前懸架剛?cè)狁詈辖＜胺抡娣治?/h1>

2016-01-21 05:07:47張小珍沈嶸楓周成軍周新年

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關(guān)鍵詞：前懸架主銷剛體

張小珍, 沈嶸楓, 周成軍, 周新年

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院, 福建 福州　350002)

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前懸架剛?cè)狁詈辖＜胺抡娣治?/p>

張小珍, 沈嶸楓*, 周成軍, 周新年

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院, 福建 福州350002)

摘要：運(yùn)用MotionView軟件對某前懸架進(jìn)行了建模與仿真分析.在剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)建模理論中，使用了Craig-Bamption和Craig-Chang方法來描述物體的彈性.通過前懸架剛?cè)狁詈辖?，建立了前懸架的懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)，從而構(gòu)建了前懸架模型；在前懸架的仿真分析中，分析了車輪跳動行程、前束角變化、主銷內(nèi)傾角、主銷外傾角等的特性曲線變化，得到的前懸架特性參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，表明剛?cè)狁詈夏Ｐ捅葎傂阅Ｐ透軠?zhǔn)確地反應(yīng)前懸架的實(shí)際性能.

關(guān)鍵詞：前懸架； MotionView軟件； 剛?cè)狁詈希?建模； 仿真

0引言

懸架是用來連接車架與車輪的傳力裝置，它可以緩解不平路面對整車產(chǎn)生的沖擊和振動，其性能的好壞直接影響著整車的平順性和操縱的穩(wěn)定性[1-4].在車輪的上下跳動過程中，應(yīng)保證上跳和下跳參數(shù)在合理的范圍內(nèi)變化，以確保整車的穩(wěn)定行駛.在傳統(tǒng)剛性動力學(xué)分析中，把懸架機(jī)構(gòu)設(shè)定為剛形體，忽視了機(jī)構(gòu)的變形所帶來的影響，跟實(shí)際模擬存在較大差距，無法精確地分析懸架的運(yùn)動情況[5-7].若結(jié)合柔性動力學(xué)分析，對懸架進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?，更貼切懸架的實(shí)際運(yùn)動.

以某型車麥弗遜前懸架為研究對象，考慮了懸架運(yùn)動過程中下擺臂的變形，基于MotionView軟件分析了該車的前懸架性能，建立了剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并利用該軟件分別對這兩個(gè)模型進(jìn)行仿真分析、對結(jié)果進(jìn)行對比分析.結(jié)果表明,剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕⒑头抡娣治瞿軌蚋訙?zhǔn)確地描述出汽車運(yùn)動學(xué)特性.因此，為了確保汽車的安全性，對前懸架的剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析是非常必要的.

1剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)建模理論

隨著新材料和新技術(shù)的快速發(fā)展，在許多的工程機(jī)械領(lǐng)域中，出現(xiàn)了很多輕質(zhì)、高速運(yùn)動的多體系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)的柔性對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了很大的影響[8].傳統(tǒng)的多體動力學(xué)分析將運(yùn)動機(jī)構(gòu)假定為沒有變形的剛性體，由此得到的結(jié)果無法反映時(shí)間系統(tǒng)的性能.

對于這個(gè)問題，MotionView軟件具有剛?cè)狁詈戏治瞿芰Γ茉诜治鲞^程中考慮構(gòu)建的柔性變形，從而最大程度地模擬機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中的狀態(tài).其對柔性體的分析采用Craig-Bamption和Craig-Chang方法，用模態(tài)合成柔性來描述物體的彈性.主要是采用結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合技術(shù)來描述界面點(diǎn)上的約束或載荷產(chǎn)生的變形，這是因?yàn)榻缑纥c(diǎn)更能體現(xiàn)出在受約束系統(tǒng)中，除了慣性力引起的變形外，還受到了約束力的作用，而且在模型中，柔性體和其它剛體的連接處是通過柔性體的界面點(diǎn)上的約束或載荷來實(shí)現(xiàn)的.

1.1　Craig-Bamption方法

(1)

1.2　Craig-Chang方法

Craig-Chang方法使用無約束的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)綜合，其結(jié)果中包含六階剛體模態(tài).根據(jù)質(zhì)量矩陣正交化：

(2)

式(2)中：XR為結(jié)構(gòu)的剛體模態(tài)；M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量；I為正交化的質(zhì)量矩陣.

結(jié)構(gòu)慣性釋放靜力分析：

(3)

式(3)中：K為剛度矩陣；XA為慣性釋放連接模態(tài)；PE為平衡的載荷矩陣；XR為結(jié)構(gòu)剛體模態(tài)；PA為界面點(diǎn)每個(gè)自由度方向上單位力集合.

(4)

為了使上述兩種方法模態(tài)矩陣為正交矩陣，得求解特征值q：

(5)

將獲得的特征向量轉(zhuǎn)換為矩陣N，可將上述兩種方法的模態(tài)要素轉(zhuǎn)化為等效的、正交的模態(tài)坐標(biāo)基q*.

Nq*=q

(6)

得到模態(tài)合成公式：

(7)

2前懸架剛?cè)狁詈辖?/p>

懸架系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包含了多個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間通過通訊器連接，由相應(yīng)的模板文件生成.模板是模型中最基礎(chǔ)的部分，通過約束把具有結(jié)構(gòu)參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、幾何參數(shù)和力學(xué)特性參數(shù)的部件連接起來[9-11].子系統(tǒng)包含前懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、車輪子系統(tǒng)等，通過建立子系統(tǒng)組裝成一個(gè)前懸架[12].

對麥弗遜前懸架進(jìn)行假設(shè)和簡化：首先假設(shè)前懸架的所有部件都是剛性體，不發(fā)生變形；所有部件的連接都通過鉸鏈連接；先不考慮運(yùn)動時(shí)部件間的摩擦力，修改各硬點(diǎn)的坐標(biāo)值，同時(shí)替換剛體下擺臂為柔性下擺臂.下面，將對各子系統(tǒng)進(jìn)行建模.

2.1　前懸架子系統(tǒng)

根據(jù)麥弗遜前懸架的零件參數(shù)、部件間的約束關(guān)系以及軟件中的麥弗遜結(jié)構(gòu)，建立了前懸架子系統(tǒng)結(jié)構(gòu).其主要包括螺旋彈簧、轉(zhuǎn)向節(jié)等構(gòu)件，具體如圖1所示.

圖1　前懸架子系統(tǒng)

2.2　轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)

在建立轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)時(shí)，需參照實(shí)際的機(jī)械構(gòu)造，使用MotionView軟件中的建模工具，建立各構(gòu)件并設(shè)定構(gòu)件的運(yùn)動副.如方向盤的約束為轉(zhuǎn)動副約束，轉(zhuǎn)向軸的約束為圓柱副約束，并使用萬向節(jié)連接轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向傳動軸，從而構(gòu)成轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)，具體如圖2所示.

圖2　轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)

2.3　輪胎子系統(tǒng)

輪胎是連接車輛與地面直接接觸的元件，把路面的不平度反映至車身的振動和沖擊，可以改善汽車的平順性，通過傳遞側(cè)向力、縱向力實(shí)現(xiàn)加速、制動和驅(qū)動等[13].通過MotionView軟件，選擇具有代表性的輪胎模型并對其進(jìn)行建模，同時(shí)選用PAC2002輪胎，對輪胎的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而得到了輪胎子系統(tǒng)，具體如圖3所示.

圖3　輪胎子系統(tǒng)

2.4　剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h4>

對前懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、輪胎子系統(tǒng)等模型進(jìn)行組裝，形成了前懸架剛體模型，并加載了一些工況，具體如圖4所示.把懸架的剛體下擺臂替換成柔性下擺臂，便構(gòu)成了一個(gè)前懸架的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，具體如圖5所示.

圖4　前懸架剛體模型

圖5　前懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

3前懸架的仿真分析

在MotionView軟件標(biāo)準(zhǔn)界面中,建立了前懸架的剛體和剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并加載輪胎的運(yùn)動工況，分別對這兩種模型進(jìn)行仿真分析，并對比分析了這兩種模型的運(yùn)動特性.

在運(yùn)動過程中，剛體和柔性構(gòu)件在工況加載下發(fā)生變形，其硬點(diǎn)坐標(biāo)也會發(fā)生不一致的變化.故通過前懸架跳動行程、前束角變化、主銷內(nèi)傾角、主銷外傾角等參數(shù)的變化來驗(yàn)證剛?cè)狁詈夏Ｐ透N近實(shí)際運(yùn)行情況.車輪跳動行程為-100~100mm，仿真時(shí)間為0~10s，其它設(shè)置如表1所示.使用MotionSolve求解器進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了兩模型的仿真分析.

表1　前懸架仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)定

3.1　車輪跳動的行程

在不平的路上行駛或轉(zhuǎn)彎時(shí),所引起的車身側(cè)傾會引起車輪的上下跳動.給左右輪胎的測試臺施加一個(gè)驅(qū)動約束，其方程為：

S=100*sin(360d*time)

(8)

由圖6可知，不管是剛體模型還是剛?cè)狁詈夏Ｐ?，其上下跳動的行程都?100~100 mm范圍內(nèi)，均滿足設(shè)計(jì)要求.在圖6中還可以發(fā)現(xiàn)，剛?cè)狁詈夏Ｐ蜕舷绿鴦有谐绦∮趧傮w模型，故剛?cè)狁詈夏Ｐ湍芨玫啬M實(shí)際跳動行程.

圖6　輪胎跳動的行程變化曲線

3.2　前束角變化特性

前束角是指車輛在直線前行方向與前輪平面之間的夾角[14].前輪上跳時(shí)，前束角在0 °～0.5 °/50 mm之間的變化是較理想的特性值[15].設(shè)車輪中線點(diǎn)A的坐標(biāo)為(XA,YA,ZA)，車輪軸線的參考點(diǎn)B坐標(biāo)為(XB,YB,ZB)，則前束角為：

(9)

由圖7可知，該車剛體模型前懸架前束角的變化范圍為-0.001 5 °～0.002 3 °，變化幅度較小，而且變化趨勢滿足設(shè)計(jì)要求.剛?cè)狁詈锨皯壹艿那笆菫? °，車輛直線前進(jìn)，確保了車輛在直線運(yùn)動時(shí)的穩(wěn)定性，所以該設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求.

圖7　前束角的變化曲線

3.3　主銷內(nèi)傾角的變化特性

主銷內(nèi)傾角是指鉛垂線和主銷軸線之間的夾角在車輛橫向平面上的投影，一般車輛主銷內(nèi)傾角的范圍為5 °～13 °[16].設(shè)上安裝點(diǎn)C的坐標(biāo)為(XC,YC,ZC)，下擺臂外點(diǎn)D的坐標(biāo)為(XD,YD,ZD)，則主銷內(nèi)傾角σ為：

(10)

由圖8可知，剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷那€變化趨勢一致，兩種模型的主銷內(nèi)傾角均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖8　主銷內(nèi)傾角的變化曲線

3.4　主銷外傾角的變化特性

主銷外傾角是車輪胎面與路面不相垂直時(shí)，向外傾斜的一個(gè)角度.為了提高前輪的工作安全性和操縱的穩(wěn)定性，需要對主銷外傾角進(jìn)行設(shè)置[17].車輪上跳時(shí),車輪外傾角變化為-2 °～0.5 °/50 mm.設(shè)車輪中線點(diǎn)A的坐標(biāo)為(XA,YA,ZA)，車輪軸線的參考點(diǎn)B坐標(biāo)為(XB,YB,ZB)，轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸的軸線為直線AB，則主銷外傾角γ為：

(11)

由圖9可知，當(dāng)車輪上跳時(shí)，兩種模型的外傾角的變化范圍為-2 °～0 °/50 mm，滿足設(shè)計(jì)范圍.剛?cè)狁詈夏Ｐ驮谏咸鴷r(shí)，其外傾角會比剛體模型大，但在設(shè)計(jì)范圍內(nèi).適度的車輪外傾角變化能更好地協(xié)調(diào)車輪和路面的作用力，而且還可以提高車輪的壽命和使用燃油的經(jīng)濟(jì)性.

圖9　主銷外傾角的變化曲線

4結(jié)論

(1)使用MotionView軟件建立了前懸架的剛體模型，并闡述了該軟件建立前懸架模型的理論方法.在軟件中，建立了前懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、輪胎子系統(tǒng)等而形成剛體模型，同時(shí)，使用柔性體下擺臂代替剛體構(gòu)件，建立了剛?cè)狁詈夏Ｐ?

(2)通過MotionView軟件，對剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷那皯壹苓M(jìn)行了仿真分析.結(jié)果表明,前懸架跳動行程、前束角變化、主銷內(nèi)傾角、主銷外傾角等參數(shù)均在設(shè)計(jì)的要求范圍內(nèi).

(3)通過MotionView軟件，對前懸架的性能進(jìn)行了分析.通過對比分析剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷那皯壹?，可知剛?cè)狁詈夏Ｐ湍芎芎玫胤从城皯壹艿膭恿π阅?

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【責(zé)任編輯：晏如松】

Modeling and simulation analysis of front suspension

rigid-flexible coupling

ZHANG Xiao-zhen， SHEN Rong-feng*， ZHOU Cheng-jun， ZHOU Xin-nian

(School of Transportation and Civil Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China)

Abstract:Modeling and simulation analysis of a front suspension with MotionView software．In the dynamic modeling theory of rigid-flexible coupling，Craig-Bamption and Craig-Chang methods are used to describe the elasticity of an object．In the front suspension rigid flexible coupling model，the front suspension model is achieved by establishing front suspension system，steering system，tire system．In the front suspension simulation，the characteristic curve change of wheel hoptrip,the angle of the front beam,kingpin inclination angle,the camber angle of the main pin are analyzed,and got that characteristic parameters of front suspension is to meet the design requirements，also showed that rigid-flexible coupling model than the rigid model can accurately reflect the front suspension frame of actual performance．

Key words:front suspension； Motion View software; rigid-flexible coupling； modeling; simulation

中圖分類號：U461

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-5811(2016)01-0143-05

通訊作者:沈嶸楓(1970-)，男，福建莆田人，副教授，博士，研究方向：林業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)，fjshenrf@163.com

作者簡介:張小珍(1991-)，女，福建龍巖人，在讀碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：國家教育部創(chuàng)新科技計(jì)劃項(xiàng)目(111ZC5040)； 福建農(nóng)林大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(113-612014018)； 福建農(nóng)林大學(xué)教材與實(shí)踐研究項(xiàng)目(111414044)； 福建農(nóng)林大學(xué)林業(yè)智能機(jī)械立體化教材項(xiàng)目(112515013)； 福建農(nóng)林大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心資助項(xiàng)目(111zs1110)

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