王青春*，劉培勇，范 潔，張文金

(成都航空職業(yè)技術學院 汽車工程系，成都 610100)

汽車轉向輪定位參數調整教具的設計與仿真

王青春*，劉培勇，范 潔，張文金

(成都航空職業(yè)技術學院 汽車工程系，成都 610100)

由于汽車轉向輪定位參數形成原理復雜，調整效果不直觀，導致學生學習抽象難懂，難以取得良好的教學效果。針對這些問題開發(fā)了適用于課堂教學的汽車轉向輪定位參數調整教具。以UG為設計研發(fā)平臺，采用UG/Motion模塊進行機構動態(tài)仿真分析，對關鍵零部件進行了強度校核，提高了教具的設計效率和質量。

轉向輪定位;調整教具;UG;建模;仿真

汽車行駛過程中的安全性、舒適性越來越受到人們的重視。為了保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性和操縱的輕便性，減少輪胎和其他機件的磨損，降低燃油消耗，并使轉向輪有自動回正的作用，轉向車輪、轉向節(jié)和前軸三者與車架的安裝應保持正確的安裝位置。這種具有一定相對位置關系的安裝稱為轉向輪定位，也稱前輪定位。前輪定位包括主銷后傾角、主銷內傾角、前輪外傾角、前輪前束4個參數。后輪定位包括后輪外傾角和后輪前束。前輪定位和后輪定位合起來叫做車輪定位，即四輪定位［1］。

轉向橋在保證汽車轉向功能的同時，應使轉向輪有自動回正功能，以保證汽車穩(wěn)定直線行駛，這種自動回正功能是由轉向輪的定位參數來保證的，即轉向輪、主銷和前軸之間的安裝應具有一定的相對位置［2］。為了保證轉向輪定位參數的正確性，四輪定位是汽車制造廠家和汽車維修企業(yè)必不可少的工作內容。汽車制造廠新車下線前，以及汽車在使用過程中，均需要做四輪定位。一般新車在駕駛3個月后就應做四輪定位，以后每行駛10 000 km，以及發(fā)生碰撞后都應及時做四輪定位。當汽車出現方向盤過重或飄浮發(fā)抖，前后輪胎單側偏磨，直行時向左或向右跑偏等情況時，也應做四輪定位。

因此，理解四輪定位參數的作用，掌握四輪定位的調整方法，在“汽車構造”的課程教學中非常重要。在實車上，由于前輪外傾角、前輪前束2個參數因調節(jié)量較小，其作用過程不明顯，學生很難直觀感受其參數變化及其作用;主銷后傾角、主銷內傾角為空間角度，其角度形成過程相對較復雜，其作用也難以通過實車展示，所以學生不容易理解。

因此，結合教學的實際情況，筆者所在的團隊研發(fā)了一種“汽車轉向輪定位參數調整教具”，通過該教具的使用，將復雜抽象的轉向輪定位參數變得簡單具體，能夠直觀地演示汽車的4個轉向輪定位參數的原理、形成過程、調整方法;學生通過觀看教師演示，并親自動手調節(jié)，能夠很快地掌握汽車轉向輪的幾個定位參數。

該教具的研發(fā)以UG軟件為平臺，實現“設計-建模-仿真-制造”一體化，并引入項目管理理念，以項目管理橫道圖來規(guī)范活動順序與持續(xù)時間。

1 方案設計

根據汽車轉向輪定位參數調整教具的工作特點及使用情況，要求該裝置體積小，質量輕，便攜性良好，易于調整。因此，將教具設計成玩具小車樣式，如圖1所示，用4個車輪支撐，方便推行。采用模塊化設計，整個裝置包括前輪組件、轉向器組件、后輪組件及車架組件。其中，前輪組件可完成主銷后傾角、主銷內傾角和前輪外傾角的演示與調整，調整的角度用指針指示。轉向器組件結構簡練精巧，可完成前輪前束的演示與調整，調整的尺寸用刻度指示。車架組件用于連接和固定小車的其他組件，以支撐整個小車。

圖1 UG虛擬裝配

2 模型的建立

通過UG三維建模，能夠縮短研發(fā)周期，直觀地表現部件間的相對位置關系。運用參數化三維設計軟件UG完成該裝置的建模，在此平臺上可以隨時計算出零件的體積、面積、質心、慣性矩等，并且在2D或3D圖形上作尺寸修改時，其相關的2D或3D實體模型及裝配、制造等能自動修改［3］。

在UG設計平臺中，采用參數化設計、自頂向下的設計方式，完成對該裝置的建模，將整個裝置系統分為車架組件、前輪組件、后輪組件、轉向器組件4個子裝配，子裝配完成后，再按照它們之間的相對位置關系創(chuàng)建該裝置的整體裝配模型，共建立58個實體模型，完成了汽車轉向輪定位參數調整教具的虛擬設計與裝配，裝配后還進行了機構模擬運行、干涉分析等，為后期制作過程提供一定的依據，預測可能出現的問題。

圖1是在三維軟件UG中進行虛擬裝配的界面，圖2是該裝置除去蓋板后的三維模型圖。圖3為汽車轉向輪定位參數調整教具的局部模型圖，該圖展示了轉向輪定位教具的前輪組件和轉向輪組件的細部結構，運用UG建模后，能夠清楚直觀地表達4個定位參數的調整過程。例如:旋松鎖緊螺母8，轉動支撐板5，可實現主銷后傾角的調整，并通過主銷后傾角指針6直觀指示主銷后傾角角度，主銷后傾角調整角度指示范圍為0～12°，調節(jié)完畢后鎖緊鎖緊螺母8，保持調整狀態(tài);旋轉前束調整螺母14，可實現左右前束的調整，并通過刻度直接讀出前束值。左右前束調整螺母14端面均對準零刻度線時表示前束值為0，前束調整螺母14每調整1個刻度，代表前束調整值為1 mm，調節(jié)完畢后鎖緊鎖緊螺母13，保持調整狀態(tài)。

圖2 汽車轉向輪定位參數調整教具模型

1-輪叉;2-轉臂;3-主銷內傾調整螺母;4-鎖緊螺母;5-支撐板;6-主銷后傾指針;7-主銷后傾指示板;8-鎖緊螺母;9-方向盤;10-齒輪桿;11-轉向器座;12-齒條;13-鎖緊螺母;14-前束調整螺母;15-球接頭桿1;16-球接頭桿2;17-方球頭座;18-車輪外傾調整螺桿;19-主銷內傾指針;20-車輪外傾指針。

3 運動仿真

在建模完成后，用UG軟件中的motion模塊進行運動仿真，建立運動仿真模型，采用UG/Motion模塊進行機構動態(tài)仿真分析，可以方便地對該裝置的設計方案進行模擬、驗證、修改、優(yōu)化，減少復雜的人工計算過程，縮短生產周期，節(jié)約設計成本［4］。

圖4 用UG/Motion運動仿真模擬前束的調整過程

通過UG/Motion模塊進行機構動態(tài)仿真，能體現轉向輪4個參數在調整過程中的運動情況，圖4即為模擬的前輪前束運動情況。通過模擬并錄像，虛擬的運動能直觀地表示4個定位參數的原理、形成過程，用錄像和實物同時向學生展示幾個參數的原理和形成過程，使學生易于理解，提高了教學效果。

4 關鍵零部件的強度校核

在設計過程中，對關鍵零部件用NX-Nastran軟件進行了強度校核。該裝置中的球接頭螺桿在反復調整的過程中承受了較大的彎曲和扭轉載荷，且容易因磨損導致零件失效，故將調整前束用的 10 mm×99 mm球接頭螺桿進行有限元分析，基本過程為:1)在UG中打開球接頭螺桿模型，進入“開始-高級仿真”，建立有限元模型，對其進行理想化模型，簡化非危險區(qū)域的小尺寸細部結構，并對原模型進行檢查和修改;2)選擇合適的網格劃分方案，控制單元規(guī)模和網格質量，網格劃分、診斷與修補網格缺陷等前期處理工作;3)加載荷及邊界條件:約束球接頭螺桿與前束調整螺母的接觸面，在球接頭螺桿的另一端加上小車實際工作時的載荷，球接頭螺桿材料1Cr18Ni9Ti不銹鋼，將彈性模量、泊松比等參數輸入Nastran分析軟件中，進行有限元計算。

圖5 球接頭螺桿馮氏應力云圖

在后處理器中可以得到該零件的應力及變形分布圖，如圖5所示。其螺桿的最大應力為52.9 MPa，最大應力發(fā)生在球頭與桿件的拐角處，該零件的抗拉強度為520 MPa，屈服強度為205 MPa，由第三強度理論［5］判定可知:該零件強度足夠。

圖6 車架組件馮氏應力云圖

用類似方法對小車的基體-車架進行強度校核，由圖6可知，該車架的最大應力為128.1 MPa，滿足強度及剛度要求。

通過以上設計過程，使該教具設計基本完成，再在UG中生成完整的、符合產品設計需要的工程圖樣，用于零部件的加工。

5 教具的生產制造

工程圖紙設計好后，進行機械零件加工，利用現有的設備資源，如數控車床、數控銑床、加工中心等，保證零件的加工精度，

基于本課題所構建的虛擬設計平臺，完成了實際制造生產過程的各個組成部分(包括了生產準備、生產實施、生產管理全部過程)的有機結合，實現了柔性化、自動化和集成化，達到了高效率、高質量、低成本、短周期和靈活生產的目的，圖7所示為該教具的實物照片。

圖7 汽車轉向輪定位參數調整教具實物照片

6 結語

以UG軟件為基礎的產品研發(fā)平臺，縮短了開發(fā)周期，提高了產品的可靠性，通過汽車轉向輪定位參數調整教具的研發(fā)與制作，充分說明基于數字化樣機的裝配仿真分析是該裝置開發(fā)的有效輔助手段。

汽車轉向輪定位參數調整裝置教具是一個純機械裝置，它結構簡單，質量輕便，便于攜帶，能清楚地展示4個參數的原理、形成過程、調整方法，調整好后能夠現場推行，試驗調整效果，而且各定位參數均設有指示裝置，能實時準確地指示各定位參數的參數值，便于演示和調整;不受場地限制，方便教學，將復雜抽象的轉向輪定位參數變得簡單具體。

［1］張英詳.汽車四輪定位原理及調整基數［J］.汽車技術，2013(14):96.

［2］陳家瑞.汽車構造:下冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:174-176.

［3］云杰漫步.UG NX6.0中文版基礎教程［M］.北京:清華大學出版社，2009:72-73.

［4］張晉西.UG NX/Motion機構運動仿真基礎及實例［M］.北京:清華大學出版社，2009:21.

［5］劉鴻文.材料力學:下冊［M］.3版.北京:高等教育出版社，1992:324.

Design and Simulation of Teaching Aid for Alignment Parameters Adjustment of Automotive Steering Wheel

WANG Qingchun* ，LIU Peiyong，，FAN Jie，ZHANG Wenjin
(Department of Automotive Engineering，Chengdu Aeronautic Polytechnic，Chengdu 610100，China)

The principle of automotive steering wheel alignment parameters is very complex，and its adjustment effect is not intuitive，so it is so abstract and difficult to understand for students.This teaching situation has a negative effect on teaching quality.To solve this problem，a teaching aid for alignment parameters adjustment of automobile steering wheel is developed.To improve the design efficiency and quality，it is based on the platform of software UG and developed to check the strength of critical parts by using the module of UG/Motion dynamic simulation analysis.

Steering wheel positioning;Adjustment of teaching aid;UG;modeling;simulation

U463.42

A

2095-5383(2014)02-0039-03

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.013

2014-02-25

王青春(1977-)，女(漢族)，四川武勝人，高級工程師，碩士，研究方向:汽車底盤結構設計及強度分析，通信作者郵箱:qc77517@sina.com。

劉培勇(1974-)，男(漢族)，重慶人，高級工程師，在讀博士研究生，研究方向:光機電一體化、機器人及機器視覺和汽車設計與制造。