Pro/ENGINEER在悬挂运动设计中的应用

刘保增 龚远红 刘伟 孙志伟

1 前言

商用车底盘作为平台战略的主要对象，它的快速设计与开发对企业产品平台化战略的实施有积极的作用，而悬挂的布置是影响底盘性能的主要因素。在底盘设计时，如果采用传统的二维平面设计方法，不但耗时长，也很难对悬挂系统的各种工况进行准确地分析校核，而应用Pro/ENGINEER三维设计软件可以实现悬挂系统的三维参数化设计，充分发挥三维参数化模型直观、准确、快速的优势，使底盘悬挂系统设计与开发变得简单、高效。

2 悬挂协调要求

本文悬挂系统包括中轴总成、后轴总成、平衡悬挂总成、上推力杆总成、下推力杆总成、钢板弹簧总成及推力杆上支挂等部件。为了便于描述各部件间的装配关系，引用通用整车坐标系定义，将汽车纵向垂直对称平面在俯视图和前视图上的投影线称为汽车中心线[1]，并规定通过汽车中心线且垂直于车挂上平面的平面为YO平面。

平衡悬挂与车挂之间为刚性连接，下推力杆总成分别固定在平衡悬挂和车轴总成的下端，上推力杆总成分别固定在车挂横梁与车轴总成的上端，上、下推力杆总成及其端部连线形成一个四边形，其在YO平面上的投影如图1所示。可以看出，推力杆总成的结构是影响悬挂系统布置的主要因素，因此，悬挂系统的协调主要围绕推力杆总成的协调展开论述。

悬挂系统协调的具体要求：a. 在底盘满载的情况下，下推力杆总成呈水平状态；b. 推力杆四边形应尽量布置成平行四边形，无法保证时，应在车轴跳动的全行程范围内控制车轴摆角不超过2°；c. 满载静止时，传动轴与车轴输入输出轴的夹角不大于6°，在车轴跳动的全行程范围内，传动轴与中轴输出轴和后轴输入轴的夹角差值不超过0.1°[1]。

3 悬挂运动设计

从图1可以看出，车轴总成上下跳动的过程中，随着推力杆总成姿态的不断变化，两个车轴总成之间的距离也会发生变化，到推力杆总成呈水平状态时达到最大值。考虑到重载情况下的转向性能，以此时两个车轴总成之间的距离作为整车的轴距，在车轴总成、平衡悬挂总成等已确定的情况下，直接计算推力杆在YO平面上的投影长度。对于I型结构的上推力杆总成，此长度即为实际长度，而对于V型推力杆来说，由于上推力杆总成在车轴和车架横梁上的安装宽度不同，前后方向均存在一定的夹角，故上述计算的长度尺寸再除以该夹角的余弦值才是推力杆总成的实际长度。下推力杆总成一般布置成“八”字型，计算方式与V型上推力杆总成的相同。

上述方法的前提条件是推力杆总成能够形成平行四边形的理想状态，如果该四边形无法形成平行四边形，或者中轴输出与后轴输入呈“W”型布置，则使用AutoCAD等二维软件进行协调时需要进行多轮的试取值，协调效率低且极易出错。此时可使用Pro/ENGINEER软件进行协调，利用其参数化设计的特点，动态协调各个参数，图2为WS系列某车型悬挂系统设计校核实例。

图2 中，L1为中轴轴心至车挂上平面的距离；L2为后轴轴心至车挂上平面的距离；L3为推力杆总成在YO平面上的投影长度；L4为轴间传动轴长度；L5为前上推力杆在车挂横梁上的安装高度；L6为后上推力杆在车挂横梁上的安装高度；A1为中轴仰角；A2为后轴仰角；A3为轴间传动轴与中轴输出轴夹角；A4为轴间传动轴与后轴输入轴夹角。图中所有非括号内的标注尺寸及未标尺寸均为结构参数或计算值，括号内的数值为测量值。

协调时，约束相应的垂直、平行、等长等关系，随时关注车轴间传动轴的夹角关系，在保证A2值合适的情况下，令A3与 A4相等，完成最终协调。

4 悬挂运动分析

将上述协调结果作为悬挂系统组件的骨架，装配时可参考骨架内的数据，如车轴中心线及仰角平面、推力杆的中心线等，当骨架模型变化时，可根据载荷不同，调整车轴中心与车架上平面的距离，此时整个悬挂系统都会随之运动，在中后轴同时上跳至极限、中轴上跳至极限时后轴下落至极限、后轴上跳至极限时中轴下落至极限或中后轴同时下落至极限等各种工况下，可以很直观地查看系统内是否存在干涉现象，图3为装配好的三维模型。

5 结语

本文所介绍的悬挂协调方式为正向设计方式，即直接建立悬挂系统的三维骨架模型，运用骨架模型进行悬挂协调，然后将零部件装配到模型中进行运动校核，避免跳动干涉。这种设计模式可以使设计工作更为直接、准确和快速，从而提高设计效率，减轻设计人员的劳动强度，缩短产品开发周期。此外，本方法采用骨架模型进行协调，保存在悬挂总装配图中，其他设计人员可查看协调结果，便于协同设计。而且在采用参数化驱动后，设计人员可以反复修改零部件的接口参数，用于变型产品的系列化开发，使产品开发能够适应市场需求的快速变化。

[1] 刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社.2001.