基于ADAMS的雙橫臂式前懸架K＆C特性的仿真分析

闞 萍， 石 琴， 祝安定

（1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械工程系，安徽 合肥 230051；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

汽車懸架是車架（或車身）與車橋（或車輪）之間一切傳力連接裝置的總稱，它的作用是緩和、抑制由不平路面引起的振動(dòng)和沖擊，保證乘員乘坐舒適和所運(yùn)貨物完好，以及傳遞汽車各方向的一切力和力矩，保證車輪和車身（或車架）之間有確定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使汽車具有良好的駕駛性能。近代汽車懸架設(shè)計(jì)是整車研發(fā)的關(guān)鍵之一，也由此被譽(yù)為是“汽車運(yùn)動(dòng)性能的靈魂”［1］。本文對(duì)某新開發(fā)車型的前懸架進(jìn)行K＆C特性仿真，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。

1 前懸架K＆C模型的建立

該車前懸架為雙橫臂式，各部件拓?fù)溥B接如圖1所示，當(dāng)2個(gè)部件之間既有襯套又有鉸鏈連接的時(shí)候，K特性使用鉸鏈連接，C特性使用襯套連接。模型中所有部件的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均從Pro／E軟件中獲得，對(duì)彈簧、減震器和襯套進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)編寫各自的屬性文件，其中彈簧是線性的，減震器是非線性的。在Adams中建成的前懸架K＆C特性模型，如圖2所示。

圖1 前懸架各部件拓?fù)溥B接圖

圖2 Adams中前懸架K＆C特性模型

2 前懸架K＆C特性仿真

所謂懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性（Kinematics，簡(jiǎn)稱K特性）描述的是車輪在上下運(yùn)動(dòng)過程以及轉(zhuǎn)向過程中，懸架的評(píng)價(jià)參數(shù)隨車輪運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，所謂懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性（Compliance，簡(jiǎn)稱C特性）描述的是在輪胎受到來自地面的各種力或力矩作用時(shí)，懸架的評(píng)價(jià)參數(shù)隨這些力或力矩的變化關(guān)系，兩者統(tǒng)稱為懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性（Kinematics＆Compliance，簡(jiǎn)稱 K＆C特性）［2］。懸架K＆C特性的仿真試驗(yàn)與物理試驗(yàn)相仿，K特性主要包含左、右車輪平行輪跳試驗(yàn)、反向輪跳試驗(yàn)和單側(cè)輪跳試驗(yàn)等幾個(gè)仿真分析項(xiàng)目；C特性主要包括對(duì)車輪中心或接地點(diǎn)施加制動(dòng)力、側(cè)向力、回正力矩等力和力矩的仿真分析項(xiàng)目。本文由于篇幅限制，選取K＆C特性分析中最基本的左右車輪平行輪跳（對(duì)應(yīng)K特性）和對(duì)輪胎接地點(diǎn)施加縱向力及側(cè)向力（對(duì)應(yīng)C特性）2個(gè)試驗(yàn)對(duì)懸架定位參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 前懸架K特性仿真

左、右車輪平行跳動(dòng)引起的懸架運(yùn)動(dòng)分析，是對(duì)車輪遇到障礙物時(shí)懸架的運(yùn)動(dòng)、路面不平引起的顛簸運(yùn)動(dòng)、汽車加減速時(shí)車身縱傾引起的懸架運(yùn)動(dòng)和車身側(cè)傾時(shí)引起的懸架運(yùn)動(dòng)等較多運(yùn)動(dòng)的綜合分析［3］。車輪跳動(dòng)高度設(shè)置為上跳50mm，下跳45mm，由于懸架左右對(duì)稱，只顯示了左側(cè)懸架的各參數(shù)。

車輪在運(yùn)動(dòng)過程中前束角的變化對(duì)汽車的制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性和輪胎的磨損有著重要的作用，因此設(shè)計(jì)時(shí)希望前束角在車輪跳動(dòng)過程中變化量盡量小。前輪上跳時(shí)，為零至負(fù)前束，即弱負(fù)前束變化，下落的過程中應(yīng)呈現(xiàn)較弱的正前束變化才比較合理［4］。一般取在零附近是為了控制直行時(shí)由路面的凹凸引起的前束變化，確保良好的行駛穩(wěn)定性，取弱負(fù)前束變化是為了使車輛獲得弱的不足轉(zhuǎn)向特性，以使裝載質(zhì)量變化引起車高變化時(shí)也能保持不足轉(zhuǎn)向。車輪前束角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線，如圖3所示。圖3中前束角隨車輪跳動(dòng)的變化范圍為－0.44°～0.80°，不滿足－0.5°～0.5°的設(shè)計(jì)要求，需在后續(xù)的設(shè)計(jì)中對(duì)硬點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，使車輪上跳時(shí)前束角小于0.5°。

圖3 車輪前束角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

當(dāng)車輪跳動(dòng)（懸架壓縮、伸張）時(shí)，車輪外傾角應(yīng)該隨著車輪向上跳動(dòng)減小，隨著車輪向下跳動(dòng)增大，以使汽車轉(zhuǎn)向行駛、車身側(cè)傾時(shí)外側(cè)車輪的外傾角保持為負(fù)值，以提高側(cè)向附著力。車輪外傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線，如圖4所示。

圖4 車輪外傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

由圖4可知，車輪外傾角的變化范圍為－0.59°～0.07°，滿足上下跳動(dòng)時(shí)變化2°的設(shè)計(jì)要求，但是在車輪下跳的過程中其變化趨勢(shì)與所需的趨勢(shì)略有不同，需要在后續(xù)的設(shè)計(jì)中對(duì)前懸架的硬點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整。

主銷內(nèi)傾角的存在產(chǎn)生了主銷偏移距，使汽車直線行駛穩(wěn)定性得到了改善，這也是主銷內(nèi)傾角的一個(gè)主要作用。其次，主銷內(nèi)傾角有使車輪自動(dòng)回正的作用。主銷內(nèi)傾角越大前輪自動(dòng)回正的能力就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的能力就越弱。一般認(rèn)為理想情況下車輪上跳時(shí)，主銷內(nèi)傾角的增加應(yīng)盡量減小，以避免主銷內(nèi)傾角變化過大。因此希望在車輪的跳動(dòng)過程中，主銷內(nèi)傾角的變化量不要太大。為了得到較好的回正性能和穩(wěn)定性能，一般取值范圍在7°～13°。主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線，如圖5所示。主銷內(nèi)傾角的變化范圍是8.44°～9.14°，能夠滿足汽車直線行駛的穩(wěn)定性和使車輪自動(dòng)回正的作用。

圖5 主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

主銷后傾的作用是當(dāng)汽車直線行駛偶然受外力作用而稍有偏轉(zhuǎn)時(shí)，將產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)向反方向的力矩使車輪自動(dòng)回正，保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。后傾角越大車速越高，穩(wěn)定力矩越大，但后傾角不宜過大，否則在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重，而且過大會(huì)造成外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的外傾角向負(fù)方向變化，最終破壞汽車的行駛穩(wěn)定性。主銷后傾角一般要求在0°～3°范圍內(nèi)，主銷后傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線，如圖6所示，可以看出主銷后傾角在2.0°～2.53°范圍內(nèi)變化，滿足汽車直線行駛的穩(wěn)定性。

對(duì)于采用獨(dú)立懸架的汽車，其輪距在懸架運(yùn)動(dòng)過程中是發(fā)生變化的，但不大的輪距變化在輪胎較軟時(shí)可以由輪胎變形來適應(yīng)，而不致沿路面滑移［5］。

當(dāng)輪距變化較大時(shí)往往造成兩側(cè)輪胎的偏磨損，對(duì)于汽車的操縱穩(wěn)定性是不利的，因此在體現(xiàn)獨(dú)立懸架優(yōu)越性的同時(shí)，往往希望軸距和輪距的變化越小越好。

圖6 主銷后傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

單側(cè)輪距變化量隨車輪跳動(dòng)的變化曲線，如圖7所示，單側(cè)輪距變化量的范圍是－0.35～5.38mm，這個(gè)輪距變化量可以由輪胎的變形來適應(yīng)，不存在輪胎的偏磨損。

圖7 單側(cè)輪距變化量隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

2.2 前懸架C特性仿真

在分析懸架的K特性時(shí)，各部件之間采用鉸鏈連接，這樣只能初步確定懸架桿系結(jié)構(gòu)是否合理，這與實(shí)際各部件之間大多采用襯套連接并不相符，而且在運(yùn)動(dòng)過程中襯套的變形對(duì)車輪定位參數(shù)的影響（主要影響前束角、外傾角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角的大小，對(duì)曲線的變化趨勢(shì)并無影響）也不可忽視，所以有必要對(duì)懸架進(jìn)行C特性的分析。C特性分析時(shí)利用Adams軟件中的bushing單元建立襯套，根據(jù)實(shí)車上的襯套實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修改單元的屬性文件。

對(duì)車輪接地點(diǎn)同時(shí)施加0.7g縱向力和側(cè)向力，單側(cè)車輪縱向力和側(cè)向力均從－7 851.27N線性增加到7 851.27N，模擬車輛高速轉(zhuǎn)彎過程中加減速的工況，這比單獨(dú)加縱向力或側(cè)向力的工況更復(fù)雜，因此在這樣復(fù)雜的工況下仿真得出的結(jié)果更具有說服力。由于C特性大多采用襯套連接，而且仿真的工況是在日常行車過程中很少遇到的，因此在仿真過程中各參數(shù)的變化范圍要比K特性時(shí)略大。

車輪前束角隨時(shí)間的變化曲線，如圖8所示，從8.5～16s時(shí)車輛向右轉(zhuǎn)向，承受的側(cè)向力增大，左輪（外側(cè)車輪）前束角向負(fù)方向增大，減小了原來轉(zhuǎn)向的程度，即側(cè)向力作用下車輛有不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，有利于汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向，但在整個(gè)過程中變化范圍為0.91°～－2.21°，變化范圍較大，加速了輪胎的磨損，需在后續(xù)設(shè)計(jì)中對(duì)硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

圖8 車輪前束角隨時(shí)間的變化曲線

車輪外傾角隨時(shí)間的變化曲線，如圖9所示，從8.5～16s時(shí)車輛右轉(zhuǎn)向，承受的側(cè)向力增大，左輪（外側(cè)車輪）外傾角增大（變化范圍0.07°～2.29°），這種變化特性減小了原來轉(zhuǎn)向的程度，即側(cè)向力作用下車輛有不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，此時(shí)配合前束角的變化趨勢(shì)，車輛的不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)更加明顯，有利于車輛的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向，保證了車輛在高速轉(zhuǎn)彎過程中的行車安全性。

圖9 車輪外傾角隨時(shí)間的變化曲線

在車輛高速轉(zhuǎn)彎的過程中，外側(cè)懸架受壓，內(nèi)側(cè)受拉，相當(dāng)于K特性中雙輪反向跳動(dòng)的工況。在整個(gè)過程中車輛的質(zhì)心下降，同時(shí)側(cè)傾中心高度從83.29mm下降到65.50mm，質(zhì)心和側(cè)傾中心同時(shí)下降，這是比較安全的，減弱了駕駛員駕駛時(shí)“發(fā)漂”的感覺，保證了車輛的操縱穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

雙橫臂獨(dú)立懸架是一種普遍用于汽車前懸架的獨(dú)立懸架形式［6－8］，對(duì)其進(jìn)行 K＆C特性分析很有必要。文中建立了雙橫臂獨(dú)立懸架的K＆C模型，并進(jìn)行了2種特性的分析。有些參數(shù)雖然變化趨勢(shì)符合設(shè)計(jì)要求，但其變化范圍略大于要求范圍，而且仿真分析本身存在一定的誤差，就需要對(duì)結(jié)構(gòu)的硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，盡量降低各參數(shù)的變化范圍，從而提高汽車的操縱穩(wěn)定性，減小輪胎的磨損。

通過雙橫臂懸架的K＆C分析，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確度，為進(jìn)一步的物理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和制造提供了可靠的依據(jù)。但是目前關(guān)于懸架C特性分析的相關(guān)資料較少，對(duì)于仿真分析的結(jié)果只能參考K特性進(jìn)行評(píng)判，因此需要后續(xù)對(duì)樣車進(jìn)行懸架K＆C試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，從而積累懸架C特性仿真的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］王學(xué)新.中氣轎車多連桿懸架系統(tǒng)K＆C特性分析與操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2010.

［2］王文彬.某車懸架剛?cè)狁詈辖＜罢囆阅芊治雠c改進(jìn)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

［3］劉偉忠.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的某車懸架K＆C特性仿真分析及硬點(diǎn)優(yōu)化［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

［4］張承海.基于虛擬樣機(jī)的多連桿懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［5］王 爽.某微車懸架K＆C特性研究及其對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

［6］王其東，趙 韓，李 巖，等.汽車雙橫臂式獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，24（6）：1066－1071.

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