概述

450 馬力的卡車在加載 80,000 磅時，從靜止加速至 50 mph 大約需時 90 秒，但制動器必須能夠在 5 秒內將卡車停止。重型運貨車和掛車上幾乎都使用空氣制動器，這是由于它們具有如下優點。首先，運行所用的空氣是免費的。只需進行壓縮、清潔、貯存及分配。空氣制動器回路可輕松地擴展，掛車能與之連掛和脫離。除提供停車所需的能量之外，壓縮空氣還能針對在任何狀況下施加制動力的時間和大小給出信號。最后，空氣制動器還可以設計配備充裕的故障自動防護裝置，即便出現空氣泄漏，也能讓車輛安全停車。

增強橡膠軟管可將空氣從車架的管接頭送往車橋上的制動室。在典型的串聯后懸架中，通常制動軟管有 8 條，再加上用于動力差速機鎖及其他功能部件的輔助軟管，總共 11 條。這些軟管必須通過狹窄的空間并能夠容納轉向機構和懸架的全部行程。 要求軟管避免接觸有可能磨損軟管的鋒利邊緣零部件；保持規定的最小彎曲半徑，以避免限制軟管內的流量；并且避免過高的軸向力將軟管從管接頭中拔出。

挑戰

過去，直至設計過程后期，在構建樣機并在鉸接試驗臺上進行測試之前，Navistar 工程師都無從得知懸架和轉向運動引起的軟管的變形形狀及其運動輪廓。經由全套運動來鉸接懸架，并在運動期間考查每條軟管的位置，以檢查是否有問題。為滿足各種要求，通常需要對設計進行兩次至四次迭代，時間超過 6 周。在設計過程后期之前，均無法開始這一步驟，這意味著在大多數情況下產品的推出都會被推遲，直至達到合格的軟管布設。

 

解決/驗證

Navistar 工程師與 Tech Mahindra 的咨詢師共同對裝配后制動器的布設形狀以及懸架和轉向機構的全程運動進行了仿真。Tech Mahindra 首席CAE 分析師 Chinmay Pawaskar 說：“這一仿真的難點在于，需要將用于仿真試驗臺和懸架系統運動的多體動力學與用于仿真軟管運動的非線性有限元分析結合在一起。Adams 離散柔性連桿很早就具備了線性有限元分析功能，同時我們會運用離散化將其功能擴展到幾何非線性問題。

懸架和試驗臺的 Adams 模型

模型預測真實的軟管行為

含運行及應急軟管的卡車后懸架多體仿真模型

但是，MSC 最近推出了 FE Part，這是一種 Adams 本地建模對象，可準確地應用于大變形幾何非線性部件，大幅減少在 Adams 環境中對極大變形情況進行精確建模所需的時間和工作量。”

Navistar-Tech Mahindra 聯合團隊將管接頭置于各種位置及方位，著手確定軟管的材料特性，并通過 3D 光學掃描工具捕獲最終的軟管形狀。他們反復調整軟管的材料特性，以便將預測的形狀與實際形狀相匹配。此外，他們還在 Adams 中建立了一個四步式混合控制器模型，以便對裝配流程進行仿真。這四個步驟是：第一步將軟管送至管接頭處，第二步將軟管定位在與管接頭相同的軸線上，第三步是旋轉軟管將其與管接頭連到一起，第四步是可選步驟，即將軟管夾在懸架或車架上。

為驗證這一方法，該團隊在 Adams 中對試驗臺和懸架進行了建模并開發了腳本，采用與實物試驗臺相同的測試方法來驅動仿真的試驗臺。

他們對兩條軟管進行建模，一條用于運行制動，另一條用于停車制動，并將其作為 FE部件添加到模型中。還對各種不同軟管布設配置進行建模。該團隊采用與真實車輛相同的方式來裝配軟管。為測量采用每種裝配方式進行裝配后軟管的精確變形形狀，他們使用了可移動坐標測量機（CMM）。然后他們將車輪端部鉸接在所有可能的位置上，例如正前方、左轉彎、右轉彎，并使用CMM 來測量最終的軟管形狀。在每一種情況下，仿真所預測的軟管變形形狀都與實物試驗相吻合。工程師還對一個夾在車橋和車架上的長軟管進行了建模及試驗，也表現出極好的相關性。

結果

Navistar 車輛動力學仿真經理 Stefano Cassara 說：“仿真能夠在提供樣機之前的設計階段初期嘗試大量不同的位置、方位及夾持方案。對新的設計迭代進行評估所需的時間只是實物試驗的一小部分。這種新方法只需兩周左右就可以設計出新的軟管配置。由于能較早地在關鍵路徑之外著手這一設計過程，因此與過去相比，我們的新車上市時間提前了六周。這種新方法的另一個優勢是，我們可以對無法在試驗臺上復現的加載場景（例如制動）進行建模。

關于 Navistar

Navistar International Corporation 制造并銷售商用與軍用卡車、柴油發動機、校車及商用車；并且為全球的卡車和柴油發動機提供維修用部件。