转向系统集成数据自动化设计方法

张道权　王景超　闫世明　卫文涛

摘 要：在整车数据布置集成领域，转向系统集成数据生成的普遍现状，首先根据整车载荷情况选定转向模块，然后根据整车布置硬点进行转向系统数据布置，通常是由在三维软件中对数据进行手动拆分、约束，一方面工作效率低，另一方面手动约束容易出错，影响数据准确性。本文通过对转向系统（以C-EPS为例）运动规律、转向模块划分、转向约束规律等进行研究，通过Catia 知识工程模块，建立转向系统集成数据自动化模型，根据转向模块选项及整车硬点，快速自动生成系统集成数据，提高工作效率、数据准确性。

关键词：集成领域 转向系统 Catia知识工程 自动化

Automatic Design Method for Integrated Data of Steering System

Zhang Daoquan Wang Jingchao Yan Shiming Wei Wentao

Abstract：In the field of vehicle data layout integration， the general status of steering system integration data generation first selects the steering module according to the vehicle load situation， and then arranges the steering system data according to the hard points of the vehicle layout， usually by the three-dimensional software. Manually splitting and constraining data， on the one hand， is inefficient， and on the other hand， manual constraints are prone to errors and affect data accuracy. This paper studies the motion law， steering module division， and steering constraint law of the steering system （take C-EPS as an example）. Through the Catia knowledge engineering module， the integrated data automation model of the steering system is established， based on the steering module options and the hard points of the whole vehicle， so as to quickly and automatically generate system integration data to improve work efficiency and data accuracy.

Key words：integration field， steering system， Catia knowledge engineering， automation

1 前言

在整车数据布置集成领域，转向系统数据生成的普遍现状，首先根据整车载荷情况选定转向模块，然后根据整车布置硬点转向系统数据布置，通常是由在三维软件中对数据进行手动拆分、约束，一方面工作效率低，另一方面手动约束容易出错，影响数据准确性。

自动化设计是工业工程的发展方向，随着计算机技术的发展，生产过程的自动化已经取得了重大突破，而产品研发领域集成数据的自动化却成为了整个生产效率的瓶颈，参数化设计越来越得到了人们的重视。转向系统集成数据的生成方法，显然已不满足集成数据自动化的发展要求，亟需改进。

2 转向系统概况

2.1 转向系统发展历程

转向系统是整车关键底盘系统，主要作用是根据驾驶员意愿改变或者保持汽车行驶方向的机构。汽车的发展历程中，转向系统经历了五个发展阶段：机械式转向系统、液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动助力转向系统及线控转向系统，目前乘用车领域主流是电动助力转向系统，而线控转向还在研究初步应用阶段。电动助力转向系统根据助力位置，又分为管柱助力式（C-EPS）、齿轮轴助力式（P-EPS）及齒条助力式（R-EPS）。

本文以管柱助力式转向系统（C-EPS）为例进行转向系统数据自动化集成介绍，其它形式以此类推。

2.2 C-EPS转向系统工作原理

C-EPS转向系统相对于P-EPS、D-EPS具有明显成本优势，在乘用车领域，特别是A级车型中得到广泛应用。其主要工作原理如下：

a）管柱电控单元检测驾驶员转向意愿;

b）管柱电控单元根据驾驶意愿，控制转向助力电机旋转工作;

c）电机旋转扭矩，经蜗轮蜗杆机构减速增扭后传递到中间轴;

d）中间轴传递的扭矩，经齿轮齿条机构，转化成转向器齿条的齿条力;

e）齿条力推动齿条移动，驱使车轮转动，实现整车转向。

3 转向系统模块及布置约束

3.1 转向系统模块

模块化设计是将产品分成几个部分，每个部分具有独立的功能，称为模块架构。模块具有一致的几何接口和一致的输入、输出接口单元，相同种类的模块互换，实现不同性能、数据布置要求。模块化设计可减少开发成本，缩短研发周期，同时提高产品质量稳定性，这在汽车研发领域已形成的一个共识，也是汽车研发规划的一个重点。

电动助力转向系统根据转向助力形式、转向助力大小又划分不同的转向系统模块，比如C-EPS转向模块，其中根据助力大小分为C-EPS转向模块①、C-EPS转向模块②等。

C-EPS按系统可拆分为转向管柱模块及转向器模块两个一级模块，进一步从工作原理及数据布置上，又可将转向管柱、转向器进一步分为15个二级模块，具体划分情况如表1。

3.2 转向系统数据布置约束条件

根据转向系统工作原理及运动规律，转向系统数据布置约束，主要受两方面影响：a、整车转向系统布置硬点;b、转向模块本身尺寸。

整车转向系统布置硬点，主要是指转向盘中心点（涉及人机，决定了管柱上顶点），转向梯形（决定了转向器轴线、转向拉杆内外球销点）。转向模块本身尺寸，主要是指管柱减速机构及电机电控总成尺寸（决定了中间轴上十字轴点）、转向器本体（转向器输入轴尺寸、中心距、轴交角等决定了中间轴下十字轴点）。当然，部分布置约束是受整车布置硬点及转向模块本身尺寸综合影响，比如管柱下点、齿条内拉杆球头，具体受约束影响情况如表2。

4 转向系统数据常规生成方法

转向系统数据集成普遍常规方法，根据整车载荷校核转向助力需求，选择转向模块，将转向系统（以C-EPS为例）拆分成15个小模块;根据整车硬点坐标，建立转向系统硬点、线。然后通过将15个小模块与转向系统硬点、线约束，最终生成转向系统数据。

常规方法存在不足：不同项目不同工程师间重复拆分工作、手动操作易出错。

5 转向系统自动化模型

Catia是英文Computer Aided Tri-Dimensional Interface Apllication的缩写，是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。

Catia功能丰富，有零件设计、装配设计、DMU运动机构模拟等等，其中知识工程顾问KWA模块（Knowledge Advisor）的应用，可建立转向系统数据自动化生成模型，通过输入转向模块选项及整车硬点坐标，快速生成转向系统集成数据。

5.1 知识工程顾问模块

知识工程顾问（Knowledge Advisor）模块能让开发人员把产品的设计知识（包括尺寸关系式、尺寸约束、特征关系式等）用知识工程原理表达出来，组成一个产品的知识库，通过约束关系，根据实际项目输入，实现自动化设计。

5.2 转向系统数据库

根据平台规划，划分了不同转向模块，如C-EPS模块①、C-EPS②、P-EPS①、R-EPS②等。根据二级小模块以上定义，对管柱、转向器进行拆分，并与编号对应。

5.3 建立模型参数表

根据整车硬点，在知识工程顾问模块中，建立转向系统硬点及线约束，通过输入转向系统硬点，更新即可得到转向系统的硬点及线。

5.4 转向系统数据模型

通过知识工程顾问模块，建立转向系统数据库及参数化约束，最终搭建转向系统数据库与参数化约束一体化模型，通过输入转向模型选择及整车硬点，即可得到转向系统集成数据，此模型即转向系统数据自动化模型。

在知识工程顾问模块中，建立转向模块与转向系统硬点及线的约束关系，实现转向选项、转向硬点输入，更新模型即得到转向系统集成数据，此即转向系统自动化模型。

6 结束语

本文通过以C-EPS转向系统为例，介绍一种系统集成数据自动化模型。在Catia知识工程模块中，根据转向系统工作原理，拆分转向模块数据并转化为工程知识库，建立转向系统集成数据自动化模型，在输入转向模块选项、转向系统硬点的基础上，可实现自动化快速生成系统集成数据，一方面提高工作效率，让工程师有更多时间用在研究领域，一方面提高集成数据的准确性。

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