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CAE/模拟仿真 |
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运动仿真改进汽车质量 |
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作者：河北中兴汽车制造有限公司 陈玉莎 来源：汽车制造业 |
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河北中兴汽车制造有限公司针对稳定杆橡胶衬套磨损的质量问题，采用运动仿真技术，通过建立多体运动学模型，实现了对车轮动态跳动时系统参数的变化进行仿真分析，最终为汽车质量的改进提供了一个有效的方法。
机械工程中的运动仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术，工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机试验。运用虚拟样机运动仿真技术，可提高产品的系统性能，获得最优化的产品设计，同时大大缩短产品开发周期，大幅度降低开发成本。
运动仿真技术的研究范围主要在机械系统动力学和运动学方面，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的动力学和运动学分析，以确定系统及其构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。常用的软件是美国MDI公司开发的ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）。
河北中兴汽车制造有限公司（以下简称“中兴汽车”）不但在新产品开发设计中采用运动仿真技术，还将此技术用于汽车零部件的质量改进。
中兴汽车BQ6473车型上市初期，市场反馈前横向稳定杆橡胶衬套异常磨损，造成汽车行驶时前悬架异响，严重影响了整车的舒适性。我厂技术人员通过及时对故障产品的技术分析，发现问题可能是在极限位置时稳定杆和卡箍发生干涉，导致稳定杆衬套磨损（见图1）。为解决此质量问题，中兴汽车采用了运动仿真技术。
图1 稳定杆衬套结构
建立运动模型
中兴汽车BQ6473车型前悬架系统为扭杆式双横臂独立悬架，横向稳定杆通过吊杆与车架连接，横向稳定杆两端通过卡箍与下横臂连接（见图2）。由于悬架系统左右对称，因此，取其左1/2作为运动学分析对象。
图2 前悬架系统
在进行运动学仿真时做如下的假设：
1. 上横臂、下横臂通过衬套与车架连接，在运动学分析中，该连接可假设为铰接副连接；吊杆通过衬套与车架连接，假设为铰接副连接；吊杆与横向稳定杆之间通过衬套连接假设为铰接副连接；稳定杆端部通过卡箍、衬套与下横臂连接，假设为点线连接；转向节与上、下横臂通过球销连接，假设为球形副连接。
2. 所有零件都认为是刚体，各运动副均为刚性连接，各运动副内摩擦力、内部间隙忽略不计。
3. 吊杆上端与车架间的橡胶衬套、吊杆与稳定杆间的衬套以及横臂与车架间的衬套是刚性的。
4. 因本次仿真主要想得到影响稳定杆与横臂之间衬套的性能参数，模型中忽略该衬套。
5. 当车轮上下跳动时，横臂围绕衬套上下摆动，车轮上下跳动的极限位置分别为下摆臂缓冲块压缩50%和上横臂缓冲块压缩50%。
软件分析
在三维软件（Unigraphics）中完成零部件的三维造型和装配，并且对转向节和稳定杆吊杆进行简化建模，然后通过中间格式文件经ADAMS的导入命令读入模型文件，在ADAMS/VIEW中加入各种约束及边界条件。加入的约束类型：铰接副、球形副和点线副，施加的载荷为下横臂和车架的铰接副的转动，并给予了转动的角度极限（见图3）。
图3 前悬架运动模型
计算与结果分析
运动模型建立后，在ADAMS/VIEW中调用ADAMS/SOLVE模块，仿真分析中给下横臂的铰接副一个转动载荷，并且限制上下横臂的转动角度，就计算出各种工况下稳定杆橡胶衬套的特性值：轴向变形、弯曲变形，同时以图表形式输出各种自定义参数。
通过对运动结果的分析，发现在极限位置时稳定杆和卡箍中心线的夹角为12.02°，则稳定杆和卡箍会发生干涉（见图4），并且通过对售后市场反馈回来的稳定杆衬套故障件进行分析，发现橡胶衬套的边缘处磨损严重，正好为稳定杆和卡箍发生干涉的地方，因此得出橡胶衬套的弯曲变形是影响稳定杆橡胶衬套异常磨损的重要因素。
图4 稳定杆和卡箍发生干涉
制订优化方案并理论验证
改进目标是减小橡胶衬套的弯曲变形，本着改进成本最小化的原则，制订改进方案：增加稳定杆衬套的厚度，由原来的3mm变更为5.5mm，并且保持橡胶衬套的内径不变；随着衬套的厚度及外径发生变更，卡箍的半径也作相应的变更，并且将卡箍和橡胶衬套的接触面改为圆弧面，减小接触应力；更改下横臂稳定杆卡箍支架在下横臂的焊接角度，转动2.2°。
按照以上方案改进后，得到如下技术参数：
1. 经过对稳定杆端部中心到橡胶衬套端部中心距离的测量，得到如图5所示的橡胶衬套的轴向变形数据。
图5 改进前/后橡胶衬套的轴向变形
2. 经过对稳定杆端部中心线与稳定杆橡胶衬套中心线夹角的测量，得到如图6所示的橡胶衬套的弯曲变形数据。
图6 改进前/后橡胶衬套的弯曲变形
3. 图7所示为改进后卡箍和稳定杆的接触情况对比。从图中可以看出，相比图4所示位置而言，改进后极限位置时稳定杆和卡箍间隙为2.78mm。
图7 改进后极限位置时稳定杆和卡箍不干涉
改进样件，实物验证
针对以上采取的方案，我公司和配套厂家一起进行了样件的制作，并进行了样件的装配验证和3个月的市场验证，使故障里程由原来的不到3 000km提高到10 000km以上。根据最新售后信息分析，此质量问题已得到解决。
结语
随着汽车召回制度的完善，汽车企业更加关注和重视产品在实际应用中的问题，并积极采取解决措施。采用运动仿真技术解决零部件的质量问题，具有直观、方便和快捷的特点，尤其是汽车系统性的质量问题，其优越性更为显著。运动仿真技术在质量改进中的应用，为中兴汽车整车质量的提高又增添了一件法宝。(end)
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(7/25/2008) |
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