基于CATIA的雨刮运动模型搭建方法
2020-05-09周侠
周侠
（众泰汽车股份有限公司）
在汽车整车研发中，需要校核分析各个系统的设计方案是否合理以及是否满足法规要求，前雨刮系统刮刷面积校核就是一个典型的法规校核项目。雨刮系统尽管结构并不是特别复杂，但是其运动模型的搭建在实际工作中却经常出现不正确或不合理的现象。文章基于多年的实际工作经验，提出一种在CATIA 软件环境中搭建雨刮系统运动模型的方法，该方法成熟且精确，可以实现雨刮机构的动态仿真分析，为校核雨刮的刮刷面积提供依据。
1 机械系统运动副及自由度
使两物体直接接触而又能产生一定相对运动的联接，称为运动副，它是机械系统中一个重要部分。一个做空间运动的构件具有6个独立的运动，称为6个自由度，即沿 X，Y，Z 轴的移动和绕 X，Y，Z 轴的转动；一个做平面运动的构件可以产生3个独立运动，即沿X，Y 轴的移动和绕极点的转动，所以具有3个自由度。汽车悬架系统其实是运动副的组合，将各个运动副有机地结合起来，形成一个运动副系统，进而完成复杂的机构运动。
雨刮系统中的运动副主要有旋转副、球铰副、点面副等。每个运动副都会对运动构件的自由度产生影响，在CATIA 环境中，当整个系统的自由度为0 时，将允许对运动机构进行仿真分析。
在汽车总布置设计中，雨刮系统布置完成后，需要校核雨刮在风挡玻璃A、B 区的刮刷面积，因为风窗玻璃刮水器的刮刷面积至少应覆盖按照GB 11555—2009中第4 章的有关规定确定的A 区域的98%、B 区域的80%[1-2]，方能满足驾驶员前方视野[3]的要求。
2 雨刮系统运动模型的搭建
首先确定雨刮各构件的硬点参数无误，确保运动仿真结果的准确。硬点参数为关键点坐标、直线及平面。打开CATIA 软件，点击“开始”—“数字化装配”—“DMU 运动机构”，并打开雨刮模型，模型中的运动构件需要拆分成独立的part 文件，才能搭建运动模型，如图1所示。工具条中的运动副按钮，如图2所示。
图1 CATIA 雨刮模型显示界面
图2 CATIA 工具条中运动副按钮显示界面
2.1 运动副创建
创建旋转1：曲柄与电机机架总成，2条旋转轴线元素和2个参考面元素。这2条旋转轴线元素和2个参考面元素可以相同，复制即可（以下操作与此相同，不再重复）。此旋转副是一个原动件，需要输入曲柄的旋转角度（360°），作为整个运动系统的一个驱动构件，如图3所示。
图3 曲柄与电机机架总成的旋转副创建界面
创建球面2：曲柄与连杆2，2个铰接点元素，如图4所示。
图4 曲柄与连杆2的球铰副创建界面
创建球面3：连杆1与连杆2，2个铰接点元素，如图5所示。
图5 连杆1与连杆2的球铰副创建界面
创建刚性4：连杆1与刮臂1为一个整体，直接点击固结按钮“”，如图6所示。
图6 连杆1与刮臂1的刚性联接创建界面
创建旋转5：连杆1与电机机架总成，2条旋转轴线元素和2个参考面元素，如图7所示。
图7 连杆1与电机机架总成的旋转副创建界面
创建刚性6：连杆3与刮臂2为一个整体，直接点击固结按钮“”，如图8所示。
图8 连杆3与刮臂2的刚性联接创建界面
创建旋转8：连杆3与电机机架总成，2条旋转轴线元素和2个参考面元素，如图9所示。
图9 连杆3与电机机架总成的旋转副创建界面
创建球面7：连杆3与连杆4，2个铰接点元素，如图10所示。
图10 连杆3与连杆4的球铰副创建界面
创建球面9：连杆2与连杆4，2个铰接点元素，如图11所示。
图11 连杆2与连杆4的球铰副创建界面
点曲面10：连杆1与连杆2，1个铰接点元素和1个参考面元素，该点元素需要在该面元素上，如图12所示。
图12 连杆1与连杆2的点面副创建界面
点曲面11：连杆3与连杆4，1个铰接点元素和1个参考面元素，该点元素需要在该面元素上，如图13所示。
图13 连杆3与连杆4的点面副创建界面
2.2 固定件设置
将电机机架总成作为固定件，选中结构树中的电机机架总成，并点击固定零件按钮“”，如图14所示。此时自由度为0，提示机械装置可以进行运动模拟，表示运动模型搭建完毕，如图15所示。
图14 电机机架总成设置为固定零件CATIA 显示界面
图15 运动模型搭建完成CATIA 显示界面
2.3 运动仿真
图16 进行运动仿真的CATIA 显示界面
图17 进行重放设置的CATIA 显示界面
3 雨刮刮臂包络体生成
图18 扫掠包络体CATIA 显示界面
图19 选择需要扫掠包络体的产品CATIA 显示界面
生成构件包络体并保存生成的包络体。点击“保存”，可以保存生成的包络体；点击“预览”，可以查看包络体。生成“刮臂1”包络体，如图20所示。以同样的步骤可以生成“刮臂2”包络体。
图20 “刮臂1”包络体显示界面
从雨刮系统运动模型的搭建过程可以看出，在CATIA 中创建雨刮系统各运动构件的装配后，根据文章所述方法，只需正确提取运动构件的关键点、线等元素，并建立少数几个相关运动副，即可完成雨刮系统运动模型的搭建，过程简单，模型搭建方便。
4 结论
通过运动模型生成的左右2个雨刮刮臂的包络体，可以校核前风挡玻璃A、B 区的雨刮刮刷面积，该方法高效且方便。文章介绍的雨刮系统运动模型的搭建方法，是经过多年的研究和实践所得出，可以用来比对用错误方法或者不合理方法搭建的雨刮运动模型，从而找出原有模型中设置有误的运动副约束，完成对原有模型的修正，因此该雨刮系统运动模型的搭建方法具有较高的应用价值。目前大多数汽车厂商选择使用CATIA 软件进行产品设计及校核。雨刮系统运动模型并不复杂，搭建难度适中，但却包含了重要的运动机构元素。掌握了雨刮系统运动模型的搭建方法，可以较好地理解CATIA 软件运动模拟模块的使用，对于搭建更为复杂的运动模型（如底盘的前后悬架模型）具有十分重要的意义。
