基于彈性襯套和柔性零部件的車輪定位參數(shù)仿真試驗(yàn)

秦東晨，藍(lán)賢清，于 立

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

車輪定位參數(shù)是表征懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性最為重要的一組參數(shù)［1］，其取值的合理性與否會(huì)直接影響到懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性［2］;同時(shí)，它還與操縱穩(wěn)定性以及平順性等諸多整車性能評(píng)價(jià)指標(biāo)密切相關(guān).因此，在車輛設(shè)計(jì)過程中有必要對(duì)車輪定位參數(shù)有預(yù)先把握［3］.

由于懸架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及建模工具的不完善，在以往的研究中建立懸架模型時(shí)一般會(huì)對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行部分簡(jiǎn)化［4］，一般會(huì)把懸架零部件簡(jiǎn)化為剛性零部件，把各零部件間的連接簡(jiǎn)化為剛性鉸接，而這些簡(jiǎn)化均有可能影響到懸架的動(dòng)力學(xué)特性［5］，基于上述簡(jiǎn)化建立的懸架模型作為研究對(duì)象時(shí)，研究得到的車輪定位參數(shù)有可能偏離實(shí)際工作情況.因此，建立一種更加接近實(shí)際工作情況的懸架模型就顯得十分重要［6］.

1 系統(tǒng)模型

1.1 懸架結(jié)構(gòu)分析

筆者以某SUV車前懸架作為研究對(duì)象，該懸架為帶減振彈簧及橫向穩(wěn)定桿的雙橫臂獨(dú)立懸架，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.由圖1可知，該前懸架主要由上橫臂、下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向主拉桿、轉(zhuǎn)向搖臂、橫向穩(wěn)定桿及減振器等組成，除轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向垂臂和轉(zhuǎn)向搖臂外，其它各零部件關(guān)于整車縱向中心對(duì)稱面對(duì)稱.各零部件間的約束條件為:上、下橫臂一端為球鉸連接，另一端為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接;轉(zhuǎn)向橫拉桿一端為球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，另一端為球鉸連接;車輪為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接;橫向穩(wěn)定桿中部自由地支承在兩個(gè)固定在車架上的橡膠套筒內(nèi)，左右兩部分用固定副連接，另一端為虎克副連接;穩(wěn)定連接桿與下橫臂為球副連接.系統(tǒng)自由度為2，即車橋的上下跳動(dòng)和車輪繞主銷的擺動(dòng).

圖1 SUV和前懸架模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Front suspension structure chart of SUV

1.2 建立懸架多剛體動(dòng)力學(xué)模型

由于懸架結(jié)構(gòu)關(guān)于整車縱向中心對(duì)稱面對(duì)稱，因此，只需建立半個(gè)懸架模型［7］.此外，為簡(jiǎn)化懸架，還假定汽車前后車橋符合不耦合力學(xué)條件，即前后簧上質(zhì)量的垂向運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立，不存在軸載荷縱向轉(zhuǎn)移.

車輛滿載時(shí)車輪定位參數(shù)是一組懸架設(shè)計(jì)基本值，其具體數(shù)值預(yù)先設(shè)定，查資料可知，該SUV車前懸架的車輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)值為:主銷內(nèi)傾角10.9°，主銷后傾角 4°，車輪外傾角 -0.5°，前輪前束角0.42°.由懸架位置參數(shù)及阻尼器的特性參數(shù)，在ADAMS按照傳統(tǒng)簡(jiǎn)化建模方法［8］建立多剛體懸架模型.該模型中所有的零部件均簡(jiǎn)化為剛體;懸架中各零部件之間的連接均簡(jiǎn)化為剛性鉸鏈.由懸架模型與輪胎系統(tǒng)生成前懸架系統(tǒng)總成，得到懸架多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型I如圖2所示.

圖2 SUV車多剛體前懸架模型ⅠFig.2 Rigid front suspension model I of SUV

2 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 仿真試驗(yàn)

以模型I為研究對(duì)象，給車輪以豎直方向50 mm幅度的正弦激勵(lì)，進(jìn)行雙輪反向激振仿真，可得到一組車輪定位參數(shù)曲線即模型Ⅰ曲線，作為以下仿真試驗(yàn)的比較曲線.再在模型I基礎(chǔ)上，分別考慮單個(gè)影響因素進(jìn)行仿真試驗(yàn).

試驗(yàn)1:以彈性襯套替代部分剛性鉸接，給車輪以豎直方向上50 mm幅度的正弦激勵(lì)，進(jìn)行雙輪反向激振仿真.

試驗(yàn)2:以下橫臂模態(tài)中性文件柔化剛性下橫臂，給車輪以豎直方向上50 mm幅度的正弦激勵(lì)，進(jìn)行雙輪反向激振仿真.

試驗(yàn)3:以上橫臂模態(tài)中性文件柔化剛性上橫臂，給車輪以豎直方向上50 mm幅度的正弦激勵(lì)，進(jìn)行雙輪反向激振仿真.

試驗(yàn)4:以橫向穩(wěn)定桿模態(tài)中性文件柔化剛性橫向穩(wěn)定桿，給車輪以豎直方向上50 mm幅度的正弦激勵(lì)，進(jìn)行雙輪反向激振仿真.

其中，試驗(yàn)1使用的彈性襯套特性由特性文件編輯得到，考慮到懸架的作用及各零部件的受力情況，僅在懸架與車架連接、減振器與車架和懸架連接等關(guān)鍵受力零部件之間采用彈性襯套連接.剛性零部件的柔化試驗(yàn)中，考慮到懸架中各零部件的受力和扭矩情況，僅對(duì)起傳遞各種力作用和緩沖作用的上下橫臂以及在車輪豎直方向跳動(dòng)量不同時(shí)承受扭矩和彎矩作用的橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行柔化試驗(yàn)，柔化處理時(shí)涉及到的零部件模態(tài)中性文件由 ANSYS軟件生成［9］.

綜合上述各仿真試驗(yàn)所得到的車輪定位參數(shù)曲線如圖3所示.

圖3 模型I車輪定位參數(shù)的仿真試驗(yàn)曲線Fig.3 Simulation graphs of wheel alignment parameters in the simulation trials based on modes I

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3(a)可知，各試驗(yàn)對(duì)主銷內(nèi)傾角的影響均不大，以各曲線平均值為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，由彈性襯套及下橫臂和橫向穩(wěn)定桿的柔化所引起的變化在6%左右，而上橫臂的柔化對(duì)該值的影響可以忽略.

由圖3(b)可知，試驗(yàn)1中，主銷后傾角變化范圍由模型 I中的3.98°～4.04°變?yōu)?.35°～4.05°，試驗(yàn) 2 中其變化范圍為 3.63°～4.11°，變化程度均很大.即彈性襯套及下橫臂的柔化對(duì)主銷后傾角的影響很大.由實(shí)驗(yàn)3和試驗(yàn)4曲線可知，上橫臂及橫向穩(wěn)定桿的柔化對(duì)主銷后傾角的影響很小.

由圖3(c)可知，對(duì)車輪外傾角有一定程度影響的是彈性襯套以及下橫臂和橫向穩(wěn)定桿的柔化.以各曲線平均值為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，以上3個(gè)因素所引起的變化均在5%到10%之間，而上橫臂的柔化對(duì)該值的影響很小，幾乎可以忽略.

由圖3(d)可知，4次仿真實(shí)驗(yàn)中，對(duì)前輪前束角影響最大的3個(gè)因素是:彈性襯套以及下橫壁和橫向穩(wěn)定桿的柔化，而上橫臂的柔化對(duì)該值影響可以忽略.

3 車輪定位參數(shù)變化特性分析

由試驗(yàn)分析結(jié)構(gòu)可知，對(duì)車輪定位參數(shù)影響最大的3個(gè)因素是:彈性襯套替代部分剛性鉸接，下橫臂、橫向穩(wěn)定桿的柔化處理，在模型I的基礎(chǔ)上綜合考慮這3個(gè)因素，即可得到更接近于實(shí)際工況的基于彈性襯套和柔性部件的剛?cè)狁詈蠎壹苣Ｐ虸I.以模型II為研究對(duì)象，給車輪以豎直方向上50 mm幅度的正弦激勵(lì)進(jìn)行雙輪反向激振仿真，得到車輪定位參數(shù)變化曲線如圖4所示，由圖4分析車輪定位參數(shù)的變化特性.

圖4 基于懸架模型II的車輪定位參數(shù)變化曲線Fig.4 Curve of wheel alignment parameters based on suspension model II

(1)主銷內(nèi)傾角:懸架設(shè)計(jì)時(shí)，要求主銷內(nèi)傾角的變化范圍在7°～14°之內(nèi).而該懸架模型中，滿載工況下車輪零跳動(dòng)處的主銷內(nèi)傾角設(shè)計(jì)值為10.9°.由圖4(a)主銷內(nèi)傾角變化曲線可知，在車輪豎直方向上跳動(dòng)量為±50 mm的行程內(nèi)，主銷內(nèi)傾角變化范圍為10.67°～11.83°，零跳動(dòng)處其值約為11°，由此可認(rèn)為主銷內(nèi)傾角的變化特性滿足設(shè)計(jì)要求.

(2)主銷后傾角:為保證懸架直線行駛穩(wěn)定性，一般不希望主銷后傾角變化很大，以零跳動(dòng)處設(shè)計(jì)數(shù)值為基準(zhǔn)，認(rèn)為隨車輪跳動(dòng)時(shí)主銷內(nèi)傾角的變化范圍在±2°之內(nèi)較為合理，而該懸架的主銷后傾角車輪零跳動(dòng)處的設(shè)計(jì)值為4°，即主銷后傾角變化范圍在2°～6°，滿足設(shè)計(jì)要求.由圖4(a)主銷后傾角變化曲線可知，在車輪豎直方向上跳動(dòng)量為±50 mm的行程內(nèi)，主銷后傾角變化范圍為2.33°～5.61°，其變化特性滿足設(shè)計(jì)要求.

(3)車輪外傾角:合理的車輪外傾角可保證汽車有較好的操縱穩(wěn)定性.在懸架設(shè)計(jì)時(shí)，以0跳動(dòng)處的設(shè)計(jì)數(shù)值為基準(zhǔn)，認(rèn)為車輪外傾角的變化范圍在±1.25°之內(nèi)是合理的.該懸架設(shè)在0跳動(dòng)處車輪外傾角的設(shè)計(jì)值為-0.5°，由圖4(b)車輪外傾角變化曲線可知，在車輪豎直方向上跳動(dòng)量為±50 mm的行程內(nèi)，車輪外傾角的變化范圍是-0.58°～-1.86°，稍微偏離了設(shè)計(jì)要求值，由于車輪外傾角和懸架結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可通過懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)車輪外傾角進(jìn)行優(yōu)化.

(4)前輪前束角:由圖4(b)中前輪前束角變化曲線可知，車輪豎直方向上跳動(dòng)量為±50 mm的行程內(nèi)，前束角變化范圍為-0.69°～0.17°，變化程度小可保證車輛直行穩(wěn)定性;而車輪偏離零跳動(dòng)時(shí)前束角呈負(fù)前束變化可以保證車輛獲得不足轉(zhuǎn)向特性.

由上述分析結(jié)果可知，以懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ蜑檠芯繉?duì)象進(jìn)行車輪定位參數(shù)仿真分析時(shí)，研究得到的結(jié)果基本滿足懸架設(shè)計(jì)要.因此，在懸架設(shè)計(jì)之前，可利用此類方法對(duì)車輪求定位參數(shù)來進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì).

4 結(jié)論

(1)按照傳統(tǒng)方法建立的多剛體懸架模型，由于懸架所有零部件均簡(jiǎn)化為剛體及各零部件之間的連接均簡(jiǎn)化為剛性鉸接，使得懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的結(jié)果有很大的偏差，在建立懸架模型時(shí)應(yīng)充分考慮使用彈性襯套連接，并且應(yīng)對(duì)主要受力零部件進(jìn)行柔化處理，建立懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ?

(2)以綜合考慮彈性襯套和下橫臂、橫向穩(wěn)定桿的柔化所建立的剛?cè)狁詈蠎壹苣Ｐ虸I為研究對(duì)象進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析仿真結(jié)果可知，車輪定位參數(shù)的變化特性基本上是符合懸架設(shè)計(jì)要求.

(3)在ADAMS中利用參數(shù)化模型的研究方法，與傳統(tǒng)的建立物理模型進(jìn)行試驗(yàn)的方法相比，具有用時(shí)少、花費(fèi)小、不受外界環(huán)境因素影響、無安全性問題等優(yōu)點(diǎn)，并且利用參數(shù)化方法建立的懸架模型還具有通用性和便捷性.

［1］趙亮，張立軍，張廣才.基于ADAMS的某SUV車前懸架定位參數(shù)分析［J］.遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(3):192-194.

［2］秦東晨，潘筱，趙紅宇，等.面向SUV車型操縱穩(wěn)定性的多體動(dòng)力學(xué)建模與仿真［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2007，18(17):2126-2129.

［3］夏長(zhǎng)高，王岱斐.用柔性多體動(dòng)力學(xué)方法預(yù)測(cè)懸架對(duì)汽車轉(zhuǎn)向特性的影響系數(shù)［J］.汽車工程，2004，22(2):73-77.

［4］HALE B，MURRAY C.Multi-body dynamic modeling of commercial Vehicles［J］.Computing＆ Control Engineering Journal，2002(2):11-15.

［5］張海峰.基于ADAMS的某車型前懸架的建模與分析［J］.機(jī)械研究與運(yùn)用，2008，21(5):85-88.

［6］高立新，胡延平，吳紅艷.基于ADAMS的剛?cè)狁詈掀噾壹苄阅芊治觯跩］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(6):814-817.

［7］呂振華，常放，楊道華，等.利用ADAMS對(duì)雙橫臂獨(dú)立懸架進(jìn)行仿真分析［J］.汽車科技，2005，13(5):7-9.

［8］姚艷，趙寧，劉鵬.基于柔性多體動(dòng)力學(xué)的雙橫臂獨(dú)立懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)于制造，2007，12(12):170-172.

［9］欒錫富.ADAMS柔性體建模方法的研究［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25(3):370-371.