車輛麥弗遜懸架運動仿真研究

岳峰麗，蔡 玲

(沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧沈陽 110159)

懸架是汽車的主要總成之一，由彈性元件、導(dǎo)向機構(gòu)、減振器及橫向穩(wěn)定裝置等部件組成。它將車架與車輪彈性地連接起來，其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪與車架之間的力和力矩，并緩和由路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，以保證汽車平順行駛［1］。汽車懸架系統(tǒng)的性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性的重要因素。

隨著對汽車輕量化的要求和前輪驅(qū)動汽車的流行，大多數(shù)乘用車采用麥弗遜式前懸架。這種懸架不需要上擺臂，因而結(jié)構(gòu)上更加緊湊，幾乎不占用橫向空間，有利于車身前部地板的構(gòu)造和發(fā)動機布置，另外，當(dāng)車輪跳動時，其輪距、前束及車輪外傾角等均改變不大，減輕輪胎的磨損，使汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性［2］。麥弗遜懸架是一種經(jīng)久耐用的獨立懸架，具有很強的道路適應(yīng)能力，應(yīng)用極其廣泛。過去多用簡化條件下的圖解法和分析計算法對汽車懸架性能進行分析計算，用多自由度的質(zhì)量–阻尼剛體數(shù)學(xué)模型對汽車行駛狀況進行仿真，結(jié)果誤差較大，且費時費力?；贏DAMS的虛擬樣機技術(shù)，可把懸架視為是由多個相互連接、彼此能相對運動的多體運動系統(tǒng)，其運動學(xué)及動力學(xué)仿真比以往的數(shù)學(xué)模型計算更真實反映懸架特性。近年國內(nèi)外有很多關(guān)于麥弗遜懸架仿真的研究，這些研究大都應(yīng)用ADAMS軟件進行仿真模擬，模型建立在ADAMS軟件平臺上，簡化很多［3－5］。而在實際設(shè)計中，多應(yīng)用三維建模軟件CATIA建立懸架模型，然后應(yīng)用ADAMS軟件進行仿真;在將CATIA文件導(dǎo)入ADAMS過程中，需借助第三方軟件，易造成零件信息丟失。本文將CATIA與MSC SimDesiger相集成，對某車型參數(shù)的麥弗遜懸架進行建模仿真分析，研究車輪跳動對輪距、主銷角度的影響。

1 建模與仿真

車輪定位(包括前輪和后輪定位)參數(shù)包括車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷偏移距、主銷后傾角、前束角。前輪定位參數(shù)對汽車的操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向性能和輪胎的壽命有影響［6］。本文應(yīng)用Sim-Designer軟件對車輪跳動過程的輪距變化、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角等參數(shù)的變化進行分析。

采用CATIA軟件對彈簧、減震器、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、下橫臂、副車架等進行三維建模，如圖1所示。

仿真過程中，下橫臂轉(zhuǎn)動鉸鏈處與車架間施加轉(zhuǎn)動副;下橫臂球鉸鏈處與轉(zhuǎn)向節(jié)間施加球副;減振器缸、轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪、制動器等處固定成一個整體;減振器活塞與減振器缸間施加移動副，沿其軸線運動;上彈簧座與車架固定;減振器活塞桿與上彈簧座間施加球副;托板與地面間施加移動副，沿Z軸運動;車輪與托板間施加平面副，車輪在托板平面上平動;在托板與地面間的移動副上直線施加驅(qū)動，驅(qū)動函數(shù)為

式中，d為車輪直徑，t為時間。

圖1 懸架三維建模圖

車輪的實際跳動過程是一個非常復(fù)雜的過程，近似為一余弦曲線。一般對車輪跳動過程中輪距及定位參數(shù)的分析常用±40mm的路面不平度做為激勵。

1.1 車輪跳動行程

取車輪與托板間一接觸點，測量該點在車輪跳動過程中的位移量，得到該點在車輪跳動方向上的位移曲線，如圖2所示。

圖2 車輪跳動行程曲線

由圖2可知，曲線最大值319.429mm，最小值239.851mm，平均值279.64mm。

分析曲線結(jié)果可知，在驅(qū)動方程(1)下，車輪上跳量為:Max-Avq≈40mm，車輪下跳量為:Avq-Min≈40mm，車輪跳動行程近似于±40mm，滿足仿真試驗要求。

1.2 輪距分析

車輪跳動過程中會出現(xiàn)主銷擺動，此時輪距會發(fā)生變化。輪距變化量的大小直接關(guān)系輪胎的磨損，也是評價懸架結(jié)構(gòu)合理性的重要指標(biāo)。

取車輪與托板間的接觸點為監(jiān)測對象，沿車體橫向上的一點為參考對象。當(dāng)車輪跳動時，兩點在Y軸方向相對移動，該移動量即為單側(cè)輪距變化量。圖3為輪距變化曲線。

圖3 輪距變化曲線

由圖3可知，車輪跳動過程中單側(cè)輪距的變化量為:上跳增加量 1.907mm，下跳減小量2.363mm，總變化量4.27mm。

按車輪跳動時輪距的合理變化特性要求，當(dāng)路面不平度為±40mm時，半輪距變化量應(yīng)小于4～8mm。

(1)車輪上跳時，輪距應(yīng)適當(dāng)增加，但增加量不宜過大，車輪跳動為+40mm時，輪距增加量控制在2.5mm左右。

(2)車輪下跳時，輪距應(yīng)適當(dāng)減小，減小量可適當(dāng)大些;車輪跳動為－40mm時，輪距減小量不應(yīng)超過5mm。

按主輪距合理變化趨勢的要求，輪距變化量合格。

1.3 主銷內(nèi)傾角分析

通過監(jiān)測內(nèi)傾角的補角值間接測量內(nèi)傾角的變化量。平衡位置內(nèi)傾角補角值近似為101.351。

車輪跳動過程中，內(nèi)傾角的補角值變化曲線如圖4所示。

圖4 主銷內(nèi)傾角曲線

由圖4可知，主銷內(nèi)傾角補角值變化量為

內(nèi)傾角變化量同其補角值變化量，只是符號相反，即增大量0.5139°，減小量 0.6646°，總變化量 1.2036°。

主銷內(nèi)傾角的變化不宜過大，否則轉(zhuǎn)向過于沉重，在現(xiàn)代汽車中，主銷內(nèi)傾角的范圍在5°～14°之間。因此，車輪跳動過程中，主銷內(nèi)傾角的的變化極限值應(yīng)在5°～14°范圍內(nèi)。

從試驗結(jié)果中可知，車輪上跳時內(nèi)傾角值最大為 12.012°;車輪下跳時內(nèi)傾角最小值為11.012°，滿足設(shè)計要求。

1.4 主銷后傾角分析

通過監(jiān)測主銷后傾角余角值分析主銷后傾角變化量。

車輪跳動過程中，主銷后傾角的余角值變化曲線如圖5所示。

圖5 主銷后傾角曲線

由圖5可知，主銷后傾角余角值變化量為

同理，主銷后傾角變化量為:上跳時增大量0.1738°，下 跳 時 減 小 量 0.163°，總 變 化 量0.3368°。

后傾角選取合適，可使汽車具有良好行駛穩(wěn)定性的同時轉(zhuǎn)向輕便，獨立懸架的后傾角一般為2°～3°。

車輪跳動時，后傾角變化不宜太大，以免載荷變化時，出現(xiàn)回正力矩過大或過小的現(xiàn)象，使操縱穩(wěn)定性惡化，后傾角變化應(yīng)小于1°。

因此，按主銷后傾角合理變化趨勢的要求，后傾角值選擇合適，變化特性合理。

2 結(jié)論

(1)車輪跳動時，輪距的變化合理，車輪上跳時，輪距應(yīng)適當(dāng)增加，車輪下跳時，輪距應(yīng)適當(dāng)減小，當(dāng)路面不平度為±40mm時，半輪距變化量應(yīng)小于4～8mm。

(2)主銷內(nèi)傾角的變化不宜過大，否則轉(zhuǎn)向會過于沉重，主銷內(nèi)傾角的范圍在5°～14°之間。

(3)車輪上跳時，后傾角應(yīng)增大;車輪下落時，后傾角應(yīng)減小，以抵消汽車制動過程中的后傾角減小趨勢。

［1］李明喜，柳江.基于麥弗遜式懸架側(cè)載彈簧的應(yīng)用分析［J］.汽車科技，2005(4):7－10.

［2］艾維全，高世杰，王承.麥弗遜式前懸架的設(shè)計改進及分析［J］.上海汽車，2004(5):26－28.

［3］魏道高.汽車前輪定位參數(shù)研究與展望［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，27(2):47 －51.

［4］曾俊夫.舒適乘坐的基石——汽車懸掛系統(tǒng)之麥弗遜式獨立懸架［J］.當(dāng)代汽車，2007(7):90－91.

［5］孫建民，孫風(fēng)英.汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展及控制技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2001，15(1):57－60.

［6］谷惠雨，張光德，雷春青.麥弗遜懸架系統(tǒng)仿真分析應(yīng)用研究［J］.汽車科技，2010(5):28－30.