目前，随着CAD/CAM/CAE一体化集成解决方案的快速发展，传统的自底向上设计方法已经不能满足人们对于产品开发效率的要求。特别是汽车设计时，大多需要在原有产品的基础上根据市场需求进行局部换型和调整、重组，适应性和灵活性较强。若运用传统的设计方法，各系统都是孤立的设计，可能导致后期总装各部件时出现严重的干涉现象。采用自顶向下的设计方法能较好地解决该问题，体现了协同设计和并行工程的优势。本文采用Top-down设计方法对赛车进行参数化设计，并在原有的骨架模型图上进行改型设计。
1 基于Creo的Top-down参数化设计
自顶向下是一种从总体设计到局部设计的过程和方法。它首先确定总体思路、设计总体布局，然后设计零部件，从而完成一个完整的设计。
为实现符合设计思路的三维设计，本文采用Creo软件，考虑了规范的模型管理，以实现模型间的信息传递和结构控制，完成自顶向下的三维设计。具体来讲就是根据概念设计布局，然后建立装配结构树，再建立总骨架模型，发布几何到子组件，最后进行详细的设计。设计流程如图1所示。
图1 Top-down设计流程
FSAE赛车为自主研发，赛车的主体结构、整车配置情况、空间布置等设计较成熟，外观如图2所示。为方便赛车的结构优化，实现快速的结构修改，本文提出自顶向下的设计方法。本研究将车架、前悬挂、后悬挂、转向系、制动系定义为一级组件。这些一级组件下面又包含各自的组成零件。具体设计流程如图3所示。
图2 自主研发的FSAE系列赛车
2 FSAE赛车Top-down参数化设计的实施方案
赛车总布置设计时首先确定原点坐标系。以横向通过前轮中心的竖直平面为X平面，以左右对称面为Y平面，以地平面为Z平面，然后确定轴距、轮距和发动机输出点。由于发动机是外购件，属于成熟体，只需要它的输出位置、安装位置以及整体的大致外观，因此采用收缩包络外部几何的方式获取，通过在发动机的输出点建立坐标系来控制发动机在整车中的布置位置，同时用该坐标系与差速器链轮进行位置匹配。另外，关系到赛车操纵稳定性能的所有参数都是本次设计的控制要点。为了方便今后在adams中对运动学分析的优化结果进行实时改进，需要在adams中仿真分析出各项的最优参数，直接赋予相应的零件模型。
图3 具体设计流程
2.1 赛车装配特征树
装配体中各个子系统及其部件之间的关系构成了装配关系树。在建立模型之前，需要先建立好整车总装配的特征树。总装配树的根节点为所要建立的整车文件，各子系统为树型结构的1级子节点，对于复杂的总成可能还有2级甚至3级子节点。父节点与子节点之间的关系由相关参数表示，这些参数包括配合参数和安装定位参数。装配特征树不仅列出了系统的组成元件，同时定义了它们的层次关系。由本文拟定的设计思路可知，整车以下包含的一级组件有车架、前后悬挂、转向系、制动系、传动系，二级组件则是各系统的零件。后悬挂子装配特征树如图4所示。另外，车轮、发动机、差速器属于成熟体，在建模完成后直接装配。完成的总装配特征树见图5。
图4 后悬挂子装配特征树
图5 总装配特征树
2.2 建立布局
在产品设计初期，使用Creo中的布局功能，用简单的2D草绘工具绘制草绘图，以此描述零件和子组件之间的位置和装配关系，明确设计的意图。整车布局如图6所示。在布局中能定义关键的设计参数，并且为这些相关参数建立关系式，然后将这些参数与零件中的尺寸相互关联，便可以利用布局控制子组件和零件的相关尺寸。
整车布局是实体模型设计意图的体现，用于建立尺寸、位置参数及其相互关系，以便对三维模型进行数据传递和数据管理。本研究将整车参数控制点体现于布局中，再将关键控制参数标注出来，每标注一处即创建一个参变量，并对其赋予初始值。根据实际需要对这些相关参数建立关系式，然后将这些参数与零件中的尺寸相互关联，从而达到利用布局控制子组件和零件的相关尺寸的目的。关键参数定义完成后将其以数据表格的形式体现出来，如表1所示。这样可以很方便地对各参数重新赋值，完成对整车的布局。
图6 整车布局
2.3 建立骨架模型
Top-down设计利用骨架模型来表示装配设计的重要元素。建立骨架模型所使用的几何特征优先顺序为点、线、面、实体。对于赛车而言，其主体结构属桁架结构，因此采用线作为骨架模型的基础特征。赛车分为如下几大部分：车架、转向系、传动系统、制动系统、悬挂系统，其中前4个部分采用一级骨架。悬挂系统由导向机构、减震组件两大部分组成，采用二级骨架。设计的整车主骨架如图7所示，主要表达的信息是前后悬挂在X方向的布置、发动机空间划定、前环和主环的位置及外形、转向器和制动踏板的位置等。
图7 整车主骨架
表1 参数表
2.4 设计信息传递
传递设计信息是为了实现数据共享。Top-down设计的过程其实就是一个数据传递和数据管理的过程。实现数据共享在Creo中有许多方法，本文主要采用发布几何和复制几何的方法。通过在上层的设计中选择复制点、曲线和面等参考基准，然后将其发布，这样下层的设计通过复制几何就能得到适当的参考信息。在整车骨架模型建立好之后，即可发布几何。在顶层骨架模型中，选择【模型】>【模型意图】>【发布几何】。发布几何如图8所示。
图8 发布几何
2.5 建立模型
各子系统建模的必要参考信息均来自于骨架，因此在建立各子系统的数据模型前需要复制骨架中的发布几何。这里运用“复制几何”命令，调入各子系统所对应的发布几何即可。然后将发布几何作为基础参考信息建立模型。图9～13为几大总成完成后的模型。最终的整车总装模型如图14所示。
图9 后悬挂总成
图10 前悬挂总成
图11 转向总成
图12 差速器总成
图13 车架
图14 整车总装模型
2.6 产品系列化改型设计
完成整车的设计后，Creo即可依据骨架模型的规划进行变更、改型。当设计变更涉及多个零件的相对位置或整个组件的骨架模型时，可在骨架模型上进行必要的修改。当骨架或者布局变动后，组件也会自动再生。同一系列的产品，一般只在尺寸规格上存在差异。修改布局中的主控参数，使用总骨架点与子系统骨架点的“再生”命令，将布局中的参数传递到底层数据模型中，根据变化后的骨架特征和实际需求，在骨架中修改其他细节特征，检查模型修改不合理的地方，即可完成产品的改型设计。改进后的参数如表2所示。初始整车模型与改进后的整车模型如图15、16所示。
表2 改进后的参数表
图15 初始整车模型
图16 改进后的整车模型
3 结束语
本文详细阐述了Top-down的设计流程与思路，并运用Creo软件，通过Top-down的设计方法完成了赛车整车部件的开发。整个设计过程从顶层开始，设计之初就控制着机构的整体设计目标与性能状况，在设计过程中不断调整结构参数，实现设计优化和赛车的结构改进，同时为新赛车设计提供数据依据。该方法可大大缩短产品开发周期，为赛车模块化设计奠定基础。
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