客车转向系统的DMU运动仿真分析

乔晓亮 赵炜华 张永辉

摘 要：客车在转向过程中，车轮会形成一定的运动空间。使用CATIA中DMU模块对客车转向运动轨迹进行仿真分析，在客车设计阶段，就可判断转向系统与车架及车架其他零部件是否发生干涉。

关键词：客车转向系统；DMU；运动分析

中图分类号：U462.2 文献标识码：B 文章编号：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

客车设计阶段，CATIA是一种常用的三维设计软件，DMU是CATIA的空间分析模块。在客车底盘设计阶段，使用CATIA的装配功能可发现静态条件下的客车各个零部件安装是否干涉、布置是否合理。客车转向时，客车转向系统的各个零部件做空间运动，转向系统有与车架及其他系统发生干涉可能性，如不能在设计阶段发现干涉问题，则会造成设计缺陷，给企业造成损失。DMU模块可实现客车转向系统的运动轨迹分析，在客车虚拟设计阶段就可提前发现产品设计缺陷，提高企业竞争力。

1 DMU的应用现状

许晓楠在2016年运用CATIA中的“DMU运动机构”和“知识工程”模块，分别对乘用车常用的双十字轴万向节转向系统和三十字轴万向节转向系统的运动仿真模型进行参数化设计[1]。李兵在2014年利用CATIA对刮水器运动机构进行参数化设计，并对机构进行虚拟装配、干涉检查、参数化仿真分析[2]。李小庆2015年利用DMU模块对汽车刮水器机构进行动态仿真，并进行了挂刷面积计算和分析[3]。杨光2014年基于CATIA运动学分析模块建立了皮卡前悬架运动学仿真模型，并基于该模型研究了悬架在跳动中前轮心变化，制作了前轮的轮胎包络[4]。李超帅2016年应用 CATIA DMU Kinematics 模块建立车门锁系统运动机构的运动仿真模型，通过动态分析输出了各构件的行程对应关系曲线[5]。李玉魁2014年基于CATIA DMU模块对麦弗逊式独立悬架进行了运动学分析，得出某款轿车麦弗逊悬架的运动学特性[6]。

2 客车转向系统装配

本文采用与非独立客车悬架匹配的转向系统，主要由转向盘、转向轴、转向万向节、转向传动轴、转向器、转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、梯形臂及转向横拉杆等组成。使用CATIA的装配设计，插入已建好的零部件，使用装配约束里的固联、相合、偏移约束命令，在客车底盘上完成转向系统的装配，如图1所示。

3 基于CATIA DMU的客车转向系统运动仿真模型

在 CATIA DMU Kinematics 模块中，要实现机械传动的运动仿真，机构自由度要保证为0。因此，建立客车转向系统时，在满足客车转向系统实际运动的情况下，同时要保证建立的运动副自由度满足为0 的要求。根据各转向系统之间的相对运动关系，所建立的各零部件之间运动副主要包括刚性结合、球面结合及旋转结合，如图2所示。当完成所有运动副结合后，定义固定零件，并添加驱动条件，如图3所示。当完成以上工作后，CATIA 会弹出系统提示信息，提示系统自由度为 0，机构的自由度被完全约束，可以进行运动模拟。

4 仿真分析

4.1 车辆运动干涉检查

客车方向盘转动角度一般在两圈到两圈半，主要根据客车实际设计转向角度来确定，本文以方向盘总圈数两圈，即左右各旋转360°来研究方向盘转动过程中车轮的运动轨迹，在运动模拟里面设置命令，如图4所示。

参数设置完成后，可以在装配图里加载车架和车身以及车身附属设备，模拟方向盘转向过程中，观察车轮及相关转向系统部件的运动是否和车架、车身及附件设备干涉，在设计之初消除设计缺陷，车轮在左、右转向极限位置的如图5、图6所示。

4.2 轮胎轨跡分析

扫掠包络体的功能是来检查某物体在运动过程中所扫掠的体积，扫掠体可以检查物体在运动、装配时所占用的体积。但是此功能只能使用于回放机构中，不能直接应用在模拟动画。因此必须对创建好的机械在机械模拟的基础上生成重放。

整个转向系统在运动的同时，轮胎会有相应的转动，轮胎随着方向盘的左右共两圈转动，形成运动轨迹，转过的运动轨迹的体积就是它所相应的包络体。当然轮胎每个部位移动的轨迹也是包络体中相对应的部分，轮胎转动的包络体如图7所示。

此扫掠包络体可以检查轮胎在运动过程中所扫掠的体积，可以清晰地看出轮胎运动的轨迹，若该转向系统装配到客车整车三维模型后，利用此功能可清晰看出轮胎运动过程中是否与其他部件发生碰撞与干涉。

5 总结

利用 CATIA 的DMU运动仿真对客车转向系统运动过程进行模拟，很好的解决了CATIA的装配功能只能检查出客车静态而非动态下各个零部件的装配是否合理，这在客车样车试验阶段即可发现设计缺陷并提出改进方案。通过仿真模拟→优化设计→试验验证的设计流程[2]，加速产品设计效率，并提高产品质量，提高企业的竞争力。

参考文献

[1] 许晓楠，王虎.基于CATIA的汽车转向系统DMU参数化设计[J].汽车实用技术，2016（10）：112-114.

[2] 李兵.基于CATIA-DMU的刮水器仿真分析及优化设计[J].汽车电器，2014（03）：18-20.

[3] 李小庆.基于CATIA/DMU的刮水器参数化模型研究[J].武汉交通职业学院学报，2015，17（04）：87-89.

[4] 杨光.基于Catia DMU的皮卡前悬架运动学仿真[A].河南省汽车工程学会.第十一届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集[C].河南省汽车工程学会： 2014：4.

[5] 李超帅，方超，林森，于波，李瑞生.基于CATIA DMU的尾门气弹簧运动仿真与设计优化[J].汽车实用技术，2016（10）：56-58.

[6] 李玉魁.CATIA DMU在麦弗逊悬架运动学特性分析上的应用[J].机电技术，2014（01）：109-111.