轮的运动干涉分析

    汽车转向系统主要由方向盘，转向器和转向传动机构组成。车辆转向时，与转向器相连的转向横拉杆拉动转向节，从而带动车轮转过一定角度。在此系统中，转向节的旋转运动与转向器的横向运动、悬架的上下运动、下摆臂的摆动一同构成了一个复杂的运动组合关系，并且相互之间都存在运动的协调与统一，在仿真运动中可以直观体现干涉现象的存在。除上述封闭运动组合存在干涉之外，最容易发生干涉现象的为车轮。车轮在偏转的同时还会进行上下跳动，其偏转角度由转向系统决定，而跳动距离由悬架系统决定。在车轮运动过程中，最容易与其发生干涉的部件为翼子板、挡泥板、翼子板内衬以及机舱内的副车架。因此进行转向轮干涉分析时，需要先确定车型转向系统的车轮最大偏转角度和悬架系统的最高与最低跳动高度。在此极限位置得出转向轮的转向空间是否符合要求。转向轮的偏转仿真以及车身高度的跳动仿真可采用CATIA的DMU kinematics模块进行。将已经建立的转向数模导人该模块，并按照正确的位置进行装配，该运动仿真参加模拟的主要运动部件有：转向轮、齿轮齿条转向器、转向横拉杆、转向节、减震器、下摆臂。根据仿真的需要以及转向系统构造的特点，转向器和横拉杆相互连接，可作为一个整体驱动部件。减振器下部安装与转向节之上，彼此之间无相对运动，且车轮安装于转向节之上，故三者可作为同一个部件参加仿真，减振器上部与车身连接，可作为整体进行仿真。在装配完成之后，需要建立各组件的运动副，其中减震器建立上下运动副，转向器齿条建立横向运动副，转向轮与转向节建立绕主销轴线旋转运动副，并设定初始与终了位置，进行模拟运动仿真，观察各组件在运动过程中是否发生干涉。并测算最相近组件之间的最短空间距离，根据设计要求判定是否需要进行优化。

四、转向轮转向干涉的解决办法

    一般而言，转向轮的偏转角度由最小转弯半径以及汽车轴距共同确定，可根据公式：R=L／sinα计算得出，式中：R——最小转弯半径；L——轴距；α——转向轮最大转角。通过仿真进行干涉分析时，必须确保转向轮达到最大转角的同时不发生干涉，同时车身上下运动不会妨碍转向轮的偏转。由以上公式确定的转向轮最大转角需要通过仿真进行验证，否则将会出现严重的装配干涉问题。当转向轮转向过程中与翼子板或翼子板内衬发生干涉时，则需要对翼子板的造型进行重新设计，从而避开与转向轮相干涉的位置，但是翼子板的造型与在车身设计过程中早已确定，它的改动必将引起前保险杠、引擎盖位置的改动，因此重新设计翼子板形状的方式并不可取。可以采用第二种方法，即在保证车辆最小转弯半径和足够转向轮转角的情况下，缩短转向器齿条的移动量。当转向轮在跳动过程中发生干涉，可以通过调整减震器阻尼的方式进行改进，缩短车身上下的跳动量，以保证车轮与车身之间保持足够的空间，但汽车的舒适性将大大降低。另一种办法为减少轮毂尺寸和降低轮胎的扁平率，确保乘坐舒适性的前提适当降低车身高度。

五、结语

    本文以转向轮为研究对象对其进行运动仿真，利用CATIA在设计中对转向轮等运动件进行运动校核，分析最大转角和最大跳动位置下的车轮运动情况，避免干涉现象的发生，提高汽车设计质量。此次模拟的主要缺陷是没有考虑四轮定位参数、前横向稳定杆等对转向轮转动的影响。除转向系统以外，汽车其他运动部件的干涉分析也可采用该方法进行，如车门，天窗，后备箱盖排气管等。采用三维软件对汽车模拟装配的干涉分析可以大大提高实际装配质量，及时发现设计缺陷，对汽车的设计和制造起到保驾护航的作用。因此虚拟装配技术以及模拟仿真技术已经成为汽车企业的核心技术。