吊環(huán)對商用車前少片簧懸架性能的影響

劉兆英，李躍偉，洪 良

（中國第一汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，長春130011）

懸架剛度及運(yùn)動(dòng)特性對汽車操縱穩(wěn)定性以及平順性有重要的影響［1－2］。對前懸架采用少片簧的商用車而言，吊環(huán)長度和基礎(chǔ)吊環(huán)角的合理設(shè)計(jì)將影響到汽車的行駛性能［3］。目前國內(nèi)各主機(jī)廠對于該類型懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還基本停留在板簧的應(yīng)力和剛度計(jì)算階段；國外部分樣車為了提高制動(dòng)時(shí)懸架系統(tǒng)的性能，增加了防S變形［3－4］緩沖塊，而制動(dòng)時(shí)板簧的運(yùn)動(dòng)特性還未見報(bào)道。目前關(guān)于吊環(huán)的布置與懸架性能的匹配仍依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏相關(guān)的計(jì)算理論依據(jù)。本文擬建立商用車前少片簧懸架系統(tǒng)的有限元分析模型（Finite element analysis，F(xiàn)EA），采用仿真方法研究了吊環(huán)長度和基礎(chǔ)吊環(huán)角對懸架剛度和運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律；結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了仿真方法以及結(jié)果的正確性，并最終形成了設(shè)計(jì)可參考使用的結(jié)論。

1 考慮吊環(huán)布置的前少片簧懸架有限元模型

本文研究的某商用車前少片簧懸架系統(tǒng)布置如圖1（a）所示，該懸架系統(tǒng)布置特點(diǎn)描述如下：彈性元件為對稱的兩片少片鋼板彈簧；鋼板彈簧前端采用銷軸與支架連接，后端通過銷軸與吊環(huán)連接；吊環(huán)通過銷軸與后支架連接。上跳限位采用橡膠緩沖塊，通過減振器進(jìn)行振動(dòng)衰減。本次仿真模型不包括減振器以及緩沖塊。

采用Proe建立的少片簧幾何模型如圖1（b）所示，進(jìn)而采用Hypermesh進(jìn)行有限元網(wǎng)格三維前處理，鋼板彈簧采用六面體C3D8R進(jìn)行建模［3，5－11］，如圖1（c）所示；并采用Abaqus軟件進(jìn)行分析求解。根據(jù)上述方法計(jì)算得到的某商用車前少片簧自由和夾緊狀態(tài)剛度曲線如圖2所示。

圖1 考慮吊環(huán)布置的前少片簧懸架有限元模型Fig.1 FEA model of front taper-leaf suspension system with hinger

圖2 自由剛度及夾緊剛度模擬Fig.2 Simulation of free stiffness and clamped stiffness

表1給出了基于有限元計(jì)算得到的剛度擬合值與試驗(yàn)值對比結(jié)果?？梢妰烧叽嬖谝欢ǖ恼`差，但誤差在可接受范圍之內(nèi)，目前板簧的剛度誤差要求在±7%之內(nèi)。綜合上述對比結(jié)果及分析，該鋼板彈簧模型可以應(yīng)用于系統(tǒng)分析。

表1 有限元模擬結(jié)果與理論計(jì)算值Table 1 FEA results and theoretical calculation values

本次懸架系統(tǒng)分析主要是分析吊環(huán)的布置對懸架剛度的影響，所以前懸架系統(tǒng)主要包括如下部件：鋼板彈簧、吊環(huán)、U形螺栓以及上、下蓋板。為了方便有限元模擬，在自由狀態(tài)將兩個(gè)卷耳中心的連線設(shè)為水平。同時(shí)，為了方便對比結(jié)果，須引入以下定義：

基準(zhǔn)線：對于帶有卷耳的鋼板彈簧總成來說，基準(zhǔn)線是指通過兩個(gè)卷耳中心的連線；對于兩端無卷耳的鋼板彈簧總成，基準(zhǔn)線是指通過總成端部的外載荷作用點(diǎn)的連線。

基準(zhǔn)吊環(huán)角：是指當(dāng)鋼板彈簧第一片為平直狀態(tài)時(shí)，基準(zhǔn)線與吊環(huán)兩個(gè)連接孔的連線所形成的夾角。具體的有限元模型如圖1（d）所示。

2 吊環(huán)對懸架系統(tǒng)剛度的影響

為了更好地做對比分析，本次模擬主要分以下兩種情況［12－14］：①僅吊環(huán)長度l發(fā)生變化，分別取l為100 mm和180 mm，板簧長度為1700 mm。吊環(huán)長度與板簧長度比值近似為6%和10.5%；②僅基準(zhǔn)吊環(huán)角θ發(fā)生變化，分別取60°、100°。

為了直觀，模擬的曲線橫坐標(biāo)為輪胎跳動(dòng)量與板簧長度的比值，其中“0”位置為板簧第一片為平直狀態(tài)時(shí)的輪心位置，正值代表上跳，負(fù)值代表下跳。前懸架系統(tǒng)自由及加載狀態(tài)下的FEA模型見圖3和圖4。

圖3 前懸架系統(tǒng)自由狀態(tài)Fig.3 Free situation of front suspension system

圖4 前懸架系統(tǒng)加載后狀態(tài)Fig.4 Loaded situation of front suspension system

由圖5及表2中的分析結(jié)果可見：懸架系統(tǒng)如果布置不合理，會(huì)帶來懸架系統(tǒng)性能的惡化，在懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮吊環(huán)長度以及基礎(chǔ)吊環(huán)角的選擇；當(dāng)l＝100 m，θ＝60°時(shí)，懸架系統(tǒng)剛度與板簧剛度差別較大；隨著車輪上跳，懸架剛度急劇增加；當(dāng)θ增大到100°時(shí)，隨著車輪上跳，懸架剛度急劇下降，增加了限位塊碰撞的幾率。當(dāng)?shù)醐h(huán)長度增加時(shí)，上述情況有所改善，但改善效果不明顯。

圖5 不同情況下懸架剛度變化曲線Fig.5 Curve of suspension stiffiness in different cases

表2 懸架系統(tǒng)剛度與板簧剛度比值Table 2 Ratio of suspension system stiffness and spring stiffness

3 吊環(huán)對懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響

3.1 吊環(huán)的擺動(dòng)與板簧運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系

由圖6可見，隨著吊環(huán)長度的增加，車輪在上下跳動(dòng)過程中，吊環(huán)的擺角減?。粓D7表明吊環(huán)長度的變化對于前軸的運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎沒有影響。

圖6 吊環(huán)角度隨車輪上跳變化曲線Fig.6 Hinger angle curve with wheel jump-up

圖7 前軸軌跡Fig.7 Trail of front axle

3.2 制動(dòng)時(shí)板簧的S變形與前軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系

圖8為在Hypermesh中搭建制動(dòng)工況下板簧S變形的分析模型。從圖9的分析結(jié)果可以看出，對于對稱板簧來說，車輪在上下跳動(dòng)過程中，由于吊環(huán)的影響，前軸有很小的轉(zhuǎn)角，在垂直校核時(shí)可以忽略，這與目前的理論分析比較一致；在同樣的制動(dòng)力情況下，理論計(jì)算前軸轉(zhuǎn)角為3.9°，與有限元結(jié)果比較一致，所以在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中可以直接用試驗(yàn)值進(jìn)行初步校核；在制動(dòng)時(shí)對于少片簧懸架來說，由于其剛度較小，由于S變形會(huì)導(dǎo)致懸架轉(zhuǎn)向干涉量以及板簧后半段應(yīng)力提高，故在一些特殊條件下，需增加防S變形緩沖塊。

圖8 制動(dòng)工況板簧S變形模擬分析Fig.8 S-shape deformation FEA of leaf-spring in brake case

圖9 前軸轉(zhuǎn)角變化曲線Fig.9 Roation angle change curve of front axle

4 吊環(huán)布置與懸架剛度匹配試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述模擬分析結(jié)果以及結(jié)論的正確性，同時(shí)驗(yàn)證上述結(jié)論是否對于其他長度的少片簧懸架系統(tǒng)同樣適用，采用了五十鈴中型車的前懸架系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，板簧長度為1300 mm，吊環(huán)長度為77 mm，吊環(huán)長度與板簧長度的比值為5.9%。臺(tái)架試驗(yàn)圖見圖10，臺(tái)架試驗(yàn)與有限元分析模擬的對比結(jié)果見圖11和表3。上述數(shù)據(jù)表明有限元模擬結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果一致性良好，驗(yàn)證了本文方法的正確性。

圖10 五十鈴前懸架系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)圖Fig.10 Photo of ISUZU front suspension bench test

圖11 臺(tái)架試驗(yàn)與模擬結(jié)果對比Fig.11 Comparison between bench test and FEA result

表3 懸架剛度與板簧剛度的比值Table 3 Ratio of suspension system stiffness and spring stiffness

5 結(jié) 論

（1）本文在國內(nèi)首次采用了FEA方法對商用車用前少片簧懸架系統(tǒng)的匹配進(jìn)行了研究；驗(yàn)證了該方法的可行性以及有效性。

（2）通過模擬分析，給出了懸架剛度隨吊環(huán)長度以及基礎(chǔ)吊環(huán)角變化的一般規(guī)律。

（3）利用前少片簧懸架系統(tǒng)的FEA模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性的模擬，掌握了前軸隨車輪上跳的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對懸架系統(tǒng)的校核具有一定的指導(dǎo)意義。

（4）搭建了帶有吊環(huán)的系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證了模擬分析結(jié)果的正確性。

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