——汽车悬架系统三维设计与建模分析

       翟忠林

（武汉理工大学汽车工程学院；车辆工程0806班；学号：*************）

摘要：

汽车悬架传递车架（或车身）与车轮之间的一切作用力和力矩，能够缓和、抑制路面对车身的冲击和震动。对与保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操作稳定性，行驶平顺性，安全舒适性有重要意义。达索公司的CATIA软件有极强的辅助设计能力， 借助此软件可以快速高效的建立起三维模型，达到设计交流的目的，并能为后期的实际生产提供数据指导。

关键词：汽车悬架；优化；仿真；三维设计；CATIA

引言：

随着汽车日益普及，人们生活水平的提搞，对汽车的整体要求也越来越高。特别是对操纵稳定性、安全性、舒适性的要求更高。汽车悬架作为衰减路面震动的最主要部件，对汽车悬架的优化设计可以很大程度上提高汽车的整体性能，特别是能提高操纵稳定性。CATIA有极强的三维辅助设计能力，运用CATIA可以方便的构建悬架空间三维模型并能模拟其工作过程，进而对其优化设计。CATIA的辅助可以大大缩短设计周期，提高设计效率。同时，CATIA的三维设计也是设计者表达自己意图，进行设计交流的工具。利用它，设计人员可以很好的表达自己的设计意图，并能直观的展现给客户。CATIA 极大的方便了机械设计，是现代汽车领域不可或缺的工具。本文真是对应用CATIA进行汽车悬架三维设计作浅析。

1、汽车悬架设计

1.1对汽车悬架提出的设计要求

1）保证汽车有良好的行驶平顺性。2）具有合适的衰减振动能力。3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。4）汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。5）有良好的隔声能力。6）结构紧凑、占用空间尺寸要小。7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

汽车悬架可分为悬架和非悬架，其各有优缺点：非悬架结构简单制造容易维修方便工作可靠 ，但是汽车平顺性较差，高速行驶时操稳性差，轿车不利于发动机、行李舱的布置。非悬架主要用于客车和货车，和少部分轿车的后悬。悬架簧下质量小，悬架占用的空间小，可以用刚度小的弹簧，改善了汽车行驶平顺性。由于有可能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，又改善了汽车的行驶稳定性，左、右车轮各自运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力。但其结构复杂，成本较高，维修困难 。所以悬架主要用于轿车和越野车及部分轻型客货车上。

由于悬架广泛运用轿车中，本文只介绍悬架的建模过程。悬架的各部件的参数选取暂不作过多的讨论，在默认保证刚度和强度的前提下，重点解释其三维建模过。

1.2轮胎轮毂的建立

1）进入CATIA的零件设计模块，在草图里画出圆形，标注尺寸,退出草图后进行拔模。轮胎的外部花纹的建立比较耗时耗力，在这里，重点是悬架的建立，对车轮的细节就不做过多的说明了。对轮胎进行一系列的修饰操作后，得到最终的结果如图：

轮胎三维图形

2）建立轮毂的模型，在建立轮毂模型中用到草图，镜像，抽壳，阵列等工具，最终结果：

3）接下来就是悬架的建立了。单斜臂式悬架由螺旋弹簧，筒式减震器，半轴，单斜臂等部件组成。它是介于但横臂和单纵臂之间的一种结构形式。单斜臂绕与汽车纵轴线成一定夹角θ（0<θ<90）的轴线摆动。适当的选择夹角θ，可以调整轮距，车轮倾角，前数等使之变化最小，从而获得良好的操纵稳定性。有的单斜臂悬架为了控制前束的变化，在单斜臂上安装了一个辅助拉杆——控制前束杆。单斜臂式悬架兼有单横臂和单纵臂式悬架的优点，多用于后驱的汽车后悬架上。在CATIA 软件中，运用创成式曲面设计构造弹簧等原件，在实体零件设计模块创建衡量，斜臂，车轮车鼓的等，方便的建立悬架的大体轮廓，进行倒角等一系列修饰后，最终成型，为了便于观察，可在属性对话框里修改不同部位的颜色：

这样，一个简单的汽车后轮悬架模型就建立起来了。这正是CATIA 软件在实体建模方面的突出有点。在CATIA 软件的零件设计模块中，有这灵活易用的成型工具。Pad命令可以从草图直接生成相应的三维图形，配以简单的倒角、圆角等修饰特征可以很快的展现逼真的三维特性。

2、三维设计分析总结

草图设计是三维设计的起点，画好草图是快速高效的建立三维模型的根本。其实质是二维线、面设计，具有传统二维软件设计的功能。CATIAD的草图设计可以方便的实现参数化设计，通过施加尺寸和几何约束生成草图特征，再应用尺寸驱动技术自动生成零件的三维实体模型，在利用草图技术生成二维轮廓时不必输入轮廓的准确尺寸，可以在以后的参数设计过程中得到。这样，在进行产品设计时，可以随时根据需要调整设计尺寸，而不必在设计之初就明确各设计尺寸，增强了CAD软件的易操作性，更好地实现了人性化设计，而且对于设计系列产品及原产品的改进和零部件的“借用”都方便。

当在草图平面绘制二维图形后，进入零件设计(Part Design)模块，可以通过旋转、拉伸、放样、加肋、拔模等方法生成所需的三维零件毛坯。同时还可利用参数化约束功能，根据需要随时进行修改。设计者可以直接针对零件毛坯进行形体改变，实现了设计过程由“绘图”向“设计”的转变，而且CATIA V5提供的各项具体功能使三维模型的设计更类似于生产加工过程，较好地实现设计与加工的结合。CATIA V5提供基于特征的设计，即将特征作为设计的单元，将产品视为特征的有机结合，通过由类到对象的逐步描述来实现具体的形状设计。在生成三维零件毛坯后，可利用打孔、开槽、抽壳、倒角、加凸台、内外螺纹等T具对“毛坯”进行“加工”，最终完成机械零件实体造型。

   零件装配是CATIA基本的、也是最具优势和特色的功能模块，包括创建装配体、添加指定的部件或零件到装配体、创建部件之间的装配关系、移动和布置装配成员、生成产品的爆炸图、装配干涉和间隙分析等主要功能⋯。在上述悬架建模过程中，零件是单个设计的，最终在零件装配模块里将个各个部分按照彼此的工作配合关系装配起来。相对整体设计而言，这种方式有着很大的有点。首先，在分工设计中，各个部件的设计可有不同的设计者同时进行，只要遵守统一的规则，最好在零件装配设计模块里虚拟装配就可以了。可以大大缩短设计周期，有利于新产品的迅速上市。其次，移植性好，同一零件设计好后，可以在不同的地方多次使用，而且，配合草图参数化设计，可以方便的修改参数，应用到类似的零件设计中，简化设计步骤。再次，单一零件设计的思想便于单独修改。可防止由于修改小细节而改动整个工程。在上述悬架建模过程中，轮胎和轮毂，悬架斜臂，弹簧，支架等是分别建立起来的。把各零件模型导入装配模块，组合装配而成。

基于CATIA的虚拟装配模式有并行、自下而上和自上而下的产品开发方法。先在零件模块中构造各零件的三维模型，然后在装配模块中建立零部件之间的位置约束、定位关系，即将零件间的实际配合关系量化为虚拟装配过程中的各零部件实体之间的位置约束关系。这样，零部件的几何体是在装配过程中被利用，而并不是简单地被复制到装配中，真正地实现了零件的“虚拟”装配。CATIA的装配工作台提供灵活、直观的工具，用来确定各零件间的关系。装配工作台允许用户将各个组成零件和各种子装配件组合到一起形成最终的装配体，在装配环境中，根据定义的约束，零件可以被修改、分析以及重定位HJ。CATIA具有单一数据库的特性，不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件，整个装配部件保持关联的一致性，如果修改整个零部件，则引用它的装配件自动更新，实时反映零部件的最新变化。虚拟装配的步骤：在CATIA所提供的装配工作台上，导人需装配的零、部件(CATIA提供的插入部件的方法主要有插入部件、插入产品、插入新部件和插入已存在的部件等)。然后，对零部件进行适当的约束并建立装配关系，根据不同零件的装配要求，选用不同的约束关系，最后得到完整装配模型。得到简易的汽车悬架模型。

结束语：

CATIA三维设计软件提供了完整的设计工具及方便的操作界面，其界面及选项的设计采用了与微软产品一贯的风格，大大缩短使用者对于该软件的学习和适应的周期，在很大程度上改善了3D造型软件操作复杂的弊端。同时，CATIA基于特征的三维实体建模功能使其具有很多优点：(1)继承了利用实体造型软件进行产品设计时，使用者在屏幕上能够直接看到产品的真实三维模型的特点，使其建模思路更加接近于形体本身的构成，造型设计更加直观。(2)参数化设计便于图形尺寸更改、迅速出图，相对于二维绘图方式，设计人员工作量大大减少，特别是其后参数化的设计为技术人员提供了1个便于设计、便于修改的平台，有利于产品的系列化设计。(3)采用基于特征的建模思想，利用布尔运算求截交线，相贯线，Mechanical     Design 中的Drafting模块可以方便的有三维图生成工程图，使工程图绘制速度更快捷。

参考文献：

【1】陈家瑞《汽车构造》人民交通出版社 2006年11月

【2】曹洪江《CATIA V5机械设计从入门到精通》中国青年出版社，2004年7月

【3】彭文生《机械设计》高等教育出版社  2008年11月第二版

【4】《起重运输机械》 2008(12)下载本文