基于CATIA的汽车横向稳定杆的参数化设计_李群.pdf

4 ) 技术聚焦新参 数 化 设 计 指 以 约 束 造 型 为 核 心 ， 以 尺 寸 驱 动 为特 征 ， 通 过 修 改 基 础 模 型 的 某 些 零 件 参 数 ， 统 自 动 完 成 对 模 型 的 重 构 ， 从 而 实 现 产 品 的 设 计 和 优化 。 参 数 化 设 计 极 大 地 改 善 了 模 型 的 修 改 重 构 手 段 ，提 高 了 设 计 的 柔 性 ， 在 实 体 造 型 、 装 配 设 计 、 机 构 仿真 及 优 化 设 计 等 领 域 发 挥 着 越 来 越 重 要 的 作 用1。 文章 采 用 基 于 几 何 约 束 的 变 量 几 何 法 推 导 出 横 向 稳 定 杆各 尺 寸 约 束 公 式 ， 并 结 合 5 与 件 建立 稳 定 杆 实 体 模 型 ， 通 过 修 改 格 中 的 参 数 实现 稳 定 杆 参 数 化 设 计 。1 横向稳定杆简介现 代 轿 车 悬 架 的 垂 直 刚 度 值 都 较 小 ， 使 汽 车 转 弯时 车 身 侧 倾 严 重 ， 影 响 汽 车 的 行 驶 稳 定 性 ， 为 加 大 悬 架的 侧 倾 角 刚 度 ， 现 在 大 多 数 汽 车 上 装 有 横 向 稳 定 杆2。图 1 示 出 稳 定 杆 的 安 装 示 意 图 ， 横 向 稳 定 杆 的 杆 身 安装 在 铰 支 点 C 上 ， 而 铰 支 点 C 固 定 在 车 身 或 车 架 上 。横 向 稳 定 杆 的 杆 端 通 过 球 铰 A、 连 接 杆 球 铰 摆 臂 连 。 稳定杆的安装示意图2 横向稳定杆尺寸约束的推导选 定 整 车 参 数 如 下 ： 87.5 簧 载 质 心 到 侧倾 轴 线 距 离 50 侧 向 加 速 度 .5 g； 前 后悬 侧 倾 角 刚 度 为 13 Nm)/() 和9 Nm)/()。考 查 整 车 0 . 5 g 时 3 ， 可 由)(=+ 求 得 ：李 群 何 耀 华（ 武 汉 理 工 大 学 汽 车 工 程 学 院 ）基于 汽车横向稳定杆的参数化设计摘要：参数化设计在产品的优化设计中发挥着重要作用。为完成汽车横向稳定杆的参数化设计，文章推导出横向稳定杆尺寸参数的约束公式，并在此基础上建立基于模型与现参数驱动横向稳定杆的自动重构，完成横向稳定杆的参数化设计。运用核结果验证了稳定杆参数化设计的正确性。关键词：汽车；横向稳定杆；数化设计an in In to of of is of is is of by is of is of is of of 5 期 技术聚焦= （ 1）式 中 ： =侧 倾 角 ， （ ） ；簧 载 质 量 ， kg；簧 载 质 心 到 侧 倾 轴 线 距 离 ， mm；侧 向 加 速 度 ， m/f， 前 后 悬 侧 倾 角 刚 度 ， (Nm)/()。由 稳 定 杆 与 悬 架 的 几 何 关 系4， 可 得 ：稳 定 杆 端 点 位 移 量 1=（ 2）式 中 ： B前 轴 轮 距 ， m。稳 定 杆 的 形 状 往 往 比 较 复 杂 。 为 了 简 化 计 算 ，可 近 似 认 为 稳 定 杆 是 一 个 等 臂 梯 形5， 如 图 2 所示 ， A， B 两 点 为 稳 定 杆 杆 身 与 车 身 的 铰 支 点 。 稳 定杆 的 安 装 尺 寸 为 ： H=1 049.1 m=213.6 mm；c=315.5 b=51.6 考 虑 实 际 稳 定 杆 形 状 较 为复 杂 ， 图 2 中 未 注 中 心 线 的 弯 曲 半 径 R=30 m。 横向稳定杆简化结构稳 定 杆 的 材 料 多 选 用 60 50 章 选 用 50相 关 参 数 为 ： 弹 性 模 量E=206 剪 切 弹 性 模 量 G=79 许 用 扭 转 应力 =740 图 2 中 各 参 数 间 的 几 何 关 系 ， 可 确 定 稳 定 杆 端点 到 拐 点 距 离 L 及 夹 角 。车 身 侧 倾 时 ， 在 稳 定 杆 的 两 端 部 作 用 有 一 对 大 小相 等 、 方 向 相 反 的 力 F， 使 稳 定 杆 发 生 弹 性 变 形 。 根据 位 能 相 等 原 理 ， F 作 的 功 与 稳 定 杆 中 总 的 变 形 位 能相 等5。 则 ：( ) ( )(22223221+=（ 3）车 身 侧 倾 时 ， 有 2 （ 4）稳 定 杆 主 要 承 受 扭 矩 ， 故 ： =3416232/2 5）联 立 式 （ 3） （ 5） 得 ：d= ( ) ( )22322/2/(4)1(6+（ 6）( ) ( ) ( ) +223342/2/2/222K=3（ 7）F=2K1（ 8）式 中 ： F稳 定 杆 端 部 受 力 ， N；m稳 定 杆 纵 向 跨 度 ， 稳 定 杆 横 向 跨 度 ， m；c安 装 位 置 到 对 称 面 距 离 ， b安 装 位 置 到 拐 点 距 离 ， mm；d稳 定 杆 直 径 ， 稳 定 杆 的 剪 切 弹 性 模 量 ， 稳 定 杆 的 弹 性 模 量 ， 稳 定 杆 扭 转 剪 应 力 ， 稳 定 杆 线 刚 度 ， N/m；泊 松 比 ， p稳 定 杆 的 截 面 极 惯 性 矩 ， 稳 定 杆 的 惯 性 矩 ， 稳 定 杆 端 部 力 F 所 产 生 的 阻 力 矩 ， Nm；稳 定 杆 的 许 用 扭 转 应 力 ， 此 ， 确 定 稳 定 杆 尺 寸 L， ， d 的 约 束 公 式 ， 完成 稳 定 杆 尺 寸 约 束 推 导 。 结 果 如 图 3 所 示 。A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T 架 (前 悬架 (簧 载质 量ms/加 速度 m/ 倾角 /(轮 距B/杆 夹角 /中 心线 弯曲 半径R/杆 端点 位移1/杆 横向 跨度H/杆 纵向 跨度m/杆 安装 位置 到拐 点距 离稳定杆端点到同侧拐点距离弹 性模 量E/弹 性模 量G/扭 转应 力/比 稳 定杆 直径d/杆 的线 刚度 K/(N/m)2 9 096 13 643 688 0 8 436图3 稳定杆尺寸约束的6 6 月技术聚焦新3 立横向稳定杆的参数化基础模型61） 在 块 里 ， 用 f（ x） ）命 令 输 入 横 向 稳 定 杆 的 尺 寸 参 数 和 公 式 ， 将 杆 的 未 知 尺寸 斜 臂 长 L， ， d 与 基 本 尺 寸 H， b， c， m， R 相 关 联 ；2） 运 用 具 ， 由 辑 公 式进 行 参 数 化 输 入 ， 建 立 杆 的 轴 中 心 线 和 杆 的 中 心 截 面 ，扫 掠 得 到 一 侧 杆 的 杆 身 模 型 ；3） 用 工 具 ，由 辑 公 式 进 行 参 数 化 输 入 ， 做 出 杆 的端 点 模 型 ， 再 将 杆 端 与 杆 身 模 型 一 起 ；4） 对 称 得 到 杆 的 另 外 一 侧 模 型 ， 再 将 左 右 两 侧模 型 一 起 ；5） 转 换 到 块 生 成 杆 的 实 体 模 型 ，即 稳 定 杆 的 参 数 化 基 础 模 型 ， 如 图 4 所 示 。图4 向稳定杆模型的参数化重构通 过 令 将 图 3 所 示 的 格与 础 模 型 相 关 联 。 只 需 要 在 格 里更 改 稳 定 杆 的 相 关 参 数 并 保 存 ， 础 模 型 将会 自 动 重 构 ， 建 立 新 的 稳 定 杆 模 型 ， 重 构 后 的 模 型 ，如 图 5 所 示 。图5 重构后的稳定杆模型将 稳 定 杆 尺 寸 约 束 的 件 ， 与 建 立 的 稳 定杆 的 参 数 化 基 础 模 型 相 关 联 ， 此 模 型 能 够 实 现 参 数 驱动 完 成 横 向 稳 定 杆 的 自 动 重 构 ， 达 到 了 参 数 化 设 计 的目 的 。4 横向稳定杆的有限元分析7在 件 里 建 立 横 向 稳 定 杆 有 限 元 模 型 。采 用 实 体 单 元 划 分 网 格 ， 选 用 线 性 元 （ 元 ） ， 模 型 共 56 730 个 单 元 ， 273 775 个 节 点 。根 据 横 向 稳 定 杆 的 受 力 分 析 和 该 型 稳 定 杆 的 实 际工 况 ， 在 件 中 ， 对 横 向 稳 定 杆 中 间 2 个 与套 筒 的 连 接 面 作 位 移 约 束 ， 限 制 x 轴 及 z 轴 的 移 动 。根 据 实 际 计 算 出 的 载 荷 ， 对 横 向 稳 定 杆 两 端 面 分 别 施加 大 小 为 1 ， 方 向 相 反 的 z 向 载 荷 。 对 横 向稳 定 杆 做 静 力 学 分 析 ， 得 到 横 向 稳 定 杆 应 力 云 图 ， 如图 6 所 示 。 可 以 看 出 最 大 应 力 集 中 在 拐 角 处 编 号 为11 130 的 节 点 上 ， 最 大 值 该 材 料 的 扭 转剪 切 应 力 为 740 可 以 看 出 在 该 载 荷 情 况 下 满 足要 求 。 局 部 放 大 图 ， 如 图 7 所 示 。 最 大 位 移 处 为 稳 定杆 端 部 节 点 1 311 处 ， 其 值 为 +另 一 端 部节 点 的 变 形 量 为 将 上 述 变 形 量 折 算 为 横向 稳 定 杆 一 端 固 定 ， 另 一 端 的 总 变 形 量 为 .BYf.JOffffffffffffff4.JTFTWH.BYf&MFN1/PEF.JOf&MFN1/PEF.BYf 图6 稳定杆转第44页）4 6 月技术聚焦 上 述 28 种 工 况 多 体 仿 真 计 算 得 到 的 所 有 载 荷 ，表 明 改 进 结 构 的 前 支 架 满 足 强 度 要 求 。.BY(MPCBM.JO(MPCBMv; 前支架改进结构的应力云图经 过 仿 真 分 析 计 算 后 ， 对 前 支 架 改 进 结 构 试 制6 台 份 手 工 样 件 ， 并 安 装 在 试 验 车 上 进 行 了 7 万 耐 久 试 验 。 试 验 结 果 表 明 ， 改 进 结 构 的 前 支 架 样件 没 有 发 生 开 裂 或 失 效 的 情 况 ， 因 此 验 证 了 前 支 架 结构 修 改 的 有 效 性 与 可 靠 性 。3 结论1） 利 用 动 力 总 成 悬 置 系 统 多 体 动 力 学 模 型 计 算得 到 前 支 架 使 用 中 承 受 的 载 荷 ， 使 用 有 限 元 方 法 计 算得 到 前 支 架 的 应 力 和 能 承 受 的 极 限 载 荷 ， 该 方 法 可 以对 发 动 机 前 支 架 进 行 强 度 分 析 ；2） 利 用 计 算 机 仿 真 计 算 技 术 ， 可 以 在 设 计 早 期发 现 结 构 问 题 ， 并 计 算 校 核 修 改 结 构 方 案 的 可 行 性 ，能 有 效 缩 短 开 发 周 期 和 减 少 开 发 成 本 。参考文献1 张 泓 4 动 机 支 架 疲 劳 性 能分 析 研 究 D 黑 龙 江 ： 东 北 林 业大 学 ， 20062 翟 丽 颖 发 动 机 前 安 装 支 架 断 裂 原 因 分 析 J 天 津 汽 车 ， 2006（ 3） ：24273 2008 ： 13（ 收 稿 日 期 ： 20110309）（上接第26页）6.BHOJUVEF.BY/PEF1.JO/PEF1.JO.BY.BY图7 稳定杆中部 6 可 以 看 出 ， 在 距 离 套 筒 最 近 的 拐 点 处 发 生应 力 集 中 ， 此 现 象 与 事 实 相 符 。 在 汽 车 行 驶 过 程 中 ，该 处 所 在 截 面 为 危 险 截 面 ， 易 产 生 疲 劳 断 裂 。 该 载 荷下 稳 定 杆 端 部 变 形 为 与 计 算 所 得 稳 定 杆端 部 变 形 较 ， 误 差 为 校 核 结 果满 足 强 度 要 求 。5 结论采 用 与 格 相 关 联 的 础 模 型 ，能 够 实 现 参 数 驱 动 横 向 稳 定 杆 的 自 动 重 构 ， 它 解 决 了不 同 规 格 的 横 向 稳 定 杆 的 参 数 化 设 计 问 题 。 对 参 数 化设 计 的 稳 定 杆 的 强 度 校 核 结 果 显 示 ， 稳 定 杆 端 部 变 形量 与 设 计 变 形 量 相 近 ， 误 差 为 满 足 横 向 稳 定杆 设 计 的 强 度 要 求 。参考文献1 张 峰 ， 李 兆 前 ， 黄 传 真 参 数 化 设 计 的 研 究 现 状 与 发展 趋 势 J 机械 工 程师 ， 2002（ 1） ： 122 廉 保 绪 ， 丁 能 根 横 向 稳 定 杆 的 参 数 计 算 与 设 计 J 洛 阳 工 学 院 学报 ， 2000， 21（ 3） ： 593 王 望 予 汽 车 设 计 M 4 版 北 京 ： 机 械 工 业 出