CATIA运动仿真在车辆转向系统的运用

　　下面以某重型汽车转向运动机构为例，运用CATIA的运动仿真模块DMU对其进行运动模拟。

　　一、转向机构部件数模的建立

　　首先完成“1—车架”、“2-转向器支架”、“3-转向器”、“4-转向摇臂”、“5-转向直拉杆”、“6-前轴总成”、“7-车轮总成”及“8-悬架”等零件的三维数模以备使用，具体建模过程这里不再叙述。由于要进行运动仿真分析，参与运动仿真的装配零部件需要存在同一级装配中，这些件可以是单个零件(part)，也可以是总成部件(assembly)。对于前轴总成其本身的转向机构是可以运动的，需要对其进行拆分，确保各运动部件处于同一级装配中。虽然柔性子装配可以实现不同层级间的装配运动，但在本运动仿真中，我们不做使用。我们将前轴总成拆分成四个部件，即“61-前轴梁”、“62-左转向节及梯形臂总成”、“63-转向横拉杆”及“64-右转向节及梯形臂总成”，使其出现在一级装配目录中。

　　二、转向机构数模的装配

　　装配前应当规定一个整车装配坐标系。我们取车架下翼面为xy平面，车架的左右对称中心平面为xz平面，前轴理论中心线所在的横向垂直平面为yz平面。同时规定x轴方向向后，y轴方向向右，z轴方向向上，这样就对整车坐标系进行了约定。

　　在装配模块中，先载入或新建一个只具有坐标系的新零件，将其固定约束，并命名整车坐标系。这个零件只含有一个坐标系，而无其他实体曲面特征。如果车架总成的装配本身就是按照这个规则装配的，或者车架的装配坐标系就是整车的装配坐标系，则无需再定义新的整车坐标系，只需首先载入车架总成并将其固定约束即可。

　　其次再装配固定不参与运动的件，“2-转向器支架”、“3-转向器”、“8-悬架”和“61-前轴梁”等部件，总之约束越少越好，不足的后续可再添加。如图1所示。

　　

 

　　图1

　　三、转向运动机构分析

　　转向的输入端由方向盘开始，通过转向传动轴传递到转向器。这个过程的仿真很简单，都是转动副。转向器的机械传动机构其实就是一个动力传递可逆的减速机构，起到减速增扭、改变力矩传递方向的作用，其内部结构这里不详述。

　　“3-转向器”的输出端有一个摇臂与输出轴相连，这样转向器就可以将输入轴大角度的转动转变成输出轴转向摇臂的小角度摆动。“4-转向摇臂”的摆动是一个转动副(RevoluteJoint)。本文的运动仿真将以转向摇臂随转向器输出轴的转动开始，作为整个运动仿真机构的初始运动。

　　“5-转向直拉杆”的两端是球绞结构，前端与“4-转向摇臂”连接，后端与“62—转向节臂”连接，形成两个球绞副(SphericalJoint)。

　　“62-转向节臂”与转向节、轮毂、左转向梯形臂固定在一起，绕“61-前轴梁”的主销转动，形成一个转动副(RevoluteJoint)。

　　“63-转向横拉杆”的两端也是球绞结构，分别与“62-左转向梯形臂”和“64-右转向梯形臂”连接，形成两个球绞副(SphericalJoint)。

　　“64-右转向节及梯形臂总成”绕“61-前轴梁”的主销转动，形成一个转动副(RevoluteJoint)。

　　当转向摇臂向后摆动，车轮右转向;转向摇臂向前摆动，车轮左转向，这就是整个转向机构的运动过程。因此要做好机构的运动仿真必须要掌握一定的机械原理等相关基础知识。

　　每一种运动副其实都是由一种或几种约束方式组成。这些约束可以在运动仿真模块里通过添加运动副时添加，也可以使用右侧工具栏装配约束转换命令(AssemblyConstraintsConversion)，将装配中已存在的某些约束直接转换成运动副。

　　四、转向运动机构仿真的建立

　　从装配好的装配模块中进入运动仿真模块。点击“开始”→“数字化装配”→“DMU运动机构”，即可进入CATIA运动仿真模块，如图2所示。

　　

 

　　这里将详细叙述转向运动机构仿真的具体操作。在右侧的工具栏中有各种运动副的工具按钮，如图3，我们点击旋转命令图标按钮(RevoluteJoint)，弹出旋转结合对话框，如图4所示。

　　

 

　　图4

　　点击对话框右上“新机械装置”按钮，则弹出一个新的对话框，要求输入一个名称，名称可自定。这里我们输入“转向运动系统的仿真”，单击确定后返回图5的旋转命令界面。

　　

 

　　点击直线1右侧的空格处，选择“4-转向摇臂”的旋转轴线，点击直线2右侧的空格处，选择“3-转向器”的转向摇臂轴的旋转轴线;点击平面1右侧的空格处，选择“4-转向摇臂”上的垂直旋转轴线的平面，点击平面2右侧的空格处，选择“3-转向器”的转向摇臂轴上垂直旋转轴线的平面。这两个平面可以是重合或平行的，重合单选择零偏移，平行则单选择偏移，偏移的尺寸不用理会，以默认值为准。为了保证仿真数据的准确性，装配后的位置必须与实际装配位置相同，不相同的需要调整装配偏移值。左下侧还有一个驱动角度，这里可以先选择后再填写下限“-40”、上限“40”，驱动角也可以不用填写，完成后在命令里添加即可。如图6所示，点击确定就完成了第一个旋转运动副。

　　

 

　　第一个转向副的添加，我们也可以通过工具按钮(AssemblyConstraintsConversion)，将已经存在的一个同轴重合约束和一个面与面之间的距离约束直接转化成一个旋转运动副。

　　接着继续添加第二个运动副——球铰副(Spherical Joint)，就是转向摇臂与转向直拉杆的连接。球铰副其实就是两个部件的点重合约束，球铰副(SphericalJoint)命令界面如图7所示。

　　

 

　　一个点在“5-转向直拉杆”的球销中心上，另外一个点在“4-转向摇臂”上，而转向摇臂上并没有点。因此这里我们需要给“4-转向摇臂”做一个辅助的点，这个点的位置就是实际装配后“5-转向直拉杆”球销的中心点。为了保证运动仿真的准确性，这个点的位置一定要和实际位置一致。完成辅助点后，分别选择“4-转向摇臂点”和“5-转向直拉杆”球销的中心点，完成第二个球铰运动副。如图8所示。

　　

 

　　这里需要注意的是要查看左侧模型树下面的约束类型，就是当初装配时转向摇臂和转向直拉杆的约束类型，只保留点的重合约束，其他多余的要删除。

　　接着就需要完成第三个球铰运动副，“5-转向直拉杆”与“62-左转向节臂总成”的球铰副，和上面第二个球铰副的情况类似，也需要在左转向节臂总成的合适地方做辅助点，具体参照第二球铰副的过程即可。

　　第四个转动运动副，“62-左转向节臂总成”绕“61-前轴梁”左主销的转动，同样是一个同轴重合约束和一个面与面之间的距离约束，可参照第一个旋转副完成。第五个球铰副和第六个球铰副，即“62-左转向节臂总成”梯形臂和“63-转向横拉杆”的球铰连接及“64-右转向节臂总成”梯形臂和“63-转向横拉杆”的球铰链接可以参考第二、第三球铰副来完成。

　　第七个旋转运动副，“64-右转向节臂总成”与“61-前轴梁”右主销的转动很简单，参见第四个转动副完成。

　　至此，运动部件的约束基本完成，现在完成固定部件的连接。使用刚性约束命令(RigidJoint)，将装配系统里不参与运动的“1-车架”分别与“2-转向器支架”、“3-转向器”、“61-前轴梁总成”、“8-悬架”一一固结起来，形成4个刚性连接。其操作界面如图9，需要选择的零件1和零件2分别是需要固结在一起的两个零部件。

　　“7-轮胎”也需要与“62-转向节总成”固结起来成为一个整体参与运动仿真。添加初始运动的驱动值，这里我们以转向摇臂的旋转运动作为驱动值，在第一个运动副中增加驱动角-40°~40°，如图6所示。

　　

 

　　部件的约束基本完成，但是我们在左侧的模拟结构树中发现自由度是6，而不是0，因此运动不能被模拟，说明参与运动的部件还需要进行约束。现在我们需要查找原因，问题就出现在两个球铰的连接上，其自由度太多，本身还可以转动，且不能被模拟，理论上转向拉杆还可以绕球铰中心的连线旋转，因此必须限制其旋转。解决两个球绞副的仿真是本文介绍的重点，也是运动仿真的难点。

　　其实球绞的运用在汽车里还有很多部位，如换挡杆系统等。为了约束球绞的转动，我们需要引入第三个件来限制其约束，这个件就是万向节。在两个球绞之间的任何一个球绞处插入一个万向节就可以限制拉杆的转动，使运动仿真变为可能。我们在“5-转向直拉杆”的后端和“63-转向横拉杆”的左端分别插入两个万向节，分别命名为“万向节

　　1”和“万向节2”。这个万向节的数模很简单，三维实体中只包含一个主坐标系即可。一个万向节与两个相邻件的连接就是与两个相邻件在两个相互垂直方向的转动副。转动副的添加很简单，因此再增加4个转动副，本运动仿真就基本可以完成。在完成约束的过程中，为了确保仿真的准确性，我们需要不断地调整、修正转向直拉杆和转向横拉杆的长度，还需要对某些数模添加辅助的坐标系或点、线、面等元素，具体添加过程这里就不一一叙述。

　　所有命令添加完成后，系统会自动弹出对话框，可以看到左侧的模拟结构树中自由度是0，如图10所示。查看左侧目录树下转向运动机构模拟的子目录情况，分别有“结合”、“命令”和“固定零件”等。展开“结合”，可以查看所有的运动连接关系情况。展开“命令”，可以查看运动输入值命令。展开“固定零件“，可以查看固定的零件是大梁。也可以使用分析机械装置命令(MechanismAnalysis)查看各约束连接情况，如图11所示。通过保存，也可以将约束导出到Excel文件。

　　

 

　　图11

　　五、转向运动机构仿真的运用

　　1.转向运动机构模拟

　　使用运动模拟命令(SimulationwithCommands)，出现如图12所示的对话框，也可以双击左侧目录树下转向运动模拟。用鼠标拖动命令栏中的滑块向右，点击下方三角形的播放按钮就可以实现转向机构的运动仿真。

　　

 

　　图12

　　2.生成转向运动机构仿真动画文件

　　使用模拟命令(Simulation，图13)可以生成运动仿真动画文件，便于脱离CATIA软件进行查看。

　　

 

　　图13

　　3.生成扫掠包络体

　　使用编辑模拟命令(EditSimulation，图14)可以生成重放。利用生成的重放使用扫掠包络体命令(SweptVolume，图15)可以生成运动件的扫掠包络体，便于进行运动干涉情况分析和运动件空间分析。

　　

 

　　图16、图17是通过本运动仿真得到的运动件的扫掠包络体，它是CGR文件，可以载入到整车装配中进行查看和空间干涉分析。

　　

 

　　4.左右轮转角关系校核

　　使用运动模拟命令(SimulationwithCommands)，复选激活传感器，弹出如图18的对话框。拖动命令滑块向右移动，在传感器对话框的选择集里选择“旋转结合5”和

　　“旋转结合6”。两个旋转结合分别表示左轮和右轮的转动。点击播放三角按钮，在传感器对话框里可以查看左右轮转动的瞬间值，如有历史值。在下端输出栏里点击文件按钮，可以将左右轮运动的转角对应值输出到Excel文件。点击图形按钮可以将左右轮的转角运动关系以图形方式输出。

　　

 

　　图18

　　利用转向梯形机构内外角转向关系，应满足如下公式：

。其中，θo、θi分别为两轮的转角，Κ为两主销与转向节交点的距离，L为汽车轴距。

 

　　使用以上公式利用Excel表格计算数据，与转向仿真系统输出的数据作对比，结果数据与结果相吻合，满足实际要求。

(本文不涉密)
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