CN107908869B - 基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法，在对底架模块详尽分析的基础上，根据其接口结构件的布置方向将模块接口分为插入式接口和承接式接口。采用节点网法对接口的预连接结构件进行定位，引入特征点法对结构件的预连接截面进行表征；基于上述分别构建两种模块接口的数字化表达模型，最后通过接口矩阵的母子关系实现模块间可连接性的判定，并在此基础上进行模块间的物理连接。

Description

基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法

技术领域

本发明涉及汽车设计制造领域，具体涉及了一种基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法。

背景技术

近年来的研究表示平台化模块化的发展战略将是中国客车设计制造业的必经之路，该战略的本质是指企业在一定的发展基础上采用模块化设计理念对其已有的模型及其他数据进行模块划分与整理，建立模块数据库，在此基础上通过通用模块及专用模块的选用和组合实现产品的更新或设计新的产品。

客车底架是客车零部件及转向、控制等系统主要的承接和安装单元，在整车设计阶段属于首要的考虑因素。运用模块化的设计方法对底架进行设计能有效缩减产品的开发周期和成本，目前对客车底架进行模块化设计主要存在两个问题：一是在底架模块数据库构建的过程中，尚未有合适的表达方法对接口的几何结构信息进行描述；二是在实现客车底架的模块化设计过程中，尚缺少合适的方法能够快速、准确地识别模块间的可连接性。

因此，目前底架模块的连接多由人工试验或者经验完成，即单凭直观的手段对底架模块进行筛选以及组配，最后实现连接，效率低下且错误率高。

发明内容

本发明旨在提供一种基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法，一方面能够实现底架模块接口信息的数字化录入，另一方面通过数字关系能够反应出模块间的可组合性和可互换性，并在此基础上，筛选能实现连接的底架模块组合，实现其连接。

具体方案如下：

1)定义模块接口的中心不动点为母节点，定义模块接口坐标系的原点为该母节点，模块的预连接方向为该坐标系的X轴方向；

2)定义模块接口上各预连接件连接截面的几何中心对称点为子

节点，各子节点相对于原点的坐标值为其定位坐标；

在接口节点网构建的基础，通过特征点法对预连接件的连接截面进行表征，以相对坐标的形式对特征点进行描述。

综上，通过矩阵的形式将各子节点和特征点的坐标进行有序汇总，构建模块接口的数字化表达模型。

根据模块接口预连接件的布置方向将模块接口分类，当预连接件与和模块接口的预连接方向平行时，为插入式接口；当预连接件与和模块接口的预连接方向垂直时，为承接式接口；插入式接口的预连接件以下称之为预插入件，承接式接口的预连接件以下称之为预承接件。

(1)对于插入式接口：

对各子节点定位坐标进行有序汇总，定义为插入式接口定位矩阵M；

对各预插入件的特征点坐标进行有序汇总，定义为接口连接截面相对表征矩阵Q；

根据公式(1)计算可得该插入式接口连接截面表征矩阵Q′：

(2)对于承接式接口：

定义范围矩阵：范围矩阵

其中表示每一列元素为该对应列内最大数与最小数之间的任意实数值；

定义矩阵的母子关系：若其中一个矩阵的每一列元素均落入另一范围矩阵对应列元素的范围，则该两矩阵存在母子关系；

定义预承接件上承接截面相对于其子节点的承接范围为相对承接范围，该相对承接范围与对应子节点定位坐标的叠加即可获得该预承接件的绝对承接范围。

定义各预承接件的定位矩阵为范围矩阵，表示该预承接件几何中心线的绝对承接范围，将各预承接件的范围矩阵进行有序汇总，获得该承接式接口定位矩阵A。

定义各预承接件的承接范围数字化表达为范围矩阵，表示该预承接件承接截面的承接范围，将各预承接件的截面承接范围矩阵有序汇总，获得该承接式接口的承接范围矩阵B。

在模块接口数字化表达的基础上，通过以下步骤来确认模块接口能否实现连接，包括如下步骤：

S11，征调模块：

对用户需求进行分析，从数据库中征调满足功能和性能要求的至少两个底架模块；

S12，模块接口类型的查验：

对底架模块的模块接口类型进行鉴别，需满足预连接的两个模块接口类型相异，即一个为插入式接口，另一个为承接式接口；

调用或构建该插入式接口定位矩阵M以及连接截面表征矩阵Q′；

调用或构建该承接式接口定位矩阵A和承接范围矩阵B；

包括步骤S2，接口可连接性的判断步骤：

插入式接口与承接式接口实现连接，须满足两层矩阵间的母子关系，第一层为插入式接口定位矩阵M与承接式接口定位矩阵A之间的母子关系，第二层为插入式接口连接截面表征矩阵Q′与承接范围矩阵B之间存在母子关系，综上才能够使得该插入式接口与承接式接口实现连接；

包括步骤S3，底架模块连接的步骤：

S31，令插入式接口与承接式接口的母节点重合，此时如果该两接口满足上述母子关系即可使得预插入件对应在预承接件上；

S32，将预插入件与对应的预承接件进行固定连接。

进一步的，在承接式接口定位矩阵A中，分块矩阵A_k为编号为k的预承接件几何中心线的承接范围矩阵：

(1)当该预承接件为纵向时，

分块矩阵A_k中x方向和z 方向上的数值固定；y方向上可为A_ky1到A_kyp范围内的任意值，它反映该预承接件在y方向上的可承接范围；

(2)当该预承接件为竖向时，

分块矩阵A_k中的x方向和 y方向上的数值固定；z方向上可为A_kz1到A_kzq范围内的任意值，它反映该预承接件在z方向上的可承接范围；

(3)当该预承接件为斜向时，

分块矩阵A_k中的x方向上的数值固定，y方向和z方向上的分别在A_ky1-A_kyp和A_kz1-A_kzq范围内取值，且此时两取值满足一定的线性关系，即A_kz＝aA_ky+b(a、b为常数且a≠0)；

进一步的，在承接式接口承接范围矩阵B中，分块矩阵B_k为编号k的预承接件连接截面的承接范围矩阵：

其中，分块矩阵B_k中的第2，3列组合起来表示该预承接件在YOZ平面上所能承接的范围。

(1)当该预承接件为纵向或竖向，即与模块接口坐标系的y方向或z方向平行时，分块矩阵B_k中B_ky1、B_kyp、B_kz1、B_kzq表示某一具体数值；

(2)当该预承接件为斜向，即与模块接口坐标系的y方向或z方向呈现一定的角度时，分块矩阵B_k中

进一步的，预插入件与对应的预承接件固定连接方法为：螺栓连接或者焊接。

进一步的，对预插入件的子节点定位坐标进行汇总的顺序为逆时针顺序或者顺时针顺序。

本发明为基于模块接口数字化表达的客车底架模块连接方法，在对底架模块接口详尽分析的基础上，将模块接口的组成结构件分为预插入件和预承接件，统称为预连接件，插入式接口对应的预连接件为预插入件，承接式接口对应的结构件为预承接件；采用节点网的形式对模块接口的预连接件进行定位，采用特征点法对预插入件的连接截面进行表征；而后基于上述分别构建两种类型模块接口的数字化表达模型。

模块接口的数字化表达模型为两存在映射关系的矩阵，通过模块接口矩阵间的母子关系判断和矩阵运算，可以实现以下功能：(1)对模块间的连接关系进行鉴别；(2)筛选排除不可连接的底架模块方案，得到可连接的底架模块组合方案；(3)实现底架模块实物的物理连接。

附图说明

图1示出了本发明实施例中的底架模块侧视图；

图2示出了插入式接口结构示意图；

图3示出了图2正视图；

图4示出了图2预插入件结构示意图。

图5示出了本发明实施例中承接式接口结构示意图；

图6示出了图4正视图；

图7示出了本发明实施例客车底架模块连接方法流程图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明例的实施，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

在本实施例中，定义范围矩阵概念：

以矩阵A_k为例，A_k＝(A_x A_y A_z)，当矩阵中某元素如A_y表示同一定义且该元素可在一定的范围内取值时，一般表述为：A_k＝(A_x A_y A_z)，其中A_x和A_x数值固定，a≤A_y≤b。为进一步简略，此时可通过构建范围矩阵来对其范围进行说明，表示为

矩阵

其中，A_y1＝a，A_yg＝b，该范围矩阵A_k中的第1、3 列元素保持不变，而第2列元素可为A_y1-A_yg内的任一实数值。

客车底架是客车零部件及转向、控制等系统主要的承接和安装单元，且对于整车的安全性、可靠性、噪声振动和乘员舒适性都有着决定性的影响。作为整车的基础，实现底架的模块化设计开发，能够有效地缩减产品开发周期和成本，

结合客车底架的功能与结构的层次特性，对其进行模块划分。根据模块接口预连接件的布置方向，将模块接口区分定义为插入式接口和承接式接口两种，其所对应的底架模块分别为插入式模块和承接式模块。

其中，插入式接口预插入件的布置方向与模块预连接方向平行；承接式接口预承接件的布置方向与模块预连接方向垂直，且其连接截面可变。结合图1、图2和图5所示，客车底架10中段模块12为插入式模块，前悬骨架模块11为承接式模块，该中段模块12固定于前悬骨架模块11上。具体的：中段模块12 朝向前悬骨架模块11的模块接口为插入式接口，即构成该中段模块12的模块接口的各接口结构件为杆状的预插入件120，优选的，该预插入件120为连接截面为矩形杆件，其由端部插接；该前悬骨架模块11朝向中段模块12的模块接口为承接式接口，包括多跟矩形杆状的预承接件110，该预承接件110由侧面进行承接。

对该插入式接口数字化表达方法包括如下：

首先，定义中段模块12模块接口的中心不动点为母节点U，同时以该母节点U为原点，以前悬骨架模块11背离中段模块12连接的方向为X轴方向，水平方向为Y轴方向，竖直方向为Z轴方向，建立原点坐标系；同时，该母节点U 也为前悬骨架模块11的中心不动点。

定义中段模块12模块接口上各预插入件的连接截面几何中心对称点为子节点：结合图3和图4，在该实施例中，该预插入件有9个，则该子节点有9个，其分别为子节点a1-a9；该预插入件都为规则形状，故其几何中心对称点为子节点，同时对各预插入件的连接截面进行特征点的创建和标定，汇总后中段模块 12接口信息如下表所示：

表1：中段模块接口信息(单位/mm)

依次量取各个子节点相对于原点(母节点U)的坐标，所获得的坐标值即为该子节点的定位坐标；对各子节点的定位坐标进行有序汇总，建立该插入式接口定位矩阵M。通过母节点与各个子节点的相对方向和距离(定位坐标)即可确定接口各预连接件的位置。

在该实施例中，预插入件的连接截面均为规则形状，故其特征点仅取为该截面的四个端点；对于每一个预插入件，以其对应的子节点为基点，对预插入件的特征点进行坐标定位，通过数字化手段来表征该接口预插入件连接截面的形状和尺寸；

根据表1中的信息构建前悬骨架模块定位矩阵M和接口连接截面相对表征矩阵Q，插入式接口定位矩阵M与相对表征矩阵Q存在映射关系

其次，根据公式求解获得该插入式接口的连接截面表征矩阵Q′：令：

在该实施例中，n为4，表示每个预插入件连接截面特征点的个数为4，根据Q′＝M×(1 1 1 1)+Q,求解得到该插入式接口的连接截面表征矩阵Q′，则：

结合图5和图6所示，在底架模块10中，根据接口预连接件的布置方向可知前悬骨架模块11为承接式模块，其对应的模块接口为承接式接口，具体的，该接口包括四根纵向预承接件，在构建原点坐标系的基础上，确定各个接口结构件位置：

定义前悬骨架模块11模块接口上各预承接件的连接截面几何中心对称点为子节点：在该实施例中，该预承接件有4个，则该子节点有4个,其分别为b1-b4；每一该预承接件的连接截面为矩形，则其几何中心对称点为子节点。

逐个对前悬骨架模块11的模块接口上各个预承接件的连接截面位置与尺寸，得到前悬骨架11模块接口信息表如下：

表2：前悬骨架模块接口信息(单位/mm)

依次量取各个子节点相对于原点(母节点U)的坐标，该坐标值为对应子节点的定位坐标；对各子节点的定位坐标进行有序汇总，建立该承接式接口定位矩阵A；通过母节点与各个子节点的相对方向和距离(定位坐标)即可确定接口各预连接件的位置；

由于承接式接口由四个纵向(Y向)的预承接件形成封闭式结构，在模块的连接过程中充当着承接的作用，故该类承接式接口的承接式接口定位矩阵A不仅需要反映其自身承接结构件的定位，而且需对其结构件的可承接范围进行描述，因此承接式接口的定位矩阵A为范围矩阵。

该实施例的接口预承接件为纵向，承接式接口定位矩阵A表示为其对应的子节点横坐标和竖坐标保持不变，纵坐标取值为其所对应的可承接范围，同理，竖向可连接结构件仅竖坐标为一取值范围，斜向可连接结构件某两坐标都为一定的取值范围且这两坐标值呈一定的线性关系，在此不再赘述。

根据以上分析构建承接式接口定位矩阵A，以编号为k的预承接件为例，当其为纵向杆件时，

即分块矩阵A_k在x方向和z方向上的定位坐标不变，y方向上为连续取值，表示该预承接件在y方向上的承接范围。

在模块连接的过程中起到承接作用的预承接件，其预承接截面数字化表达为承接范围矩阵，用来判定插入式接口中预插入件的连接截面能否实现连接。依次分析量取该接口预承接件的承接范围后构建该接口的承接范围矩阵B。

同样以编号为k的预承接件为例，

分块矩阵B_k中的第 1、2、3列依次表示其x,y,z方向上所能承接的范围，其他依次类推。

据表2中的信息构建中段模块承接式接口定位矩阵A和与接口承接范围矩阵B：其中承接式接口定位矩阵A和承接范围矩阵B中的承接范围是根据其定位坐标和相对承接范围相加得到。

经过上述数学量化分析，对前悬骨架模块11与中段模块12可连接性进行判定连接，包括如下步骤：

包括步骤S1，模块接口匹配的步骤，包括：

S11，征调两个底架模块：

对用户需求进行分析，从数据库中征调满足功能和性能要求的两个底架模块，具体的，该实施例中征调前悬骨架模块11与中段模块12；

S12，模块接口类型查验：

前悬骨架模块11为承接式模块，该终端模块12为插入式模块，符合连接要求；

征调上述分析过程中建立的该中段模块12的插入式接口定位矩阵M以及连接截面表征矩阵Q′；

征调上述分析过程中建立的该前悬骨架模块11的承接式接口定位矩阵A 和承接范围矩阵B。

包括步骤S2，可连接性判断的步骤：

首先，判断在由该前悬骨架模块11与中段模块12构成的预连接组合中，插入式接口定位矩阵M与承接式接口定位矩阵A母子关系，才能够满足模块间可实现连接的第一层要求；

其次，插入式接口连接截面表征矩阵Q′与承接式接口承接范围矩阵B存在母子矩阵关系，才能够满足模块间可实现连接的第二层要求，在两层母子关系都满足的情况下，模块间可实现连接。实施例中即悬骨架模块11与中段模块12存在可连接的插入式接口与该承接式接口组合。

包括步骤S3，底架模块连接的步骤：

令插入式接口与承接式接口的母节点重合，且将预插入件设于对应与预承接件上；而后将预插入件通过焊接或螺栓连接的方式固定于对应的预承接件上。

可以理解的是，在其他具体实施例中：

在承接式接口定位矩阵A中，分块矩阵A_k为编号为k的预承接件几何中心线的承接范围矩阵：

当该预承接件为纵向时，

分块矩阵A_k中x方向和z 方向上的数值固定；y方向上可为A_ky1到A_kyp范围内的任意值，它反映该预承接件在y方向上的可承接范围；

当该预承接件为竖向时，

分块矩阵A_k中的x方向和y 方向上的数值固定；z方向上可为A_kz1到A_kzq范围内的任意值，它反映该预承接件在z方向上的可承接范围；

当该预承接件为斜向时，

分块矩阵A_k中的x方向上的数值固定，y方向和z方向上的分别在A_ky1-A_kyp和A_kz1-A_kzq范围内取值，且此时两取值满足一定的线性关系，即A_kz＝aA_ky+b(a、b为常数且a≠0)。

在承接式接口承接范围矩阵B中，分块矩阵B_k为编号k的预承接件连接截面的承接范围矩阵：

其中，分块矩阵B_k中的第2，3列组合起来表示该预承接件所能承接的范围。

当该预承接件为纵向或竖向，即与接口坐标系的y方向或z方向平行时，分块矩阵B_k中B_ky1、B_kyp、B_kz1、B_kzq表示某一具体数值；

当该预承接件为斜向，即与接口坐标系的y方向或z方向呈现一定的角度时，分块矩阵B_k中

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法，其特征在于：

定义模块接口的中心不动点为母节点，定义模块接口的坐标系是以该母节点为原点，以底架模块的预连接方向为X轴方向的坐标系；

定义模块接口上各预连接件的连接截面几何中心对称点为子节点，各个该子节点在原点坐标系的坐标值为对应子节点的定位坐标；

根据模块接口预连接件的布置方向将模块接口分类，分为插入式接口和承接式接口，预连接件分别为预插入件以及预承接件；

(1)对于插入式接口：

以一定次序对各个预插入件的子节点定位坐标进行汇总，定义为插入式接口定位矩阵M；

以预插入件的子节点为基点进行发散创建特征点，每个预插入件连接截面都具有n个特征点，量取各特征点至其对应基点的相对方向和距离，获得各特征点的相对坐标；以一定的顺序将特征点坐标进行汇总，定义为该插入式接口的相对表征矩阵Q，则根据公式(1)获得该插入式接口的连接截面表征矩阵Q′：

(2)对于承接式接口：

定义范围矩阵：

范围矩阵

表示每一列元素为该列内最大数与最小数之间的任一实数值；

定义矩阵的母子关系：若一个矩阵其每一列元素均落入另一范围矩阵对应列元素的范围，则二者存在母子关系；

定义预承接件上承接截面相对于其子节点的承接范围为相对承接范围，该相对承接范围与对应子节点定位坐标的叠加即可获得该预承接件的绝对承接范围；

定义各预承接件定位矩阵为范围矩阵，表示该预承接件几何中心线的绝对承接范围，将各预承接件的范围矩阵进行有序汇总，获得该承接式接口定位矩阵A；

定义各预承接件的承接范围数字化表达为范围矩阵，表示该预承接件承接截面的承接范围，将各预承接件的截面承接范围矩阵有序汇总，获得该承接式接口的承接范围矩阵B；

包括步骤S1，模块接口匹配的步骤，包括：

S11，征调不少于两个底架模块：

对用户需求进行分析，从数据库中征调满足功能和性能要求的至少两个底架模块；

S12，模块接口开放形式查验：

对底架模块的模块接口类型进行鉴别，得到至少一个插入式接口和一个承接式接口；

征调或建立该插入式接口的插入式接口定位矩阵M以及连接截面表征矩阵Q′；

征调或建立该承接式接口的承接式接口定位矩阵A和承接范围矩阵B；

包括步骤S2，可连接性判断的步骤：

对所有一插入式接口与一承接式接口构成的组合中，将插入式接口定位矩阵M与承接式接口定位矩阵A不存在母子矩阵关系或连接截面表征矩阵Q′与承接范围矩阵B不存在母子矩阵关系的组合排除，得到可连接的插入式接口与该承接式接口组合；

包括步骤S3，底架模块连接的步骤：

S31，令插入式接口与承接式接口的母节点重合，且将预插入件设于对应的预承接件上；

S32，将预插入件与对应的预承接件固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法，其特征在于：

在承接式接口定位矩阵A中，分块矩阵A_k表示任一编号为k的预承接件定位坐标范围矩阵：

(1)当该预承接件为纵向时，

分块矩阵A_k中x方向和z方向上的数值固定；y方向上可为A_ky1到A_kyp范围内的任意值，它反映该预承接件在y方向上的可承接范围；

(2)当该预承接件为竖向时，

分块矩阵A_k中的x方向和y方向上的数值固定；z方向上可为A_kz1到A_kzq范围内的任意值，它反映该预承接件在z方向上的可承接范围；

(3)当该预承接件为斜向时，

分块矩阵A_k中的x方向上的数值固定，y方向和z方向上的分别在A_ky1-A_kyp和A_kz1-A_kzq范围内取值，且此时两取值满足一定的线性关系，即A_kz＝aA_ky+b，a、b为常数且a≠0。

3.根据权利要求1所述的基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法，其特征在于：在承接式接口的承接范围矩阵B中，分块矩阵B_k为编号k的预承接件连接截面的承接范围矩阵：

其中，分块矩阵B_k中的第2，3列组合起来表示该预承接件所能承接的范围；

(1)当该预承接件为纵向或竖向，即与承接式接口坐标系的y方向或z方向平行时，分块矩阵B_k中B_ky1、B_kyp、B_kz1、B_kzq表示某一具体数值；

(2)当该预承接件为斜向，即与承接式接口坐标系的y方向或z方向呈现一定的角度时，分块矩阵B_k中

4.根据权利要求1所述的基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法，其特征在于：

预插入件与对应的预承接件固定连接方法为：螺栓连接或者焊接。

5.根据权利要求1所述的基于接口数字化表达的客车底架模块连接方法，其特征在于：

对预插入件的子节点定位坐标进行汇总的顺序为逆时针顺序或者顺时针顺序。

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