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基于CATIA参数化的汽车悬架设计技术 |
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作者：黄旭其 钟守炎 左远志 李熙亚 |
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引言
由于纵置式板簧非对称悬架其有承载能力强，结构简单，工作可靠，成本低，安装使用方便，前轮定位参数变化小，制造容易等优点，所以被广泛应用与各种答应货车和客车上。板簧不只是起着弹性元件的作用，也兼有导向和阻尼元件的功能。不但对车辆的平顺性有影响.对车辆的操纵稳定性、行驶安全性、车身的侧倾和燃油经济性都有一定的影响。现代汽车的整体性能要求越来越高，因此设计出一个参数准确的悬架至关重要。
1 确定钢板弹簧支架在车架上的位置
在悬架设计中，除了常规的计算外，板簧支架的左右位置很好确定，纵向位置却不好确定，如何将一个已设计完成的悬架系统按总布置参数要求精确地 "装配"到车架上，并不是一件容易的事，而利用三维设计软件的参数化特性，使这项工作变得十分简单。
在车架纵梁腹板上建立V-H坐标系，V轴理论上通过桥心，H轴表示车架下翼面。
悬架设计中，总布置给出的控制参数一般是满载时的桥心坐标，通过计算，将桥心的v向坐标换算成板簧的满载弧高，但如何根据桥心的H向坐标并结合它的v向坐标共同确定板簧支架在车架上的位置呢?
本设计以板簧第一片来代表悬架系统，由 "两个小圆"和 "一段圆弧"组成。"两个小圆"表示板簧卷耳， "一段圆弧"表示第一片。如果板簧第一片的外形不是圆弧而是其它曲线，利用三维软件的曲线库也可以画出其它曲线来表示第一片。板簧支架的中心与板簧卷耳中心是重合的 ，只要确定了钢板弹簧卷耳中心在车架上的位置，就同时确定了板簧支架中心的位置板簧总成与车桥通过骑马螺栓紧固在一起，板簧第一片与桥心的相对位置是确定的，画出了板簧第一片，就回出了桥心，然后按总布置要求约束桥心坐标.最后标注两端卷耳到坐标轴的距离 ，即确定板簧卷耳中心在车架上的位置。
其流程:①随意画两个小圆，表不板簧的卷耳 ;根据板簧卷耳的实际大小，加上尺寸约束;②用三点画圆法画板簧第一片;③板簧第一片与卷耳是相切的.在它们之间分别加上两个约束 :相切和第一片的端点在卷耳圆周上，见图1； ④两个卷耳圆圆心的连线，为板簧弧高的测量基准线;⑤画弧高基准线的垂直平分线，约束这条直线的端点到板簧第一片的距离尺寸 (点到曲线的距离)，正好等于桥心到第一片的实际距离 ，直线端点即为桥心;⑥根据总布置要求的坐标值L1和 a约束桥心位置;⑦图2中M点的坐标即前支架在车架上的位置。
图1 第一片板簧绘制
如果悬架结构是前卷耳、后滑板式，N点即为滑板与板簧的接触点，根据此点坐标，也可确定后支架的位置;如果悬架结构两端均为卷耳式，后卷耳处有吊耳，以吊耳长为半径、N点为圆心划圆弧，后支架中心就在这段圆弧上;有些板簧的布置，夹紧段前后不是对称的，利用上述方法同样能精确画出支架的位置。
2 传动轴的跳动
车辆行驶中，板簧弧高不断的变化，车桥不但随弧高上下位移，还要发生转动，从而引起传动轴的伸长缩短和万向节夹角的变化。如果用数学方程求解传动轴的跳动十分复杂，以前工程师们在做这项设计时，常假设桥的倾斜角度不变，只作平移运动，先粗略求解，再通过实际装车来修正。
本文利用三维软件的参数化特性，在初始设计阶段就能够精确画出传动轴的伸缩量和夹角，保证传动轴长度最长时花键套与轴不脱开，长度最小时不顶死，万向节夹角变化在设计允许范围内。传动轴跳动的极限位置要从三个方面考虑:①当板簧弧高等于零、第一片伸直时;②当桥下行到吊耳与地面垂直，桥心位置最低时；③ 当桥上行至桥壳与车架刚性碰撞 ，桥心位置最高时。驱动桥的输人法兰 (也是传动轴的一端法兰)与桥心的位置是确定的，而桥心与板簧第一片的位置也是确定的，对应丁板簧的每一项弧高，驱动桥输人法兰的位置都是唯一的，只要分别画出各种状态下传动轴两端法兰的连线，即可确定传动轴的极限长度和夹角。
不管是板簧伸直还是下行上跳，作图法相同，下面以板簧下行极限位置 为例介绍如下 :① 画出前后板簧支架中心的位置和吊耳;②画桥下行时的最低位置.吊耳与H轴垂直，将板簧与桥一起 "装"到支架上，确定驱动桥桥输入法兰的位置;③画出两端法兰的连线;④用测量命令测量传动轴的长度和夹角，见图 3按同样的方法同出其它状态下传动轴两端法兰的连线，比较长度和夹角值的大小，确定极限值。
不管是板簧伸直还是下行上跳，作图法相同，下面以板簧下行极限位置 为例介绍如下 :① 画出前后板簧支架中心的位置和吊耳;②画桥下行时的最低位置.吊耳与H轴垂直，将板簧与桥一起 "装"到支架上，确定驱动桥桥输入法兰的位置;③画出两端法兰的连线;④用测量命令测量传动轴的长度和夹角，见图 3按同样的方法同出其它状态下传动轴两端法兰的连线，比较长度和夹角值的大小，确定极限值。
3 确定副簧支架在车架上的位置
在主副板簧式悬架结构中，关于副簧支架位置的确定，某些工程师以满载主副簧取一定弧高为基准位置，加上副簧自由弧高反求支架位置。本文提出一种新的方法，说明如下:①建立V一H坐标系，坐标轴的含义同前;②根据主副簧的载荷分布，计算出副簧起作用时的主簧弧高，画出主簧(以第一片表示);③根据第一片与桥心的相对位置将桥心"装"到板簧上;④计算副簧起作用时的桥心高度，约束桥心位置;⑤将副簧"装"，到主簧上;⑥当副簧与其支架刚接触时，弧高仍然等于自由弧高，利用这个特点确定副簧支架的位置作者曾用上述设计法确定副簧支架在车架上的位置，结果相当精确。
4 校核转向传动装置与悬架导向机构的运动
对板簧式前悬架，当转向轮相对车身上下振动时，转向纵拉杆与前桥相连的铰接点 ，一方面随板簧所决定的轨迹运动，同时绕纵拉杆另一端摆动。这两种运动的轨迹有偏差，如果偏差太大.会引起转向轮摆振和反向冲击。
传统校核法是：设定板簧第一片中点的轨迹为一段圆弧，圆心位置在纵向与前卷耳中心相距le/4 (le为卷耳中心到前U形螺栓中心的距离)，在高度上与卷耳中心相距 e/2 (e为卷耳半径)。转向纵拉杆与前桥相连的铰接点沿着板簧第一片中点的轨迹作平动。
笔者认为，当汽车行驶速度不高时，传统校核法的误差对整车性能的不良影响还不明显，但现代汽车行驶速度越来越高，这项误差不容忽视。采用本文提供的方法，可精确校核转向传动装置与悬架导向机构的运动轨迹，现介绍如下:①建立V-H坐标系，坐标轴含义如前;②以 "两个小圆"+"一段圆弧"，组成板簧第一片来代表悬架系统;③当汽车直线行驶或者以某个确定的角度转弯行驶时，转向纵拉杆与前桥相连的球销中心"0"点相对板簧第一片的位置是唯 一确定的。根据它们之间的相对距离，画上"0" 点;④当板簧弧高变化时，纵拉杆与前轴连接的球销中心 "0"点将随弧高而变化;⑤取板簧的弧高值分别为100、70、40、16以及板簧反弓时的弧高-14、-40、-70，分别画出纵拉杆与前轴连接的球销中心 "O"点随弧高变化后的位置点; ⑥画出纵拉杆另一端球销，其坐标值为( 947，112)，见图5;⑦纵拉杆长968，以此为半径画圆 弧。该圆弧与球销中心"O"点的轨迹是不重合的，见图6。
两条轨迹的误差较大，应调整相关零件的尺寸.使两条轨迹的差值最小。
5 结束语
本设计方法也可以通过运用其它一些三维软件的功能来实现对汽车悬架设计中的参数化设计，同样可以减少产品开发设计周期。(end)
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(4/8/2008) |
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