CN105868517A - 汽车排气管路振动包络体制作方法 - Google Patents
汽车排气管路振动包络体制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种汽车排气管路振动包络体制作方法，包括步骤：(1)收集参数数据；(2)通过计算机仿真软件计算排气管路上的提取点在极端工况下相对于初始状态的最大位移量；(3)利用步骤(2)中计算的提取点的最大位移量，通过三维绘图软件制作排气管路的振动包络体。本发明的汽车排气管路振动包络体制作方法，通过计算机仿真技术模拟排气在极端载荷工况下的振动情况，结合三维制图软件制作出更符合实际振动状态的包络体，从而运用到对排气管路前期布置的判断中，减小项目风险，为企业减少新开发车型开发成本的浪费和上市周期的风险。
Description
技术领域
本发明属于汽车设计技术领域，具体地说，本发明涉及一种汽车排气管路振动包络体制作方法。
背景技术
在汽车研发过程中，经常会碰到排气管在前期布置的过程中与周边间隙低于目标值的情况。比如考虑到排气管在实车运行过程中会发生振动，根据经验一般要求排气与副车架的理论间隙要求≥25mm，而实际的间隙值达不到此要求，而要增大此间隙值以达到目标要求，需要更改副车架或牺牲排气离地间隙等，这些都会带来成本或性能的牺牲。因此，有时需要评估当前的间隙值是否可接受，而目前无较好的办法来评估此类间隙值。
整个排气管的振动可分为三种情况：1、在排气波纹段前方会随着发动机的振动而振动；2、波纹段后方会随着整车的急加速、急减速等工况而振动；3、波纹段的运动是前两者运动的综合；而且排气管作为一个柔性体，在实际振动过程中排气管的各个部分振动幅度都不一样，所以排气管与周边间隙统一要求为≥25mm是不合理的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，通过计算机仿真和三维绘图软件相结合，提供一种更精确的排气管路振动包络体的制作方法，为项目数字设计阶段判断排气与边界间隙提供依据，从而提高判断准确度，规避设计风险。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：汽车排气管路振动包络体制作方法，包括步骤：
(1)收集参数数据；
(2)通过计算机仿真软件计算排气管路上的提取点在极端工况下相对于初始状态的最大位移量；
(3)利用步骤(2)中计算的提取点的最大位移量，通过三维绘图软件制作排气管路的振动包络体。
所述步骤(1)中，收集排气吊块各向刚度曲线、波纹管刚度、排气管路质量和材料参数。
所述步骤(2)中，根据排气管路的设计概念数据，提供排气管冷端的管路拐点及前消声器、后消声器、法兰的装配参考点的参数，最后通过计算机仿真软件计算排气管路在极端工况下的各个管路拐点和装配参考点相对于初始状态的最大位移量。
所述步骤(3)中，包括波纹管后段包络的制作和波纹管包络的制作。
制作波纹管后段包络时，对于管路部分，将设计状态下的管路拐点进行计算机仿真分析，然后将仿真分析的某一工况下各管路拐点连接成中心线，再利用扫略命令生成管路，最后采用拟合的方式生成波纹管后段包络。
制作波纹管后段包络时，对于采用装配的方式连接成一体的非管路部分，将其看成刚性体，在刚性体上提取不在同一条直线上的三个装配参考点，由计算机仿真软件分析不同工况下的装配参考点位置，最后将静止状态下的刚性体连同装配参考点与某一工况下的三个装配参考点重合。
制作波纹管包络时，使用变截面命令选择在波纹管前端和后端制作的截面，然后选择波纹管中心线作为脊线，得到波纹管包络。
所述的汽车排气管路振动包络体制作方法还包括步骤：
(4)校核排气管路振动包络体与周边件的间隙；
(5)输出布置校核报告。
本发明的汽车排气管路振动包络体制作方法，通过计算机仿真技术模拟排气在极端载荷工况下的振动情况，结合三维制图软件制作出更符合实际振动状态的包络体，从而运用到对排气管路前期布置的判断中，减小项目风险，为企业减少新开发车型开发成本的浪费和上市周期的风险。
附图说明
图1为在波纹管后段部分提取管路拐点和装配参考点的示意图；
图2为制作前消声器上的装配参考点的示意图；
图3为制作法兰上的装配参考点的示意图；
图4为制作后消声器上的装配参考点的示意图；
图5为在工况1下生成的管路的结构示意图；
图6为在工况1下生成的波纹管后段的结构示意图；
图7为在六个工况下生成的波纹管后段包络的示意图；
图8为对在六个工况下生成的波纹管后段包络进行拟合的示意图；
图9为对波纹管后段包络进行拟获得的拟合管路的示意图；
图10为在拟合管路上建立参考面的示意图；
图11为使用交线命令获取参考面与管路包络的交线的示意图；
图12为使用样条线命令连接获得的四个极值点的示意图；
图13为得到的管路各个截面拟合曲线的示意图；
图14为局部包络凸出拟合管路的外面的示意图；
图15为图14中A-A剖视图；
图16为在拟合管路的外面误差最大处添加一个截面的示意图；
图17为图16中B-B剖视图；
图18为生成波纹管后段包络的示意图；
图19为提取波纹管设计状态前端的部分曲面的示意图；
图20为波纹管前段管路运用动总包络的生成方法生成28种工况下的运动包络的示意图；
图21为在波纹管前端的中心线上建立参考面的示意图；
图22为制作波纹管后端中心点在六个工况下极限点位置的示意图；
图23为在波纹管中心线后端的位置制作参考面的示意图；
图24为生成波纹管包络的示意图；
图25为最终生成的排气管路振动包络体的示意图；
上述图中的标记均为：1、第一装配参考点；2、第二装配参考点；3、第三装配参考点；4、第四装配参考点；5、第五装配参考点；6、第六装配参考点；7、第七装配参考点；8、第一截面；9、第二截面；10、第三截面；11、第一圆；12、第二圆；13、第三圆；14、第四圆；15、第一极值点；16、第二极值点；17、第三极值点；18、第四极值点；19、极值点；20、拟合线；
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
本发明提供了一种汽车排气管路振动包络体制作方法，包括如下的步骤：
(1)收集参数数据；
(2)通过计算机仿真软件计算排气管路上的提取点在极端工况下相对于初始状态的最大位移量；
(3)利用步骤(2)中计算的提取点的最大位移量，通过三维绘图软件制作排气管路的振动包络体；
(4)校核排气管路振动包络体与周边件的间隙；
(5)输出布置校核报告。
在步骤(1)中，主要需收集排气吊块在X/Y/Z向的刚度曲线、通过三维绘图软件制作的排气管数模、波纹管的各向刚度曲线、排气管路质量和材料等参数。
步骤(2)中，在排气管路上选取的提取点包括排气管冷端的管路拐点及前消声器、后消声器、法兰的装配参考点，管路拐点为位于排气管路上的管路部分的转角处的拐点，装配参考点为位于排气管路上通过装配的方式相连接的各个部件的连接端处的点。根据排气管路的设计概念数据，提供排气管冷端的管路拐点及前消声器、后消声器、法兰的装配参考点的参数，最后通过计算机仿真软件计算排气管路在极端工况下的各个管路拐点和装配参考点相对于初始状态的最大位移量。
步骤(3)中，利用步骤(2)中计算的各个提取点的位移量数据，通过三维绘图软件制作排气管路的振动包络体，三维绘图软件优选为CATIA软件，振动包络体的制作过程包括波纹管前段包络的制作、波纹管后段包络的制作和波纹管包络的制作。对于汽车的排气管路结构，波纹管前段的一端与发动机连接，另一端通过波纹管与波纹管后段连接，波纹管后段主要是由前消声器、后消声器、法兰以及连接前、后消声器且具有多个转角的管路部分组成。
排气波纹管前段与汽车发动机刚性连接，波纹管前段包络可随动力总成振动包络体一起生成，动力总成振动包络体的制作方法如同本领域技术人员所公知的那样，具体参见公开号为CN105205210A中的专利文献中的说明。具体地说，动力总成振动包络体的制作方法包括如下步骤：
收集相关参数：局部坐标系下的发动机、变速箱质心坐标：(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)及相关的坐标系说明；发动机、变速箱质量：M1、M2；变速箱输出轴位置坐标(X3，Y3，Z3)；动总转动惯量：Ixx、Iyy、Izz、Ixy、Iyz、Ixz；变速箱速比、动力总成的安装倾角、安装形式、最大扭矩等。
进一步的，为确保分析结果的精确性，需注意发动机质量应该包含安装在发动机上的附件质量，如压缩机、转向泵、预催、真空泵、悬置支架和波纹管后段等。
进一步的，变速箱输出轴位置即为布置状态下的差速器中心点坐标。
进一步的，动总安装倾角为动总得布置角度α、β、γ；安装形式为几点悬置，悬置位置是左前右等形式。
根据悬置工程师提供的局部坐标系下的发动机、变速箱质心坐标及相关坐标系说明绘制出整车坐标系下的发动机、变速箱的质心，在整车坐标系下测量出发动机、变速箱的质心坐标(X1’，Y1’，Z1’)，(X2’，Y2’，Z2’)，根据公式
计算出整车坐标系下的动力总成的质心坐标(X，Y，Z)。计算的是质心是整车坐标系下动总在车身上的装配状态，即动总受重力后的状态，这意味着计算机仿真计算前的动总初始状态即为动总受重力状态，所以进行仿真计算时不用再次计算动总受重力之后的状态，以免重复计算重力而产生计算误差。
将收集的所有参数输入到计算机仿真模型中，通过计算得出动总在典型和极限工况下的质心位移量δX δY δZ和转角变化量Rz Rx Rz，将计算机仿真分析得出的质心位移量δX δY δZ和转角变化量Rz Rx Rz以特定的文件格式输出。
进一步的，动力总成数模、悬置数模用来确认动总质心坐标、悬置中心点坐标以及动总包络计算结果是否有大的出入。
由于包络体生成命令默认的初始位置是整车坐标系原点位置，所以需将布置状态下的动总数模质心移动到整车坐标原点位置，即在三维绘图软件CATIA中使用产品移动命令，将动总数模按照动总静止状态下的质心坐标的反向坐标，即以(-X-Y-Z)为变化量进行移动，从而将动总质心坐标归零，最后将数模以特定格式导出。在整车装配模型中新建一个Product模型，将数模导入到Product中，将CATIA切换至“DMU优化器”模块下，选择此模型作为目标，以数模输出的文件为根文件，设定所需的精确度(一般取默认值5，如果要求的精确度高可选择1或2，此时所耗费的计算时间会变长)，生成动力总成振动包络体，最后生成的动力总成振动包络体包含有波纹管前段包络。
波纹管后段包络的制作过程如下所述：
制作波纹管后段包络时采用两种制作思路：对于波纹管后段的管路部分采用扫略的方式，即将设计状态下的管路部分上的管路拐点进行计算机仿真分析，然后将仿真分析的某一工况下的各个管路拐点连接成一条中心线，再利用扫略命令生成波纹管后段的管路部分，六个工况即生成6条管路，最后采用拟合的方法生成最后的波纹管后段包络；对于波纹管后段的非管路部分的部件(如前、后消音器、法兰等)采用装配的方式连接成一体结构，即将波纹管后段的非管路部分看成刚性体，在刚性体上提取不在同一条直线上的三个装配参考点，由计算机仿真分析不同工况下的装配参考点位置，最后将静止状态下的刚性体连同装配参考点与某一工况下的三个装配参考点重合。
进一步的，对于波纹管后段的非管路部分(如前、后消音器、法兰等)的装配参考点的选择原则为：选择非管路部分的各个部件的端口的中点，如图2至4所示，选择前消声器两端的端口的中点分别作为第一装配参考点和第二装配参考点，选择法兰两端的端口的中点分别作为第三装配参考点和第四装配参考点，选择后消声器的两端端口处的中点分别作为第五装配参考点和第六装配参考点。此外，对于非管路部分采用装配的方式制作包络，而两个点只能限制五个自由度，故还需在各个部件上提取第三个点作为装配参考点，以限制第六个自由度，注意，第三个点不能在前两个装配参考点的连线上，第三个点离连线越远越好。
进一步的，对于非管路部分的第三个点的选择原则：对于管状物体，特征不明显的情况下，可以在物体中间段的表面选择。如图2所示，对于管状的前消声器，其上的第三个装配参考点位于前消声器的外圆面上的长度方向中间位置处。如图3所示，对于法兰，其上的第三个装配参考点位于法兰外圆面上的中间位置处。对于非管状物体，可以选择离前两个装配参考点的连线距离最远区域的特征或表面取点。如图4所示，后消声器为非管状物体，其上的第七装配参考点作为第三个点，第七装配参考点的位置位于距离第五装配参考点和第六装配参考点的连线距离最远的区域。
以上为波纹管后段上选择提取点的基本原则，也可以根据需要增加排气管与周边间隙存在风险的点。对波纹管后段部分提取管路拐点和装配参考点，如图1所示。最后将排气管数模连同制作的提取点一起(在数模中建立各个提取点)进行计算机仿真分析，通过计算机仿真软件计算各个提取点在极端工况下相对于初始状态的最大位移量。
在步骤(2)中进行计算机软件仿真时，通过计算机仿真软件仿真建立排气系统有限元模型，赋予排气管路质量及各向刚度，在波纹管后段上制作各个提取点，分别对排气系统X向加载3g加速度、Y向加载3g加速度、Z向加载5g加速度，通过软件计算得到各个提取点在X、Y、Z方向的最大位移量。
根据计算机仿真软件的分析结果分别作出工况1(工况1是指整车急加速且排气管在X向承受3g的极限加速度时的工况)下的管路拐点和装配参考点，针对波纹管后段的管路部分作出管路中心线，并使用扫掠命令生成波纹管后段的管路部分，工况1下的管路部分如图5所示。针对波纹管后段的非管路部分，将排气管路数模中的非管路部分连同制作的提取点单独提取出来，建立不同的PART格式的文件，以便下一步在CATIA软件中进行装配。
如图4所示，对应后消声器，分别根据静止状态和工况1的三个装配参考点建立参考平面(三个点确定一个平面)，然后将静止状态下的参考平面连同结构数据与工况1的参考平面共面，再将静止状态和工况1下第五装配参考点和第六装配参考点的连线重合，最后将静止状态下的参考点1与工况1的参考点重合。最后除了第一装配参考点是完全重合的，第六装配参考点和第七装配参考点都存在一定的误差(均在0.05mm以内)，主要是因为后消本体的变形引起的。
最后工况1下生成的波纹管后段及六个工况下的波纹管后段包络如图6和图7所示。
根据以上所述，计算机仿真分析采用现有技术中普遍使用的六种极限工况，即±X/±Y/±Z方向施加加速度，但是对于非XYZ向没有相关的工况数据，因此所得的波纹管后段包络只有相应的六个方向的数据，而其他方向的运动情况无法体现，如图8所示，因此需要对波纹管后段进行包络拟合。
对波纹管后段进行包络拟合的基本思想是：在波纹管后段管路部分对应的管路包络的不同部位截取截面，取管路包络与截面的交线，使用极值点命令获得交线在各个方向的极值点，再用样条曲线命令来连接极值点，最后将获得的不同位置的封闭拟合曲线作为截面，使用变截面命令制作变截面管路，获得的拟合管路如图9所示。
建立截面的参考面：参考面的选择原则是针对每段管路的直线段部分取两个端点和中点建立共三个参考面，分别为第一截面、第二截面和第三截面，建立的参考面如图10所示。
使用交线命令获取参考面与管路包络的交线，再使用极值点命令制作四个圆形交线的极值点，如图11所示，对于上下分布的第一圆11和第三圆13一般取Z向的最大值和最小值，对于左右分布的第二圆12和第四圆14一般取X向或Y向的最大和最小值，具体根据截面处管路的走向来选择。
使用样条线命令连接获得的四个极值点15、16、17和18，注意选中命令的封闭样条线选项，如图12所示。在样条曲线连接完成之后需要检查封闭的拟合曲线是否将交线圆都包括在其中，如果没有包括在内，则需要手动调整，具体的调节方法是：将凸出部分的极值点删除，在交线圆上建立一个点，再重新将其他的极值点与此点一起连接成一个样条线，再进行检查，如果还有偏差，再调节点在圆上的位置，直到样条曲线将圆包括在内为止，这样得到的管路各个截面拟合曲线如图13所示，选择变截面命令以得到的各拟合曲线为截面，选择静止状态下的管路中心线为脊线。
由于管路部分的运动及管路部分走向的复杂性，所得的管路部分一般很难完全拟合管路包络，会存在一定误差，即局部包络凸出拟合管路的外面，如图14和图15所示，此时需要测出误差的大小，如果误差≥1mm，则需要在误差最大处添加一个截面，如图16和图17所示，添加截面后此局部区域误差≤1mm。
经过上述各步骤的操作，最终完全生成的波纹管后段包络如图18所示。
制作波纹管包络的过程，主要包括如下的步骤：
(ⅰ)提取波纹管设计状态前端的部分曲面，如图19所示，并将部分曲面对应的此段管路运用动总包络的生成方法生成28种工况下的运动包络，如图20所示。
(ⅱ)在波纹管前端的中心线上建立参考面，在此参考面上建立草图，然后在此草图上制作封闭样条拟合曲线，将步骤(ⅰ)生成的包络包括进来，如图21所示。
(ⅲ)制作波纹管后端的中心点在六个工况下的位置，选择Z向和Y向的四个极限位置点，用封闭样条线连接，如图22所示，此样条曲线可近似看做波纹管后端中心的运动轨迹。在波纹管中心线后端的位置制作参考面，将步骤(ⅰ)制作的封闭样条线投影到此平面上，如图23所示。将此投影曲线使用偏置命令偏移一个波纹管半径的距离近似得到波纹管外壁的运动包络。
(ⅳ)使用变截面命令选择步骤(ⅱ)和(ⅲ)制作的波纹管前端和后端的截面，选择波纹管中心线作为脊线，得到的波纹管包络如图24所示。
通过CATIA软件完成波纹管前段包络、波纹管后段包络和波纹管包络的制作后，最终生成的排气管路振动包络体如图25所示。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.汽车排气管路振动包络体制作方法，其特征在于，包括步骤：
(1)收集参数数据；
(2)通过计算机仿真软件计算排气管路上的提取点在极端工况下相对于初始状态的最大位移量；
(3)利用步骤(2)中计算的提取点的最大位移量，通过三维绘图软件制作排气管路的振动包络体。
2.根据权利要求1所述的汽车排气管路振动包络体制作方法，其特征在于，所述步骤(1)中，收集排气吊块各向刚度曲线、波纹管刚度、排气管路质量和材料参数。
3.根据权利要求1所述的汽车排气管路振动包络体制作方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据排气管路的设计概念数据，提供排气管冷端的管路拐点及前消声器、后消声器、法兰的装配参考点的参数，最后通过计算机仿真软件计算排气管路在极端工况下的各个管路拐点和装配参考点相对于初始状态的最大位移量。
4.根据权利要求1所述的汽车排气管路振动包络体制作方法，其特征在于，所述步骤(3)中，包括波纹管后段包络的制作和波纹管包络的制作。
5.根据权利要求4所述的汽车排气管路振动包络体制作方法，其特征在于，制作波纹管后段包络时，对于管路部分，将设计状态下的管路拐点进行计算机仿真分析，然后将仿真分析的某一工况下各管路拐点连接成中心线，再利用扫略命令生成管路，最后采用拟合的方式生成波纹管后段包络。
6.根据权利要求4或5所述的汽车排气管路振动包络体制作方法，其特征在于，制作波纹管后段包络时，对于采用装配的方式连接成一体的非管路部分，将其看成刚性体，在刚性体上提取不在同一条直线上的三个装配参考点，由计算机仿真软件分析不同工况下的装配参考点位置，最后将静止状态下的刚性体连同装配参考点与某一工况下的三个装配参考点重合。
7.根据权利要求4至6任一所述的汽车排气管路振动包络体制作方法，其特征在于，制作波纹管包络时，使用变截面命令选择在波纹管前端和后端制作的截面，然后选择波纹管中心线作为脊线，得到波纹管包络。
8.根据权利要求1至7任一所述的汽车排气管路振动包络体制作方法，其特征在于，还包括步骤：
(4)校核排气管路振动包络体与周边件的间隙；
(5)输出布置校核报告。
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