Pro/ENGINEER在懸掛運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉保增 龔遠(yuǎn)紅 劉偉 孫志偉

1 前言

商用車底盤(pán)作為平臺(tái)戰(zhàn)略的主要對(duì)象，它的快速設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)對(duì)企業(yè)產(chǎn)品平臺(tái)化戰(zhàn)略的實(shí)施有積極的作用，而懸掛的布置是影響底盤(pán)性能的主要因素。在底盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)方法，不但耗時(shí)長(zhǎng)，也很難對(duì)懸掛系統(tǒng)的各種工況進(jìn)行準(zhǔn)確地分析校核，而應(yīng)用Pro/ENGINEER三維設(shè)計(jì)軟件可以實(shí)現(xiàn)懸掛系統(tǒng)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮三維參數(shù)化模型直觀、準(zhǔn)確、快速的優(yōu)勢(shì)，使底盤(pán)懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單、高效。

2 懸掛協(xié)調(diào)要求

本文懸掛系統(tǒng)包括中軸總成、后軸總成、平衡懸掛總成、上推力桿總成、下推力桿總成、鋼板彈簧總成及推力桿上支掛等部件。為了便于描述各部件間的裝配關(guān)系，引用通用整車坐標(biāo)系定義，將汽車縱向垂直對(duì)稱平面在俯視圖和前視圖上的投影線稱為汽車中心線[1]，并規(guī)定通過(guò)汽車中心線且垂直于車掛上平面的平面為YO平面。

平衡懸掛與車掛之間為剛性連接，下推力桿總成分別固定在平衡懸掛和車軸總成的下端，上推力桿總成分別固定在車掛橫梁與車軸總成的上端，上、下推力桿總成及其端部連線形成一個(gè)四邊形，其在YO平面上的投影如圖1所示。可以看出，推力桿總成的結(jié)構(gòu)是影響懸掛系統(tǒng)布置的主要因素，因此，懸掛系統(tǒng)的協(xié)調(diào)主要圍繞推力桿總成的協(xié)調(diào)展開(kāi)論述。

懸掛系統(tǒng)協(xié)調(diào)的具體要求：a. 在底盤(pán)滿載的情況下，下推力桿總成呈水平狀態(tài)；b. 推力桿四邊形應(yīng)盡量布置成平行四邊形，無(wú)法保證時(shí)，應(yīng)在車軸跳動(dòng)的全行程范圍內(nèi)控制車軸擺角不超過(guò)2°；c. 滿載靜止時(shí)，傳動(dòng)軸與車軸輸入輸出軸的夾角不大于6°，在車軸跳動(dòng)的全行程范圍內(nèi)，傳動(dòng)軸與中軸輸出軸和后軸輸入軸的夾角差值不超過(guò)0.1°[1]。

3 懸掛運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

從圖1可以看出，車軸總成上下跳動(dòng)的過(guò)程中，隨著推力桿總成姿態(tài)的不斷變化，兩個(gè)車軸總成之間的距離也會(huì)發(fā)生變化，到推力桿總成呈水平狀態(tài)時(shí)達(dá)到最大值。考慮到重載情況下的轉(zhuǎn)向性能，以此時(shí)兩個(gè)車軸總成之間的距離作為整車的軸距，在車軸總成、平衡懸掛總成等已確定的情況下，直接計(jì)算推力桿在YO平面上的投影長(zhǎng)度。對(duì)于I型結(jié)構(gòu)的上推力桿總成，此長(zhǎng)度即為實(shí)際長(zhǎng)度，而對(duì)于V型推力桿來(lái)說(shuō)，由于上推力桿總成在車軸和車架橫梁上的安裝寬度不同，前后方向均存在一定的夾角，故上述計(jì)算的長(zhǎng)度尺寸再除以該夾角的余弦值才是推力桿總成的實(shí)際長(zhǎng)度。下推力桿總成一般布置成“八”字型，計(jì)算方式與V型上推力桿總成的相同。

上述方法的前提條件是推力桿總成能夠形成平行四邊形的理想狀態(tài)，如果該四邊形無(wú)法形成平行四邊形，或者中軸輸出與后軸輸入呈“W”型布置，則使用AutoCAD等二維軟件進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)需要進(jìn)行多輪的試取值，協(xié)調(diào)效率低且極易出錯(cuò)。此時(shí)可使用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行協(xié)調(diào)，利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)各個(gè)參數(shù)，圖2為WS系列某車型懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)校核實(shí)例。

圖2 中，L1為中軸軸心至車掛上平面的距離；L2為后軸軸心至車掛上平面的距離；L3為推力桿總成在YO平面上的投影長(zhǎng)度；L4為軸間傳動(dòng)軸長(zhǎng)度；L5為前上推力桿在車掛橫梁上的安裝高度；L6為后上推力桿在車掛橫梁上的安裝高度；A1為中軸仰角；A2為后軸仰角；A3為軸間傳動(dòng)軸與中軸輸出軸夾角；A4為軸間傳動(dòng)軸與后軸輸入軸夾角。圖中所有非括號(hào)內(nèi)的標(biāo)注尺寸及未標(biāo)尺寸均為結(jié)構(gòu)參數(shù)或計(jì)算值，括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為測(cè)量值。

協(xié)調(diào)時(shí)，約束相應(yīng)的垂直、平行、等長(zhǎng)等關(guān)系，隨時(shí)關(guān)注車軸間傳動(dòng)軸的夾角關(guān)系，在保證A2值合適的情況下，令A(yù)3與 A4相等，完成最終協(xié)調(diào)。

4 懸掛運(yùn)動(dòng)分析

將上述協(xié)調(diào)結(jié)果作為懸掛系統(tǒng)組件的骨架，裝配時(shí)可參考骨架內(nèi)的數(shù)據(jù)，如車軸中心線及仰角平面、推力桿的中心線等，當(dāng)骨架模型變化時(shí)，可根據(jù)載荷不同，調(diào)整車軸中心與車架上平面的距離，此時(shí)整個(gè)懸掛系統(tǒng)都會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，在中后軸同時(shí)上跳至極限、中軸上跳至極限時(shí)后軸下落至極限、后軸上跳至極限時(shí)中軸下落至極限或中后軸同時(shí)下落至極限等各種工況下，可以很直觀地查看系統(tǒng)內(nèi)是否存在干涉現(xiàn)象，圖3為裝配好的三維模型。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的懸掛協(xié)調(diào)方式為正向設(shè)計(jì)方式，即直接建立懸掛系統(tǒng)的三維骨架模型，運(yùn)用骨架模型進(jìn)行懸掛協(xié)調(diào)，然后將零部件裝配到模型中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，避免跳動(dòng)干涉。這種設(shè)計(jì)模式可以使設(shè)計(jì)工作更為直接、準(zhǔn)確和快速，從而提高設(shè)計(jì)效率，減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。此外，本方法采用骨架模型進(jìn)行協(xié)調(diào)，保存在懸掛總裝配圖中，其他設(shè)計(jì)人員可查看協(xié)調(diào)結(jié)果，便于協(xié)同設(shè)計(jì)。而且在采用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)后，設(shè)計(jì)人員可以反復(fù)修改零部件的接口參數(shù)，用于變型產(chǎn)品的系列化開(kāi)發(fā)，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能夠適應(yīng)市場(chǎng)需求的快速變化。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社.2001.