杨洪云，胡伟，陈琪，施正生

（上汽依维柯红岩商用车有限公司技术中心，重庆 401122）

基于CATIA参数化建模校核Ackermann误差的方法

杨洪云，胡伟，陈琪，施正生

（上汽依维柯红岩商用车有限公司技术中心，重庆 401122）

介绍了Ackermann误差概念和传统校核方法的局限性，提出采用CATIA参数化建模方式，建立全空间转向机构硬点-骨架模型，依靠CATIA参数化驱动功能，通过改变参数得到非常精确的Ackermann误差，并且利用参数与设计表关联，快速得到所有车型转向系统的骨架模型，实现了高效、准确校核大量车型Ackermann误差的目的。

CATIA；参数化模型；Ackermann误差；设计表

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.047

CLC NO.:TG156 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-138-03

前言

车辆转向轮的转角误差值（又称Ackermann误差）会直接影响到轮胎的使用寿命，它决定了轮胎在正常使用条件下单位时间内的磨损程度。转向轮的转角误差值越小，则轮胎的使用寿命、更换周期就越长；反之则使用寿命越短、更换周期也短。

1、转向梯形的设计要求

汽车在转向时，需要保证四个车轮作纯滚动运动，各个车轮在每个时刻都必须围绕着同一个瞬心转动，即必须满足阿克曼原理（图1），阿克曼几何学原理要求：单前轴车型在转向时，内外轮必须符合如下关系式：

在上式中δ0为外侧转向轮转角；δi为内侧转向轮转角；L 为轮距；t kp为主销轴线与地面交点间的距离。

图1 理想阿克曼转向原理图

由于在实际转弯的过程中，车辆的转向梯形很难在整个转动范围内都满足该条件，通常只是近似地满足。实际的车轮转角与理想的满足上式关系的转角误差之间的差值即称为Ackermann误差，此差值反映了实际的转向系统与理想的纯滚动转向系统的接近程度。在设计开发中，转向系统各个部位的参数变化都会影响到Ackermann 误差的大小。比如，车轮前束角、车轮外倾角、主销内倾、梯形的长边、梯形的短边和梯形的腰等。

2、传统校核方法的局限性

传统的Ackermann 误差校核方法一般采用草图平面作图法：将转向梯形、转向传动杆件等投影到平面上进行分析(图2)，这样做的好处是简化了分析过程，但存在的弊端是：

（a）忽略了轮胎的外倾角、主销内倾角参数，降低了计算结果的精度，与车辆实际误差值存在一定出入；

（b）若为双转向桥系统，不能根据转向系统的结构观察到第一转向桥和第二转向桥之间的Ackermann误差关系。

图2 传统Ackermann误差校核方法

3、CATIA知识工程与参数化设计原理

3.1 CATIA知识工程

知识工程是基于知识驱动为基础的工程设计的新思路。为定义一个模型内对象的不同参数和特性所编写的规则和公式是相互关联的。对于应用知识工程开发的设计，最终用户只需输入、改变工程参数或添加、修改工程规则，系统会根据这些规则计算工程参数对产品几何参数的影响，从而驱动最终的几何模型。

知识工程是以知识本身为处理对象，研究如何使用人工智能的原理和方法来设计、构造和维护知识系统的一门学科。知识工程的核心问题包括知识的表示、知识的利用和知识的获取三大块。

传统的CAD系统无法将研究领域的设计原理、成功的设计方案和专家经验知识融入到最终的产品模型中，且都无法实现知识资源的重用，设计师仍然要在可能犯重复错误的前提下做大量重复性的工作。因此，知识工程与CAD结合是现代设计的关键。

3.2 CATIA参数化设计的原理

参数化设计是指设计对象模型的尺寸用变量及其关系式表示，而不需要确定具体的数值，是CAD技术在实际应用中提出的课题。一般是指产品的形状比较定型，用一组参数约束该几何图形的结构尺寸和零部件的特征，参数与设计对象的控制尺寸和特征有显式对应关系。当赋予不同的参数序列值时，就可驱动原设计对象到新的目标几何元素和特征。参数化设计就是通过尺寸驱动和特征驱动的形式，以独立的几何约束和一定的函数公式关系来进行产品的设计。参数化设计将原有设计中某些尺寸，如定形、定位或装配尺寸定义为变量，修改这些变量的同时，由一些简单公式计算出并变动其他相关尺寸，计算机根据这些新的参数值自动完成产品设计。它不仅可使CAD系统具有交互式设计功能，还具有自动绘图的功能。参数化为产品模型的多变性、可重用性、并行设计等提供了可能，使设计人员可以利用之前的模型方便地进行模型的重新构建，并可以在遵循原设计意图的情况下，方便地改动模型，生成系列化产品。设计师通过定义特征、公式、规则等生成参数、方程、设计表等对象，设计过程与用户定义的参数设置顺序有关。参数化设计有以下特点：

（a）尺寸约束。用自定的规则或限制条件，建立和规定各元素之间的关联关系。

（b）驱动尺寸。在约束创建完成后，若修改某一尺寸参数，程序将自动检索和计算新要求的参数量，从而驱动修改几何模型。

（c）数据关联。通过修改尺寸参数将改变其他相关模块中的相关尺寸。

（d）基于几何元素的设计。在某些重要的点、线、面的构造过程中将其尺寸存为可调参数，用来形成骨架，并以此为基础进行复杂的骨架模型构造。

4、全参数化转向机构模型

4.1 全参数化转向机构模型建模方法

（a）先在CATIA里新建一个带参数的Part文件，在Part内根据模型复杂程度，插入数个几何图形集，用来保存各个子模块的点、线、面等元素。

图3 几何图形集和参数

图4 参数化关联建模

（b）根据需要改变的值，建立转向系统模型的全部可变参数（图3）。

（c）在曲面模块中，利用创建点、线、面的命令，创建模型。

（d）创建点、线、面时将具体的值由上一步设定的参数公式来表达，以便建立参数式数学关系式，构造参数驱动（图4）。

4.2 全参数化转向机构模型优势

在参数化的转向骨架模型里，所有的参数：转向机安装位置坐标、各个摆臂安装位置坐标、各个拉杆的安装位置坐标、车轮前束角、车轮外倾角、主销内倾角等和骨架模型都依靠知识工程的公式编辑器建立了相互依赖的关系，如果改变参数值，则骨架模型随即发生改变，牵一发而动全身。因此用这种方法建立的骨架模型不但运动结果精确，而且易于改变。全参数化转向机构的模型优势可小结为几点：

(a)参数和模型联动；

(b)模型运动精确；

(c)模型易于修改和管理。

最终创建完成的全参数化双转向桥机构骨架模型（图5）：

图5 完整的全参数双转向桥机构骨架模型

5、Ackermann误差检查

为了检查模型的Ackermann误差，我们可以通过间断递增取值的方式，通过改变模型中的参数来获得Ackermann误差值。如将一桥内轮转角参数设定为20°，模型立即便得到另外三个车轮的转角值，分别为：18.722°、15.699°和14.459°（图6）。

图6 由骨架模型得到的车轮转角

通过连续设定一桥内轮转角参数，可以得到连续的对应的另外三个车轮的转角，将所有车轮对应的转角记录下来，通过Excel图表将Ackermann误差以直观的曲线反映出来。为了与理想的转角关系曲线进行比较，可以同时计算出理想的转角曲线。

最后以图表的方式得到参数化模型的Ackermann误差值随转角变化的函数曲线（图7）。

图7 由骨架模型得到的精确Ackermann误差曲线

6、全参数化模型与设计表关联

另外，此校核方法的另一功能是，可以将参数化骨架模型的参数关联到设计表（图8），对骨模型的参数进行管理。这样，我们可以将几乎全部车型的转向系统参数，通过测量各零部件的安装位置、尺寸等几何参数，将每个车型转向系统的参数用EXCEL表进行汇总管理（图9）。每次在分析某一款具体车型时，可以通过更改设计表里的参数，来迅速的为该款车型建立其对应的转向参数化骨架模型。

图8 参数与设计表关联

图9 设计表的管理

7、结束语

介绍了利用CATIA V5软件的知识工程创建全参数化转向系统骨架模型，这样得到的模型与参数能够实现联动，能够得到比传统的校核方法更精确的Ackermann误差，再通过将参数与设计表关联，使模型可以拓展到不同结构类型的车辆转向系统上，从而实现了对大量产品的快速、准确的校核工作，有效的提高了产品开发效率和设计质量，缩短了开发周期。

[1] 王克宏.知识工程与知识处理系统［M］.北京:清华大学出版社，1994.

[2] 黄晓云，张国忠，张凤赐.基于参数化和专家系统技术的汽车总体设计CAD系统［J］. 东北大学学报,2003,24(8)

[3] 李咏红，杜平安， 面向对象的参数化 CAD 二次开发方法研究[J].电子科技大学学报，2004,33(5):597-599

[4] 王军. 重型汽车转向系统的结构分析与设计方法研究[D].武汉理工大学,2006. WANG Jun. Analysis of the structure of

[5] 王永岗,杨利杰. CATIA三维参数化建模技术及其应用[J]. 机械工程师,2014,05:200-202.

[6] 石义民,王波. CATIA V5环境下的零件参数化建模方法[J]. 汽车工程师,2011,11:28-31.

Ackermann error checking method based on CATIA Parametric-modeling

Yang Hongyun, Hu Wei, Chen Qi, Shi Zhengsheng
( Saic-iveco Hongyan Commercial Vehicle Co., Ltd., Technical Center, Chongqing 401122 )

This article presents the concept of Ackermann error and the defects of traditional checking method , building full-geometrical steering hard-point model by the parametric- modeling method to obtain the precise Ackermann error with the function of parameter-driven, realized the goal of checking Ackermann error of a mount of vehicles with high efficiency and precision utilizing the Design table to build the skeleton model of steering system of all vehicles.

CATIA; Parametric-model; Ackermann error; Design table

TG156

B

1671-7988(2016)01-138-03

杨洪云，就职于上汽依维柯红岩商用车有限公司技术中心DMU工程师。主要研究方向为商用车DMU。