基于CATIA的汽車橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化設(shè)計_李群.pdf

4 ) 技術(shù)聚焦新參 數(shù) 化 設(shè) 計 指 以 約 束 造 型 為 核 心 ， 以 尺 寸 驅(qū) 動 為特 征 ， 通 過 修 改 基 礎(chǔ) 模 型 的 某 些 零 件 參 數(shù) ， 統(tǒng) 自 動 完 成 對 模 型 的 重 構(gòu) ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 產(chǎn) 品 的 設(shè) 計 和 優(yōu)化 。 參 數(shù) 化 設(shè) 計 極 大 地 改 善 了 模 型 的 修 改 重 構(gòu) 手 段 ，提 高 了 設(shè) 計 的 柔 性 ， 在 實(shí) 體 造 型 、 裝 配 設(shè) 計 、 機(jī) 構(gòu) 仿真 及 優(yōu) 化 設(shè) 計 等 領(lǐng) 域 發(fā) 揮 著 越 來 越 重 要 的 作 用1。 文章 采 用 基 于 幾 何 約 束 的 變 量 幾 何 法 推 導(dǎo) 出 橫 向 穩(wěn) 定 桿各 尺 寸 約 束 公 式 ， 并 結(jié) 合 5 與 件 建立 穩(wěn) 定 桿 實(shí) 體 模 型 ， 通 過 修 改 格 中 的 參 數(shù) 實(shí)現(xiàn) 穩(wěn) 定 桿 參 數(shù) 化 設(shè) 計 。1 橫向穩(wěn)定桿簡介現(xiàn) 代 轎 車 懸 架 的 垂 直 剛 度 值 都 較 小 ， 使 汽 車 轉(zhuǎn) 彎時 車 身 側(cè) 傾 嚴(yán) 重 ， 影 響 汽 車 的 行 駛 穩(wěn) 定 性 ， 為 加 大 懸 架的 側(cè) 傾 角 剛 度 ， 現(xiàn) 在 大 多 數(shù) 汽 車 上 裝 有 橫 向 穩(wěn) 定 桿2。圖 1 示 出 穩(wěn) 定 桿 的 安 裝 示 意 圖 ， 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 桿 身 安裝 在 鉸 支 點(diǎn) C 上 ， 而 鉸 支 點(diǎn) C 固 定 在 車 身 或 車 架 上 。橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 桿 端 通 過 球 鉸 A、 連 接 桿 球 鉸 擺 臂 連 。 穩(wěn)定桿的安裝示意圖2 橫向穩(wěn)定桿尺寸約束的推導(dǎo)選 定 整 車 參 數(shù) 如 下 ： 87.5 簧 載 質(zhì) 心 到 側(cè)傾 軸 線 距 離 50 側(cè) 向 加 速 度 .5 g； 前 后懸 側(cè) 傾 角 剛 度 為 13 Nm)/() 和9 Nm)/()?？?查 整 車 0 . 5 g 時 3 ， 可 由)(=+ 求 得 ：李 群 何 耀 華（ 武 漢 理 工 大 學(xué) 汽 車 工 程 學(xué) 院 ）基于 汽車橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化設(shè)計摘要：參數(shù)化設(shè)計在產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。為完成汽車橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化設(shè)計，文章推導(dǎo)出橫向穩(wěn)定桿尺寸參數(shù)的約束公式，并在此基礎(chǔ)上建立基于模型與現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動橫向穩(wěn)定桿的自動重構(gòu)，完成橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化設(shè)計。運(yùn)用核結(jié)果驗(yàn)證了穩(wěn)定桿參數(shù)化設(shè)計的正確性。關(guān)鍵詞：汽車；橫向穩(wěn)定桿；數(shù)化設(shè)計an in In to of of is of is is of by is of is of is of of 5 期 技術(shù)聚焦= （ 1）式 中 ： =側(cè) 傾 角 ， （ ） ；簧 載 質(zhì) 量 ， kg；簧 載 質(zhì) 心 到 側(cè) 傾 軸 線 距 離 ， mm；側(cè) 向 加 速 度 ， m/f， 前 后 懸 側(cè) 傾 角 剛 度 ， (Nm)/()。由 穩(wěn) 定 桿 與 懸 架 的 幾 何 關(guān) 系4， 可 得 ：穩(wěn) 定 桿 端 點(diǎn) 位 移 量 1=（ 2）式 中 ： B前 軸 輪 距 ， m。穩(wěn) 定 桿 的 形 狀 往 往 比 較 復(fù) 雜 。 為 了 簡 化 計 算 ，可 近 似 認(rèn) 為 穩(wěn) 定 桿 是 一 個 等 臂 梯 形5， 如 圖 2 所示 ， A， B 兩 點(diǎn) 為 穩(wěn) 定 桿 桿 身 與 車 身 的 鉸 支 點(diǎn) 。 穩(wěn) 定桿 的 安 裝 尺 寸 為 ： H=1 049.1 m=213.6 mm；c=315.5 b=51.6 考 慮 實(shí) 際 穩(wěn) 定 桿 形 狀 較 為復(fù) 雜 ， 圖 2 中 未 注 中 心 線 的 彎 曲 半 徑 R=30 m。 橫向穩(wěn)定桿簡化結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定 桿 的 材 料 多 選 用 60 50 章 選 用 50相 關(guān) 參 數(shù) 為 ： 彈 性 模 量E=206 剪 切 彈 性 模 量 G=79 許 用 扭 轉(zhuǎn) 應(yīng)力 =740 圖 2 中 各 參 數(shù) 間 的 幾 何 關(guān) 系 ， 可 確 定 穩(wěn) 定 桿 端點(diǎn) 到 拐 點(diǎn) 距 離 L 及 夾 角 。車 身 側(cè) 傾 時 ， 在 穩(wěn) 定 桿 的 兩 端 部 作 用 有 一 對 大 小相 等 、 方 向 相 反 的 力 F， 使 穩(wěn) 定 桿 發(fā) 生 彈 性 變 形 。 根據(jù) 位 能 相 等 原 理 ， F 作 的 功 與 穩(wěn) 定 桿 中 總 的 變 形 位 能相 等5。 則 ：( ) ( )(22223221+=（ 3）車 身 側(cè) 傾 時 ， 有 2 （ 4）穩(wěn) 定 桿 主 要 承 受 扭 矩 ， 故 ： =3416232/2 5）聯(lián) 立 式 （ 3） （ 5） 得 ：d= ( ) ( )22322/2/(4)1(6+（ 6）( ) ( ) ( ) +223342/2/2/222K=3（ 7）F=2K1（ 8）式 中 ： F穩(wěn) 定 桿 端 部 受 力 ， N；m穩(wěn) 定 桿 縱 向 跨 度 ， 穩(wěn) 定 桿 橫 向 跨 度 ， m；c安 裝 位 置 到 對 稱 面 距 離 ， b安 裝 位 置 到 拐 點(diǎn) 距 離 ， mm；d穩(wěn) 定 桿 直 徑 ， 穩(wěn) 定 桿 的 剪 切 彈 性 模 量 ， 穩(wěn) 定 桿 的 彈 性 模 量 ， 穩(wěn) 定 桿 扭 轉(zhuǎn) 剪 應(yīng) 力 ， 穩(wěn) 定 桿 線 剛 度 ， N/m；泊 松 比 ， p穩(wěn) 定 桿 的 截 面 極 慣 性 矩 ， 穩(wěn) 定 桿 的 慣 性 矩 ， 穩(wěn) 定 桿 端 部 力 F 所 產(chǎn) 生 的 阻 力 矩 ， Nm；穩(wěn) 定 桿 的 許 用 扭 轉(zhuǎn) 應(yīng) 力 ， 此 ， 確 定 穩(wěn) 定 桿 尺 寸 L， ， d 的 約 束 公 式 ， 完成 穩(wěn) 定 桿 尺 寸 約 束 推 導(dǎo) 。 結(jié) 果 如 圖 3 所 示 。A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T 架 (前 懸架 (簧 載質(zhì) 量ms/加 速度 m/ 傾角 /(輪 距B/桿 夾角 /中 心線 彎曲 半徑R/桿 端點(diǎn) 位移1/桿 橫向 跨度H/桿 縱向 跨度m/桿 安裝 位置 到拐 點(diǎn)距 離穩(wěn)定桿端點(diǎn)到同側(cè)拐點(diǎn)距離彈 性模 量E/彈 性模 量G/扭 轉(zhuǎn)應(yīng) 力/比 穩(wěn) 定桿 直徑d/桿 的線 剛度 K/(N/m)2 9 096 13 643 688 0 8 436圖3 穩(wěn)定桿尺寸約束的6 6 月技術(shù)聚焦新3 立橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化基礎(chǔ)模型61） 在 塊 里 ， 用 f（ x） ）命 令 輸 入 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 尺 寸 參 數(shù) 和 公 式 ， 將 桿 的 未 知 尺寸 斜 臂 長 L， ， d 與 基 本 尺 寸 H， b， c， m， R 相 關(guān) 聯(lián) ；2） 運(yùn) 用 具 ， 由 輯 公 式進(jìn) 行 參 數(shù) 化 輸 入 ， 建 立 桿 的 軸 中 心 線 和 桿 的 中 心 截 面 ，掃 掠 得 到 一 側(cè) 桿 的 桿 身 模 型 ；3） 用 工 具 ，由 輯 公 式 進(jìn) 行 參 數(shù) 化 輸 入 ， 做 出 桿 的端 點(diǎn) 模 型 ， 再 將 桿 端 與 桿 身 模 型 一 起 ；4） 對 稱 得 到 桿 的 另 外 一 側(cè) 模 型 ， 再 將 左 右 兩 側(cè)模 型 一 起 ；5） 轉(zhuǎn) 換 到 塊 生 成 桿 的 實(shí) 體 模 型 ，即 穩(wěn) 定 桿 的 參 數(shù) 化 基 礎(chǔ) 模 型 ， 如 圖 4 所 示 。圖4 向穩(wěn)定桿模型的參數(shù)化重構(gòu)通 過 令 將 圖 3 所 示 的 格與 礎(chǔ) 模 型 相 關(guān) 聯(lián) 。 只 需 要 在 格 里更 改 穩(wěn) 定 桿 的 相 關(guān) 參 數(shù) 并 保 存 ， 礎(chǔ) 模 型 將會 自 動 重 構(gòu) ， 建 立 新 的 穩(wěn) 定 桿 模 型 ， 重 構(gòu) 后 的 模 型 ，如 圖 5 所 示 。圖5 重構(gòu)后的穩(wěn)定桿模型將 穩(wěn) 定 桿 尺 寸 約 束 的 件 ， 與 建 立 的 穩(wěn) 定桿 的 參 數(shù) 化 基 礎(chǔ) 模 型 相 關(guān) 聯(lián) ， 此 模 型 能 夠 實(shí) 現(xiàn) 參 數(shù) 驅(qū)動 完 成 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 自 動 重 構(gòu) ， 達(dá) 到 了 參 數(shù) 化 設(shè) 計 的目 的 。4 橫向穩(wěn)定桿的有限元分析7在 件 里 建 立 橫 向 穩(wěn) 定 桿 有 限 元 模 型 。采 用 實(shí) 體 單 元 劃 分 網(wǎng) 格 ， 選 用 線 性 元 （ 元 ） ， 模 型 共 56 730 個 單 元 ， 273 775 個 節(jié) 點(diǎn) 。根 據(jù) 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 受 力 分 析 和 該 型 穩(wěn) 定 桿 的 實(shí) 際工 況 ， 在 件 中 ， 對 橫 向 穩(wěn) 定 桿 中 間 2 個 與套 筒 的 連 接 面 作 位 移 約 束 ， 限 制 x 軸 及 z 軸 的 移 動 。根 據(jù) 實(shí) 際 計 算 出 的 載 荷 ， 對 橫 向 穩(wěn) 定 桿 兩 端 面 分 別 施加 大 小 為 1 ， 方 向 相 反 的 z 向 載 荷 。 對 橫 向穩(wěn) 定 桿 做 靜 力 學(xué) 分 析 ， 得 到 橫 向 穩(wěn) 定 桿 應(yīng) 力 云 圖 ， 如圖 6 所 示 。 可 以 看 出 最 大 應(yīng) 力 集 中 在 拐 角 處 編 號 為11 130 的 節(jié) 點(diǎn) 上 ， 最 大 值 該 材 料 的 扭 轉(zhuǎn)剪 切 應(yīng) 力 為 740 可 以 看 出 在 該 載 荷 情 況 下 滿 足要 求 。 局 部 放 大 圖 ， 如 圖 7 所 示 。 最 大 位 移 處 為 穩(wěn) 定桿 端 部 節(jié) 點(diǎn) 1 311 處 ， 其 值 為 +另 一 端 部節(jié) 點(diǎn) 的 變 形 量 為 將 上 述 變 形 量 折 算 為 橫向 穩(wěn) 定 桿 一 端 固 定 ， 另 一 端 的 總 變 形 量 為 .BYf.JOffffffffffffff4.JTFTWH.BYf&MFN1/PEF.JOf&MFN1/PEF.BYf 圖6 穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)第44頁）4 6 月技術(shù)聚焦 上 述 28 種 工 況 多 體 仿 真 計 算 得 到 的 所 有 載 荷 ，表 明 改 進(jìn) 結(jié) 構(gòu) 的 前 支 架 滿 足 強(qiáng) 度 要 求 。.BY(MPCBM.JO(MPCBMv; 前支架改進(jìn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖經(jīng) 過 仿 真 分 析 計 算 后 ， 對 前 支 架 改 進(jìn) 結(jié) 構(gòu) 試 制6 臺 份 手 工 樣 件 ， 并 安 裝 在 試 驗(yàn) 車 上 進(jìn) 行 了 7 萬 耐 久 試 驗(yàn) 。 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 ， 改 進(jìn) 結(jié) 構(gòu) 的 前 支 架 樣件 沒 有 發(fā) 生 開 裂 或 失 效 的 情 況 ， 因 此 驗(yàn) 證 了 前 支 架 結(jié)構(gòu) 修 改 的 有 效 性 與 可 靠 性 。3 結(jié)論1） 利 用 動 力 總 成 懸 置 系 統(tǒng) 多 體 動 力 學(xué) 模 型 計 算得 到 前 支 架 使 用 中 承 受 的 載 荷 ， 使 用 有 限 元 方 法 計 算得 到 前 支 架 的 應(yīng) 力 和 能 承 受 的 極 限 載 荷 ， 該 方 法 可 以對 發(fā) 動 機(jī) 前 支 架 進(jìn) 行 強(qiáng) 度 分 析 ；2） 利 用 計 算 機(jī) 仿 真 計 算 技 術(shù) ， 可 以 在 設(shè) 計 早 期發(fā) 現(xiàn) 結(jié) 構(gòu) 問 題 ， 并 計 算 校 核 修 改 結(jié) 構(gòu) 方 案 的 可 行 性 ，能 有 效 縮 短 開 發(fā) 周 期 和 減 少 開 發(fā) 成 本 。參考文獻(xiàn)1 張 泓 4 動 機(jī) 支 架 疲 勞 性 能分 析 研 究 D 黑 龍 江 ： 東 北 林 業(yè)大 學(xué) ， 20062 翟 麗 穎 發(fā) 動 機(jī) 前 安 裝 支 架 斷 裂 原 因 分 析 J 天 津 汽 車 ， 2006（ 3） ：24273 2008 ： 13（ 收 稿 日 期 ： 20110309）（上接第26頁）6.BHOJUVEF.BY/PEF1.JO/PEF1.JO.BY.BY圖7 穩(wěn)定桿中部 6 可 以 看 出 ， 在 距 離 套 筒 最 近 的 拐 點(diǎn) 處 發(fā) 生應(yīng) 力 集 中 ， 此 現(xiàn) 象 與 事 實(shí) 相 符 。 在 汽 車 行 駛 過 程 中 ，該 處 所 在 截 面 為 危 險 截 面 ， 易 產(chǎn) 生 疲 勞 斷 裂 。 該 載 荷下 穩(wěn) 定 桿 端 部 變 形 為 與 計 算 所 得 穩(wěn) 定 桿端 部 變 形 較 ， 誤 差 為 校 核 結(jié) 果滿 足 強(qiáng) 度 要 求 。5 結(jié)論采 用 與 格 相 關(guān) 聯(lián) 的 礎(chǔ) 模 型 ，能 夠 實(shí) 現(xiàn) 參 數(shù) 驅(qū) 動 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 自 動 重 構(gòu) ， 它 解 決 了不 同 規(guī) 格 的 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 參 數(shù) 化 設(shè) 計 問 題 。 對 參 數(shù) 化設(shè) 計 的 穩(wěn) 定 桿 的 強(qiáng) 度 校 核 結(jié) 果 顯 示 ， 穩(wěn) 定 桿 端 部 變 形量 與 設(shè) 計 變 形 量 相 近 ， 誤 差 為 滿 足 橫 向 穩(wěn) 定桿 設(shè) 計 的 強(qiáng) 度 要 求 。參考文獻(xiàn)1 張 峰 ， 李 兆 前 ， 黃 傳 真 參 數(shù) 化 設(shè) 計 的 研 究 現(xiàn) 狀 與 發(fā)展 趨 勢 J 機(jī)械 工 程師 ， 2002（ 1） ： 122 廉 保 緒 ， 丁 能 根 橫 向 穩(wěn) 定 桿 的 參 數(shù) 計 算 與 設(shè) 計 J 洛 陽 工 學(xué) 院 學(xué)報 ， 2000， 21（ 3） ： 593 王 望 予 汽 車 設(shè) 計 M 4 版 北 京 ： 機(jī) 械 工 業(yè) 出