一种悬架运动仿真快速建模方法研究

杨超飞+熊欣+代罡+张红生+张建军

摘 要：本文主要研究了针对乘用车常见的麦弗逊悬架、双横臂悬架型式下对不同硬点在CATIA中快速建模的方法，及对该方法的适用范围进行了较完整的论述。快速建模方法，即根据悬架类型选择数据库中同种模型，修改模型设计表（EXCEL）中的硬点数据，即可快速完成新模型的建立。与传统建模方法相比，本方法避免CATIA重复繁琐的建模过程。它可为前期总布置及传动轴滑移量校核提供技术支撑，同时大大提高了预研分析的工作效率。

关键词：悬架硬点；DMU；快速建模；运动仿真；CATIA；参数化

中图分类号：U463.3 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0054-06

Abstract： This paper mainly expounds the method of rapid modeling of different hard points in CATIA， which is based on the common Mcpherson suspension and double cross arm suspension， and discusses the application scope of the method. Rapid modeling method， choose the same kind of model in the database， modify the design model table （EXCEL） in hard data points， you can quickly create a new application model based on the type of suspension. Compared with the traditional modeling methods， the present method avoids the tedious repetition CATIA modeling process. It can be pre-arranged and the total amount of the drive shaft slip checking to provide technical support， while greatly improving the work efficiency of the pre-research analysis.

随着目前各汽车公司正向开发的普及，更多的可行性分析工作需要在整车预研阶段完成，包括动力总成布置可行性分析，传动轴校核，轮胎包络生成等，而此类工作前提是要有悬架的DMU模型。

悬架运动模型的建立，目前比较普遍的方法是：按照零件结构，在3D数模成型后对各零件用CATIA命令添加运动副和约束，通过较为繁琐的数模操作后完成。此种传统的方法在整车预研阶段存在如下问题：在前期预研阶段，3D数模暂未建立，在只有硬点数据的情况下，该方法无法进行虚拟建模。同时，按照硬点数据在3D数模上建立悬架运动模型，往往只适用于单一悬架形式，硬点数据更改，悬架运动模型就需要重新建立，造成工作反复，工作量大，同时，此种方法不容易掌握，除了悬架本专业外，总布置等其他专业较难掌握并加以运用。

对于本文论述的快速建模方法，不需要实现各零件3D数模，即可完成不同硬点悬架模型的快速建立，而且数据库模型建立，可避免重复性建模工作，针对任何不同硬点均可通过更改设计表更新模型，操作过程简单，便于应用。

1 建模流程

建模流程如图1所示。

建立数据库模型：数据库模型的建立为快速建模的基础，一种悬架类型对应一种模型，针对同种模型不同硬点的DMU建模，即可在更新设计表硬点数据后完成。数据库悬架模型的建立分为模型简化、模型装配和模型参数化等步骤。

建立应用模型：在建好的数据库模型基础上，可以针对同一型式不同硬点的悬架快速建模，分为参数输入，建立模型，模型运用三部分。实际中，具体的模型需要根据不同用途做适应性改进，包括添加传动半轴的模拟数模为校核滑移量，建立运动法则曲线为制作轮胎包络等。图1为快速建模的建模流程图。

2 建立数据库模型

建立数据库模型分为模型简化、模型装配和模型硬点参数化等步骤。

模型简化：因前期预研阶段3D数据还不成熟，建模只能通过虚拟化的零件平台，故将各悬架零件简化为点、线、面。

模型装配：利用CATIA操作，根据各零件间的运动关系添加约束及运动副，此步和传统建模方法类似。

模型硬点参数化：通过将硬点坐标与参数公式进行关联，建立关系树与设计表关联，方便根据不同硬点快速更新数据库模型。

下面以麦弗逊悬架为例，论述数据库悬架模型的建立方法。

2.1 模型简化

所有零部件均简化为点（减震器上铰接点、三角臂铰接点、转向拉杆内/外点等）、线（减震器、转向拉杆、驱动轴中心轴杆等）、面（三角臂），便于参数化。

1）将悬架系统内部铰接视为刚性连接，且不考虑悬架、转向、传动轴等零件的变形。

2）为模型简化及参数化，将无相对运动的零件进行整合，自身内部有相对运动的零件进行拆分，参考如下原则：

a、转向机构分解为转向器壳体、左右转向拉杆三个零件；

b、驱动轴分解为外球笼、中心轴杆、内球笼三个零件。

c、针对麦弗逊悬架：转向节、车轮、减震器、外球笼合并为一个零件；针对双横臂悬架：转向节、车轮、外球笼合并为一个零件。

d、针对麦弗逊悬架：前托架、转向器壳体、内球笼、悬架机构与车身安装点合并为一个零件；针对双横臂悬架：车架（或前托架）、转向器壳体、内球笼、悬架机构与车身（车架）安装点合并为一个零件。

2.2 模型装配

将各零件的简化模型进行装配，结合零件的运动关系添加相应的约束，建立运动模型。

各线性零件模型间的接合命令和约束副如表1所示：

模型结构树如图1所示：

2.3 模型硬点参数化

建好运动模型后，需对模型各硬点进行参数化。方法如下：

1）运行CATIA知识工程命令中的“公式”新建参数公式，并对应各硬点名称。

3）建立关系树，关联设计表

运行知识工程命令中的“设计表”，将参数化后的硬点数据转化到EXCEL中，即完成关联设计表。

以上，即完成麦弗逊悬架的数据库模型建立。

3 建立应用模型

建立悬架模型不需要重复CATIA建模繁琐操作，只需要按照悬架类型选择相对应的数据库模型，更新设计表（EXCEL）中的硬点数据，悬架运动模型即可自动更新，完成建立。

建模过程分为三个步骤：参数输入，建立模型，模型运用。流程如图1。

3.1 参数输入

需提供硬点数据表及悬架类型。

硬点数据表作为模型建立的参数输入，所建悬架模型需与数据库调取模型类型一致。

如下分别为双横臂悬架、麦弗逊悬架的硬点数据表信息：

3.2 建立模型

从数据库中调出同类型悬架模型，打开后运行“设计表”命令，调出设计表（设计表为EXCEL，可保存到本地，自动与CATIA模型关联），更改对应设计表中硬点参数，如图6：

运行CATIA中“更新位置”命令，再对更新后的模型进行改进和细化，即可完成新的硬点参数下悬架模型的初步建立。

对更新后的悬架模型进行检查、改进、细化，通过评审，即完成悬架模型的最终建立。

另外，设计表除了可在CATIA树中激活，还可以保存到本地，并与CATIA数模相关联，更改本地的设计表，CATIA中的数模即自动完成更新建模，使工作过程更加方便。

3.3 模型运用

最终的悬架模型可运用于商品概念设计阶段的总布置预研分析，传动轴校核，轮胎包络的初步计算等工作中。

对于总布置预研分析工作，又包含了前舱动力总成布置的可行性分析，而该工作的进行需要确定动力总成硬点（包含发动机和变速箱），这就同时需要判断变速箱的输出轴坐标位置是否满足传动轴夹角和滑移量等性能，而是否满足传动轴要求的依据就是通过本文方法所建立的悬架模型，模拟仿真其整个运动过程后作出判断。

此外，在整车开发前期，轮胎包络可以较准确的模拟车辆实际行驶工况，这就为车身轮罩、车身地板、前围等零件的设计提供了边界，而轮胎包络同样可以通过将轮胎装配到本文所建悬架模型，模拟仿真运动后完成制作。

4 建模方法验证

以A车型的硬点数据建立麦弗逊悬架数据库模型，如图7：

将车型B的悬架硬点按照上述快速建模方法输入到数据库模型对应的设计表中，运行更新命令操作后，新的数据库模型如图9。

从图中可以明显看出硬点更新前后数模发生变化。经过数模对比，快速方法建立的B车型的悬架模型与实际模型一致，从而该快速建模的方法得到验证。

5 结语

本文主要是以麦弗逊悬架为例对建模过程进行了论述，除了麦弗逊悬架外，该方法也同样适用于其他的悬架形式，包括双横臂悬架，拖曳臂悬架等，通过一次对各种常用悬架模型数据库的建立，可以根据不同输入硬点下的模型随时快速更新运动模型，从而对动力总成布置，传动轴校核等可行性进行判断，同时，也可以为满足其他系统的要求，微调悬架硬点，更改设计表中参数，最终得到较为合理的硬点值。

该方法主要是将悬架各零件进行简化，避免前期3D数据的缺失导致建模工作无法进行，同时对各硬点进行参数化设计，可满足不同硬点悬架模型的快速建立，有效减少工作量，提高工作效率。该方法同样可以运用于总布置专业的其他分析工作中。

参考文献：

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Key Words： Suspension hard point； DMU； rapid modeling； motion simulation； CATIA parameterization