陕西汽车控股集团有限公司 赵增耀 陈文斌 金开

专用车液压系统CAD三维TOP-DOWN设计研究

陕西汽车控股集团有限公司 赵增耀 陈文斌 金开

针对专用车液压系统三维CAD设计中出现的BOM结构关系混乱、层级不合理、各子系统关系独立的现象，分析专用车液压系统三维设计各零部件的结构特点和工作特性。建立基于三维TOP-DOWN模型设计的专用车液压系统三维，研究专用车液压系统零部件在整机三维设计开发中的空间位置定义，明确其随整机三维设计布置的联动性。规范液压系统零部件在三维中的TOP-DOWN层级关系，明确液压系统零部件在三维设计装配的约束状态，为专用车液压系统三维TOP-DOWN设计提供参考。

专用汽车作业装置的直线或回转动作主要是通过液压系统执行元件实现的。驱动执行元件动作的动力源主要通过原动机带液压泵提供，并通过控制元件实现方向、压力、速度等方面的控制。为构成完整的液压系统，还配套有液压辅助元件。

目前专用汽车的液压系统设计主要采用CAD二维工程图或独立的三维液压系统设计。液压系统设计人员缺少与整机设计的协同设计平台，导致液压零部件的装配与整机不能联动，使得整机模型在进行设计改动时，液压系统关联零部件不能随动，从而出现装配错误或干涉现象，影响产品设计开发质量。同时，液压系统设计人员在进行液压系统三维设计时，缺少合理地层级管理和装配约束。

本文基于CAD三维设计软件，采用先进的TOP-DOWN设计理念，结合专用汽车液压系统设计特点，对专用汽车液压系统三维设计零部件的协同设计、装配约束、层级管理进行规范化定义。以满足专用车液压系统三维协同设计相关标准的要求，以期为同行液压系统三维设计提供借鉴[1]。

三维TOP-DOWN设计在液压系统中的应用

专用汽车主要由底盘、上装、电气系统、液压系统、动力系统等组成。专用汽车整机三维TOP-DOWN设计中，液压系统作为整机下属的一级部件，参与整机的三维协同设计工作。下面以液压系统TOP-DOWN协同设计为例，进行论述。

1.液压系统三维装配坐标系

液压系统作为整机一级部件子系统，依据TOP-DOWN设计理念，需在整机及子系统坐标系中明确液压系统装配相对位置，如图1所示。

从图1整机及部件坐标系图中不难发现，相对整机绝对坐标系，液压系统坐标系可根据整机设计情况进行移动，使整机及液压系统三维设计过程中，液压系统坐标系可根据整体布局情况进行灵活调整。

图1 整机及部件坐标系

图2 液压系统零部件坐标系

图3 液压系统树模型

图4 液压油缸装配关系

2.液压系统零部件装配参考液压系统坐标系

在液压系统主要零部件装配时，其装配位置关系参考液压系统整体坐标系。如液压泵、主控阀、液压油缸等主要液压元件的装配，如图2所示。

从图2液压系统主要零部件装配图中可以看出，液压系统主要零部件作为液压系统子件装配于液压系统中，并与液压系统整体坐标系位置附属关联关系，从而可以随液压系统整体坐标系随动。

3. 液压系统EBOM在三维设计中的层级管理

液压系统一级部件作为液压系统EBOM层级管理的顶级，对液压系统装配中的零部件进行管理。其装配零部件相对整机树模型为二级部件，如图3所示。

从图3整机树模型中可以看出，液压系统装配的零部件作为液压系统一级部件的子件进行层管理，方便液压系统EBOM的整理工作，使液压系统输出EBOM更加合理准确。

液压系统零部件在整机三维模型装配约束特点

专用汽车作业装置在工作过程中，部分液压执行元件或辅助元件会处于运动状态。因此，在专用汽车整机三维TOPDOMN模型设计中，必须考虑运动液压元件其自身在整机模型中装配约束的情况。

1.液压油缸在液压系统装配约束特点

液压油缸作为液压系统中液压执行元件，驱动专用汽车作业装置实现直线或回转运动。液压油缸活塞杆在工作过程中作直线或直线及旋转运动，液压缸筒在工作过程中不动或绕油缸缸底作旋转运动。

由于液压油缸在作业装置工作中的特点，在液压系统三维装配中不能将油缸作为零件装配。而应该以产品组件的形式进行装配，装配组件作为液压系统一级部件的子件。其装配约束关系采用柔性装配，这样可满足液压油缸在整机装配中的运动情况，如图4所示。

从图4液压油缸柔性装配中可以看出，液压油缸活塞杆约束主要有三个约束关系，即活塞杆安装轴与销轴的轴相合约束、活塞杆安装座与作业装置面接触的偏移约束、活塞杆与缸筒的轴相合约束。

依照上述液压油缸的柔性装配约束关系定义，在整机进行三维动态仿真时，就可以实现油缸与作业装置一同动作。从设计的角度来看，可动态地检查作业装置在运动过程中整机零部件相关干涉等现象，使整机在三维设计初期就能解决各专业子系统及子系统自身相关干涉等问题。

2.胶管总成在液压系统装配约束特点

图5 胶管总成装配关系

胶管总成作为液压系统中液压辅助元件，主要作用是连接液压泵、液压控制元件、液压执行元件等液压元件，使液压系统油路实现连通。

由于胶管总成自身的柔性及不可拆分的特性，其在液压系统三维装配中以产品组件的形式装配，装配组件作为液压系统一级部件的子件。胶管总成装配位置及关系，如图5所示。

从图5胶管总成装配中可以看出，胶管总成主要由两个胶管接头、一个胶管构成，胶管接头采用全约束形式与过渡接头连接。胶管采用创成式外形设计完成，在选择胶管两端轴线上的点时，选择胶管接头上的点，并保持与胶管接头之间的连接关系。

依照上述胶管总成的装配约束关系定义，在液压系统主要元件进行设计位置调整时，胶管可实现随相关元件的调整而随动，从而不用重新定义胶管空间位置。

其他液压零部件的装配都采用正常的全约束装配关系。

结语

通过建立专用车液压系统三维TOP-DOWN设计模型进行论述分析，可得出以下结论：

（1）采用三维TOP-DOWN设计方法，液压系统一次设计成功率得到明显提高。液压系统EBOM清单整理及输出时间明显缩短；

（2）采用参考坐标系法建立液压系统基础骨架，方便液压系统零部件三维空间位置随整机模型设计优化改进随动；

（3）采用柔性装配关系，液压油缸可实现整机动态仿真下带动作业装置联动，便于观察各位置动作情况，并可有效的降低干涉问题。

（4）采用创成式外形设计，胶管可实现随相关元件的调整而随动，从而不用重新定义胶管空间位置。

[1] 翟华,王永成,程东东等.基于三维设计的轧钢机液压配管设计.

2017-08-08