catia在悬架设计中的应用
摘要：本文主要介绍了在CA TIA 软件环境中，汽车底盘系统开发的设计流程以及电子样机DMU（Digital Mockup）与关联设计集成的应用方法。
关键词：设计流程集成设计DMU
引言
为了缩短产品的设计及生产周期，提高产品的市场竞争力，取得好的经济效益，国内许多的汽车公司在产品的设计上都使用了多种的三维软件系统。但多种系统并存会带来设计管理与数据交流方面的诸多问题，那么，哪一个系统是最适合汽车设计？如何评估和确定？如何更深入的进行设计水平提升的探索？东风汽车股份公司通过项目实施的方式在这方面做了很多的探索。
东风汽车股份有限公司商品研发院最早于1998 年在车身设计开发上引用CAITA，2005 年开始应用在PICK-UP 及SUV 整车的设计开发上。特别是在整车底盘的设计开发中，将很多成熟的设计经验与CATIA 软件使用结合到一起，总结出在CATIA 软件中，汽车底盘系统开发的设计流程以及电子样机DMU（Digital Mockup）与关联设计集成的应用方法。这些方法的使用，提高了设计水平与质量，明显的缩短了变形产品的设计开发周期。充分的显示出CATIA 在高级应用方面的优势之处。
1 汽车底盘开发设计流程
使用CA TIA 软件进行汽车底盘设计开发的核心是基于骨架模型与DMU 集成的TOP-DOWN 设计方法。自上而下（Top Down Design process）设计是与常规Bottom Up 设计相对应的一种设计方式，此设计方法的中心思路是先整体规划，后细节设计。即在产品整体设计的初期，就定位于整个装配系统的最高层面来考虑产品的总体设计和功能性设计。
这种方法是从装配构成的最顶层开始，在一个骨架模型零件中来考虑和表达整个装配的各个部件的相互位置关系、作用和实现的功能等，集中捕捉产品的设计意图，自上而下的传递设计信息，从而更加有目的地进行后续的设计。骨架模型就是产品设计信息的载体，这个骨架模型的建立需要考虑到不同零件之间的参数关系与驱动关系，这些信息会用来作为后期详细模型设计的基础。由于在骨架模型设计阶段就考虑到了整体装配的相互关联信息，所以，很多设计上的缺陷与问题可以在整个设计的早期阶段得到及时发现和更正。设计后期发现的问题也可以通过修改骨架模型来实现后续相应零部件的自动更改工作。
这种设计思想现在有些汽车设计公司已得到广泛的使用，但是我们只提到了基于骨架模型的关联设计，而我们忽视了骨架模型的另外一个很重要的作用，即作为运动仿真，定义运动机构的一个基础模型。它的作用贯穿于整个汽车底盘的始终。
以骨架驱动为主要手段的Top/Down 设计将设计流程分为三个主要阶段：
（1）骨架模型设计阶段（设计前期验证）
（2）零部件详细设计阶段（基于骨架的建模）
（3）装配验证阶段（模型装配与DMU 干涉检查）
1.1 整车总布置骨架模型
整车总布置骨架模型如图1 是一个新车型的设计基础，它由悬架转向子系统骨架模型如图2 所示、发动机系统子骨架模型、传动系统子骨架模型组成。
图2
在这个基本的骨架模型中可以定义整车的相关参数如：轴距、轮距、悬架的硬点、转向机的硬点、板簧的悬吊点、传动轴中间支撑点、发动机整车坐标的位置等。利用骨架模型可以进行参数化关联设计以外，还可以进行后桥跳动时，传动轴的长度的校核；板簧弧高随载荷变化时，减震器长度的校核；悬架参数的变化，对
车轮跳动量的影响。
1.2 各子系统模型的建立
在基本的骨架模型建立完成以后，进行各个系统模型零件的建立。将需要设计的零件分为以下六类：基于知识工程的模板设计方法；专用件设计方法；通用件设计方法；标准件设计方法；对称件设计方法；外协件设计方法。
以钢板弹簧的设计为例：
悬架设计人员在理论计算完成以后会确定板簧主片在空载情况下的R 值，夹紧长度S，吊耳长度LX ，以及板簧前后固定点的位置，这些值将作为钢板弹簧骨架模型的输入，如图3 所示。
图3
基于生成的板簧子骨架模型，就能很快的将带有参数的板簧模型建立好，如图4 所
示。
图4
在板簧由空载向满载变化的过程中，板簧的弧高会变小，这个可以用参数来控制调整，方便得校核减震器的长度及后桥的跳动量，同时还可以校核传动轴的长度。
2 模型的装配与电子样机DMU（Digital Mockup）检查
由于各子系统的设计采用的是整车坐标系，所以，在CA TIA 装配模块中直接调入各子系统模型，它的相对位置关系就是正确的。一个完整的汽车底盘要做以下3 种分析：
（1）静态、动态的干涉分析
（2）拆装模拟分析
（3）空间占位分析
但是，在作分析前一定要检查模型的完整性，具体检查的方面有：是否正确命名；是否处于更新状态；是否按正确的系统分类；是否版本统一。
2.1 静态、动态干涉分析
在PICK-UP 及SUV 底盘设计中，设计工作量最大的是发动机系统，它包括了进气系统，排气系统，冷却系统，供油系统，油门操纵系统，悬置系统。所以，发动机系统的装配数模如图5，进行静态干涉是很有必要的。
图5
动态干涉分析主要步骤为是：
（1）定义运动机构骨架模型
（2）创建运动机构（Mechanism）
（3）添加各运动副
（4）添加固定部件
（5）根据需要添加辅助模型
（6）仿真
（7）DressUP 实体模型到对应的骨架
（8）进行相关分析
从这个动态干涉的分析过程的主要步骤中，DMU 骨架模型是依据设计骨架模型而得到的，所以，设计与DMU 分析实现了很好的集成，充分的发挥了骨架模型的作用，一个设计骨架模型在进行零件详细设计控制的同时，也实行了对DMU 模型的控制，即，骨架模型的修改可以直接反映在零件的详细设计模型上，也可以直接反映在运动机构的定义上，整个产品的设计、修改、DMU 验证可以协同工作，支持并行工程，这样的集成式设计－分析方法可以显著提高开发的效率和质量。
如图6 是悬架转向系统数模基于骨架模型的运动机构：
图6
通过动态的干涉分析，可以检查转向横拉杆是否和发动机油底壳干涉，同时生成轮胎的包罗体，检查在各种工况下，轮胎是否和轮罩干涉。
2.2 拆装模拟
针对发动机系统附件，如发电机，空调压缩机、启动机等附件定义拆装路线，拆装顺序与动作，检查在拆装的过程是否有干涉情况发生，如图7 所示。
图7
2.3 空间占位分析
可以快速得到一个系统，如发动机在设定距离范围之内的部件，如图8。对于大型
装配，可以在不打开部件显示的情况下得到空间某范围内的部件组，这样便于进行大型装配的设计与分析，提高模型分析处理的速度。通过基于空间位置而进行的分组定义，有利于上下文关联设计的进行。
图8
4 汽车底盘设计开发流程图
通过对以上设计方法的使用，总结出汽车底盘设计的整个流程，如下图所示：
结束语
CATIA 在汽车底盘设计中的应用方法是东风汽车股份有限公司多年的设计经验与CATIA 软件完美的结合，这些方法的成功应用，体现了CATIA 软件应用于汽车设计领域的技术优势。希望这种方法能给其它同行业的汽车公司一定的启发和应用。在此，对Dassault Systemes 为东风汽车股份有限公司商品研发院在CATIA 软件使用方法上的支持表示忠心的感谢！
基于CATIA参数化的汽车悬架设计技术
造车网https://www.wendangku.net/doc/c214433958.html,/ 2009年04月03日
随着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。