一种制作汽车前转向轮包络面的方法
【专利摘要】本发明提供一种制作汽车前转向轮包络面的方法，包括：根据所述汽车前转向轮的轮跳及转向最终耦合关系曲线，生成所述前转向轮的运动轨迹文件；根据所选择制定车轮轮胎型号，制作轮胎轮廓的静态模型；建立一个只含有所述车轮轮廓的运动仿真模型，使所述车轮轮胎轮廓上相应的坐标值按照所述前转向轮的运动轨迹文件中轨迹曲线变化，使车轮所述进行仿真运动，对其运动空间进行包络体扫掠，获得所述车轮的运动包络面。本发明所获得的包络面具有很高的可靠性和安全性，且能提高设计效率，降低了设计风险和开发成本。
【专利说明】一种制作汽车前转向轮包络面的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车【技术领域】，尤其涉及一种制作汽车前转向轮包络面的方法。
【背景技术】
[0002] 汽车的车轮运动包络面，是指在整车的各种行驶工况下，车轮随悬架上下跳动并 转向运动至各个极限位置的过程中，车轮轮胎所占据的运动空间。它决定了车轮轮罩和翼 子板开孔形状，同时还可以用来检查车轮与周边子系统及零部件的动态间隙及运动干涉情 况，甚至还可能驱动整车架构开发中的车轮轮距、车辆最小转弯半径等的调整。因此，在整 车项目的开发阶段，在适当的开发节点分析设计出较精确的轮包，对于降低设计风险、减少 后期设计更改、缩短开发周期以及降低开发成本都有着重要的作用和意义。
[0003] 车轮的运动包络面决定于车轮的运动机理，其影响因素包括：悬架系统的拓扑结 构（悬架类型)、几何结构(悬架系统硬点)，车轮的轮跳和转向关系，车轮定位参数，轮胎型 号，轮胎静态轮廓标准以及雪链应用策略等。
[0004] 目前，汽车工程师在开发设计阶段通常采用仿真软件对悬架系统的运动进行仿真 分析，模拟计算车轮在坚直方向的轮跳运动以及绕主销轴线旋转的转向运动时所占用的空 间，并以此来制作车轮包络。然而，在悬架系统中，减震器上部、下控制臂和车身是通过橡胶 衬套相连的，是一个多柔体系统。但在一般的悬架运动仿真中，常常采用简单的刚体运动学 模型，忽略了系统中由于橡胶衬套等柔性元件受力变形而导致的机构位移，不能精确仿真 出车轮的运动轨迹，所得的轮包结果并不能很好地与实际情况相符。
[0005] 因此，目前尚未有能够精确仿真出车轮运动轨迹的生成车轮运动包络面的方法。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于，本发明提出一种制作汽车前转向轮包络面的方 法，其可以反映车轮精确的运动轨迹，并且使生成的车轮包络面光滑完整。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明实施例的一方面提供一种制作汽车前转向轮包络 面的方法，包括如下步骤： 根据所述汽车前转向轮的轮跳及转向最终耦合关系曲线，通过第一动力仿真学软件进 行轮胎包络面仿真分析，生成所述前转向轮的运动轨迹文件； 根据所选择制定车轮轮胎型号，制作轮胎轮廓的静态模型； 根据所制作的车轮轮胎轮廓的静态模型，在第二运动学仿真软件中，建立一个只含有 所述车轮轮廓的运动仿真模型，并根据整车设计要求建立固定坐标系，其坐标系原点及坐 标轴方向均与整车设定相同； 在车轮上创建适当的运动副和驱动，使车轮的位姿完全由车轮中心点以及中轴线上固 定点的坐标值决定； 编辑运动法则曲线，使所述车轮轮胎轮廓上相应的坐标值按照所述前转向轮的运动轨 迹文件中轨迹曲线变化，使所述车轮进行仿真运动，对其运动空间进行包络体扫掠，获得所 述车轮的运动包络面。
[0008] 其中，所述最终耦合关系曲线包括多个坐标点，所述每个坐标点包括轮跳行程参 数以及转向齿条行程参数。
[0009] 其中，所述前转向轮的运动轨迹文件至少包括：在仿真实验过程中的各个时刻，所 述前转向轮的车轮中心点的X，y，z坐标的运动轨迹，以及车轮中轴线上与轮心距离为一固 定值的某一点的X，y，z坐标的运动轨迹。
[0010] 其中，所述根据所选择制定车轮轮胎型号，制作轮胎轮廓的静态模型的步骤进一 步包括： 制作所述轮胎在一般工况、制动工况及加速工况下的轮胎轮廓的静态模型。
[0011] 其中，所述制作所述轮胎在一般工况下的轮胎轮廓的静态模型具体为： 根据ETRT0标准获得某一型号的轮胎截面形状图，将所述轮轮胎截面形状绕中心线旋 转一周，获得所述轮胎轮廓的静态模型。
[0012] 其中，所述制作所述轮胎在制动工况下的轮胎轮廓的静态模型具体为： 根据ETRT0标准获得某一型号的轮胎截面形状图； 以车轮中心线为轴线，将所述轮胎截面形状从Y轴正方向向Y轴负方向旋转180°形 成轮胎模型最终尺寸的第一部分； 以车轮中心线沿X坐标正方向平移一径向变形量形成轴线P，以P为轴线，将轮胎截面 从Y轴正方向向Y轴负方向旋转180°形成轮胎模型最终尺寸的第二部分； 将轮胎截面从中心线处平移至P处，形成轮胎模型最终尺寸的第三部分； 把所述三部分合成，就得到了制动工况下的轮胎轮廓的静态模型。
[0013] 其中，所述制作所述轮胎在加速工况下的轮胎轮廓的静态模型具体为： 根据ETRT0标准获得某一型号的轮胎截面形状图； 以车轮中心线为轴线，将所述轮胎截面形状从Y轴正方向向Y轴负方向旋转180°形 成轮胎模型最终尺寸的第一部分； 以车轮中心线沿X轴负方向平移一径向变形量形成轴线P，以P为轴线，将轮胎截面从 Y轴正方向向Y轴负方向旋转180°形成轮胎模型最终尺寸的第二部分； 将轮胎截面从中心线处平移至P处，形成轮胎模型最终尺寸的第三部分； 把所述三部分合成，就得到了制动工况下的轮胎轮廓的静态模型。
[0014] 其中，所述使所述车轮轮胎轮廓上相应的坐标值按照所述前转向轮的运动轨迹文 件中轨迹曲线变化的步骤具体为： 至少使所述车轮轮廓的静态模型中心点的X，y，Z坐标值以及中轴线上与中心点距离 为一固定值的一点的X，z坐标值分别按照所述前转向轮的运动轨迹文件中的相应轨迹运 动。
[0015] 其中，进一步包括： 根据所制作的汽车前转向轮的轮胎包络面，模拟其与所述轮胎周边零件的干涉关系。
[0016] 其中，所述第一运动学仿真软件为ADAMS/Car软件；所述第二运动学仿真软件为 CATIA/DMU 软件。
[0017] 实施本发明，具有如下的有益效果： 在本发明实施例中，车轮的运动仅仅由车轮轮心坐标及中轴线上一点的坐标运动轨迹 决定。与现有技术相比，车轮的运动不再依赖于悬架及转向机构的运动。因此，应用该技术 方案制作车轮包络面，只需要建立车轮的一个运动学模型就能够适用于所有车型，不需要 输入车型的悬架几何拓扑结构以及硬点信息等，大大提高了工作效率； 通过这种方法得到的运动包络面，其结果综合考虑了汽车在复杂工况下的机构弹性变 形、轮胎的制造和使用误差等因素。使用该方法得到的车轮包络面，可以测量和校核车轮与 周边零部件尤其是轮罩的间隙，所得结果具有很高的可靠性和安全性，解决了简单的刚体 模型仿真与实车试验误差较大的难题，降低了设计风险，缩短了整车项目开发周期，也降低 了整车开发成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。
[0019] 图1是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法的主流程图； 图2是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中所获得的前转向轮中心 点X坐标的运动轨迹示意图； 图3是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中所获得的前转向轮中心 点Y坐标的运动轨迹示意图； 图4是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中所获得的前转向轮中心 点Z坐标的运动轨迹示意图； 图5是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中所获得的前转向轮中轴 线上某固定点X坐标的运动轨迹示意图； 图6是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中所获得的前转向轮中轴 线上某固定点Y坐标的运动轨迹示意图； 图7是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中所获得的前转向轮中轴 线上某固定点Z坐标的运动轨迹示意图； 图8是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中采用的第一种轮胎CAD模 型截面图； 图9是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中采用的第二种轮胎CAD模 型截面图； 图10是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中采用图9的轮胎CAD模 型截面图所获得的特殊工况下的车轮的轮廓示意图； 图11是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法的一个实施例中获得最终 耦合关系曲线的流程图； 图12是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中一个实施例的悬架Roof 图的不意图； 图13是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中一种车型的前车轮Roof 意图； 图14是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中一种车型在特殊工况下 的前转向轮Roof意图； 图15是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中所获得的前转向轮的包 络面示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021] 如图1所示，是本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法的主流程图； 其包括如下步骤： 步骤S10 :根据预先获得的汽车前转向轮的轮跳及转向最终耦合关系曲线，通过第一 动力仿真学软件进行轮胎包络面仿真分析，生成该前转向轮的运动轨迹文件，其中，该最终 耦合关系曲线包括多个坐标点，其中每个坐标点包括轮跳行程参数以及转向齿条行程参 数，图13中示出了一种最终耦合关系曲线，关于如何获得该最终耦合关系曲线，将在下文 中进行详细的叙述。
[0022] 根据该汽车车轮轮跳及转向最终耦合关系曲线，可以通过动力学仿真软件，输出 前转向轮胎运动轨迹文件。在动力学仿真软件(如Adams/Car)中进行轮胎包络面（Wheel Envelope)仿真分析。通过该仿真，可以生成车轮的运动轨迹文件。该些运动轨迹文件包括 在仿真实验过程中的各个时刻，车轮中心点的X，y，z坐标以及车轮中轴线上与轮心距离为 一固定值的一点的X，y，z坐标的运动轨迹，该六个坐标的运动轨迹的一个例子可参见图2 至图7所示。
[0023] 步骤S12 :根据所选择制定车轮轮胎的型号，制作轮胎CAD模型； 具体地，包括：根据汽车使用需要，选择合适的车轮轮胎型号；制作轮胎CAD模型。
[0024] 具体地，在一个实施例中，采用欧洲轮胎技术组织（TRTO European Tyre and Rim Technical Organization，ETRTO)标准制作轮胎的CAD模型。其中，各尺寸参数均根据所 选轮胎型号查阅ETRT0-2010标准得到。该标准中，轮胎模型截面的最大外形尺寸均是最大 使用尺寸，是包含车轮正常使用时产生的形变量和轮胎最大公差值的，既保证了充分考虑 各家供应商的制造误差等因素，又不冗余设计。具体建模方法参见ETRT0 - 2010标准。图 8和图9示出了两种轮胎的截面形状，其中，图8中的轮胎截面中的参数满足A+2 (Bmax+4) >=S(；，而图9中的轮胎截面中的参数满足A+2 (Bmax+4)〈= se。将图8或图9中的轮胎截面 形状绕中心线旋转一周，就得到了轮胎的CAD模型。
[0025] 另外，在制动或加速等特殊工况下，需要考虑制动及加速情况下车轮的径向变形 量。其中，径向变形量是指车轮在受到地面作用力以及悬挂弹性元件受力变形的影响下，车 轮中心点在径向的位移量，亦即沿着X轴正方向或X轴负方向的位移量。如图10所示，是 本发明提供的一种制作汽车前转向轮包络面的方法中采用图9的轮胎CAD模型截面图所获 得的特殊工况下的车轮的轮廓示意图；车轮的轮廓的CAD模型通过如下方式获得： 以车轮中心线（C. R.)为轴线，将如图9所示的轮胎截面从A点(从Y轴正方向）到B点 (Y轴负方向)旋转180°形成轮胎模型最终尺寸的第一部分；在制动工况下，以车轮中心线 (C. R.)沿X轴正方向平移一径向变形量（η毫米）形成轴线Ρ，以Ρ为轴线，将轮胎截面从C 点(从Υ轴正方向）到D点（Υ轴负方向）旋转180°形成轮胎模型最终尺寸的第二部分；在 加速工况下，轴线Ρ则由车轮中轴线沿X轴负方向平移径向变形量形成，且同样以Ρ为轴 线，将轮胎截面从C点（从Υ轴正方向）到D点（Υ轴负方向）旋转180°形成轮胎模型最终 尺寸的第二部分；将轮胎截面从中心线（C. R.)处平移至Ρ处，形成轮胎模型最终尺寸的第 三部分；最后，把这三部分合成，就得到了制动(或加速)工况下的车轮CAD模型。其中，在一 个实施例中，该轮胎径向变形量为l〇mm，其为一经验值，可以理解的是，也可以根据CAE仿 真结果确定此变形量。
[0026] 步骤S14 :根据所述车轮轮廓的静态模型，并结合前转向轮的运协轨迹文件，制作 车轮运动包络面： 由于在步骤S12中已经得到了车轮轮廓的静态CAD模型，在运动学仿真软件(如CATIA/ DMU)模块中，建立一个只含有车轮轮廓的运动仿真模型，并根据整车设计要求建立固定坐 标系
【权利要求】
1. 一种制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，包括如下步骤： 根据所述汽车前转向轮的轮跳及转向最终耦合关系曲线，通过第一动力仿真学软件进 行轮胎包络面仿真分析，生成所述前转向轮的运动轨迹文件； 根据所选择制定车轮轮胎型号，制作轮胎轮廓的静态模型； 根据所制作的车轮轮胎轮廓的静态模型，在第二运动学仿真软件中，建立一个只含有 所述车轮轮廓的运动仿真模型，并根据整车设计要求建立固定坐标系，其坐标系原点及坐 标轴方向均与整车设定相同； 在车轮上创建适当的运动副和驱动，使车轮的位姿完全由车轮中心点以及中轴线上固 定点的坐标值决定，编辑运动法则曲线，使所述车轮轮胎轮廓上相应的坐标值按照所述前 转向轮的运动轨迹文件中轨迹曲线变化，使所述车轮进行仿真运动，对其运动空间进行包 络体扫掠，获得所述车轮的运动包络面。
2. 如权利要求1所述的制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，所述最终耦合 关系曲线包括多个坐标点，所述每个坐标点包括轮跳行程参数以及转向齿条行程参数。
3. 如权利要求2所述的制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，所述前转向轮 的运动轨迹文件至少包括：在仿真实验过程中的各个时刻，所述前转向轮的车轮中心点的 X，y，z坐标的运动轨迹，以及车轮中轴线上与轮心距离为一固定值的某一点的X, y, z坐标 的运动轨迹。
4. 如权利要求3所述的制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，所述根据所选 择制定车轮轮胎型号，制作轮胎轮廓的静态模型的步骤进一步包括： 制作所述轮胎在一般工况、制动工况及加速工况下的轮胎轮廓的静态模型。
5. 如权利要求4所述的制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，所述制作所述 轮胎在一般工况下的轮胎轮廓的静态模型具体为： 根据ETRTO标准获得某一型号的轮胎截面形状图，将所述轮轮胎截面形状绕中心线旋 转一周，获得所述轮胎轮廓的静态模型。
6. 如权利要求4所述的制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，所述制作所述 轮胎在制动工况下的轮胎轮廓的静态模型具体为： 根据ETRTO标准获得某一型号的轮胎截面形状图； 以车轮中心线为轴线，将所述轮胎截面形状从Y轴正方向向Y轴负方向旋转180°形 成轮胎模型最终尺寸的第一部分； 以车轮中心线沿X坐标正方向平移一径向变形量形成轴线P，以P为轴线，将轮胎截面 从Y轴正方向向Y轴负方向旋转180°形成轮胎模型最终尺寸的第二部分； 将轮胎截面从中心线处平移至P处，形成轮胎模型最终尺寸的第三部分； 把所述三部分合成，获得所述制动工况下的轮胎轮廓的静态模型。
7. 如权利要求4所述的制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，所述制作所述 轮胎在加速工况下的轮胎轮廓的静态模型具体为： 根据ETRTO标准获得某一型号的轮胎截面形状图； 以车轮中心线为轴线，将所述轮胎截面形状从Y轴正方向向Y轴负方向旋转180°形 成轮胎模型最终尺寸的第一部分； 以车轮中心线沿X轴负方向平移一径向变形量形成轴线P，以P为轴线，将轮胎截面从 Y轴正方向向Y轴负方向旋转180°形成轮胎模型最终尺寸的第二部分； 将轮胎截面从中心线处平移至Ρ处，形成轮胎模型最终尺寸的第三部分； 把所述三部分合成，获得所述制动工况下的轮胎轮廓的静态模型。
8. 如权利要求3-7任一项所述的制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，所述 使所述车轮轮胎轮廓上相应的坐标值按照所述前转向轮的运动轨迹文件中轨迹曲线变化 的步骤具体为： 至少使所述车轮轮廓的静态模型中心点的X，y，ζ坐标值以及中轴线上与中心点距离 为一固定值的一点的X，z坐标值分别按照所述前转向轮的运动轨迹文件中的相应轨迹运 动。
9. 如权利要求8所述的制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，进一步包括： 根据所制作的汽车前转向轮的轮胎包络面，模拟其与所述轮胎周边零件的干涉关系。
10. 如权利要求8所述的制作汽车前转向轮包络面的方法，其特征在于，所述第一运动 学仿真软件为ADAMS/Car软件；所述第二运动学仿真软件为CATIA/DMU软件。
【文档编号】G06F17/50GK104217047SQ201310220491
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】吴保玉, 王建宜, 叶锦文, 王瑞林, 郭超, 王或 申请人:广州汽车集团股份有限公司