汽車雙橫臂獨立懸架參數(shù)優(yōu)化與仿真研究

賈 寶，梅雪峰

(1.遼寧省高速公路管理局應(yīng)急處置中心，沈陽110003;2.三一重型裝備有限公司，沈陽110024)

隨著汽車速度的提高，人們對汽車行駛的平順性、操縱性的要求越來越高。傳統(tǒng)的鋼板彈簧式懸架已難以滿足汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等方面提出的要求。由于雙橫臂獨立懸架具有非簧載質(zhì)量小，有利于行駛平順性，設(shè)計的自由度大，可通過合理布置，使懸架與轉(zhuǎn)向桿系的運動干涉減小，不易發(fā)生跳擺，降低質(zhì)心等特點，因而在輕型載貨車及輕型客車上推廣使用獨立懸架，得到較大的發(fā)展。汽車懸架性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛速度的重要因素，因此懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否，直接對汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性有很大的影響［2－3］因此本文對雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)進行仿真研究。

1 雙橫臂懸架模型的建立

雙橫臂獨立懸架如圖1所示，是一種使用上、下擺臂將車輪和車身連接起來的懸架形式，上下擺臂一般做成A字型結(jié)構(gòu)。這種懸架主要優(yōu)點是設(shè)定前輪定位參數(shù)的變化和側(cè)傾中心位置的自由度大，若設(shè)定合適的汽車轉(zhuǎn)向特性，就能得到最佳的穩(wěn)定性和平順性［4］。雙橫臂獨立懸架是空間多剛體機構(gòu)，它的運動學(xué)和動力學(xué)分析非常復(fù)雜，設(shè)計時參數(shù)的選擇具有較多的自由度，并且，為了滿足不同的性能指標要求，必須有多個目標函數(shù)。

雙橫臂懸架空間結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中A、B分別為上下擺臂的鉸接點;C、D分別為減震器的上、下安裝點;K為車輪中心;E為轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點，F(xiàn)為轉(zhuǎn)向橫拉桿外點。表1列出了主要定位點的坐標，懸架的定位參數(shù)如表2所示。

圖1 雙橫臂式獨立懸架實車結(jié)構(gòu)圖

圖2 雙橫臂懸架空間結(jié)構(gòu)圖

表1 懸架各主要位置點坐標

2 前懸架仿真模型的建立

ADMAS建模時，假設(shè)所有零部件都是剛體，減震器簡化為線性彈簧和阻尼，各運動副的摩擦力忽略不計，輪胎簡化為剛性體。由于雙橫臂前懸架左右對稱于汽車縱向平面，因此只創(chuàng)建1/2的懸架模型來進行分析［1］，創(chuàng)建的模型如圖2。此模型共包括8個活動構(gòu)件、2個旋轉(zhuǎn)副、4個球副、3個固定副、1個移動副以及1個點—面約束副。8個活動構(gòu)件分別為主銷、上橫臂(包括減震器)、下橫臂、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、拉臂、測試平臺以及輪胎。2個旋轉(zhuǎn)副分別是上橫臂和車身的約束、下橫臂和車身的約束;4個球副分別是上橫臂和主銷的約束、下橫臂和主銷的約束、轉(zhuǎn)向拉桿和拉臂的約束、轉(zhuǎn)向拉桿和車身的約束;3個固定副分別是拉臂和主銷、轉(zhuǎn)向節(jié)和主銷以及車輪和轉(zhuǎn)向節(jié)的約束;1個移動副為測試平臺和地面的約束;1個點—面約束副為車輪與測試平臺約束［8］。

表2 懸架定位參數(shù)

圖3 雙橫臂前懸架的仿真模型

對于空間機構(gòu)，1個活動構(gòu)件具有6個自由度，1個旋轉(zhuǎn)副約束2個旋轉(zhuǎn)和3個移動自由度［7］［9］，1 個移動副約束 3 個旋轉(zhuǎn)和 2 個移動自由度，1個球副約束3個移動自由度，1個固定副約束3個旋轉(zhuǎn)和3個移動自由度，1個點—面約束副約束1個移動自由度。

機械系統(tǒng)的自由度DOF可由下式計算:

式中:n——為活動構(gòu)件總數(shù);

pi，m——第i個運動副的約束條件數(shù)，m 為運動副總數(shù);

Rk——其他約束條件。

因此本文建立的懸架模型自由度計算如下:

DOF=8×6－2×5－4×3－3×6－1×5－1×1=2。即1/2懸架模型有2個自由度，分別是車輪繞主銷的轉(zhuǎn)動和車輪的上下跳動。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

按照優(yōu)化后上下橫臂內(nèi)點坐標值，再次進行仿真。優(yōu)化前后的結(jié)果對比如圖4所示。(圖4實線為優(yōu)化前的曲線，虛線為優(yōu)化后的曲線)。

圖4 優(yōu)化前后的側(cè)向滑移量

由圖4可以看出，優(yōu)化后－50 mm處的滑移量變化范圍為 7.536 0 mm，在 +50mm出位－4.207 1 mm，變化量為11.743 1 mm。與優(yōu)化前的－50 mm處滑移量為10.323 5 mm，在+50 mm處為－7.029 1 mm，車輪側(cè)向滑移量為17.352 6 mm相比，優(yōu)化后的側(cè)向滑移量變化范圍明顯變小，說明優(yōu)化效果比較理想［4］。

車輪外傾角是指車輪中心平面和道路平面垂直線之間的夾角，是汽車車輪定位的一個重要參數(shù)。如果空車時車輪的安裝正好垂直于路面，則滿載時，車橋?qū)⒁虺休d而變形，而可能出現(xiàn)車輪內(nèi)傾，這樣將加速車輪的磨損。

由圖5可以看出，優(yōu)化后的車輪外傾角變化范圍從優(yōu)化前的0.254 4°～1.412 3°減小到優(yōu)化后的0.654 7°～0.962 2°，范圍減少了50%左右。與優(yōu)化前相比，變化范圍還是合理的。

圖5 優(yōu)化前后的車輪外傾角

主銷內(nèi)傾角有使車輪自動回正的作用，保證汽車保持直線行駛的穩(wěn)定性而不發(fā)生跑偏。主銷內(nèi)傾角還有利于主銷橫向偏移距的減小，從而減小轉(zhuǎn)向時駕駛員加在方向盤上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，一般情況下要求車輪上跳時，主銷內(nèi)傾角的增加要盡量小避免主銷內(nèi)傾角變化過大［6］。

如圖6所示，優(yōu)化后的主銷內(nèi)傾角變化范圍從優(yōu)化前的9.538 2°～10.694 7°減小到優(yōu)化后的9.987 5°～10.363 3°，變化范圍仍然在合理的范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。

圖6 優(yōu)化前后的主銷內(nèi)傾角

主銷后傾角能形成回正的穩(wěn)定力矩，同時還有抑止制動時點頭的作用。但主銷后傾角也不宜過大，否則會造成轉(zhuǎn)向沉重。

通過圖7可知，優(yōu)化前后的主銷后傾角變化范圍基本沒有改變，說明優(yōu)化過程對主銷后傾角的影響較小，符合設(shè)計要求［5］［6］。表 3 分別列出了設(shè)計優(yōu)化點在優(yōu)化前后的坐標值變化和車輛定位參數(shù)優(yōu)化前后的變化范圍。

圖7 優(yōu)化前后的主銷后傾角

表3 優(yōu)化前后的車輛定位參數(shù)變化范圍

4 結(jié)論

在ADAMS/View模塊中建立了雙橫臂式前獨立懸架，通過對該懸架在車輪上下跳動中的仿真運動，得出各主要性能參數(shù)的變化關(guān)系，表明該車的前懸架有改進空間。利用ADAMS/Insight模塊對該前懸架進行了優(yōu)化分析，找出了影響該懸架性能的主要參數(shù)，提出優(yōu)化方案并進行了優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果分析表明:通過懸架參數(shù)優(yōu)設(shè)計，提高了前懸架使用性能，增加的汽車行駛過程的平順性，可操縱性等。

［1］上官文斌，黃虎.多剛體系統(tǒng)動力學(xué)在雙擺臂懸架運動學(xué)分析中的應(yīng)用［J］.汽車技術(shù)，1990(9):15－21.

［2］張慶才.汽車七自由度振動模型建模及在汽車平順性仿真研究中的應(yīng)用［J］.上海汽車，1993(3):3－5.

［3］何青瑋，林青，虞蘭，等.Matlab在汽車半主動懸架仿真中的應(yīng)用［J］.機床與液壓，2002(3):34－36.

［4］徐忠明，賀巖松，藤岡健偐.用半主動控制懸架改進半掛汽車列車駕駛室的乘坐舒適性［J］.中國機械工程，2003，14(24):15.

［5］季曉剛，章應(yīng)雄，唐新蓬.汽車動力總成懸置研究的發(fā)展［J］.汽車技術(shù)，2004(1):4－6.

［6］赫雄.ADAMS動力學(xué)仿真算法及參數(shù)設(shè)置分析［J］.傳動技術(shù)，2005，19(3):27 －30.

［7］王霞，張麗.汽車操縱穩(wěn)定性動力學(xué)仿真［J］.沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，26(4):24－26

［8］孫永佳，張睿.汽車動態(tài)測試－DVT［J］.沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2004，21(2):34 －36.

［9］姜鵬.汽車懸架系統(tǒng)的仿真分析與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計［D］.杭州:浙江大學(xué)，2001.