基于UG的客车底盘三维参数化总布置设计系统

吴晨

摘要：产品设计通常可分为创新设计和变型设计两大类。在机械、汽车企业中，创新设计毕竟稀少，大量的是变型设计。变型设计是在原有产品的基础上，按市场需求进行结构重组，它的实现过程可以最大限度地重用企业已有的成熟产品资源，具有很强的灵活性和适应性。客车多是一种多品种、小批量的产品，新技术、新产品日益广泛的应用使得客车的底盘的更新和换型周期不断缩短。客车性能主要取决于底盘，客车专用底盘设计制造水平的不断提高是客车行业赖以发展的基础。同时，底盘作为平台化战略的主要对象，它的快速设计与开发对企业产品平台化战略的实施也必将产生积极的作用。

关键词：UG；客车底盘三维参数化；总布置设计系统

当今发达国家的汽车产品设计的方法和手段已不局限于利用通用的CAD /CAE 软件（如UG、CAT IA、PRO - E 等）进行一般的设计计算和三维制图，还进行包括设计参数的优化计算、设计结果的分析与仿真等在内的一系列计算机辅助设计和开发活动。

一、系统特点

1.专用的总布置设计工具。针对底盘总布置设计的特点，定制了专用的总布置工具，实现一些关键零部件的快速搜索、定位、修改等。

2.快速的动力系统初步设计工具。根据整车性能要求，快速计算出动力系统各关键零部件的性能参数，为总布置设计奠定基础。

3.总布置方案的实时分析。通过两次开发手段建立性能分析模块，可以对底盘各子系统如转向系统、制动系统进行分析计算，对整车的动力性和操稳性进行初步计算。

4.操作方便的图形数据库。将基于UG的底盘三维总布置模型及底盘零部件三维模型以数据库的形式保存起来，形成图形数据库，同时建立与图形数据库相关的信息数据库。信息数据库分为表管理对象、设计信息管理对象以及部件（图形）管理对象。通过表管理对象可以对设计信息库以及图形部件库动态地进行查询和更改管理。通过图形管理对象对部件、组件以及整个底盘设计进行管理。

5.系统配置可按照需求改变。由于整个系统是自主研发的，可以根据不同种类汽车的要求对系统进行改动，其应用模块可以很容易地移植到客车、卡车等底盘的设计上面，以满足用户的需求。

二、基于UG的客车底盘三维参数化总布置设计系统

1.系统功能。一是动力系统设计模块。通过建立燃料电池动力系统设计模块，提高动力系统设计效率。根据整车性能要求，计算动力系统关键零部件，如蓄电池、电机与驱动器、燃料电池发动机、DC /DC变换器等性能参数。二是底盘总布置设计模块。设计人员通过总布置设计模块可以了解当前设计过程装配布置的情况，查询图形数据库和设计信息数据库，将符合要求的组件装配布置在当前设计项目中。在装配过程中提供预览，简化装配数据图形，进行快速装配，可以方便地对底盘进行布置修改、移除组件、重新定位组件以及完全装载组件。总布置设计模块采用自顶向下的装配方法，首先建立装配结构即装配关系，支持并行设计，用户可同时对不同的组件进行设计。在装配时，使用了UG 引用集的概念，即在裝配时首先采用的不是模型的装配，而是模型特征小片体的装配，采用这种方法装配底盘可以节约大量等待时间。三是性能分析模块。通过性能分析模块用户可以对底盘进行几何分析和性能分析。通过几何分析，用户可以动态地

读取整车的一些几何信息，如整车质量、质心坐标、迎风面积和前后轴的载荷分配等。通过性能分析，可以对底盘各子系统如制动系统、转向系统等进行分析计算，以及整车的动力性、操稳性初步计算等，并能够根据国家法规对计算结果进行初步评价。

2.三维参数化总布置的实现。一是底盘坐标系及总成自身坐标系。客车底盘总布置设计是在三维环境下进行的，为此系统需要引入底盘坐标系和总成坐标系。两种坐标系均采用通常的右手直角坐标系，零部件三维参数化模型传统的设计过程中，原有的几何模型是设计者用固定的尺寸值得到的，零件的结构形状不能灵活地改变，一旦零件尺寸发生改变必须重新绘制相应的几何模型。所谓参数化设计即以一定量的参数控制零件的几何模型，通过修改参数而改变几何模型，从而改变零件的结构尺寸。利用参数化技术进行设计时，图形的修改非常容易，用户构造几何模型时可以集中于概念和整体设计，因此可以充分发挥创造性，提高设计效率。二是参数化底盘总体装配树型结构。在装配体中各个组成的零件和子部件之间构成了装配关系树。在建立底盘装配模型之前，需要先建立好底盘参数化总装配的树型结构。参数化总装配树型结构的根节点为我们所要建立的底盘文件，各大总成作为树型结构的一级子节点，对于复杂的总成如包含有纵梁、横梁的车架总成还有二级甚至三级子节点。父节点与子节点之间的关系由相关参数联系，这些参数包括配合参数和安装定位参数图，在该树型结构中，不同分支的节点之间存在着限制或约束关系，所以在确定总成及零部件的安装位置时需要对该节点增加相关参数或安装位置的限定。三是干涉检查及基本运动校核。在干涉检查是静态的，只有当用户发出命令时才进行。没有一个动态的、智能的干涉检查功能随时对装配件进行干涉检查。我们通过二次开发，在总成装配到底盘上时就对该总成与底盘上其它零部件的干涉情况进行检查，一旦发现有干涉现象，马上提示用户进行修改。在进行总布置设计时，一项重要的工作就是对各相对运动的零部件进行运动校核。其中包括转向轮极限转角和钢板弹簧极限动载时的运动干涉情况。钢板弹簧是客车底盘广泛采用的悬架型式之一。对于发动机前置车型，前钢板弹簧的极限上跳可能与布置在其上方的发动机的油底壳发生干涉；对于后驱动车型，后钢板弹簧的跳动范围将影响与后桥凸缘相连的传动轴参数的设计选择。因此必须对钢板弹簧的运动进行校核。通过将正反弯曲的两段圆弧组合在一起我们巧妙地解决了钢板弹簧弯曲变形中的正反弯曲问题。首先计算板簧受力变形下的弧高，根据弧高决定板簧的弯曲方向，然后修改相应参数，板簧如向上弯曲则使同时根据计算调整板簧弯曲半径，如向下弯曲则同时调整板簧弯曲半径。这样就很好地满足了底盘总布置阶段钢板弹簧的三维布置与极限位置干涉检查的要求。

3.参数数据库。一是底盘及整车车型参数数据库。汽车设计在某种程度上也是一种积累的过程。企业已有产品以及国内外样车的车型数据，蕴涵着设计者的经验和知识，对于设计新产品具有很重要的借鉴作用。车型参数数据库将车型尺寸及结构型式数据信息和产品开发过程集成起来，创造出一种透明度很高的虚拟环境，能适应复杂多变的变型设计的需求，保证在整个产品生命周期中使产品数据具有一致性定义的条件下，进行产品设计的数据管理和过程控制。除车型基本参数外，对于发动机和变速器等与底盘基本性能密切相关的总成，它们的性能参数也分别进行了建库工作，以便于在底盘总布置时进行匹配和选型。二是底盘及整车设计标准库。进行汽车设计时，无论是尺寸参数、质量参数，还是性能参数，都必须首先满足相关法规的要求。满足技术法规要求是底盘总布置设计的前提和基本出发点之一。为此，我们将与底盘及整车设计相关的国家标准、标准等以网页的形式集成到底盘总布置设计系统，通过可以随时调用进行查阅。对于简单的标准要求如对汽车外廓尺寸的要求等，我们还将其从标准中抽取出来作为总布置时的重要设计依据，实现设计标准在总布置过程中的实时动态监控，当用户的输入不符合法规和标准要求时系统将给出相关提示。

在建立底盘零部件三维参数化图形库、底盘及整车车型参数数据库、底盘及整车设计标准库的基础上，通过软件进行二次开发，建立了集成于环境下的客车底盘参数化三维总布置设计系统。到目前积累了大量的设计数据，为该软件提供了应用基础。

参考文献：

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