CN107590312A - 一种基于骨架模型的前悬架‑转向运动的校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于骨架模型的前悬架‑转向运动的校核方法，属于整车和底盘设计技术领域，本发明的校核方法基于PROE软件，建立简单、参数化的悬架‑转向三维骨架模型，将悬架和转向系统关联起来，可以在整车设计初期高效地、系统地对前悬架‑转向系统进行校核。考虑转向轮转角、悬架跳动等主要输入参数，根据实际前悬架和转向零部件装配尺寸，直观地建立三维骨架模型，校核目标主要为转向垂臂转角，也可以较全面地校核转向系统本身的相关设计目标参数。本发明的校核方法突破二维图校核的限制；不同的悬架系统、转向系统尺寸可以通过改变相关输入参数很容易实现变型，从而大大提高多方案校核效率。

Description

一种基于骨架模型的前悬架-转向运动的校核方法

技术领域

本发明属于整车和底盘设计技术领域，特别涉及一种基于骨架模型的前悬架-转向运动的校核方法。

背景技术

目前悬架-转向系统的运动校核主要是采用SAE的方法确定板簧主片中心的运动轨迹圆心，然后在二维图上进行校核，该方法比较简单，对于简单的悬架系统来说，使用该校核方法能够满足要求；而对于转向轮运动、悬架跳动等动态过程缺乏校核，二维校核就有了缺陷，无法在整车设计初期较全面地考核悬架-转向系统是否满足设计目标。而采用ADAMS校核，比较繁琐，且不利于概念设计阶段多方案设计的需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服AUTOCAD等二维设计软件难于表达三维空间上的运动关系的弱点，利用PROE三维软件的参数化特点，建立简单、有效的悬架-转向三维骨架模型，将悬架和转向系统关联起来，针对不同工况，系统地对前悬架-转向系统进行校核。通过参数化的控制，可以方便地更改硬点参数，降低采用ADAMS等专业软件进行校核的复杂程度，从而可以在整车概念设计阶段多方案选择的时候，高效地进行系统校核。首先分析悬架-转向系统的运动工况，悬架系统包括满载位置、空载位置、上跳(板簧反弓)、下跳、左右斜跳(转向工况)、板簧S变形(制动工况)等工况，转向系统包括中间位置、左转和右转等工况。可以看出，在建立悬架-转向关联的系统时，需要综合考虑以上工况，保证充分的自由度，同时在以上各种工况下，调整参数可以轻松的实现悬架-转向系统的模拟，从而进行系统校核。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于骨架模型的前悬架-转向运动的校核方法，具体步骤如下：

步骤一：建立悬架-转向运动系统的整车装配模型；

步骤二：明确悬架系统的输入和控制参数(如表1)、转向系统的输入和控制参数(如表2)以及系统校核需求的输出参数(即需要校核的参数)(如表3)；由于进行的是悬架-转向系统校核，因此重点考虑板簧、前轴、转向机、拉杆等零部件，其他无关零件不在考虑范围内。

表1悬架系统的输入和控制参数

表2转向系统的输入和控制参数

表3悬架-转向系统校核需求的输出参数

步骤三：建立悬架子装配三维模型；

基于PROE软件利用骨架进行控制的参数化设计方法在悬架子装配的骨架中绘制控制曲线；根据步骤二中提到的悬架系统定位参数和悬架系统自身结构参数绘制板簧控制曲线；综合考虑板簧的上跳、下跳、反弓及S变形工况，建立板簧的骨架曲线；对于等强度梯形弹簧，板簧近似为一段圆弧，输入参数定义为板簧的弧高和S变形角度，板簧中间夹紧部位为直段，两侧采用样条曲线进行构建，通过PROE中的“关系”工具进行编程将样条曲线控制成圆弧形状，这样可以模拟S变形工况；左、右板簧采用不同骨架驱动，并通过两条板簧骨架曲线构建出前轴安装坐标，这样可以模拟转向轮斜跳工况；然后通过左、右板簧的控制曲线得到前轴安装坐标，前轴安装坐标定义为前后对称面为X0，左右对称面为Y0,前轴上板簧座安装面为Z0；根据骨架模型的控制曲线绘制板簧的三维数据，从而保证板簧结构受控于骨架，形成悬架子装配三维模型；

步骤四：建立前轴装配三维模型；

将前轴总成的原始坐标做为前轴安装坐标，以此为基础进行骨架模型和三维模型的建立。在前轴装配模型中建立骨架，基于PROE软件利用骨架进行控制的参数化设计方法在骨架中绘制控制曲线；以左转向轮转角为控制参数，建立以主销中心线为轴的转向轮旋转面，该转向轮旋转面和基准面之间存在夹角关系，此夹角为左转向轮转角的控制值；根据步骤二中的转向系统定位参数和转向系统自身结构参数，绘制前轴主销、上节臂、下节臂及横拉杆骨架曲线及对应的连接点；连接点按照坐标点的型式绘制，基础坐标依托左轮绕主销旋转的坐标建立，从而可以保证各控制曲线可以随着转向轮转角变化而变化，与实际前轴运动过程一致；以横拉杆左侧安装点为圆心，以横拉杆长度为半径做横拉杆右侧安装点的包络面，以右侧主销为轴，下节臂长度为半径做包络线，相交即为横拉杆右侧的安装点，以此建立左、右侧车轮的关系，如此建立前轴总成的骨架模型，然后将零件按照骨架装配到前轴装配中来，形成前轴装配三维模型；

最后，将前轴装配三维模型按照前轴安装坐标装配到悬架骨架中的前轴安装坐标上，通过此方法将前轴和悬架建立关联；

步骤五：将转向机按照布置方案装配到悬架-转向运动系统的整车装配模型中；

转向机和悬架-转向系统校核相关的关键硬点为转向机的输出轴和与转向垂臂固定的法兰面；

步骤六：将前轴和转向机建立关联；

在悬架子装配的骨架中复制前轴上节臂和转向垂臂的复制几何，通过前轴纵拉杆前球头销点运动包络面和转向垂臂对应的球头销点包络线相交得到转向纵拉杆前球头销点运动轨迹点，此点即为转向垂臂和转向纵拉杆的连接点，从而得到转向垂臂和转向纵拉杆的连接骨架；

然后将转向垂臂和转向纵拉杆按照骨架装配到悬架-转向运动系统的整车装配模型中，这样就建立了悬架-转向相关联的完整整车三维模型，建立前轴和转向垂臂的关联骨架，从而将转向机和前轴建立关联；

步骤七：调试；

悬架-转向运动系统的整车装配模型三维中有板簧弧高、S变形角度和左转向轮转角三个控制参数，调整这些控制参数，观察悬架、转向系统的变化情况，保证悬架-转向运动系统的整车装配模型三维不会出现装配异常、再生失败情况，则说明本整车三维是可以用的；

步骤八：运动校核；

如步骤二中所述，对于悬架-转向系统校核来说，通常有系统的运动干涉校核和与周边零件的干涉情况两方面的校核做为输出参数。在进行多方案设计时，首先调整悬架、前轴的定位参数、自身结构参数，至某一个特定工况；然后调整板簧弧高、S变形角度和左转向轮转角三个控制参数，至某个特定工况，对输出参数进行测量；也可以应用PROE敏感度分析工具，确定控制参数的变化范围，通过PROE计算，得出输出参数随控制参数变化的曲线。

进一步地，步骤一中所述的建立悬架-转向系统校核的整车装配模型，具体的是按照PROE的TOP-DOWN设计方法，先建立整车装配模型，然后建立车架和悬架的子装配，在悬架的子装配中建立骨架。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

克服了AUTOCAD等二维设计软件难于表达三维空间上的运动关系的弱点，利用PROE三维软件的参数化特点，建立简单、有效的悬架-转向三维骨架模型，将悬架和转向系统关联起来，针对不同工况，系统地对前悬架-转向系统进行校核。通过参数化的控制，可以方便地更改硬点参数，降低采用ADAMS等专业软件进行校核的复杂程度，从而可以在整车概念设计阶段多方案选择的时候，高效地进行系统校核。

附图说明

图1为本发明的PROE整车三维模型建立示意图；

图2-1为本发明的悬架系统的第一结构示意图；

图2-2为本发明的悬架系统的第二结构示意图；

图3-1为本发明的为转向系统的第一结构示意图；

图3-2为本发明的为转向系统的第二结构示意图；

图4为本发明的确定板簧安装的硬点示意图；

图5-1为本发明的板簧曲线绘制及控制参数示意图；

图5-2为本发明的用“关系”工具进行编程控制板簧骨架曲线编程过程示意图；

图6为本发明的悬架骨架模型示意图；

图7为本发明的悬架三维模型示意图；

图8为本发明的左主销旋转面与基准平面存在夹角关系做为转向轮转角的控制参数示意图；

图9为本发明的举例说明PNT-转向上节臂安装点以可旋转的CS-左主销安装坐标为基准示意图；

图10为本发明的前轴总成骨架模型示意图；

图11为本发明的前轴总成三维模型示意图；

图12为本发明的前轴和悬架相关联的三维模型示意图；

图13为本发明的绘制转向垂臂和转向纵拉杆的连接点示意图；

图14为本发明的完整的悬架-转向相关联三维模型示意图；

图15为本发明的前轴斜跳工况调试情况示意图；

图16为本发明的敏感度分析——以板簧弧高为输入参数示意图；

图17为本发明的敏感度分析——以转向垂臂转角为输出参数示意图；

图18为本发明的利用PROE敏感度分析工具进行计算示意图；

图19为本发明的敏感度分析计算结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

实施例1

步骤一：建立悬架-转向系统校核的整车装配模型。按照PROE的TOP-DOWN设计方法，先建立整车装配模型，然后建立车架和悬架的子装配，在悬架的子装配中建立骨架。骨架做为PROE实施参数化控制的关键，也是本发明专利得以在PROE中实施的基础。

步骤二：明确悬架、转向系统的输入和控制参数，以及系统校核需求的输出参数(即需要校核的参数)。悬架(以重卡车型常用的板簧为例)、转向系统常用的参数如下表，悬架系统如图2-1和2-2，转向系统如图3-1和3-2。(由于是进行悬架-转向系统校核，因此重点是板簧、前轴、转向机、拉杆等零部件，其他无关零件不在本专利考虑范围内。)

本发明明确了悬架-转向运动校核的相关输入、控制和输出参数，这为本方法的成功、高效地实施打下基础。从上也可以看出，对于悬架-转向系统涉及到的输入参数非常多，在整车开发概念设计阶段的多方案选择时，如果通过ADAMS等专业软件进行校核会非常繁琐。而采用本方法，通过调整相关参数，就可以轻松改变模型结构，从而快速地进行多方案校核。

步骤三：建立悬架子装配三维模型。基于PROE软件利用骨架进行控制的参数化设计方法在悬架子装配的骨架中绘制控制曲线。根据步骤二中提到的悬架系统定位参数和悬架系统自身结构参数绘制板簧控制曲线，如图4；综合考虑板簧的上跳、下跳、反弓、S变形等工况，建立板簧的骨架曲线。板簧骨架曲线建立的核心理论是对于等强度梯形弹簧来说，板簧可以近似为一段圆弧。输入参数定义为板簧的弧高和S变形旋转角度，板簧中间夹紧部位为直段，两侧采用样条曲线进行构建，通过PROE中的“关系”工具进行编程将样条曲线控制成圆弧形状，这样可以模拟S变形工况，这是板簧骨架控制曲线绘制的一个关键，如图5-1和5-2；左、右板簧采用不同骨架驱动，并通过两条板簧骨架曲线构建出前轴安装坐标，这样可以模拟转向轮斜跳工况。如此建立悬架的骨架模型，如图6。然后通过左、右板簧的控制线得到前轴安装坐标，前轴安装坐标定义为前后对称面为X0，左右对称面为Y0,前轴上板簧座安装面为Z0。根据骨架模型的控制曲线绘制板簧的三维数据，从而保证板簧结构受控于骨架，形成悬架子装配三维，如图7。采用适当的控制曲线绘制方法是本发明专利的一个关键，如果绘制方法选取不当，则在后续的校核过程中会出现再生失败的情况。

步骤四：建立前轴装配三维模型。前轴装配三维模型是独立的装配模型，这样有利于后续系列车型的借用。将前轴总成的原始坐标做为前轴安装坐标，以此为基础进行骨架模型和三维模型的建立。在前轴装配模型中建立骨架，基于PROE软件利用骨架进行控制的参数化设计方法在骨架中绘制控制曲线。以左转向轮转角为控制参数，建立以主销中心线为轴的转向轮旋转面，和基准面之间存在夹角关系，此夹角就是左转向轮转角的控制值，如图8。根据步骤二中提到的转向系统定位参数和转向系统自身结构参数，绘制前轴主销、上节臂、下节臂、横拉杆等骨架曲线及对应的连接点；连接点按照坐标点的型式绘制，基础坐标依托左轮绕主销旋转的坐标建立，从而可以保证各控制曲线可以随着转向轮转角变化而变化，与实际前轴运动过程一致，如图9。以横拉杆左侧安装点为圆心，以横拉杆长度为半径做横拉杆右侧安装点的包络面，以右侧主销为轴，下节臂长度为半径做包络线，相交即为横拉杆右侧的安装点，以此建立左、右侧车轮的关系。如此建立前轴总成的骨架模型，如图10。然后将零件按照骨架装配到前轴装配中来，形成前轴总成装配三维模型，如图11。

最后，将前轴总成模型按照前轴安装坐标装配到悬架骨架中的前轴安装坐标上，通过此方法将前轴和悬架建立关联，如图12。在悬架子装配中绘制骨架，建立安装坐标，通过安装坐标将前轴总成和悬架子装配关联起来，这是本发明专利的关键之一。

步骤五：将转向机按照布置方案装配到整车模型中。其关键硬点为转向机的输出轴和与转向垂臂固定的法兰面。

步骤六：将前轴和转向机建立关联：在悬架子装配的骨架中复制前轴上节臂和转向垂臂的复制几何，通过前轴纵拉杆前球头销点运动包络面和转向垂臂对应的球头销点包络线相交得到转向纵拉杆前球头销点运动轨迹点，此点即为转向垂臂和转向纵拉杆的连接点，如图13。从而得到转向垂臂和转向纵拉杆的连接骨架。

然后将转向垂臂和转向纵拉杆按照骨架装配到整车三维中。这样就建立了悬架-转向相关联的完整整车三维模型，如图14。建立前轴和转向垂臂的关联骨架，从而将转向机和前轴建立关联，这是本发明的关键之一。

步骤七：调试。从以上几个步骤可以看出，三维中有板簧弧高、S变形转向角和左轮转角三个控制参数。调整这些控制参数，观察悬架、转向系统的变化情况，保证三维不会出现装配异常、再生失败等情况，则说明本整车三维是好用的。如图15，举例说明，将左、右板簧弧高调整为不一致时，出现前轴的斜跳工况。对于系列车型来说，还有很多的悬架、前轴的定位参数、结构参数可以调整，在此不再累述。

步骤八：运动校核。如步骤二中所述，对于悬架-转向系统校核来说，通常有系统的运动干涉校核和与周边零件的干涉情况两方面的校核做为输出参数。在进行多方案设计时，首先调整悬架、前轴的定位参数、结构参数，至某一个方案；然后调整板簧弧高、S变形转向角和左轮转角三个控制参数，至某个特定工况，对输出参数进行测量。也可以应用PROE敏感度分析工具，确定控制参数的变化范围，通过PROE计算，得出输出参数随控制参数变化的曲线。

步骤八：运动校核。下面以常用的悬架-转向运动校核“在板簧上跳和下跳过程中的转向垂臂转角的变化量”为例进行说明。应用PROE敏感度分析工具，板簧弧高为输入参数，如图16，数据框中；建立转向垂臂转角MEASURE_ANGLE_1为输出参数，如图17；建立敏感度分析，选择适当步长，如图18。即可计算出随着弧高变化，转向垂臂转角的变化趋势、最大值点等，很直观地看出目前系统的匹配是否满足设计目标要求，是否合理，如图19。也可以定义其他输出参数，如转向拉杆与周边的间隙等，只需要在PROE中建立相应的测量参数(MEASURE)，用同样的方法即可。

Claims (2)

1.一种基于骨架模型的前悬架-转向运动的校核方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：建立悬架-转向运动系统的整车装配模型；

步骤二：明确悬架系统的输入和控制参数，如表1，转向系统的输入和控制参数，如表2，以及系统校核需求的输出参数，如表3；

表1悬架系统的输入和控制参数

表2转向系统的输入和控制参数

表3悬架-转向系统校核需求的输出参数

步骤三：建立悬架子装配三维模型；

基于PROE软件利用骨架进行控制的参数化设计方法在悬架子装配的骨架中绘制控制曲线；根据步骤二中提到的悬架系统定位参数和悬架系统自身结构参数绘制板簧控制曲线；综合考虑板簧的上跳、下跳、反弓及S变形工况，建立板簧的骨架曲线；对于等强度梯形弹簧，板簧近似为一段圆弧，输入参数定义为板簧的弧高和S变形角度，板簧中间夹紧部位为直段，两侧采用样条曲线进行构建，通过PROE中的“关系”工具进行编程将样条曲线控制成圆弧形状，这样可以模拟S变形工况；左、右板簧采用不同骨架驱动，并通过两条板簧骨架曲线构建出前轴安装坐标，这样可以模拟转向轮斜跳工况；然后通过左、右板簧的控制曲线得到前轴安装坐标，前轴安装坐标定义为前后对称面为X0，左右对称面为Y0,前轴上板簧座安装面为Z0；根据骨架模型的控制曲线绘制板簧的三维数据，从而保证板簧结构受控于骨架，形成悬架子装配三维模型；

步骤四：建立前轴装配三维模型；

将前轴总成的原始坐标做为前轴安装坐标，以此为基础进行骨架模型和三维模型的建立。在前轴装配模型中建立骨架，基于PROE软件利用骨架进行控制的参数化设计方法在骨架中绘制控制曲线；以左转向轮转角为控制参数，建立以主销中心线为轴的转向轮旋转面，该转向轮旋转面和基准面之间存在夹角关系，此夹角为左转向轮转角的控制值；根据步骤二中的转向系统定位参数和转向系统自身结构参数，绘制前轴主销、上节臂、下节臂及横拉杆骨架曲线及对应的连接点；连接点按照坐标点的型式绘制，基础坐标依托左轮绕主销旋转的坐标建立，从而可以保证各控制曲线可以随着转向轮转角变化而变化，与实际前轴运动过程一致；以横拉杆左侧安装点为圆心，以横拉杆长度为半径做横拉杆右侧安装点的包络面，以右侧主销为轴，下节臂长度为半径做包络线，相交即为横拉杆右侧的安装点，以此建立左、右侧车轮的关系，如此建立前轴总成的骨架模型，然后将零件按照骨架装配到前轴装配中来，形成前轴装配三维模型；

最后，将前轴装配三维模型按照前轴安装坐标装配到悬架骨架中的前轴安装坐标上，通过此方法将前轴和悬架建立关联；

步骤五：将转向机按照布置方案装配到悬架-转向运动系统的整车装配模型中；

转向机和悬架-转向系统校核相关的关键硬点为转向机的输出轴和与转向垂臂固定的法兰面；

步骤六：将前轴和转向机建立关联；

在悬架子装配的骨架中复制前轴上节臂和转向垂臂的复制几何，通过前轴纵拉杆前球头销点运动包络面和转向垂臂对应的球头销点包络线相交得到转向纵拉杆前球头销点运动轨迹点，此点即为转向垂臂和转向纵拉杆的连接点，从而得到转向垂臂和转向纵拉杆的连接骨架；

然后将转向垂臂和转向纵拉杆按照骨架装配到悬架-转向运动系统的整车装配模型中，这样就建立了悬架-转向相关联的完整整车三维模型，建立前轴和转向垂臂的关联骨架，从而将转向机和前轴建立关联；

步骤七：调试；

悬架-转向运动系统的整车装配模型三维中有板簧弧高、S变形角度和左转向轮转角三个控制参数，调整这些控制参数，观察悬架、转向系统的变化情况，保证悬架-转向运动系统的整车装配模型三维不会出现装配异常、再生失败情况，则说明本整车三维是可以用的；

步骤八：运动校核；

在进行多方案设计时，首先调整悬架、前轴的定位参数、自身结构参数，至某一个特定工况；然后调整板簧弧高、S变形角度和左转向轮转角三个控制参数，至某个特定工况，对输出参数进行测量；也可以应用PROE敏感度分析工具，确定控制参数的变化范围，通过PROE计算，得出输出参数随控制参数变化的曲线。

2.如权利要求1所述的一种基于骨架模型的前悬架-转向运动的校核方法，其特征在于，步骤一中所述的建立悬架-转向系统校核的整车装配模型，具体的是按照PROE的TOP-DOWN设计方法，先建立整车装配模型，然后建立车架和悬架的子装配，在悬架的子装配中建立骨架。