摘 要：介紹了在建立零部件圖形庫、底盤參數數據庫、底盤設計標準庫的基礎上，通過Pro/ENGINEER軟件進行二次開發建立的集成于Pro/ENGINEER環境下的卡車底盤參數化三維總布置設計系統。該系統的研制在一定程度上實現了卡車底盤的虛擬設計與虛擬開發。詳細闡述了系統開發的基本原理和主要方法。
關鍵詞： 卡車總布置計算機輔助設計參數化

1 引言

產品設計通常可以分為創新設計和變型設計兩類，在機械、汽車行業中，創新設計較少，大量的是變型設計，也就是在原有產品的基礎上，按市場需求進行局部換型和調整、重組。變型設計的實現過程可以最大限度地利用企業已有的成熟產品資源，具有很強的靈活性和適應性，這也就要求企業實施平臺化戰略。

卡車是一種多品種、多系列的產品，新技術、新產品日益廣泛的應用使得卡車的底盤的更新和換型周期不斷縮短。卡車性能主要取決于底盤，卡車底盤設計制造水平的不斷提高是卡車行業賴以發展的基礎。同時，底盤作為平臺戰略的主要對象，它的快速設計與開發對企業產品平臺化戰略的實施也必將產生積極的作用。

車輛的總布置是整車開發的基礎，其水平對整車產品質量和性能起決定性作用。現慣用的是二維平面方法，它要求總布置人員素質要高，必須對產品零部件相當熟悉且總布置工作必須做細，總布置過程當中要基本完成全部部件的布置，部件設計人員不獨立進行部件的布置。這種做法的優點是總布置人員站在整車的高度全局統籌考慮，一般不易發生由于部件之間缺乏溝通造成的干涉等矛盾；缺點是要求總布置人員具有相當豐富的專業知識和經驗并且對各種繁雜的產品具有較深入的了解，對零部件掌握程度高，否則由于部件人員介入晚，一旦總布置出現問題極易影響開發進度和質量。

針對汽車總布置的性質和特點，結合企業實際，以大型CAD/CAE/CAM三維軟件Pro/ENGINEER為基礎進行二次開發，研制了卡車底盤總布置設計系統，同時采用部件設計人員參與部件布置、總布置與部件布置相結合同步進行的開發思路，使該系統操作簡單，設計過程直觀、高效，適用于輕卡底盤變型設計與開發。

2 Pro/ENGINEER軟件

Pro/ENGINEER是美國PTC公司(Parametric Technology Corporation，參數技術公司)開發的三維造型設計系統，它以單一數據、參數化、基于特征、全相關性以及工程數據再利用等改變了傳統機械設計的觀念，為工業產品設計提供完整的解決方案，成為當今世界機械CAD領域的新標準，廣泛應用于造型設計、機械設計、模具設計、加工制造、機構分析、有限元分析及關系數據庫管理等各個領域。Pro/ENGINEER復合式建模工具較之純參數化的系統更靈活和自由，可以有效利用已有的產品模型數據并充分發揮其在新產品設計中的價值，特別是其自頂向下的設計思路，運用Layout和骨架來傳遞和交流設計意圖，大大提高了設計效率。Pro/ENGINEER軟件還提供了強大的裝配功能，包括定義不同零部件之間的位置約束關系，生成爆炸視圖，進行零部件之間的干涉檢查，并計算裝配體的距離、總重、重心等各種物理屬性等。

3 底盤總布置設計系統基本結構

圖1為卡車底盤總布置設計系統基本框架結構

4 三維參數化總布置的實現

4.1 基礎環境建立

(1)硬件設施。局域網基礎上的高性能PC機或工作站，主服務站(總布置)對硬盤、內存、顯卡等要求要高。
(2)軟件設施。具備Pro/ENGINEER產品中Pro/ENGINEER、Pro/ASSEMBLY等模塊，可進行三維建模、CAD轉化、曲面、骨架等功能支持。
(3)功能模塊的配置。根據不同用戶分Pro/ENGINEER的功能模塊。
(4)工作目錄環境設置。設定服務區域及模型存放位置。
(5)建立零件標準啟動模板。使各用戶的零件特征具有一致性。
(6)建立裝配標準啟動模板。在同一環境下的裝配實現。
(7)配置統一使用環境。對長度、密度等配備同一基準。
(8)配置統一繪圖環境。設定可以輸出生產用圖的背景，包括圖框、符號庫等。
(9)標準件、常用件、汽標件、廠標件整理。自動調用已存在的零部件庫及標準件庫。

4.2 明確設計任務，界定關聯范圍

根據設計任務書的要求和各零部件的分組情況，確定各自部件，為模塊化建立基礎。

4.3 導入主產品結構定義及骨架模型建立方法

根據各總成間的構建情況，設定傳遞接點和要素，用以控制設計意圖在各系統間的傳遞，同時為骨架傳遞確定初步要素。同時建立整車基準坐標系和各總成坐標系，各總成坐標系與整車坐標系可無關聯聯系。如圖2所示。

圖2 建立整車基準坐標系和各總成坐標系

4.4 約定(Conventions)

在設計之前仍需對整個過程進行約定，包括對象(Object)的文件命名約定、產品庫與標準庫中典型的對象類型、庫文件夾結構、角色(Roles)和授權(艾俊 路桂婷(北汽福田汽車股份有限公司)izations)等的約定，以及諸如采用標準化的格式、記錄本人的工作任務、接受信息來源、輸出信息方向、變更的影響范圍等等，以使項目的組織管理及設計過程的了解有據可考。 設計流程、任務范圍界定、任務描述由各系統的設計人員在未開始設計之前，先靜下心來，描述自己在該項目中的角色，設計內容，與周圍的信息交流內容和形式，并將其記錄在文檔中，存檔于數據庫，同時與所設計的子系統相關聯，有利于理順設計思路，流暢設計過程，便于后續自頂向下設計方法的開展。同時為后續新項目的快速啟動奠定基礎。

4.5 零部件三維參數化模型

傳統的設計過程中，原有的幾何模型是設計者用固定的尺寸值得到的，零件的結構形狀不能靈活地改變，一旦零件尺寸發生改變必須重新繪制相應的幾何模型。所謂參數化設計即以一定量的參數控制零件的幾何模型，通過修改參數而改變幾何模型，從而改變零件的結構尺寸。利用參數化技術進行設計時，圖形的修改非常容易，用戶構造幾何模型時可以集中于概念和整體設計，因此可以充分發揮創造性，提高設計效率。我們知道卡車產品一經定型，在其眾多系列變型產品中，一些零部件的結構基本不變，通常都是個別的地方有所改動或改變總成的位置更換總成，如切換發動機、變動軸距等.在原車基礎上進行變型車設計能充分體現出參數化的優勢。卡車底盤總布置設計首要任務是確定底盤各總成的基本結構型式和空間大致位置，在只考慮零部件主要尺寸的前提下進行總成及零部件的空間位置及基本結構參數的動態修改。為此，首先必須抽取各零部件的總體參數，即與總布置有關的基本結構參數，如表征零部件外形輪廓的長、寬、高等的尺寸，零部件的定位基準等，通過這些總體參數控制零部件的簡化模型，進行變量化、參數化設計。在底盤裝配時，通過修改相應參數就可以實現汽車零部件的快速布置和基本結構尺寸的動態修改，這個用Layout來進行總布置的方法是卡車參數化總布置所要達到的一個目標。

4.6 卡車參數化設計模型的控制點

卡車總布置是從動力總成開始的，動力總成在整車中的定位參數有：動力線與0Z面(一般取車架上平面較大平面為0Z平面)的夾角，動力總成的設計基準點(一般取曲軸中心線與發動機缸體后端面的交點)坐標、動力總成在XOY面內的傾角(此參數在一般在裝化油器的汽油車中出現)，而此定位參數靠發動機前懸置和變速器吊架來保證。動力總成包括發動機、離合器、變速器。發動機在本車型設計中被分為發動機本體、進氣系統、排氣系統、供油系統及冷卻系統等五個模塊：發動機本體其所要控制的要素為發動機軟墊安裝點、離合器殼在發動機上的安裝點、進排氣口、進出水口，進出油口及發動機的部分外形(主要為油底殼外形和發動機上表面) ；發動機其他模塊則需要控制的要素為與發動機的聯接位置和在車架上的安裝位置。離合器在本車型設計中所要控制的要素為離合器殼外形、離合撥叉與分泵的接觸點、離合器分泵安裝點、變速器操縱支架安裝點以及離合殼與發動機、變速器的安裝點。變速器在本車型設計中所要控制的要素為變速器外形、變速器與吊架安裝點、輸入輸出軸的參數、裝手制動器的位置。

在總布置的骨架中需有動力總成的定位參數和與前后發動機懸置的安裝點，在以后的設計中動力總成的位置可以靠改這些參數來實現。動力總成分組做的動力總成骨架需要與總布置中的動力總成的參數一樣。在動力分組在以后的設計中，只能在動力總成骨架中修改骨架和增加中一些參數，不能刪除初定的參數，否則就會造成總布置再生的失敗。在動力總成中進一步創建發動機本體、進氣系統、排氣系統、供油系統及冷卻系統、離合器、變速器子總成；在這些子總成里面首先創建這相子總成的骨架零件。然后根據骨架創建各子總成的零件，或將零件安裝在骨架上。當其中一零件需要其他零件的面做參考時，盡量不從同一級關系的零件中去取參考，從此一級零件的骨架上或上一級的零部件上去取參考，如傳動軸的中間支撐由車架提供安裝點，在傳動軸的骨架中，萬向節一定要建立為十字軸的骨架，同時為了以后的可調性和傳動軸隨動性，每一個傳動軸采用兩段，由中間軸線和與通過與十字軸連接的孔中心線與傳動軸骨架裝配。

4.7 參數化底盤總成裝配樹型結構

在裝配體中各個組成的零件和子部件之間構成了裝配關系樹。在建立底盤裝配模型之前，需要先建立好底盤參數化總裝配的樹型結構。參數化總裝配樹型結構的根節點為我們所要建立的底盤文件，各大總成作為樹型結構的一級子節點，對于復雜的總成如包含有縱梁、橫梁的車架還有二級甚至三級子節點。父節點與子節點之間的關系由相關參數聯系，這些參數包括配合參數和安裝定位參數(尺寸參數、位置參數)。

圖3所示即為卡車底盤總體裝配樹簡單結構示意圖。在該樹型結構中，不同分支的節點之間存在著限制或約束關系，所以在確定總成及零部件的安裝位置時，需要對該節點增加相關參數或安裝位置的限定。骨架模型是最好的傳遞設計意圖的工具，同時保證了信息傳遞途徑的單向性，因而這種方式是高度可靠的。在承擔設計意圖方面，它有三種功能 ：(1)可作為元件間的設計截面來創建和使用骨架，建立安裝關系；(2)劃分空間聲明，控制元件位置，實現分塊同步設計；(3)確定組件的運動，控制元件連結的運動。當將車身與貨廂等作為總成，以骨架或約束與底盤系統結合后就形成了卡車參數化總布置系統。

4.8 總成及零部件裝配方式

由于底盤總成及零部件位置關系的復雜性，在進行底盤總布置時采用了兩種裝配方式 ：骨架裝配及約束裝配，如圖３所示。骨架裝配具有思路簡單，操作快捷、方便的特點。約束裝配可以實現不同零件之間復雜的裝配關系。骨架裝配時零件根據組件內的上下關系創建的特殊零件模型，使用它不必創建元件并將其裝配到一起，就可以發展設計規范，骨架零件是組件的一個三維布局，創建組件時可將其用作構架。

圖3 Top-down下的骨架裝配與約束裝配

可以使用骨架在不開發元件的情況下，創建組件的三維布局、模擬運動、空間設計并顯示組件設計。然后，使用該骨架作為中心參照，通過將信息經組件結構向下傳遞，就可以改變該骨架以更新元件。同時在開發下級模型時就可以使用組件中的這些塊臨時地開發空間聲明，如圖4所示在骨架模型中直接進行排氣系統的設計。約束裝配(Assembly)可以實現的形式可分為貼合、對齊、定向、插入等來實現元件間的組合。

圖4 骨架空間占位進行(排氣)零件設計

圖5

4.9 干涉檢查及基本運動校核

在進行總布置設計時，一項重要的工作就是對各相對運動的零部件進行運動校核。其中包括轉向輪極限轉角和鋼板彈簧極限動載時的運動干涉情況。在Pro/ENGINEER中，干涉檢查是靜態的，只有當用戶發出命令時才進行。但可以通過Analysis中的Modle Analysis來輸入一定參數，從而進行初步分析。鋼板彈簧是卡車底盤廣泛采用的懸架型式之一。對于發動機前置車型，前鋼板彈簧的極限上跳可能與布置在其上方的發動機油底殼發生干涉；對于后驅動車型，后鋼板彈簧的調動范圍將影響與后橋凸緣相連的傳動軸參數的設計選擇。因此必須對鋼板彈簧的運動進行校核。通過將正反彎曲的兩段圓弧前輪轉向的運動校核是總布置設計必須進行的工作，其目的是檢查轉向輪與轉向直拉桿、車架之間的運動間隙。車輪運動實際是由轉向節繞主銷的轉動引起的。在進行車輪裝配時，我們通過引入曲線與曲面約束來進行模擬運動。這樣，在進行車輪轉向的檢查時，只要調整轉向節與前軸之間定義的Angle約束的角度大小，就可以實現前輪轉向角度的調整，還可以得到任意角度下車輪與轉向直拉桿、車架等的運動間隙情況。

4.10 質量參數計算

汽車的質量參數是總布置設計必須考慮和確定的參數。它直接影響著汽車的性能和型式。

在Pro/ENGINEER中已經提供了計算整車總質量及質心坐標的菜單，計算對象為零件、裝配部件以及裝配樹中包含的實體，利用該模塊可以計算和控制他們的質量和其他質量參數，如體積、質心以及轉動慣量等。該模塊既可以計算整個零件和裝配體，也可以有選擇地計算其中一部分實體或裝配部件。當我們采用相同的模板(含相同的質量單位、基準等)，運行相應的模塊，則可以進行總布置中所有質量參數的迅速計算。

5 三維圖的轉化

Pro/ENGINEER中提供了相應的功能模塊來創建三維實體零件所對應的各種工程圖。工程圖中的各個視圖以及三維實體都是相互關聯的，如果在一個視圖中修改了尺寸，那么所有視圖、實體模型中的相關部分都會被更新并且重新生成，反之亦然。各種尺寸標注、注釋、表格和文本等都可以經過約定和共用模板進行操作。完成三維模型建模，確定各部件總成狀態后，就可以從整車模型中取出所需的零件、部件的三維模型，并轉化為二維工程圖，同時，分總成可以通過建立連接關系，自動生成相應的明細表。

6 零部件圖形庫與參數數據庫

6.1 整車零部件三維參數化模型庫

產品系列化、零部件通用化和零件設計標準化是汽車設計的基本要求之一，也是平臺化戰略的特點之一。對于整車的變形設計，其零部件更是具有很大程度的繼承性。對于特定的企業尤其如此。為提高裝配設計效率和已設計零件的使用率，有必要建立整車各相關零部件模型庫，其中的零部件能夠表示底盤零部件常見的結構形式，模型的總體參數實現參數化。當設計零件的基本拓撲形狀與模型庫中標準零件相同時，則可以直接調用模型庫中的模型進行參數修改，使整車總布置設計效率得到了極大的提高。同時，該模型庫也是開放的，設計人員不僅可以調用模型庫中已有的模型，還可以把新結構形式的零部件添加到模型庫中，準確并完善的零部件數據庫使我們的總布置工作如同“堆積木”，實現模塊化操作，效率會更高。

6.2 整車車型參數數據庫

汽車設計在某種程度上也是一種積累的過程。企業已有產品以及國內外樣車的車型數據，蘊涵著設計者的經驗和知識，對于設計新產品具有很重要的借鑒作用。車型參數數據庫將車型尺寸及結構型式數據信息和產品開發過程集成起來，創造出一種透明度很高的虛擬環境，能適應復雜多變的變型設計的需求，保證在整個產品生命周期中使產品數據具有一致性定義的條件下，進行產品設計的數據管理和過程控制。除車型基本參數外，對于發動機和變速器等與整車基本性能密切相關的總成，他們的性能參數也分別進行了建庫工作，以便于在整車總布置時進行匹配和選型。

6.3 整車設計標準庫

進行汽車設計時，無論是尺寸參數、質量參數，還是性能參數，都必須首先滿足相關法規的要求。滿足技術法規要求是整車總布置設計的前提和基本出發點之一。為此，我們將與整車設計、部件設計相關的國家標準、ISO標準等以網頁的形式集成到整車總布置設計系統，通過網絡可以隨時調用和查閱。

7 結束語

總布置分為兩部分——總體布置(Package)和部件布置(Lay out)。設計人員人人都做總布置，做部件布置(Lay out)人更多。部件布置工作做得很細，因此局部結構很精細，產品檔次高。

(1)在建立整車三維參數化圖形庫、整車車型參數數據庫、整車設計標準庫的基礎上，通過Pro/ENGINEER軟件進行二次開發，建立了集成于Pro/ENGINEER環境下的卡車整車參數化三維參數總布置設計系統。

(2)該系統具有人機界面友好、使用方便、內核程序完善等特點，零部件圖形庫和數據庫都具有良好的開放性和可拓展型，已具備良好的軟件構架。

(3)該軟件的研制將大幅度提高卡車整車總布置設計、變型設計的水平和速度，有效縮短開始周期，超前并動態地發現設計問題，很好地適應了卡車多品種快速適應市場的特點。

(4)系統的研制在一定程度上實現了卡車的虛擬設計與虛擬開發。