客车

随着市场经济的发展,市场竞争的日趋激烈，客车的更新换代、换型周期不断缩短。同时，消费者的喜好和需求也趋于多样化，这也要求企业能够在短时间内及时地开发设计出满足顾客需要的新产品，以赢得顾客，占有市场。由于客车生产要求同一零件大批量，以降低产品的成本。这就要求客车底盘的设计采用系列化、平台化。为了实现这一目标，产品的设计必须具有灵活性，能在各个阶段进行修改以适应新的要求并能够应用最新的技术。利用客车底盘总布置设计智能化系统能实现新产品的快速开发。它的实现过程可以最大限度地重用企业已有的成熟产品资源，具有很强的灵活性和适应性。随着计算机技术的发展及专业分工的细化，现在客车总布置工作无论在工作范围、工具和手段上已经跟传统的客车或货车总布置设计有了很大差别。在总布置设计过程中，确定总布置尺寸是整个工作的重点，它决定车型的技术水平和造型风格。在总布置方案的确定过程中，应始终把乘坐舒适性、安全性、操作方便性、上下车方便性等作为主要因素考虑，这些因素的确定，都必须以满足人机工程、实用化设计、商品化设计等要求为原则。客车底盘的总布置设计在客车设计中具有举足轻重的作用，如何快速实现客车底盘的总布置设计对于快速开发新车型十分重要，借助底盘设计智能化系统可以实现。以下内容会充分详细的阐述了客车底盘总布置设计智能化系统的组成和建立方法，初步实现了客车底盘总布置设计智能化系统的设计。我们可以这一实例对人机工程、实用化设计、商品化设计等要求原则进行分析详解。1，客车总体设计的特点和要求客车整车设计即客车的总体设计。传统的整车设计工作主要包括以下几方面内容：（1）确定整车型式、结构和尺寸；（2）确定整车的主要性能指标；（3）初选各总成的结构型式、尺寸和性能；（4）协调各总成与整车的关系以及各总成之间的关系。根据系统工程学原理，前三项大部分在系统分析阶段进行，而系统设计主要是在系统分析的基础上，为实施最优方案本身所作的设计与制造工作。为了对设计的全过程提供有效的计算机支持，需要把专家系统技术和数据库、图形库、方法库、参数化变量化技术、系统工程、优化设计以及非线性、智能数学方法等理论和技术结合起来，传统CAD必须与专家系统技术相结合，必须扩展为基于知识的CAD系统。客车的总体设计必须建立在对现有客车设计知识，包括设计标准、手册、规范和专家经验等的充分消化、合理运用的基础上。2，客车底盘总体设计系统的组成在总布置设计中，各大总成的布置设计已形成了较为完善的体系结构，包括总成布置的基本原则、定位方式、定位基准、与其它总成的空间位置关系及关联关系，以及与总布置设计有关的法规、标准等。将总布置设计方案、知识、经验和原则进行合理的组织，形成总布置设计规则库。通过规则库进行具体总成的装配和布置设计。将KBE技术通过二次开发接口和CAX软件相结合，是实现客车三维总布置设计的有效途径。首先了解客车底盘总体设计系统，如表1所示，包括人工神经网络专家推理模块、整车及底盘数据库模块、底盘总布置设计模块、整车动力学仿真模块等四个功能模块，均集成并运行于UG环境之下。考虑到实际使用的需要，动力学仿真、整车及底盘数据库模块均自成体系，可单独运行。表1底盘总体设计专家系统组成3，人工神经网络的建立专家推理系统是基于神经网络算法的模拟专家思维的软件，通过对已有的典型实例的学习，建立输入、输出之间的关联关系。本模块首先输入一定的底盘已知条件，通过人工神经网络推理，得出对于底盘结构型式及其它参数的推理结果，从而对底盘总体参数和结构型式的确定起到一定的指导作用。反向传播神经网络（BP网）算法的优点是算法推导清楚，学习精度较高。设计规划如图1。图1人工神经网络学习示意图4，车型数据库系统的建立整车车型数据库系统建立在整车车型Oracle数据库的基础上，实现具有对整车、底盘零部件以及发动机、变速器等重要总成参数数据的添加、删除、多重查询、打印输出等功能，可对查询出的主要参数进行统计分析，并以直方图及数据表的形式输出。所有车型信息也可用报表形式输出。同时在该系统中还包括有关客车总布置设计部分的国家标准的内容。数据库体系结构如图2。图2数据库体系结构5.客车底盘总布置设计系统总布置模块主要是在三维软件环境下进行客车底盘的三维总布置设计，实现整车各总成的快速布置与修改，并可实现各总成位置参数及主要尺寸参数的参数化修改；在整车总布置的基础上可进行底盘零部件的静态干涉检查以及部分运动件的极限位置干涉情况检查，并结合相关软件进行视野校核等；对于设计好的整车可自动生成二维总布置图及底盘总明细表，从而到达提高底盘总布置设计的速度和质量的目的。由于零部件设计要在整车总布置基本完成后才开始，在总布置设计阶段中往往没有零部件的详细资料，还不能解决零部件和总成内部的细节问题。所以在客车的总布置设计中，硬点位置是首先要确定下来的，通过征求有关设计部门的意见，在负责产品设计的领导参加下，讨论定案。硬点一旦确定，就不再轻易更动，成为进一步设计的依据。设计硬点构成了客车总布置设计的骨架。可以认为，客车总布置设计的过程就是设计硬点不断明确、逐步确定的动态过程。5.1客车总布置装配设计系统开发方式客车总布置装配设计系统的开发作为一种专用系统，既要保持自身系统的完整性和相对独立性，又要考虑到客车整车设计任务的长期性和艰巨性，必须保持其与一般CAD软件及CAE分析软件在几何模型上的互通性。因此，应考虑采用在通用CAD系统的基础上进行二次开发。5.2客车底盘总成参数化模型的建立底盘总布置设计首要任务是确定底盘各总成的基本结构型式和空间大致位置，在只考虑零部件主要尺寸的前提下进行总成及零部件的空间位置及基本结构参数的动态修改。为此，首先必须抽取各零部件的总体参数，即与总布置有关的基本结构参数，如表征零部件外形轮廓的长、宽、高等尺寸，零部件的定位基准等。通过这些总体参数控制零部件的简化模型，进行变量化、参数化设计。在底盘装配时，通过修改相应参数就可以实现客车零部件的快速布置和基本结构尺寸的动态修改。5.3底盘装配树形结构的确定在装配体中各个总成的零件和子部件之间构成了装配关系树。在建立底盘装配模型之前，需要先建立好底盘参数化总装配的树型结构。参数化总装配树型结构的根节点为所要建立的底盘文件，各大总成作为树型结构的一级子节点，对于复杂的总成如包含有纵梁、横梁的车架总成还有二级甚至三级子接点。父节点与子节点之间的关系由相关参数联系，这些参数包括配合参数和安装定位参数（尺寸参数、位置参数）。5.4底盘模块化装配根据上面的论述，结合客车总布置设计任务，以客车总布置参数化模型和三维CAD软件的二次开发为基础，通过总布置装配树形结构的确定、总成的模块化划分、装配定位方式的确定，充分应用装配知识和装配相关性驱动技术从而构建起基于装配规则和三维CAD技术的客车总布置装配设计的技术应用方案（如图3）。图3汽车总布置装配设计技术应用方案以上阐述了客车底盘的智能化底盘装配设计系统的关键技术、理论原理和实现过程，其中开放性的数据库知识支持平台增强了系统的通用性和可扩展性。本系统可以方便的应用于平台化和系列化的客车底盘的设计中,可以节约大量的设计时间、提高设计效率和质量。充分体现了实用化设计在机械产品中的合理有效应用。汽车底盘设计资料库中存放国内外同类车型的技术数据资料，可以对资料进行分析和统计，供设计师在设计中进行参考使用。资料库中还存放汽车底盘设计中的国家标准和法规规定等数据。数据库的所有内容可以通过数据库操纵模块进行修改和添加，从而实现了数据库的开放性设计。底盘的零件不同于车身板件可以按照整车的坐标系进行建模，由于底盘零件的通用性，往往每个零件都有自己的坐标系，所以在汽车底盘的智能参数化安装中完全摒弃了以往设计中的按照绝对坐标进行安装的模式，所有总成部件全部用更适合安装特点的Mating配合约束方式进行定位。任何一个物体从理论上来说在定位上一共有六个自由度，即分别沿X、Y、Z轴的移动和转动。只要对改物体在六个自由度上的全约束，该物体的方位就确定了。前面已经提到了配合约束（Mating）的几种方式，由于进行约束的可以是直线（边）、平面、点，所以可以分别约束一至三个自由度。如点和点进行配合（Mate）约束可以确定三个移动的约束，而两条直线的角度（Angle）约束只可以确定一个转动自由度。合理的确定底盘零部件的配合安装方式，可以方便的实现零件的装配和替换。采用Mating配合约束时，当部件的位置改变时于其配合的部件的位置也会相应的进行调整。下面以发动机、传动轴的装配为例说明安装的应用过程，首先从部件数据库中选择和确定安装发动机型号和类型，然后查询发动机的安装方式，如果大于一种则需先选择安装方式。选定安装方式为“三点定位”后，必须在配合前保证发动机上的三个支点形成的三角形和车架上的发动机支点形成的三角形全等，程序将自动调整参数化建模的车架上发动机支点的位置，使之于发动机的支点相适应。最后用Mating约束将发动机安装于车架上。主传动轴的模型是参数化的，可以调整传动轴的长度。主传动轴的安装必须在变速箱和主传动器都安装以后才能进行。确定以“两点定位”方式进行安装以后，程序自动从安装模型中读出变速箱输出点和主减速器输入点的位置，然后根据两点的位置计算并确定主传动轴的长度，修改主传动轴三维数模的中的Expression尺寸参数，最后用Mating配合约束将主传动轴的两端分别与变速箱和主减速器进行装配。实现上述总布置装配技术路线需要以下的关键技术，大型的CAD软件都提供了这些功能，如UG、Pro/E等，但是其用户面比较广，如果要完全满足上述客车的装配功能还需进行客户化的二次开发。1、装配相关性驱动技术。装配相关性驱动技术包括：尺寸驱动技术、配合约束驱动技术以及WAVE驱动技术。1）尺寸驱动技术。表达式(Expression)是参数化建模的一个重要组成部分，它可用来定义和控制模型中的大部分尺寸，如特征的尺寸或草图的尺寸。表达式可被用来控制单个零件中不同特征之间的关系或装配零件中各零件的关系。2）配合约束技术。如果说表达式的使用主要用来建立装配体中零部件之间几何尺寸的关联关系的话，配合约束的使用则可实现装配体中零部件之间在空间位置上的关联关系，包括：配合、对齐、角度、平行、垂直、相切、对心、距离等。各种约束关系可以通过包括点、线、面等在内的多种几何形体元素建立。使用这些约束关系完全可以满足三维装配中定义零部件之间空间位置关系的需要。3)WAVE——尺寸、约束全相关驱动技术。WAVE（What-ifAlternativeValueEngineering）是UG软件一项全新的产品概念设计技术，特别适合于整车设计，是有效的解决整车设计“牵一发动全身”难题的关键。它可以使的得不同部门的工程师在设计早期阶段就可以站在系统工程的角度，同时针对多种可选的设计方案进行评估。通过将设计意图组织到一个相关控制结构（AssociativeControlStructure）中去，可以使设计师十分有效地控制各种设计变更。2、汽车底盘的总布置和虚拟装配需要一个项目组协同完成。总布置装配的树型结构，各模块之间的层层相关性和约束决定了必须对产品数据进行有效的管理，许多产品数据管理软件，例如EDS公司的Iman软件与UG一同构建了产品网络协同设计和产品数据管理的平台，为底盘的总布置和虚拟装配提供了技术支持。以上内容详细地阐述了汽车底盘的智能化底盘装配设计系统的关键技术、理论原理和实现过程，其中开放性的数据库知识支持平台增强了系统的通用性和可扩展性。本系统可以方便地应用于平台化和系列化的汽车底盘的设计中，可以节约大量的设计时间、提高设计效率和质量。从其设计过程及投入使用的过程中充分体现人机工程、实用化设计、商品化设计等要求原则的科学应用。参考文献：1王成焘.现代机械设计：思想与方法.上海科学技术出版社.19992张洪欣.汽车设计（第二版）.机械工业出版社.19893王斌.汽车车身快速设计方法.同济大学汽车系硕士毕业论文.20004UnigrphicsSolutionsInc.,UGV16OnlineDocu