基于離散梁模型的麥弗遜懸架減振器側(cè)向力分析

廖抒華，王小東，鐘金志

（1.廣西科技大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，廣西 柳州 545006；2. 柳州孔輝汽車(chē)科技有限公司，廣西 柳州 545006）

基于離散梁模型的麥弗遜懸架減振器側(cè)向力分析

廖抒華1，王小東1，鐘金志2

（1.廣西科技大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，廣西 柳州 545006；2. 柳州孔輝汽車(chē)科技有限公司，廣西 柳州 545006）

本文以某A級(jí)車(chē)前懸架為例，建立了麥弗遜懸架多體動(dòng)力學(xué)模型。在分析由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起的減振器側(cè)向力基礎(chǔ)上，結(jié)合Adams宏命令建立了離散梁的C型螺旋彈簧模型。討論了C型彈簧在不同曲率的中心線(xiàn)下的側(cè)向力效果，并進(jìn)行了仿真分析。對(duì)麥弗遜懸架減振器側(cè)向力優(yōu)化具有重要的意義。

麥弗遜懸架；側(cè)向力；離散梁；C型螺旋彈簧

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

1、麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)分析

麥弗遜懸架又稱(chēng)滑柱擺臂式懸架, 其主要結(jié)構(gòu)特征是螺旋彈簧與減振器設(shè)計(jì)成一體作為前支柱，減振器兼做轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)。 這種結(jié)構(gòu)具有前輪定位變化小、行駛穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低而在轎車(chē)中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的麥弗遜懸架使用普通圓柱螺旋彈簧作為彈性元件，由于減振器支柱確定后，主銷(xiāo)參數(shù)和彈簧作用力線(xiàn)也隨之確定，但此時(shí)的彈簧力作用線(xiàn)與理想位置力作用線(xiàn)有一定角度的偏置。

圖1為麥弗遜懸架前支柱受力簡(jiǎn)圖，輪胎受到由于軸荷產(chǎn)生的輪胎力F_tire，下擺臂連接轉(zhuǎn)向節(jié)和副車(chē)架，轉(zhuǎn)向節(jié)受下擺臂的拉力為F_lca，減振器上支柱點(diǎn)處所受力與此兩力形成力的平衡。如果減振器處在F_top力作用線(xiàn)上，

則減振器僅受到沿壓縮伸張方向的力，為減振器受力的理想狀態(tài)。由于受到轉(zhuǎn)向節(jié)車(chē)輪等布置方面的影響，實(shí)際減振器不可能布置在理想受力線(xiàn)上。當(dāng)減振器軸線(xiàn)與理想受力線(xiàn)成某一角度時(shí)，彈簧受力作用線(xiàn)F_spring也隨之偏轉(zhuǎn)，此時(shí)為了滿(mǎn)足F_top大小方向不變，需要額外提供F_damper使得F_top能與F_tire、F_lca的合力平衡，保證懸架受力平衡。此F_damper即是減振器提供的額外側(cè)向力。若能優(yōu)化減振器提供的額外側(cè)向力，則減振器內(nèi)部活塞桿以及油封處的受力也隨之改善[1]。

當(dāng)減振器處受到額外側(cè)向力過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致活塞桿及油封的磨損加劇，引起減振器漏油。另外由于活塞桿處側(cè)向力曾加，減振器工作時(shí)阻力增加。當(dāng)路況較好時(shí)，地面沖擊載荷可能無(wú)法克服減振器摩擦阻力，進(jìn)而將沖擊而傳遞至車(chē)身；路況較差時(shí)，減振器無(wú)法及時(shí)回復(fù)，造成減振器發(fā)澀，影響整車(chē)行駛平順性[2-3]。

目前主要有四種方案解決麥弗遜式懸架減振器的側(cè)向力[4-6]：傾斜安裝彈簧；傾斜彈簧支座；偏置彈簧縮小圈；使用側(cè)載彈簧。其目的都是要調(diào)整彈簧在工作狀態(tài)時(shí)的受力軸線(xiàn)，盡可能地靠近理想力作用線(xiàn)?？紤]到制造工藝、成本以及實(shí)際中由于受布置限制，所能偏轉(zhuǎn)的角度有限，往往結(jié)合彈簧傾斜安裝和調(diào)整彈簧支撐來(lái)綜合處理彈簧作用力軸線(xiàn)，或者直接使用側(cè)載彈簧。

2、麥弗遜前懸架模型建立

麥弗遜式懸架模型可以使用ADAMS軟件的模板，通過(guò)定義硬點(diǎn)的坐標(biāo)，以及各彈性元件的參數(shù)來(lái)快速完成建模[7]。懸架硬點(diǎn)參數(shù)由數(shù)模測(cè)得，彈性元件等參數(shù)由實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)確定。如圖2所示：

由于adams/car中的彈簧為一維線(xiàn)性模型，不能反映出彈簧的側(cè)向力作用，所以彈簧模型需要額外修改。本文采用由有限元軟件計(jì)算得到螺旋彈簧柔性體文件（圖3左）和離散梁的螺旋彈簧模型（圖3右），分別裝配到懸架模型中。按照懸架跳動(dòng)范圍，取值-50mm至50mm。

對(duì)比柔性體文件和離散梁模型，在空載狀態(tài)下進(jìn)行仿真，如表1所示，計(jì)算結(jié)果基本吻合。

表1 兩種彈簧模型對(duì)比

減振器處所受側(cè)向力、繞X方向的轉(zhuǎn)矩值，如圖4所示，也具有較高的可信度?？梢允褂?/p>

離散梁代替柔性體建立彈簧模型。

3、C型螺旋彈簧建模

C型螺旋彈簧在工作狀態(tài)所提供的側(cè)向力的大小主要由其中心線(xiàn)的曲率決定，本文主要討論當(dāng)中心線(xiàn)為圓的一部分時(shí)，曲率為定值時(shí)，參數(shù)取值對(duì)C型彈簧所能提供側(cè)向力的影響。

彈簧中心線(xiàn)彎曲后，整體彈簧長(zhǎng)度會(huì)有變化，但為了保證懸架高度不變，故作簡(jiǎn)化，認(rèn)為中心線(xiàn)彎曲后彈簧長(zhǎng)度還是保持不變。原彈簧參數(shù)見(jiàn)表2：

表2 普通圓柱螺旋彈簧參數(shù)

參照原彈簧參數(shù)，使用不同曲率的圓弧作為中心線(xiàn)，做出C型彈簧螺旋線(xiàn)軌跡，再以此螺旋線(xiàn)建立離散梁的彈簧模型裝配到麥弗遜前懸架中，如圖5所示。參照使用普通圓柱螺旋彈簧時(shí)的懸架行程，做平行輪跳仿真[8]。

有計(jì)算結(jié)果可知，隨著中心線(xiàn)圓弧段的曲率不斷增加，彈簧所能提供的側(cè)向力加大，與使用直彈簧相比，當(dāng)使用半徑為400mm圓弧段作為中心線(xiàn)時(shí)，側(cè)向力由1300N下降到了850N，沿X向的力矩由135N·m下降到了50N·m，如表3所示：

表3 普通圓柱螺旋彈簧參數(shù)

減振器側(cè)向力隨懸架行程變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖6所示：使用C型彈簧后側(cè)向力改善明顯，但繼續(xù)增加中心線(xiàn)曲率時(shí)，改善效果減緩。

減振器縱向扭矩值隨懸架行程變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖7所示：使用C型彈簧后扭矩值改善明顯，繼續(xù)增加中心線(xiàn)曲率時(shí)，改善效果任可持續(xù)。

實(shí)際設(shè)計(jì)布置彈簧時(shí)，中心線(xiàn)曲率也不可能取的過(guò)大，還要考慮到彈簧中徑的大小。當(dāng)取值過(guò)大時(shí)，會(huì)造成懸架跳動(dòng)過(guò)程中彈簧與減振器的干涉，另外曲率過(guò)大也會(huì)造成垂直剛度的減小以及彈簧失穩(wěn)。一般在解決減振器側(cè)向力過(guò)大問(wèn)題的過(guò)程中，需要綜合考慮中心線(xiàn)曲率和托盤(pán)的傾角，使得減振器在懸架常用工況下的側(cè)向力最優(yōu)化。

4、結(jié)果分析

在分析麥弗遜懸架減振器側(cè)向力產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，對(duì)使用C型彈簧來(lái)減小減振器側(cè)向力的方法進(jìn)行了研究。應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)不同曲率的C型彈簧建立了離散梁模型，進(jìn)行了仿真分析。相較傳統(tǒng)使用有限元生成柔性體的建模方法，使用離散梁模型更加有利于彈簧的參數(shù)化設(shè)計(jì)，為C型彈簧的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

[1] 耶爾森.賴(lài)姆帕爾.汽車(chē)懸架.李旭東.譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2013.

[2] 景立新,郭孔輝,盧蕩.麥弗遜懸架減振器側(cè)向力優(yōu)化[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,01∶71-75.

[3] 張?jiān)?雷雨成,王小瓊.螺旋彈簧懸架安裝傾角分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2004,01∶61-63.

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[5] 柳江,喻凡,樓樂(lè)明.麥弗遜懸架側(cè)載螺旋彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程,2006,08∶743-746.

[6] 柳江,王玉順,喻凡.麥弗遜懸架側(cè)載彈簧多目標(biāo)優(yōu)化方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,04∶464-469+474.

[7] 廖抒華,段守焱,成傳勝.懸架K&C試驗(yàn)臺(tái)在底盤(pán)開(kāi)發(fā)中的技術(shù)應(yīng)用[J].汽車(chē)科技,2010,05∶66-68.

[8] 段守焱.某乘用車(chē)懸架K&C特性分析及匹配研究[D].廣西工學(xué)院,2011.

Analysis of lateral force based on discrete beam model in shock absorber of Macpherson suspension

Liao Shuhua1, Wang Xiaodong1, Zhong Jinzhi2
（1. College of Automobile and Transportation Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006; 2. KH Automotive Technologies (Liuzhou) Co. Ltd., Guangxi Liuzhou 545006）

in this paper,taking a A-class passenger car as example, a multi-body dynamics model for MacPherson suspension is built. The C type helical spring model is also built in Adams software with the Macro command with discrete beam model, after analysing the reason of shock absorber lateral force caused by its fundamental structure characteristics. Discussion the lateral force of C type spring effected in different curvature of the center line, and a simulation is performed. It has the vital significance to the Mcpherson suspension shock absorber lateral force optimization

MacPherson suspension; Lateral force; discrete beam; C type helical spring

U463.3

A

1671-7988(2015)03--

廖抒華，就職于廣西科技大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，主要研究方向汽車(chē)動(dòng)態(tài)仿真與控制。