焦熙印Jiao Xiyin
基于復(fù)合材料橫置板簧懸架系統(tǒng)K&C分析
焦熙印
Jiao Xiyin
(上海匯眾汽車制造有限公司,上海 200122)
利用CATIA和HyperMesh、ABAQUS、ADAMS等CAD、CAE軟件,進(jìn)行橫置板簧后懸架設(shè)計。根據(jù)懸架系統(tǒng)的要求和結(jié)構(gòu)特點,確定板簧的安裝硬點。根據(jù)懸架性能要求和襯套參數(shù),確定板簧的力學(xué)性能參數(shù)。通過與原懸架進(jìn)行K&C(Kinematic and Compliance,剛性和柔性運動)分析對比,說明用復(fù)合材料橫置板簧系統(tǒng)可取代傳統(tǒng)的螺旋彈簧和穩(wěn)定桿組件。
復(fù)合材料;橫置板簧;K&C;剛度
板簧作為彈性元件,具有結(jié)構(gòu)簡單,加工便利,工作可靠等諸多優(yōu)點;但由于其自身重量大,很少應(yīng)用在乘用車上。隨著復(fù)合材料的發(fā)展,復(fù)合板簧在繼承鋼板彈簧在結(jié)構(gòu)和可靠性方面優(yōu)點的同時,還具有彈性應(yīng)變大、疲勞壽命長及安全斷裂好等特點,其中最大的優(yōu)點是重量比鋼板彈簧降低60%~70%[1]。
汽車板簧是汽車懸掛系統(tǒng)中重要的彈性元件,連接著車輪和車架,主要用來傳遞車輪和車架之間的力與力矩,緩和因路面不平給車身帶來的振動和沖擊。因板簧自身結(jié)構(gòu)特點,其占用整車向空間較小,為整車駕駛室空間提供支撐,已被低位底盤車型所采用。
目前對復(fù)合板簧的研究主要包括2個方向,一方面是對零件本身的材料和工藝研究,王甲世[2]等通過對材料屬性的設(shè)計,結(jié)合有限元和試驗的分析,驗證零件可靠性;另一方面是結(jié)合復(fù)合板簧的縱向布置形式研究,陳德玲[3]等結(jié)合整車需要闡述了零件的可靠性。
重點梳理了橫置玻纖板簧的設(shè)計方法,并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用ADAMS軟件對某四連桿獨立懸架進(jìn)行K&C(Kinematic and Compliance,剛性和柔性運動)分析。
為充分說明復(fù)合橫置板簧的可行性,選擇一款成熟的四連桿獨立后懸架作為對標(biāo)車型,在此懸架基礎(chǔ)上,采用復(fù)合橫置板簧代替原懸架的螺旋彈簧和穩(wěn)定桿組件。除了彈簧硬點進(jìn)行調(diào)整以外,其他硬點均不變,將原懸架剛度作為新懸架剛度目標(biāo)值,具體設(shè)計流程見表1。
表1 懸架設(shè)計流程
采用某乘用車的后懸架進(jìn)行設(shè)計、分析,具體參數(shù)見表2。
表2 整車及懸架參數(shù)
此款乘用車懸架是刀鋒臂式四連桿獨立后懸架,如圖1所示,包括副車架、彈簧臂、前束臂、外傾臂、刀鋒臂、螺旋彈簧和穩(wěn)定桿等。在此基礎(chǔ)上,用復(fù)合材料橫置板簧替代螺旋彈簧和穩(wěn)定桿,如圖2所示。
圖1 刀鋒臂式四連桿后懸架
圖2 橫置板簧多連桿懸架
板簧的安裝采用4點固定的形式,如圖3所示,內(nèi)點采用接觸壓緊的形式,外點采用螺栓螺母固定的形式。
圖3 橫置板簧安裝結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)復(fù)合板簧的安裝硬點和懸架剛度等要求,明確了板簧的杠桿比和載荷要求,見表3。利用HyperMesh或ABAQUS等軟件,對板簧的外形規(guī)格和材料屬性進(jìn)行設(shè)計,以滿足系統(tǒng)要求。由于復(fù)合材料具有各向異性的特點,板簧設(shè)計過程需要不斷迭代和試驗驗證,最終固化的產(chǎn)品屬性見表4和表5。
表3 板簧設(shè)計要求
表4 板簧參數(shù)
表5 玻纖材料屬性參數(shù)
因該結(jié)構(gòu)在內(nèi)、外固定點均采用了橡膠襯套,因此,需要對板簧組件的剛度進(jìn)行分解,懸架單側(cè)、復(fù)合板簧的初始剛度[4]為
=2(1)
式中:為懸架單側(cè)剛度;為復(fù)合板簧系統(tǒng)剛度;為板簧杠桿比;d為外點橡膠剛度;h為板簧單側(cè)剛度;up為內(nèi)點上端襯套剛度;down為內(nèi)點下端襯套剛度。
在ABAQUS軟件下,從自由狀態(tài)變形到設(shè)計狀態(tài),如圖4所示。
圖4 板簧狀態(tài)的變換
K&C特性是影響底盤懸架性能的關(guān)鍵因素,是動態(tài)特性的基本體現(xiàn)。K(Kinematics,剛性運動)是分析懸架在不考慮力和重量的情況下,懸架機(jī)構(gòu)隨車輪運動的特性;C(Compliance,柔性運動)是懸架系統(tǒng)中緩沖塊、橡膠襯套和彈簧等零部件變形引起的運動特性。相較K特性,C特性更全面地反映了懸架的實際情況,因此基于C特性進(jìn)行分析。
通常將系統(tǒng)設(shè)定為剛體模型進(jìn)行分析,但由于刀鋒臂四連桿系統(tǒng)的特殊性,將板簧和刀鋒臂設(shè)定為柔性體更加符合系統(tǒng)的真實情況。
在ADAMS中建立柔性體一般有3種方法[5]:(1)將一個零部件離散成多段剛性構(gòu)件,再通過柔性體將這些剛體進(jìn)行連接;(2)應(yīng)用ADAMS的Auto Flex模塊直接在View中建立MNF(Modal Neutral File,模態(tài)中性文件),替代原剛性文件;(3)利用有限元軟件將零部件離散成細(xì)小的網(wǎng)格,通過模態(tài)計算,為柔性體零部件建立MNF文件,再導(dǎo)入ADAMS中。由于板簧懸架較為復(fù)雜,故采用第3種方法,具體模型如圖5所示。
圖5 板簧懸架ADAMS模型
懸架的振動特性對整車的操穩(wěn)性和舒適性有直接的影響。汽車在不同的路況行駛,懸架會受到不同的激勵。在成熟的懸架系統(tǒng)中對彈簧元件進(jìn)行替代;因此,采用成熟的懸架進(jìn)行對標(biāo),對標(biāo)模型如圖6所示。
圖6 對標(biāo)懸架ADAMS模型
為合理評價懸架的性能,考慮懸架的同向跳動和反向跳動,主要評價參數(shù)包括前束角、外傾角、軸距、輪距、輪心垂向力等。重點評估設(shè)計的板簧懸架與對標(biāo)螺旋彈簧懸架剛度,包括兩種懸架的行駛剛度和側(cè)傾剛度,如圖7、圖8所示。
圖7 同向跳動輪心垂向力
圖8 反向跳動輪心垂向力
通過圖7、圖8可知,同向跳動行駛剛度相同,但反向跳動側(cè)傾剛度偏差較大,具體見表6,需要進(jìn)行優(yōu)化提高側(cè)傾剛度。
表6 剛度對比
在保持行駛剛度基本不變的情況下,通過對板簧安裝硬點和材料屬性進(jìn)行優(yōu)化,可實現(xiàn)側(cè)傾剛度的優(yōu)化,對比對標(biāo)懸架和設(shè)計板簧懸架的前束角、外傾角、軸距、輪距垂向力、側(cè)傾中心高度等K&C參數(shù)見表7。
表7 K&C參數(shù)對比表
從表7可知,通過板簧的優(yōu)化,在定位參數(shù)滿足要求、行駛剛度不變的情況下,側(cè)傾剛度由38.7 N/ mm優(yōu)化到了53.3 N/ mm,從而證實板簧剛度調(diào)整的可實施性。
優(yōu)化后軸距變化量和外傾角的偏差較大,但軸距變化量減小,有利于整車性能;優(yōu)化后車輪外傾角雖然比對標(biāo)車大,但仍在合理范圍內(nèi)。
利用成熟的后懸架系統(tǒng),進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計,以驗證玻纖橫置板簧對懸架系統(tǒng)的影響。用一套板簧組件取代傳統(tǒng)的螺旋彈簧和穩(wěn)定桿組件,分析懸架的K&C特性,通過研究發(fā)現(xiàn),板簧對懸架的外傾角和軸距參數(shù)影響較大,對其他參數(shù)影響較小,可以實現(xiàn)行駛剛度和側(cè)傾剛度的需求。這為今后深入研究橫置板簧的懸架方案提供了支持。
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2021-01-12
U463.33+4.04
A
10.14175/j.issn.1002-4581.2021.03.006
1002-4581(2021)03-0024-04