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Pro/ENGINEER模拟纵置板簧运动设计的应用 |
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作者：北汽福田汽车股份 杨学 安娜 |
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摘要：本文运用ProENGINEER软件中样条曲线的特性来模拟制做汽车纵置钢板弹簧，通过关系式来驱动样条曲线中点到相对固定点的尺寸值，从而实现板簧上下运动，模拟悬架不同工作状态，应用于整车总布置运动间隙校核。
关键词：样条曲线 关系式 模拟
1 前言
随着汽车产品开发设计手段的不断提高，通过三维模型设计来模拟汽车实际状态的设计应用越来越多，Pro/ENGINEER三维设计软件就是进行汽车设计的常用工具之一。在进行汽车总布置过程中，经常需要一些动态校核，来验证和分析各零部件之间的运动间隙，避免各零部件之间发生运动干涉。在这一过程中，前后悬架的运动分析极为重要，因为它是汽车行走系与车身或车架连接的关建部分。前车轮与轮罩之间相对位置关系、前轴与发动机油底壳之间的运动间隙，后车轮与货箱底板间运动间隙、传动轴的运动校核乃至整车资态调整等，均与前后悬架的上下跳动有直接关系，因此做好前后悬架的运动模型，对整车三维模型的运动分析、校核极为重要。下面是创建纵置钢板弹簧悬架三维运动模型时的各实际操作步骤（以Pro/ENGINEER 2000i版本为操作实例）。
2 前悬架运动模型的建立
在接到新产品开发项目描述书后，按整车总布置需求，初步确定前、后悬架方案后，以整车总布置所提供的初步车架模型作为设计骨架模型，就可以开始悬架三维运动模型的建立。
2.1 前悬架系统装配的建立
（1）依次选择“File→Create→Assembly”，创建空的组件，给出悬架装配的图号作为文件名，例如“Qianxuanjia”，系统默认扩展名为“.asm”。
（2）在Qianxuanjia组件中，打开“Component（元件）→Create→Skeleton Model（骨架模型）”，建立前悬架系统的骨架模型，系统默认名称为“Qianxuanjia_skel．prt”，如图1所示。按提示，在Creation options中设置骨架模型为Empty(空)，按“ok键”确认即可；
图1
（3）再次打开“Component（元件）→Create→Subassembly（子组件）”选项，建立钢板弹簧总成的空子组装配，并给出相应的文件名图号为“Qianbanhuang”；
（4） 运用与（3）相同的步骤方式，创建减振器总成空的子组装配，并给出相应的文件名图号为“Jianzhenqi”；建立以上空骨架以及空子组装配后，保存文件，就可以进行下一步悬架系统总成骨架的设计。
2.2 系统骨架模型的设计
(1)打开文件“Qianxuanjia_skel.prt”，创建板簧运动所需要的样条曲线，以及钢板弹簧后吊耳运动控制曲线。在Feature（特征）中依次进行如下操作，“Feature→Create→Datum→Curve→Sketch→Done”，进入到草绘界面，指定绘图参照面后，进行如图2所示的草绘。
图2
首先，按悬架草布置方案确定板簧前后及吊耳安装的D、F、R点，并用草绘中的“Line→Centerline”构造连接板簧两安装中心点D、F的对称中心线轴线G，约束D、F点关于中心轴线G对称；其次，依次点击“Sketch→Adv Geometry(高级几何)→Spline→None”，过D、E、F点做如图所示的样条曲线，用直线连接F点和吊耳上固定R点，作为吊耳的运动控制曲线。接下来，做短曲线A，并约束曲线A与经过D、F点的构造中心线平行，并设置一定的距离（一般要大于板簧反弓量），用来为板簧样条曲线标注尺寸作参照基准；最后，对草绘进行尺寸标注。样条曲线B的标注，需按如下步骤进行。首先点击 Dimension(尺寸标注)里面的Perimeter（周长），选择样条曲线B，并选择吊耳摆角a作为变量。标注短曲线A与样条曲线B中点的距离作为板簧弧高，修正样条曲线的周长等于板簧伸直长度，其余尺寸按上图所示正常标注。按图2所示绘制完毕后，点击“Done”，这样就完成了板簧样条曲线的草绘工作。
(2)为便于板簧弧高的修改，建立一条参照尺寸。同样点击“Feature→Create→Datum→Curve→Sketch→Done”，进入到草绘界面，通过板簧前安装点D，按图3所示制作曲线并标注尺寸。
图3
(3)创建板簧样条曲线中心点“PNT0”。为了使缓冲块、骑马螺栓等附件与板簧中心实现同步运动，需要做出板簧样条曲线中心点，作为这些附件的安装基准。依次点击“Feature→Create→Datum→Point→On Curve→Length Ratio”，选取板簧样条曲线，给出曲线中点长度比值0.5，并依次确认，所创建中心点就是板簧的中心点。
(4)按板簧的运动规律，给以上绘制的曲线建立关系式，步骤如下：首先，点击“Relations →Show Dim（显示尺寸）”，选择“曲线”，显示如图4所示。 点击“Relations ”下的“Edit Rel（编辑关系）”，弹出默认名为“Rel.Ptd”的记事本，进行如下编写并存盘，这样就建立了板簧样条曲线的关系式，如图5所示。说明：式中200是短曲线A到DF轴线的距离，设定D9=100时，为板簧压平状态。大于100为板簧下跳状态；小于100为板簧反弓状态，变化量为D9与100的差值。此时，任意修改D9的数值并再生，你将会发现板簧样条曲线和吊耳夹角均如你所愿地发生了变化，实现了上下运动。
图4
图5
(5)建立减振器上、下安装参照点。
按照事先确定的减振器上下固定点，建立如图6所示两条曲线M、H，其中上曲线M的尺寸标注应以相对静止的板簧前固定点D为参照，待悬架系统与整车装配后，此点相对车架就成为静止不动点。下曲线H的标注，是以样条曲线B的中点PNT0（事先做出此基准点）为标注基准，这样曲线H就随曲线B的中点而运动，从而实现减振器下端与板簧中心同步运动。分别在曲线M和H两端点创建基准点PNT4、PNT5、PNT6、PNT7，分别作为左、右减振器的上、下安装点。至此为止，前悬架的骨架模型已基本建立。
图6
2.3 钢板弹簧零件实体的建立
(1)返回到前悬架系统Qianxuanjia.asm中，在Model Tree（模型树）里用鼠标右键选中已建立的板簧总成Qianbanhuang.asm并打开该文件。依次点击“Component→Create→Part”，给出图号“1104929200012．prt”作为文件名，如图7所示，点击“OK”确认。打开该文件，并创建草绘用缺省基准面。
图7
(2)在Qianxuanjia.as m中，依次点击“Modify→Mod Prt”，在模型树中选中Qianbanhuang.prt，如图8所示。在弹出菜单中依次点击“Feature→Create →Geometry(几何特征)→Copy Gom（复制几何）”，将会弹出一个Copy Geometry的定义菜单，选择其中的“Curve Refs”项目，单击“Define”图标，然后在绘图区选择样条曲线B，点击“OK”确认。这样，就将骨架当中的板簧样条曲线特征复制到零件当中，作为创建板簧零件的参照基准。
图8
(3)把文件界面切换到Qianbanhuang.prt，依次点击“Feature→create→Solid→Protrusion→Sweep→Solid→Done→Select train”，然后选择样条曲线所在基准面为草绘截面，进入草绘对话界面并选择复制特征作为扫描的参照轨迹，按设计需求绘制如图9所示的各片断面图，作为扫描截面。绘制完毕后，选择“Done”键，生成如图10所示板簧片实体。
图9
图10
(4)按照板簧设计各片长度的需求，将上步骤生成的实体切减材料，生成实际状态的板簧实体。
通过草绘里Geom Tools(几何工具)中的Offset Edge(偏距边)命令，按各片板簧的厚度依次偏距样条曲线，得到各片板簧边曲线（对于上卷耳和平卷耳式板簧，可通过调整第一片簧上表面曲线偏移距离来实现），再根据各片簧的长度，依次截断曲线，绘制如图9所示的板簧实体截面。单击“Done”后，按板簧宽度给出零件拉伸厚度。这样板簧的主体部分就建成了。依次点击“Feature→Create→Solid→Cut→Extrude→Solid→Done→Both Side→Done”，选择扫描实体的中间面作为草绘截面，作如图11所示切减材料，选择切除外侧多余部分后，即生成如图12所示的实体。
图11
图12
(5)同样用扫描的步骤可以分别做得板簧前后卷耳。值得注意的是在做前后板簧卷耳时，标注尺寸一定要以上一步板簧主体所生成实体的两端面和样条曲线端点共同作为参照基准，这样才能实现板簧卷耳与板簧同步运动，不会发生零件生成错误。
这样板簧零件就基本建成了，再在Qianbanhuang.asm总成中分别装配上板簧夹子、中心螺栓等附件就可以了，如图13所示。
图13
2.4 减振器总成的设计及装配
(1)在已经建立的减振器装配总成Jianzhenqi.asm组件中，参照建立骨架模型1．3步骤，建立减振器的骨架模型，系统默认文件名为Jianzhenqi_skel.prt。
(2)参照钢板弹簧零件建立过程中的第1二步骤内容，将系统骨架模型Qianxuanjia_skel.prt中减振器安装参照点PNT4、PNT5、PNT6、PNT7及板簧纵向中心所在的基准面等几何特征复制到文件Jianzhenqi_skel.Prt中，过板簧同侧两基准点做基准轴，作为减振器总成的安装基准。这样可以左右悬架共用同一个骨架模型。
(3)按照减振器设计尺寸，分别做出减振器上、下两半部分，并在上、下吊耳安装中心创建基准点。
(4)分别将减振器上、下两部分装配于Jianzhenqi.asm中，并在装配过程中分别约束减振器上下安装点与骨架Jianzhenqi_skel.prt中对应的基准点对齐，约束减振器中心轴线与骨架中轴线对齐，以便保证减振器上下部分与骨架中的基准点同步运动，实现减振器总成的伸缩。如图14所示。
图14
2.5 装配附件
在前悬架系统装配总成Qianxuanjia.asm中，依次装配板簧前销轴，吊耳销轴、缓冲块总成、骑马螺栓、减振器支架等附件。将悬架装置最终装配于整车骨架模型当中，如图15所示状态。
图15板簧压平状态
在装配缓冲块总成和骑马螺栓的装配过程中，需注意其装配基准一定要以板簧样条曲线B的中点PNT0作为参考基准点，才能实现与板簧的同步运动；装配板簧吊耳总成时，需保证吊耳零件的上下销轴与系统骨架中吊耳曲线C的上下端点Y方向的轴线对齐，实现吊耳随板簧运动而摆动。在整车装配中，前桥总成的装配，也同样要以PNT0作为参考基准点，才能实现前桥、以及桥上所装配轮胎等零部件随悬架总成一起运动，从而实现行走系的动态模拟。所有零件装配完毕后，通过点击“Modify（修改）→Mod mid（修改尺寸）→Value（值）”，选取骨架尺寸D9并修改其数值，再分别点击“Regenerate（再生）→Automatic（自动）”选项，使D9数值分别大于100、等于100和小于100，则实现板簧向下跳动状态、板簧压平状态和板簧向上跳动反弓状态。你同时会发现板簧吊耳、缓冲块、骑马螺栓、前轴等随板簧一齐运动，减振器的长短也因板簧的上下跳动而缩短和伸长，从而验证了前轴与发动机油底壳之间的运动间隙、减振器的长短，结合前轮转向，可验证前车轮与轮罩之间相对位置关系等等。再经过对系统装配总成进行必要的修饰、细化后，前悬架模型的创建就基本完成了。图16、图17、图18分别是前悬架不同状态下的模拟演示。
3 后悬架运动模型的建立
后悬架主簧及减振器等零部件的建立过程可完全参照前悬架相关零部件的创建步骤，在此就不再重复说明。而副钢板弹簧因在工作过程中有副簧不参与工作、副簧开始和副簧支架接触参与工作、副簧压平和副簧反弓等几种状态，需要在模型建立过程中分别对待。这些分析与主簧模型的建立相比较，稍复杂一些。设后悬架装配系统文件名为Houxuanjia.asm，骨架模型文件名为Houxuanjia_skel.prt，下面主要介绍副钢板弹簧的模型的建立步骤。
3.1 副钢板弹簧骨架模型的建立
（1）运用和前悬架骨架模型建立相同的方法，建立后悬架系统主簧部分骨架模型。继续打开后主簧骨架模型Houxuanjia_skel.prt，在主簧骨架模型同一草绘平面内，创建副簧骨架模型。
顺次点击“Feature→Create→Datum→Curve→Sketch→Done”，进入到草绘界面，然后再依次点击“Sketch→Adv Geometry(高级几何)→Spline（样条）”，如图19所示绘制副簧样条曲线，并约束曲线两端点关于板簧中心线对称。标注样条曲线周长等于副簧作用点伸直长，选择系统默认样条曲线尺寸为参考变量。再分别标注副簧样条曲线中点和经过两端点的中心线到短线A的距离，作为驱动副簧运动的曲线。
图19
（2）为主、副簧样条曲线加注关系式。点击“Relations（关系）→Show Dim(显示尺寸)”，选择主、副簧样条曲线，显示尺寸代码。点击“Edit Rel（编辑关系）”，在弹出的记事本中输入如图20所示的关系式，“/*”后面的文字是对关系式中主副簧不同工作状态的注解，保存文件，这样主副簧运动关系式就基本建成了。
图20
（3） 参照前悬架钢板弹簧零件的建立过程中第1、2、3、4步骤及方式，建立主、副钢板弹簧实体。
3.2 装配附件
依次再装配上骑马螺栓、垫板、盖板、吊耳总成、缓冲块以及减振器总成等全部附件。装配如图21所示。将做好后的后悬架模型装配于整车总布置所提供的骨架模型当中，检验是否满足设计需求，再进行必要的修饰、调整后，整个后悬架模型就建立完毕了。
在整车装配当中，装配上与悬架相关联的后桥、车轮、传动轴等总成后，就可以模拟悬架上、下跳动，验证传动轴长度，轮胎与货箱底板的运动间隙了。
图22～图24分别模拟了主、副簧处于不同的工作状态。
4 结束语
本文所介绍的前后悬架制做方式为正向设计方式，即直接在整车总布置所提供的车架骨架模型装配中建立悬架系统的三维模型。这种设计模式可以实现整车与零部件的互动设计，即在零部件中所做的任何改进设计，都会即时在整车装配模型的体现出来。这有利于整车总布置与零部件设计符合性的早期验证，及时地暴露设计过程中存在的匹配和干涉等问题。
右侧的前、后悬架的制做可以参照左侧悬架制做方法，将减振器、板簧销轴等对称安装即可。如果左、右悬架采用不同的悬架骨架模型的话，还可以实现左、右悬架不等弧高，即车桥斜跳状态，来模拟整车极限工作状况。(end)
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(11/14/2005) |
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