轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)自動化設(shè)計方法

張道權(quán)　王景超　閆世明　衛(wèi)文濤

摘 要：在整車數(shù)據(jù)布置集成領(lǐng)域，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)生成的普遍現(xiàn)狀，首先根據(jù)整車載荷情況選定轉(zhuǎn)向模塊，然后根據(jù)整車布置硬點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)布置，通常是由在三維軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行手動拆分、約束，一方面工作效率低，另一方面手動約束容易出錯，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。本文通過對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（以C-EPS為例）運(yùn)動規(guī)律、轉(zhuǎn)向模塊劃分、轉(zhuǎn)向約束規(guī)律等進(jìn)行研究，通過Catia 知識工程模塊，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)自動化模型，根據(jù)轉(zhuǎn)向模塊選項及整車硬點(diǎn)，快速自動生成系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)，提高工作效率、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：集成領(lǐng)域 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) Catia知識工程 自動化

Automatic Design Method for Integrated Data of Steering System

Zhang Daoquan Wang Jingchao Yan Shiming Wei Wentao

Abstract：In the field of vehicle data layout integration， the general status of steering system integration data generation first selects the steering module according to the vehicle load situation， and then arranges the steering system data according to the hard points of the vehicle layout， usually by the three-dimensional software. Manually splitting and constraining data， on the one hand， is inefficient， and on the other hand， manual constraints are prone to errors and affect data accuracy. This paper studies the motion law， steering module division， and steering constraint law of the steering system （take C-EPS as an example）. Through the Catia knowledge engineering module， the integrated data automation model of the steering system is established， based on the steering module options and the hard points of the whole vehicle， so as to quickly and automatically generate system integration data to improve work efficiency and data accuracy.

Key words：integration field， steering system， Catia knowledge engineering， automation

1 前言

在整車數(shù)據(jù)布置集成領(lǐng)域，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成的普遍現(xiàn)狀，首先根據(jù)整車載荷情況選定轉(zhuǎn)向模塊，然后根據(jù)整車布置硬點(diǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)布置，通常是由在三維軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行手動拆分、約束，一方面工作效率低，另一方面手動約束容易出錯，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

自動化設(shè)計是工業(yè)工程的發(fā)展方向，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)過程的自動化已經(jīng)取得了重大突破，而產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域集成數(shù)據(jù)的自動化卻成為了整個生產(chǎn)效率的瓶頸，參數(shù)化設(shè)計越來越得到了人們的重視。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)的生成方法，顯然已不滿足集成數(shù)據(jù)自動化的發(fā)展要求，亟需改進(jìn)。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概況

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展歷程

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是整車關(guān)鍵底盤系統(tǒng)，主要作用是根據(jù)駕駛員意愿改變或者保持汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)。汽車的發(fā)展歷程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了五個發(fā)展階段：機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，目前乘用車領(lǐng)域主流是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而線控轉(zhuǎn)向還在研究初步應(yīng)用階段。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)助力位置，又分為管柱助力式（C-EPS）、齒輪軸助力式（P-EPS）及齒條助力式（R-EPS）。

本文以管柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS）為例進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動化集成介紹，其它形式以此類推。

2.2 C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對于P-EPS、D-EPS具有明顯成本優(yōu)勢，在乘用車領(lǐng)域，特別是A級車型中得到廣泛應(yīng)用。其主要工作原理如下：

a）管柱電控單元檢測駕駛員轉(zhuǎn)向意愿;

b）管柱電控單元根據(jù)駕駛意愿，控制轉(zhuǎn)向助力電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作;

c）電機(jī)旋轉(zhuǎn)扭矩，經(jīng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速增扭后傳遞到中間軸;

d）中間軸傳遞的扭矩，經(jīng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)向器齒條的齒條力;

e）齒條力推動齒條移動，驅(qū)使車輪轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向。

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模塊及布置約束

3.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模塊

模塊化設(shè)計是將產(chǎn)品分成幾個部分，每個部分具有獨(dú)立的功能，稱為模塊架構(gòu)。模塊具有一致的幾何接口和一致的輸入、輸出接口單元，相同種類的模塊互換，實(shí)現(xiàn)不同性能、數(shù)據(jù)布置要求。模塊化設(shè)計可減少開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，這在汽車研發(fā)領(lǐng)域已形成的一個共識，也是汽車研發(fā)規(guī)劃的一個重點(diǎn)。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向助力形式、轉(zhuǎn)向助力大小又劃分不同的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模塊，比如C-EPS轉(zhuǎn)向模塊，其中根據(jù)助力大小分為C-EPS轉(zhuǎn)向模塊①、C-EPS轉(zhuǎn)向模塊②等。

C-EPS按系統(tǒng)可拆分為轉(zhuǎn)向管柱模塊及轉(zhuǎn)向器模塊兩個一級模塊，進(jìn)一步從工作原理及數(shù)據(jù)布置上，又可將轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向器進(jìn)一步分為15個二級模塊，具體劃分情況如表1。

3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)布置約束條件

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理及運(yùn)動規(guī)律，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)布置約束，主要受兩方面影響：a、整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置硬點(diǎn);b、轉(zhuǎn)向模塊本身尺寸。

整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置硬點(diǎn)，主要是指轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)（涉及人機(jī)，決定了管柱上頂點(diǎn)），轉(zhuǎn)向梯形（決定了轉(zhuǎn)向器軸線、轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)外球銷點(diǎn)）。轉(zhuǎn)向模塊本身尺寸，主要是指管柱減速機(jī)構(gòu)及電機(jī)電控總成尺寸（決定了中間軸上十字軸點(diǎn)）、轉(zhuǎn)向器本體（轉(zhuǎn)向器輸入軸尺寸、中心距、軸交角等決定了中間軸下十字軸點(diǎn)）。當(dāng)然，部分布置約束是受整車布置硬點(diǎn)及轉(zhuǎn)向模塊本身尺寸綜合影響，比如管柱下點(diǎn)、齒條內(nèi)拉桿球頭，具體受約束影響情況如表2。

4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)常規(guī)生成方法

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成普遍常規(guī)方法，根據(jù)整車載荷校核轉(zhuǎn)向助力需求，選擇轉(zhuǎn)向模塊，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（以C-EPS為例）拆分成15個小模塊;根據(jù)整車硬點(diǎn)坐標(biāo)，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)、線。然后通過將15個小模塊與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)、線約束，最終生成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

常規(guī)方法存在不足：不同項目不同工程師間重復(fù)拆分工作、手動操作易出錯。

5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動化模型

Catia是英文Computer Aided Tri-Dimensional Interface Apllication的縮寫，是世界上一種主流的CAD/CAE/CAM一體化軟件。

Catia功能豐富，有零件設(shè)計、裝配設(shè)計、DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)模擬等等，其中知識工程顧問KWA模塊（Knowledge Advisor）的應(yīng)用，可建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動化生成模型，通過輸入轉(zhuǎn)向模塊選項及整車硬點(diǎn)坐標(biāo)，快速生成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)。

5.1 知識工程顧問模塊

知識工程顧問（Knowledge Advisor）模塊能讓開發(fā)人員把產(chǎn)品的設(shè)計知識（包括尺寸關(guān)系式、尺寸約束、特征關(guān)系式等）用知識工程原理表達(dá)出來，組成一個產(chǎn)品的知識庫，通過約束關(guān)系，根據(jù)實(shí)際項目輸入，實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)計。

5.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

根據(jù)平臺規(guī)劃，劃分了不同轉(zhuǎn)向模塊，如C-EPS模塊①、C-EPS②、P-EPS①、R-EPS②等。根據(jù)二級小模塊以上定義，對管柱、轉(zhuǎn)向器進(jìn)行拆分，并與編號對應(yīng)。

5.3 建立模型參數(shù)表

根據(jù)整車硬點(diǎn)，在知識工程顧問模塊中，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)及線約束，通過輸入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)，更新即可得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬點(diǎn)及線。

5.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

通過知識工程顧問模塊，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及參數(shù)化約束，最終搭建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與參數(shù)化約束一體化模型，通過輸入轉(zhuǎn)向模型選擇及整車硬點(diǎn)，即可得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)，此模型即轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動化模型。

在知識工程顧問模塊中，建立轉(zhuǎn)向模塊與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)及線的約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向選項、轉(zhuǎn)向硬點(diǎn)輸入，更新模型即得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)，此即轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動化模型。

6 結(jié)束語

本文通過以C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，介紹一種系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)自動化模型。在Catia知識工程模塊中，根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理，拆分轉(zhuǎn)向模塊數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為工程知識庫，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)自動化模型，在輸入轉(zhuǎn)向模塊選項、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)自動化快速生成系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)，一方面提高工作效率，讓工程師有更多時間用在研究領(lǐng)域，一方面提高集成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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