基于CATIA的轻型载货汽车地面线的制作方法

熊燕，何瑞光

（安徽江淮汽车集团股份有限公司轻型商用车研究院，合肥 230000）

0 引言

随着市场汽车更新迭代速度的加快，各主机厂对汽车开发周期也在不断精简压缩，在车辆开发过程中充分利用CAD模拟整车实际情况对设计进行全面检查和校核对提高开发效率至关重要。在汽车设计过程中整车最小离地间隙、纵向通过角、接近角、离去角等均需通过地面线测量其具体设计值，保险杠及前后侧防护离地高度、视镜离地高度、视镜法规视野范围、灯具离地高度等法规要求项也需通过地面线对各部件的位置进行合理布置，因此在设计过程中通过CAD软件制作出与实际相符度较高的地面线对整车相关部件的布置具有极高的指导意义。

本文所述轻型卡车地面线是将车架视为参照物、地面相对车架的位置，对于同一车辆，由于悬架弧高、轮胎半径会随载荷的不同发生变化，因此不同载荷状态下地面与车架的相对位置也不一样。本文利用轻型卡车地面线制作原理，运用CATIA中的参数和公式工具，在CATIA中建立轻型卡车地面线制作的模型，在模型中可根据设计的需要改动制作地面线所需的相关参数的数值，从而得出不同整车、不同状态下的地面线，能极大地提高设计效率。

1 地面线制作原理

本文中所涉及的整车坐标系及坐标轴与常规车辆设计相同[1]。地面线即为前轮和后轮下方的公切线，两个公切点近似为轮胎Z方向最下方点。轮胎最下方点由2个因素决定：轮胎在一定负荷状态下的半径和轮胎中心坐标。轮胎中心坐标需通过前桥、板簧的位置、板簧在不同载荷状态下的弧高进行推算得到。

前悬和前桥的装配示意图如图1所示，板簧前包耳中心点与后包耳中心点的连线为该悬架的弦，其中前包耳中心点的位置不动，而后包耳中心点会随着前悬架载荷变化绕吊耳中心点以半径R进行圆周运动，因此弦的位置也是会发生变动的；弦到悬架最上端板簧的上平面的距离H为悬架的弧高，会随着悬架载荷的变化发生变动；悬架各板簧及中间垫片的总厚度为d，h为前桥轮毂中心到前桥和板簧接触面的垂直距离。

图1 前悬和前桥装配示意图

由以上所述可知，当悬架弦的位置确定后，弦中心点Z坐标减去H、减去d、加上h即可得到前轮中心的Z坐标，前轮中心的Z坐标减去轮胎在一定载荷状态下的半径即为前轮接触的地面处的Z坐标。后轮与地面接触处的Z坐标计算原理与前轮大同小异，在后文中有详细论述。根据前后轮与地面接触处的Z坐标便可形成地面线。

2 参数公式建立

2.1 整车载荷及轴荷

在整车设计初期，首先确定的参数有：整车空载状态的设计总质量G、空载前轮总负荷F1、空载后轮总负荷F2、整车轴距L、货箱内长中心点到前轮中心线距离L0、满载状态下设计总质量G′。满载状态下驾驶室内乘坐人数为核载人数[2]，乘员体重按65 kg/人核算。上述参数中G=F1+F2，F1和F2的值与实际越相符，理论地面线与实际地面线也越相符。

满载状态下的前后轴荷值可通过力矩原理计算出来。如图2所示，设定空载状态下整车质心到前轮中心的水平距离为L1，货箱的载荷为G0，满载状态下前后轮的负荷为F1′和F2′。

图2 轻型载货汽车受力示意图

在空载状态下，

在满载状态下，

其中，

将式（1）和式（3）代入到式（2）中得到

而

在CATIA中输入设计已定义参数G、F1、F2、L、L0、G′、N的数值，按照式（4）和式（5）建立F2′和F1′的公式[3]。

2.2 板簧载荷

板簧负载状态下的弧高与板簧所承受的载荷密切相关，因此首先需确定板簧的簧载质量。

前桥（包含制动器、转向臂、轮毂罩等装配在前桥上的部件）、后桥（包含制动器、转向臂、轮毂罩等装配在后桥上的部件）及轮胎是装配在悬架下方，因此这些部件的质量不会加载在悬架板簧上，传动轴一端是装配在后桥上，另外一端装配在变速器上，中间部分还与车架相连，因此可认为传动轴质量的1/2加载在后悬架上，前后悬架自重的1/4也分别由前后悬架承载，另外的3/4为非簧载质量，前后板簧的非簧载的部件如表1所示[4]。

表1 前后板簧非簧载部件

前后悬架的簧载质量即为前后轮的负荷减去非簧载总质量，单边簧载质量分别为前后悬架簧载质量的一半，设前后板簧在空载状态下的单边簧载质量分别为G1和G2，在满载状态下的单边簧载质量分别为G1′和G2′。

在CATIA中输入设计已定义参数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

板簧在负载状态下的弧高为其在夹紧状态下无负荷弧高减去负载质量对其的压缩量即挠度[5]：

式中：f为挠度；G为簧载质量；g为重力比例系数；K为悬架刚度。

设前板簧在夹紧状态下的无负荷弧高为H1，前板簧的刚度为K1；前板簧在空载和满载状态下的弧高H3和H3′，得到如下公式：

悬架一般会设计有主簧和副簧叠加的状态，在空载状态下副簧一般不会启动工作，满载状态下，如果后悬单边簧载质量超过了副簧开始工作时的临界载荷，则副簧也开始工作，设以上临界载荷为Gc。设后板簧在夹紧状态下的无负荷弧高为H2，后主簧的刚度为K2，主副簧的总刚度为K3；后板簧在空载和满载状态下的弧高为H4和H4′，得到如下公式：

当G2′≤Gc时，

当G2′＞Gc时，

在CATIA中输入设计已定义参数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 板簧弦的长度确定

随着载荷的变化，板簧弧高h会发生变化，进而也会引起弦长l发生变化，而板簧本身的长度s、板簧包耳的半径r、板簧中间骑马螺栓距u均为设计固定值。

弦长的计算公式如下[6]：

在满载状态下，板簧弧高会进一步变小，若h＜r，则上式中的弧高需换成(2r-h)，此时l计算公式如下：

设前后板簧在空载状态下弦长分别为l1和l2，在满载状态下弦长分别为l1′和l2′，前后板簧本身的长度分别为s1和s2、前后板簧包耳半径分别为r1和r2、前后板簧骑马螺栓距分别为u1和u2。在CATIA中输入设计已定义参数s1、s2、r1、r2、u1、u2，根据h与r的关系，按照式（15）和式（16）建立l1、l2、l1′和l2′的公式。

2.5 确定轮胎中心

轮毂中心线可近似认为与轮胎中心线重合，图1为前桥和前悬装配在一起的状态，图3为后桥和后悬装配在一起的状态，弦中线点位置和弧高是变量，悬架中间处板簧及其垫片的厚度d2和轮毂中心线到悬架和桥接触点的垂直距离h2均为设计常量。

图3 后悬和后桥装配示意图

设前悬中间处板簧及其垫片的厚度为d1，前轮毂中心线到前悬架和前桥接触点的垂直距离为h1，在CATIA中输入设计常量d1和d2、h1和h2的值。在CATIA中建立几何图形集，确定轮胎中心点，以空载状态下前轮为例，制作程序如下：1）输入前悬前卷包耳衬套中心点和前悬吊耳衬套中心点坐标，其中Y坐标可不输入实际值，直接输入0即可（下文中各点的Y值均为0），X和Z坐标必须是实际值。2）以前悬吊耳衬套中心点为中心、以吊耳半径为半径在Y0平面上作一个圆弧，那么前悬后卷包耳衬套中心点就在这个圆弧上运动；前悬的弦即为前悬前卷包耳衬套中心点与前悬后卷包耳衬套中心点的连线；弦的长度设置成公式，等于2.4节中输出的参数l1；由以上3个约束条件便可确定弦的位置。3）在弦上取中心点，该中心点沿弦的法线方向移动，移动的距离设置成公式，等于2.3节中输出的参数H3，移动后的点即为空载前板簧上表面中心点；将空载前板簧上表面中心点沿弦的法线方向移动，移动的距离设置成公式，等于输入的参数d1，移动后的点即为空载前板簧与前桥接触面的中心点；再将空载前板簧与前桥接触面的中心点沿弦的法线方向移动，移动的距离设置成公式，等于输入的参数h1，移动后的点即为空载状态下前轮毂中心点，也就是空载状态下的前轮中心点。

后轮中心点及满载状态下的前后轮中心点在CATIA中的确定方法与空载状态下前轮中心点的确定方法相同，可直接将上述几何图形集“空载前轮心确定”进行复制，对名称和相关参数进行更改即可。

2.6 制作地面

轮胎中心线的位置确定后，只需要确定轮胎在一定载荷状态下的半径，即可确定地面位置。根据轮胎的型号可在国标中查到新胎的设计外直径、负荷能力及静负荷半径等参数[7]。设所设计车型的轮胎新胎半径为R1，单胎负荷能力为G10，在额定负荷下的静负荷半径为R2，以上参数均可在标准中查到，由此可粗略计算出轮胎的变形系数为

设在空载和满载状态下，前轮胎的静负荷半径分为R3和R3′；在空载和满载状态下，后轮胎的静负荷半径分为为R4和R4′，那么R3、R3′、R4和R4′可以分别通过以下公式计算出来：

在CATIA中输入设计参数G0、R1和R2，并按照式（17）～式（21）在CATIA中建立公式参数。

在CATIA中再建立几何图形集，以2.5节中确定的空载和满载状态下前轮和后轮的轮心为中心、在Y0平面上作一个圆，圆的半径设置成公式，分别作出空载状态下前轮圆和后轮圆的外公切线、满载状态下前轮圆和后轮圆的外公切线，即得到空载和满载状态下的地面线。

3 结论

用以上方法在CATIA中建立地面线的制作模型，对于不同的车型，只需要更改表1中输入的参数数值，便可直接生成目标车型在不同状态下的地面线，方便快捷。

通过对一辆轻型载货汽车的地面线进行理论设计和实物测量的对比，实际称重得到该车在空载状态下前轴轴荷为1534.5 kg，后轴轴荷为1051.5 kg，获取该车型在表1中列出的相关部件的数值，输入到CATIA中建立的地面线模型中，得到理论地面线。测量该车车架特定位置2处车架上平面到地面的垂直距离，以上2处实际测量值比理论测量值分别小4.3 mm和4.1 mm，该误差不应影响设计理论校核。