一種雙橫臂獨(dú)立懸架動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證的新方法*

龔海清 楊啟梁 胡溧 袁爽

（武漢科技大學(xué)）

一種雙橫臂獨(dú)立懸架動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證的新方法*

龔海清 楊啟梁 胡溧 袁爽

（武漢科技大學(xué)）

利用某輕型客車(chē)的CATIA三維設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到懸架線(xiàn)剛度，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果的正確性。在ADAMS/Car中建立了雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算得到懸架的線(xiàn)剛度，并通過(guò)與CATIA中運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算所得的線(xiàn)剛度對(duì)比分析，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的正確性。該方法同樣適用于其它類(lèi)型獨(dú)立懸架的動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證。

1 前言

在汽車(chē)性能的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算中，懸架系統(tǒng)的建模比較復(fù)雜，其建模精度直接影響仿真結(jié)果的正確性。為了保證懸架系統(tǒng)模型的正確性，通常需要利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模型驗(yàn)證，而在缺少試驗(yàn)驗(yàn)證的條件下，如何驗(yàn)證仿真模型的正確性是目前還沒(méi)有得到很好的解決[1-4]。采用扭桿作為彈性元件的雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架，可以通過(guò)合理選擇空間導(dǎo)向桿系鉸接點(diǎn)的位置及導(dǎo)向臂的長(zhǎng)度，使得懸架具有合適的運(yùn)動(dòng)特性，保證車(chē)輛具有良好的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性[5,6]，在各種輕型車(chē)輛中得到廣泛的應(yīng)用。文中以某輕型客車(chē)的雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架為例，利用懸架在CATIA中的三維設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到懸架線(xiàn)剛度，并與試驗(yàn)測(cè)試的線(xiàn)剛度進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證其正確性。然后，在ADAMS/Car中建立懸架動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算得到懸架線(xiàn)剛度，并與CATIA中計(jì)算的線(xiàn)剛度進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的正確性。

2 雙橫臂獨(dú)立懸架線(xiàn)剛度計(jì)算理論

典型雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[7]如圖1所示，其中，DE為轉(zhuǎn)向節(jié)，F(xiàn)G為主銷(xiāo)，GH和GI分別為上橫臂的前、后橫臂，F(xiàn)K和FJ分別為下橫臂的前、后橫臂，IL為上置扭桿彈簧。

由于雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架的線(xiàn)剛度主要與扭桿的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式相關(guān)，針對(duì)扭桿彈簧，不考慮系統(tǒng)中的摩擦損失時(shí)，由虛位移原理可知：

式中，F(xiàn)為車(chē)輪的垂向激勵(lì)力；M為作用在扭桿彈簧上的扭矩；dz為車(chē)輪輪心垂向虛位移；dθ扭桿彈簧在扭矩作用下的虛位移轉(zhuǎn)角。

由式（1）可得

式（2）兩邊對(duì)位移z求導(dǎo)，根據(jù)懸架線(xiàn)剛度的定義可得懸架線(xiàn)剛度的理論計(jì)算式：

式中，θ為扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)角；K為扭桿彈簧剛度。

式（3）只需要得到扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)角、扭轉(zhuǎn)角對(duì)位移分別求1階導(dǎo)、2階導(dǎo)以及扭桿彈簧剛度，就可以較準(zhǔn)確的計(jì)算出車(chē)輪跳動(dòng)在任何位置時(shí)雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架線(xiàn)懸架剛度值Kl。因此，在任何具有運(yùn)動(dòng)仿真功能的CAD軟件中均可實(shí)現(xiàn)。

3 CATIA中懸架的線(xiàn)剛度計(jì)算

某輕型客車(chē)的前雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架的CA?TIA三維數(shù)模如圖2所示。在CATIA中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，需要對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚簭椥栽ㄏ鹉z襯套等）用理想化的運(yùn)動(dòng)副來(lái)代替，并在運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)不考慮彈性元件的變形[8]；定義各部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如上下橫臂與車(chē)架之間以旋轉(zhuǎn)副連接，上下橫臂與主銷(xiāo)之間、轉(zhuǎn)向橫拉桿與車(chē)架之間均以球面副連接。用DMU Kinematics（運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析時(shí)，在轉(zhuǎn)向節(jié)軸心線(xiàn)處設(shè)置測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)、建立參考軸系、設(shè)置傳感器，并在上橫臂與車(chē)架連接的旋轉(zhuǎn)副處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。整個(gè)機(jī)構(gòu)定義完成以后只有2個(gè)自由度，分別對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)向輪的左右運(yùn)動(dòng)和上下跳動(dòng)。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)模擬，傳感器測(cè)得扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)角與車(chē)輪輪心跳位移關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示；將扭轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)對(duì)車(chē)輪輪心垂向跳動(dòng)位移分別求1階導(dǎo)、2階導(dǎo)，其曲線(xiàn)如圖4、5所示。

將圖3～5中的扭轉(zhuǎn)角、扭轉(zhuǎn)角的1階導(dǎo)、扭轉(zhuǎn)角的2階導(dǎo)曲線(xiàn)數(shù)據(jù)和扭桿彈簧剛度K=101.41 N/mm代入（3）式，在Matlab中計(jì)算擬合懸架線(xiàn)剛度曲線(xiàn)。CA?TIA中計(jì)算的懸架線(xiàn)剛度與實(shí)車(chē)測(cè)試的線(xiàn)剛度對(duì)比如圖6所示，由圖中可以看出，兩者的結(jié)果比較吻合，其相對(duì)誤差的均方根值為只有0.07%，說(shuō)明在CAD軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算懸架線(xiàn)剛度是可行的?？梢蕴娲囼?yàn)結(jié)果用于驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的正確性。

4 動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證

下文基于ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件，通過(guò)計(jì)算雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架的線(xiàn)剛度來(lái)驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的正確性。

在ADAMS/Car模塊中，默認(rèn)假設(shè)前懸架關(guān)于整車(chē)縱向中心對(duì)稱(chēng)面對(duì)稱(chēng)，由此只需要建立半個(gè)前懸架左側(cè)模型，另一半前懸架右側(cè)模型的構(gòu)件硬點(diǎn)坐標(biāo)、幾何構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)約束會(huì)自動(dòng)生成。在建立雙橫臂懸架時(shí)對(duì)模型做如下簡(jiǎn)化[9]: 假定前懸架為一個(gè)多剛體系統(tǒng)，所有零部件都被認(rèn)為是剛體，忽略導(dǎo)向桿件的柔性和變形。輪胎簡(jiǎn)化為剛性體，忽略各運(yùn)動(dòng)副內(nèi)的摩擦力。前懸架左側(cè)硬點(diǎn)坐標(biāo)值見(jiàn)表1。

表1 懸架左側(cè)硬點(diǎn)坐標(biāo)值

整個(gè)懸架系統(tǒng)由上下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷(xiāo)、扭桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿、減震器、車(chē)輪和試驗(yàn)臺(tái)組成。上下橫臂與主銷(xiāo)之間用球鉸副約束，上下橫臂與車(chē)架連接處，在其中間通過(guò)橡膠襯套與車(chē)架連接，主銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)用固定副約束，轉(zhuǎn)向節(jié)與車(chē)輪之間用旋轉(zhuǎn)副約束，扭桿彈簧一端與上橫臂以固定在一起，另一端與車(chē)架固定在一起，在扭桿中間斷開(kāi)添加一個(gè)扭簧，同時(shí)在斷開(kāi)處添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)副約束斷開(kāi)的兩個(gè)桿件，以此等效為扭桿彈簧[10]。整個(gè)懸架放置在激振臺(tái)架上施加垂直方向的運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算各參數(shù)的變化規(guī)律。在ADAMS/Car界面建立的雙橫臂獨(dú)立懸架動(dòng)力學(xué)模型，如圖7所示。

在ADAMS／Car環(huán)境中建好模型后，對(duì)懸架做雙輪同向激振試驗(yàn)，設(shè)置仿真步數(shù)為100，車(chē)輪上下跳動(dòng)范圍為-60～60 mm，對(duì)系統(tǒng)懸架剛度隨車(chē)輪跳動(dòng)垂向位移的關(guān)系進(jìn)行仿真分析。計(jì)算完畢后，經(jīng)后處理模塊(ADAMS/Post Processor)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到懸架線(xiàn)剛度。

ADAMS計(jì)算結(jié)果與CATIA計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

由圖8可以看出，兩者的結(jié)果相差很小，其相對(duì)誤差的均方根值只有0.15%，由此可以說(shuō)明在AD?AMS/Car中建立的雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架的動(dòng)力學(xué)模型是正確。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于虛位移原理提出了一種在CAD軟件中計(jì)算雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架線(xiàn)剛度的計(jì)算方法，并且以某輕型客車(chē)的雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架為例，在CATIA中驗(yàn)證了該方法的可行性。

通過(guò)比較ADAMS和CAD計(jì)算的雙橫臂扭桿彈簧獨(dú)立懸架線(xiàn)剛度，驗(yàn)證了在ADAMS/Car中建立的懸架動(dòng)力學(xué)模型的正確性。且該方法同樣適用于其他類(lèi)型的獨(dú)立懸架。

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（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

5 橡膠復(fù)合懸架試驗(yàn)驗(yàn)證

由于橡膠副簧剛度受溫度影響極易引起工作點(diǎn)漂移，需要進(jìn)行常溫和低溫的疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，更需要進(jìn)行用戶(hù)環(huán)境(高低溫及泥沙等)試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)壽命的影響。表3的試驗(yàn)結(jié)果表明，該橡膠復(fù)合懸架滿(mǎn)足用戶(hù)可靠性要求。

表3 臺(tái)架和整車(chē)專(zhuān)項(xiàng)可靠性道路驗(yàn)證

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)橡膠復(fù)合懸架，使總成質(zhì)量減輕20%、成本降低5%；同時(shí)由于橡膠彈簧的非線(xiàn)性特點(diǎn)，使與之匹配的鋼板彈簧試驗(yàn)壽命得到明顯提高。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該種復(fù)合懸架設(shè)計(jì)合理有效，推動(dòng)了懸架系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)程。

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(責(zé)任編輯簾 青)

修改稿收到日期為2014年11月1日。

A New Validation Method of Double Wishbone Independent Suspension Dynamics Model

Gong Haiqing,Yang Qiliang,Hu Li,Yuan Shuang
（Wuhan University of Science and Technology）

The liner stiffness of a light bus is calculated by CATIA 3D design mathematical model of motion simulation,and is compared with the test results,which verifies the correctness of the motion simulation results.The dynamic model of double wishbone torsion bar spring independent suspension is built in ADAMS/Car,and the liner stiffness is calculated by dynamic simulation.The comparison with the liner stiffness calculation results of motion simulation on CATIA proves correctness of the dynamic model.This method also applies to dynamic model validation of other type’s independent suspensions.

Dynamic model,Double wishbone independent suspension,Suspension liner stiffness,ADAMS,CATIA

動(dòng)力學(xué)模型 雙橫臂獨(dú)立懸架 懸架線(xiàn)剛度 ADAMS CATIA

U463.33

A

1000-3703（2015）02-0020-04

國(guó)家自然科學(xué)基金（汽車(chē)車(chē)身薄壁件顆粒阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)振動(dòng)—聲學(xué)特性分析與優(yōu)化 編號(hào)：51105283）資助。