熊燕，何瑞光

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司輕型商用車研究院，合肥 230000）

0 引言

隨著市場汽車更新迭代速度的加快，各主機(jī)廠對汽車開發(fā)周期也在不斷精簡壓縮，在車輛開發(fā)過程中充分利用CAD模擬整車實(shí)際情況對設(shè)計(jì)進(jìn)行全面檢查和校核對提高開發(fā)效率至關(guān)重要。在汽車設(shè)計(jì)過程中整車最小離地間隙、縱向通過角、接近角、離去角等均需通過地面線測量其具體設(shè)計(jì)值，保險(xiǎn)杠及前后側(cè)防護(hù)離地高度、視鏡離地高度、視鏡法規(guī)視野范圍、燈具離地高度等法規(guī)要求項(xiàng)也需通過地面線對各部件的位置進(jìn)行合理布置，因此在設(shè)計(jì)過程中通過CAD軟件制作出與實(shí)際相符度較高的地面線對整車相關(guān)部件的布置具有極高的指導(dǎo)意義。

本文所述輕型卡車地面線是將車架視為參照物、地面相對車架的位置，對于同一車輛，由于懸架弧高、輪胎半徑會隨載荷的不同發(fā)生變化，因此不同載荷狀態(tài)下地面與車架的相對位置也不一樣。本文利用輕型卡車地面線制作原理，運(yùn)用CATIA中的參數(shù)和公式工具，在CATIA中建立輕型卡車地面線制作的模型，在模型中可根據(jù)設(shè)計(jì)的需要改動(dòng)制作地面線所需的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值，從而得出不同整車、不同狀態(tài)下的地面線，能極大地提高設(shè)計(jì)效率。

1 地面線制作原理

本文中所涉及的整車坐標(biāo)系及坐標(biāo)軸與常規(guī)車輛設(shè)計(jì)相同[1]。地面線即為前輪和后輪下方的公切線，兩個(gè)公切點(diǎn)近似為輪胎Z方向最下方點(diǎn)。輪胎最下方點(diǎn)由2個(gè)因素決定：輪胎在一定負(fù)荷狀態(tài)下的半徑和輪胎中心坐標(biāo)。輪胎中心坐標(biāo)需通過前橋、板簧的位置、板簧在不同載荷狀態(tài)下的弧高進(jìn)行推算得到。

前懸和前橋的裝配示意圖如圖1所示，板簧前包耳中心點(diǎn)與后包耳中心點(diǎn)的連線為該懸架的弦，其中前包耳中心點(diǎn)的位置不動(dòng)，而后包耳中心點(diǎn)會隨著前懸架載荷變化繞吊耳中心點(diǎn)以半徑R進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，因此弦的位置也是會發(fā)生變動(dòng)的；弦到懸架最上端板簧的上平面的距離H為懸架的弧高，會隨著懸架載荷的變化發(fā)生變動(dòng)；懸架各板簧及中間墊片的總厚度為d，h為前橋輪轂中心到前橋和板簧接觸面的垂直距離。

圖1 前懸和前橋裝配示意圖

由以上所述可知，當(dāng)懸架弦的位置確定后，弦中心點(diǎn)Z坐標(biāo)減去H、減去d、加上h即可得到前輪中心的Z坐標(biāo)，前輪中心的Z坐標(biāo)減去輪胎在一定載荷狀態(tài)下的半徑即為前輪接觸的地面處的Z坐標(biāo)。后輪與地面接觸處的Z坐標(biāo)計(jì)算原理與前輪大同小異，在后文中有詳細(xì)論述。根據(jù)前后輪與地面接觸處的Z坐標(biāo)便可形成地面線。

2 參數(shù)公式建立

2.1 整車載荷及軸荷

在整車設(shè)計(jì)初期，首先確定的參數(shù)有：整車空載狀態(tài)的設(shè)計(jì)總質(zhì)量G、空載前輪總負(fù)荷F1、空載后輪總負(fù)荷F2、整車軸距L、貨箱內(nèi)長中心點(diǎn)到前輪中心線距離L0、滿載狀態(tài)下設(shè)計(jì)總質(zhì)量G′。滿載狀態(tài)下駕駛室內(nèi)乘坐人數(shù)為核載人數(shù)[2]，乘員體重按65 kg/人核算。上述參數(shù)中G=F1+F2，F(xiàn)1和F2的值與實(shí)際越相符，理論地面線與實(shí)際地面線也越相符。

滿載狀態(tài)下的前后軸荷值可通過力矩原理計(jì)算出來。如圖2所示，設(shè)定空載狀態(tài)下整車質(zhì)心到前輪中心的水平距離為L1，貨箱的載荷為G0，滿載狀態(tài)下前后輪的負(fù)荷為F1′和F2′。

圖2 輕型載貨汽車受力示意圖

在空載狀態(tài)下，

在滿載狀態(tài)下，

其中，

將式（1）和式（3）代入到式（2）中得到

而

在CATIA中輸入設(shè)計(jì)已定義參數(shù)G、F1、F2、L、L0、G′、N的數(shù)值，按照式（4）和式（5）建立F2′和F1′的公式[3]。

2.2 板簧載荷

板簧負(fù)載狀態(tài)下的弧高與板簧所承受的載荷密切相關(guān)，因此首先需確定板簧的簧載質(zhì)量。

前橋（包含制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向臂、輪轂罩等裝配在前橋上的部件）、后橋（包含制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向臂、輪轂罩等裝配在后橋上的部件）及輪胎是裝配在懸架下方，因此這些部件的質(zhì)量不會加載在懸架板簧上，傳動(dòng)軸一端是裝配在后橋上，另外一端裝配在變速器上，中間部分還與車架相連，因此可認(rèn)為傳動(dòng)軸質(zhì)量的1/2加載在后懸架上，前后懸架自重的1/4也分別由前后懸架承載，另外的3/4為非簧載質(zhì)量，前后板簧的非簧載的部件如表1所示[4]。

表1 前后板簧非簧載部件

前后懸架的簧載質(zhì)量即為前后輪的負(fù)荷減去非簧載總質(zhì)量，單邊簧載質(zhì)量分別為前后懸架簧載質(zhì)量的一半，設(shè)前后板簧在空載狀態(tài)下的單邊簧載質(zhì)量分別為G1和G2，在滿載狀態(tài)下的單邊簧載質(zhì)量分別為G1′和G2′。

在CATIA中輸入設(shè)計(jì)已定義參數(shù)G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9，按照式（6）～式（9）建立G1、G2、G1′和G2′的公式。

2.3 板簧弧高

板簧在負(fù)載狀態(tài)下的弧高為其在夾緊狀態(tài)下無負(fù)荷弧高減去負(fù)載質(zhì)量對其的壓縮量即撓度[5]：

式中：f為撓度；G為簧載質(zhì)量；g為重力比例系數(shù)；K為懸架剛度。

設(shè)前板簧在夾緊狀態(tài)下的無負(fù)荷弧高為H1，前板簧的剛度為K1；前板簧在空載和滿載狀態(tài)下的弧高H3和H3′，得到如下公式：

懸架一般會設(shè)計(jì)有主簧和副簧疊加的狀態(tài)，在空載狀態(tài)下副簧一般不會啟動(dòng)工作，滿載狀態(tài)下，如果后懸單邊簧載質(zhì)量超過了副簧開始工作時(shí)的臨界載荷，則副簧也開始工作，設(shè)以上臨界載荷為Gc。設(shè)后板簧在夾緊狀態(tài)下的無負(fù)荷弧高為H2，后主簧的剛度為K2，主副簧的總剛度為K3；后板簧在空載和滿載狀態(tài)下的弧高為H4和H4′，得到如下公式：

當(dāng)G2′≤Gc時(shí)，

當(dāng)G2′＞Gc時(shí)，

在CATIA中輸入設(shè)計(jì)已定義參數(shù)H1、H2、K1、K2、K3、Gc、g，按照式（10）～式（14）建立H3、H3′、H4和H4′的公式。

2.4 板簧弦的長度確定

隨著載荷的變化，板簧弧高h(yuǎn)會發(fā)生變化，進(jìn)而也會引起弦長l發(fā)生變化，而板簧本身的長度s、板簧包耳的半徑r、板簧中間騎馬螺栓距u均為設(shè)計(jì)固定值。

弦長的計(jì)算公式如下[6]：

在滿載狀態(tài)下，板簧弧高會進(jìn)一步變小，若h＜r，則上式中的弧高需換成(2r-h)，此時(shí)l計(jì)算公式如下：

設(shè)前后板簧在空載狀態(tài)下弦長分別為l1和l2，在滿載狀態(tài)下弦長分別為l1′和l2′，前后板簧本身的長度分別為s1和s2、前后板簧包耳半徑分別為r1和r2、前后板簧騎馬螺栓距分別為u1和u2。在CATIA中輸入設(shè)計(jì)已定義參數(shù)s1、s2、r1、r2、u1、u2，根據(jù)h與r的關(guān)系，按照式（15）和式（16）建立l1、l2、l1′和l2′的公式。

2.5 確定輪胎中心

輪轂中心線可近似認(rèn)為與輪胎中心線重合，圖1為前橋和前懸裝配在一起的狀態(tài)，圖3為后橋和后懸裝配在一起的狀態(tài)，弦中線點(diǎn)位置和弧高是變量，懸架中間處板簧及其墊片的厚度d2和輪轂中心線到懸架和橋接觸點(diǎn)的垂直距離h2均為設(shè)計(jì)常量。

圖3 后懸和后橋裝配示意圖

設(shè)前懸中間處板簧及其墊片的厚度為d1，前輪轂中心線到前懸架和前橋接觸點(diǎn)的垂直距離為h1，在CATIA中輸入設(shè)計(jì)常量d1和d2、h1和h2的值。在CATIA中建立幾何圖形集，確定輪胎中心點(diǎn)，以空載狀態(tài)下前輪為例，制作程序如下：1）輸入前懸前卷包耳襯套中心點(diǎn)和前懸吊耳襯套中心點(diǎn)坐標(biāo)，其中Y坐標(biāo)可不輸入實(shí)際值，直接輸入0即可（下文中各點(diǎn)的Y值均為0），X和Z坐標(biāo)必須是實(shí)際值。2）以前懸吊耳襯套中心點(diǎn)為中心、以吊耳半徑為半徑在Y0平面上作一個(gè)圓弧，那么前懸后卷包耳襯套中心點(diǎn)就在這個(gè)圓弧上運(yùn)動(dòng)；前懸的弦即為前懸前卷包耳襯套中心點(diǎn)與前懸后卷包耳襯套中心點(diǎn)的連線；弦的長度設(shè)置成公式，等于2.4節(jié)中輸出的參數(shù)l1；由以上3個(gè)約束條件便可確定弦的位置。3）在弦上取中心點(diǎn)，該中心點(diǎn)沿弦的法線方向移動(dòng)，移動(dòng)的距離設(shè)置成公式，等于2.3節(jié)中輸出的參數(shù)H3，移動(dòng)后的點(diǎn)即為空載前板簧上表面中心點(diǎn)；將空載前板簧上表面中心點(diǎn)沿弦的法線方向移動(dòng)，移動(dòng)的距離設(shè)置成公式，等于輸入的參數(shù)d1，移動(dòng)后的點(diǎn)即為空載前板簧與前橋接觸面的中心點(diǎn)；再將空載前板簧與前橋接觸面的中心點(diǎn)沿弦的法線方向移動(dòng)，移動(dòng)的距離設(shè)置成公式，等于輸入的參數(shù)h1，移動(dòng)后的點(diǎn)即為空載狀態(tài)下前輪轂中心點(diǎn)，也就是空載狀態(tài)下的前輪中心點(diǎn)。

后輪中心點(diǎn)及滿載狀態(tài)下的前后輪中心點(diǎn)在CATIA中的確定方法與空載狀態(tài)下前輪中心點(diǎn)的確定方法相同，可直接將上述幾何圖形集“空載前輪心確定”進(jìn)行復(fù)制，對名稱和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行更改即可。

2.6 制作地面

輪胎中心線的位置確定后，只需要確定輪胎在一定載荷狀態(tài)下的半徑，即可確定地面位置。根據(jù)輪胎的型號可在國標(biāo)中查到新胎的設(shè)計(jì)外直徑、負(fù)荷能力及靜負(fù)荷半徑等參數(shù)[7]。設(shè)所設(shè)計(jì)車型的輪胎新胎半徑為R1，單胎負(fù)荷能力為G10，在額定負(fù)荷下的靜負(fù)荷半徑為R2，以上參數(shù)均可在標(biāo)準(zhǔn)中查到，由此可粗略計(jì)算出輪胎的變形系數(shù)為

設(shè)在空載和滿載狀態(tài)下，前輪胎的靜負(fù)荷半徑分為R3和R3′；在空載和滿載狀態(tài)下，后輪胎的靜負(fù)荷半徑分為為R4和R4′，那么R3、R3′、R4和R4′可以分別通過以下公式計(jì)算出來：

在CATIA中輸入設(shè)計(jì)參數(shù)G0、R1和R2，并按照式（17）～式（21）在CATIA中建立公式參數(shù)。

在CATIA中再建立幾何圖形集，以2.5節(jié)中確定的空載和滿載狀態(tài)下前輪和后輪的輪心為中心、在Y0平面上作一個(gè)圓，圓的半徑設(shè)置成公式，分別作出空載狀態(tài)下前輪圓和后輪圓的外公切線、滿載狀態(tài)下前輪圓和后輪圓的外公切線，即得到空載和滿載狀態(tài)下的地面線。

3 結(jié)論

用以上方法在CATIA中建立地面線的制作模型，對于不同的車型，只需要更改表1中輸入的參數(shù)數(shù)值，便可直接生成目標(biāo)車型在不同狀態(tài)下的地面線，方便快捷。

通過對一輛輕型載貨汽車的地面線進(jìn)行理論設(shè)計(jì)和實(shí)物測量的對比，實(shí)際稱重得到該車在空載狀態(tài)下前軸軸荷為1534.5 kg，后軸軸荷為1051.5 kg，獲取該車型在表1中列出的相關(guān)部件的數(shù)值，輸入到CATIA中建立的地面線模型中，得到理論地面線。測量該車車架特定位置2處車架上平面到地面的垂直距離，以上2處實(shí)際測量值比理論測量值分別小4.3 mm和4.1 mm，該誤差不應(yīng)影響設(shè)計(jì)理論校核。