客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的DMU運(yùn)動仿真分析

喬曉亮 趙煒華 張永輝

摘 要：客車在轉(zhuǎn)向過程中，車輪會形成一定的運(yùn)動空間。使用CATIA中DMU模塊對客車轉(zhuǎn)向運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真分析，在客車設(shè)計階段，就可判斷轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與車架及車架其他零部件是否發(fā)生干涉。

關(guān)鍵詞：客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；DMU；運(yùn)動分析

中圖分類號：U462.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-127-02

Abstract： The wheel of bus will form a certain movement space in the steering process. Using DMU module in CATIA， the movement trajectory of bus will be simulated， therefore， in the bus design phase， the interference of steering system with the frame and other parts can be found.

Keywords： bus steering system； DMU； movement analysis

CLC NO.： U462.2 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-127-02

引言

客車設(shè)計階段，CATIA是一種常用的三維設(shè)計軟件，DMU是CATIA的空間分析模塊。在客車底盤設(shè)計階段，使用CATIA的裝配功能可發(fā)現(xiàn)靜態(tài)條件下的客車各個零部件安裝是否干涉、布置是否合理。客車轉(zhuǎn)向時，客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個零部件做空間運(yùn)動，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有與車架及其他系統(tǒng)發(fā)生干涉可能性，如不能在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)干涉問題，則會造成設(shè)計缺陷，給企業(yè)造成損失。DMU模塊可實現(xiàn)客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡分析，在客車虛擬設(shè)計階段就可提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計缺陷，提高企業(yè)競爭力。

1 DMU的應(yīng)用現(xiàn)狀

許曉楠在2016年運(yùn)用CATIA中的“DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)”和“知識工程”模塊，分別對乘用車常用的雙十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和三十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動仿真模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計[1]。李兵在2014年利用CATIA對刮水器運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配、干涉檢查、參數(shù)化仿真分析[2]。李小慶2015年利用DMU模塊對汽車刮水器機(jī)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)仿真，并進(jìn)行了掛刷面積計算和分析[3]。楊光2014年基于CATIA運(yùn)動學(xué)分析模塊建立了皮卡前懸架運(yùn)動學(xué)仿真模型，并基于該模型研究了懸架在跳動中前輪心變化，制作了前輪的輪胎包絡(luò)[4]。李超帥2016年應(yīng)用 CATIA DMU Kinematics 模塊建立車門鎖系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真模型，通過動態(tài)分析輸出了各構(gòu)件的行程對應(yīng)關(guān)系曲線[5]。李玉魁2014年基于CATIA DMU模塊對麥弗遜式獨立懸架進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，得出某款轎車麥弗遜懸架的運(yùn)動學(xué)特性[6]。

2 客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配

本文采用與非獨立客車懸架匹配的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、梯形臂及轉(zhuǎn)向橫拉桿等組成。使用CATIA的裝配設(shè)計，插入已建好的零部件，使用裝配約束里的固聯(lián)、相合、偏移約束命令，在客車底盤上完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配，如圖1所示。

3 基于CATIA DMU的客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動仿真模型

在 CATIA DMU Kinematics 模塊中，要實現(xiàn)機(jī)械傳動的運(yùn)動仿真，機(jī)構(gòu)自由度要保證為0。因此，建立客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，在滿足客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實際運(yùn)動的情況下，同時要保證建立的運(yùn)動副自由度滿足為0 的要求。根據(jù)各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間的相對運(yùn)動關(guān)系，所建立的各零部件之間運(yùn)動副主要包括剛性結(jié)合、球面結(jié)合及旋轉(zhuǎn)結(jié)合，如圖2所示。當(dāng)完成所有運(yùn)動副結(jié)合后，定義固定零件，并添加驅(qū)動條件，如圖3所示。當(dāng)完成以上工作后，CATIA 會彈出系統(tǒng)提示信息，提示系統(tǒng)自由度為 0，機(jī)構(gòu)的自由度被完全約束，可以進(jìn)行運(yùn)動模擬。

4 仿真分析

4.1 車輛運(yùn)動干涉檢查

客車方向盤轉(zhuǎn)動角度一般在兩圈到兩圈半，主要根據(jù)客車實際設(shè)計轉(zhuǎn)向角度來確定，本文以方向盤總?cè)?shù)兩圈，即左右各旋轉(zhuǎn)360°來研究方向盤轉(zhuǎn)動過程中車輪的運(yùn)動軌跡，在運(yùn)動模擬里面設(shè)置命令，如圖4所示。

參數(shù)設(shè)置完成后，可以在裝配圖里加載車架和車身以及車身附屬設(shè)備，模擬方向盤轉(zhuǎn)向過程中，觀察車輪及相關(guān)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件的運(yùn)動是否和車架、車身及附件設(shè)備干涉，在設(shè)計之初消除設(shè)計缺陷，車輪在左、右轉(zhuǎn)向極限位置的如圖5、圖6所示。

4.2 輪胎軌跡分析

掃掠包絡(luò)體的功能是來檢查某物體在運(yùn)動過程中所掃掠的體積，掃掠體可以檢查物體在運(yùn)動、裝配時所占用的體積。但是此功能只能使用于回放機(jī)構(gòu)中，不能直接應(yīng)用在模擬動畫。因此必須對創(chuàng)建好的機(jī)械在機(jī)械模擬的基礎(chǔ)上生成重放。

整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在運(yùn)動的同時，輪胎會有相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，輪胎隨著方向盤的左右共兩圈轉(zhuǎn)動，形成運(yùn)動軌跡，轉(zhuǎn)過的運(yùn)動軌跡的體積就是它所相應(yīng)的包絡(luò)體。當(dāng)然輪胎每個部位移動的軌跡也是包絡(luò)體中相對應(yīng)的部分，輪胎轉(zhuǎn)動的包絡(luò)體如圖7所示。

此掃掠包絡(luò)體可以檢查輪胎在運(yùn)動過程中所掃掠的體積，可以清晰地看出輪胎運(yùn)動的軌跡，若該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配到客車整車三維模型后，利用此功能可清晰看出輪胎運(yùn)動過程中是否與其他部件發(fā)生碰撞與干涉。

5 總結(jié)

利用 CATIA 的DMU運(yùn)動仿真對客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動過程進(jìn)行模擬，很好的解決了CATIA的裝配功能只能檢查出客車靜態(tài)而非動態(tài)下各個零部件的裝配是否合理，這在客車樣車試驗階段即可發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并提出改進(jìn)方案。通過仿真模擬→優(yōu)化設(shè)計→試驗驗證的設(shè)計流程[2]，加速產(chǎn)品設(shè)計效率，并提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的競爭力。

參考文獻(xiàn)

[1] 許曉楠，王虎.基于CATIA的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)DMU參數(shù)化設(shè)計[J].汽車實用技術(shù)，2016（10）：112-114.

[2] 李兵.基于CATIA-DMU的刮水器仿真分析及優(yōu)化設(shè)計[J].汽車電器，2014（03）：18-20.

[3] 李小慶.基于CATIA/DMU的刮水器參數(shù)化模型研究[J].武漢交通職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2015，17（04）：87-89.

[4] 楊光.基于Catia DMU的皮卡前懸架運(yùn)動學(xué)仿真[A].河南省汽車工程學(xué)會.第十一屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會論文集[C].河南省汽車工程學(xué)會： 2014：4.

[5] 李超帥，方超，林森，于波，李瑞生.基于CATIA DMU的尾門氣彈簧運(yùn)動仿真與設(shè)計優(yōu)化[J].汽車實用技術(shù)，2016（10）：56-58.

[6] 李玉魁.CATIA DMU在麥弗遜懸架運(yùn)動學(xué)特性分析上的應(yīng)用[J].機(jī)電技術(shù)，2014（01）：109-111.