多功能越野車雙橫臂前懸架的純運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究

田德明，王成立，洪學(xué)臣

（安徽江淮汽車股份有限公司輕型商用車研究院，安徽 合肥 230601）

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多功能越野車雙橫臂前懸架的純運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究

田德明，王成立，洪學(xué)臣

（安徽江淮汽車股份有限公司輕型商用車研究院，安徽 合肥 230601）

摘 要：懸架系統(tǒng)作為連接車身與輪胎的重要系統(tǒng)，在進(jìn)行硬點(diǎn)布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對(duì)懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行空間位置校核分析，以保證不同工況的輪胎跳動(dòng)軌跡的不會(huì)與其他零部件干涉，此運(yùn)動(dòng)學(xué)校核的目的是確定輪胎運(yùn)動(dòng)至極限位置時(shí)的輪廓，從而檢查車輪與車身、輪罩、縱梁之間的運(yùn)動(dòng)間隙是否足夠，并由此決定車身及輪罩的的最小尺寸邊界，為整車總布置設(shè)計(jì)工作提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：雙橫臂懸架；運(yùn)動(dòng)學(xué)；硬點(diǎn)；DMU

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.013

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-40-03

引言

懸架系統(tǒng)是汽車底盤的靈魂，也是汽車操縱穩(wěn)定性的靈魂，理解懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性對(duì)操縱穩(wěn)定性能會(huì)有更深的理解。汽車懸架是車架(或車身)與車橋(或車輪)之間彈性連接的部件，主要由彈性元件、導(dǎo)向裝置及減振器三個(gè)基本部分組成。

設(shè)計(jì)車前懸采用雙橫臂懸架，它是將減振器與螺旋彈簧裝配成支柱總成作為懸架系統(tǒng)的一部分加以利用，并將支柱總成與上下擺臂組裝在一起，該種懸架用于中型以下的轎車上，它主要用在轎車的前輪上，也用于運(yùn)動(dòng)性汽車的后輪上。雙橫臂懸架的優(yōu)點(diǎn)在于一般比麥弗遜懸架的側(cè)傾中心低，車身傾斜時(shí)輪距變化小，有利于減小輪胎磨損量，同時(shí)橫向剛度大，可以降低轉(zhuǎn)向輪擺振的發(fā)生，并且雙橫臂懸架的主銷軸線不通過減振器，由轉(zhuǎn)向節(jié)上下球頭銷連線作為主銷軸線，故減振器不收側(cè)向力，提高減振器壽命。缺點(diǎn)在于占用空間比麥弗遜大同時(shí)側(cè)傾中心也會(huì)導(dǎo)致側(cè)傾角剛度較小，車身轉(zhuǎn)角較大,實(shí)際上麥弗遜就是雙橫臂的簡(jiǎn)化而，雙橫臂又是多連桿的特例或簡(jiǎn)化。

1、運(yùn)動(dòng)特性理論校核

1.1 校核目的

在進(jìn)行布置設(shè)計(jì)時(shí)，為防止發(fā)生前輪運(yùn)動(dòng)時(shí)與其他件干涉，必須對(duì)前懸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行校核分析。此校核的目的是確定前輪胎運(yùn)動(dòng)至極限位置時(shí)占用的空間，需同時(shí)考慮上跳及轉(zhuǎn)向至極限位置時(shí)的情況，從而檢查車輪與輪罩、車架縱梁之間的運(yùn)動(dòng)間隙是否足夠，并由此決定前輪罩設(shè)計(jì)的最小尺寸邊界。

1.2 校核工況

前懸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)校核主要分兩種狀態(tài)：第一種是懸架系統(tǒng)在反跳、空載、滿載以及上跳極限載荷狀態(tài)情況下，上下擺臂的擺動(dòng)以及轉(zhuǎn)向拉桿的運(yùn)動(dòng)；第二種就是輪胎在轉(zhuǎn)向器的驅(qū)動(dòng)下，在反跳、空載、滿載以及上跳極限載荷狀態(tài)情況下的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是輪胎的最大左右極限轉(zhuǎn)角。通常懸架的上調(diào)極限工況下取緩沖塊被壓縮到2/3的狀態(tài)，而輪胎反跳的極限則選取一側(cè)輪胎跳起后下垂的情況。

2、基于Catia的懸架運(yùn)動(dòng)分析流程

2.1 建立雙橫臂懸架總成的三維裝配數(shù)據(jù)模型

2.1.1 生成各個(gè)部件的part模型

將目標(biāo)DMU機(jī)構(gòu)中的所有部件Product生成零件Part，如上擺臂總成，通過工具欄中的Tools-Generate Catpart from product，依次將橫向穩(wěn)定桿、上擺臂總成、擺臂總成、前輪胎與前輪轂總成、車輪總成、車架總成以及轉(zhuǎn)向器總成全部轉(zhuǎn)化為Part。

2.1.2 車輪狀態(tài)的選擇

設(shè)計(jì)越野車輪胎型號(hào)為245／65R17，在進(jìn)行輪胎跳動(dòng)校核時(shí)，輪胎主要尺寸按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2978中的輪胎最大使用尺寸，即輪胎外徑為762mm，輪胎寬度258mm。

2.1.3 進(jìn)入DMU Kinematics仿真模塊

圖1　Catia V5R19的 DMU Kinematics模塊

圖2　雙橫臂懸架DMU機(jī)構(gòu)模擬模型

本次分析使用的軟件Catia V5R19版本的DMU模塊，如圖l所示；進(jìn)入Catia運(yùn)動(dòng)分析模塊導(dǎo)入2.1.1中創(chuàng)建的Part建立一個(gè)雙橫臂式懸架總成模型，包括前支柱總成簡(jiǎn)化模型（由于主銷為上下擺臂球銷連線支柱總成運(yùn)動(dòng)時(shí)只考慮軸線運(yùn)動(dòng)）、橫向穩(wěn)定桿、上擺臂總成、擺臂總成、前輪胎與前輪轂總成、車架總成以及轉(zhuǎn)向器總成。見圖2。

2.2 運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建和施加

2.2.1 運(yùn)動(dòng)分析參照物的選擇和點(diǎn)線面的選取

設(shè)計(jì)車配有獨(dú)立車架,故DMU運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)選取車架作為參照物。如圖3，通過所有DMU中的運(yùn)動(dòng)副連接依靠基礎(chǔ)都是兩個(gè)零部件中的點(diǎn)、軸線、垂直或平行于軸線的平面，如球頭連接依靠的是點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)接頭依靠的是旋轉(zhuǎn)軸線和軸線的法向平面、滑塊接頭依靠的是線和平行于軸線的面。常用運(yùn)動(dòng)副如圖4。

圖3　Catia V5Rl9 固定命令

圖4　Catia V5Rl9 常用運(yùn)動(dòng)副

2.2.2 旋轉(zhuǎn)接頭運(yùn)動(dòng)副

本文介紹一處下擺臂與車架之間的旋轉(zhuǎn)連接。如圖5，選中旋轉(zhuǎn)副命令，按照Catia左下角的命令提示一次選取車架的旋轉(zhuǎn)軸線，擺臂的旋轉(zhuǎn)軸線，車架中的平面，擺臂中的平面，點(diǎn)擊OK完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副施加。依據(jù)懸架中各零部件的連接關(guān)系完成其他生成好的Part的運(yùn)動(dòng)副約束連接，見圖6。

圖5　Catia V5R19旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副命令

圖6　雙橫臂懸架總成數(shù)學(xué)模型

2.3 雙橫臂懸架的運(yùn)動(dòng)仿真

2.3.1 驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)定

運(yùn)動(dòng)副施加完畢后要選取運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)才能進(jìn)行預(yù)先計(jì)劃好的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)可在在設(shè)置好的運(yùn)動(dòng)副中選取，但要通過反跳、半載、滿載、上跳的輪心位置進(jìn)行合理轉(zhuǎn)換完成驅(qū)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定。

表1輪心在反跳、空載、半載和滿載情況下的坐標(biāo)值及轉(zhuǎn)化完成的DMU驅(qū)動(dòng)參數(shù)，本次驅(qū)動(dòng)選擇為上擺臂的旋轉(zhuǎn)角度，輪胎受轉(zhuǎn)向機(jī)制的運(yùn)動(dòng)依據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)的行程完成DMU驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置。見圖7。

表1　雙橫臂懸架輪心坐標(biāo)及DMU機(jī)制驅(qū)動(dòng)參數(shù)

圖7　前輪胎輪心

2.3.2 基于CatiaV5R19的運(yùn)動(dòng)仿真執(zhí)行

本論文中使用到的Catia運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真命令是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)件動(dòng)態(tài)間隙的曲線輸出，如圖9所示。具體操作步驟是：

（1）用測(cè)量命令測(cè)量出兩個(gè)零件的間隙；

（2）啟動(dòng)模擬機(jī)制在彈出的對(duì)話框中選擇詳細(xì)（more）之后啟動(dòng)感應(yīng)器(Activate sensors)，在對(duì)話框中選擇你要輸出間隙曲線的測(cè)量項(xiàng)單擊會(huì)變成yes；

（3）選中要求（on request），手動(dòng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)路徑；

（4）單擊圖形（graphics），圖形輸出完畢。依據(jù)上述表格中的上擺臂角度驅(qū)動(dòng)（-22.2，26.9）及轉(zhuǎn)向機(jī)的驅(qū)動(dòng)（-80，+80）在已經(jīng)建立仿真模型中可以模擬出轉(zhuǎn)向系零部件、懸架系統(tǒng)零部件、輪胎總成及作為參照的車架總成之間的獲得運(yùn)動(dòng)間隙。

圖10為通過仿真功能得到的橫向穩(wěn)定桿表面和減振器表面在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)與上擺臂驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)間隙。最重要的是可以通該運(yùn)動(dòng)學(xué)特性模型可以獲得輪胎的包絡(luò)仿真并輸出。

圖9　catia 運(yùn)動(dòng)件間隙測(cè)量命令

圖10　下擺臂和橫向穩(wěn)定桿連桿的間隙

輪胎的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，可以整車其他部件的布置提供可靠依據(jù)，而設(shè)計(jì)車的緩沖塊結(jié)構(gòu)為通過緩沖塊的骨架與車架焊接螺母螺接固定，故設(shè)計(jì)車校核輪胎上跳極限狀態(tài)時(shí)，還應(yīng)考慮緩沖塊脫落時(shí)最為上跳極限的工況，通過Catia的DMU的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可以得到圖11所示的輪胎包絡(luò)，校核出緩沖塊脫落的輪胎與車身之間的最小距離為60mm。

3、結(jié)論

根據(jù)前懸運(yùn)動(dòng)的分析結(jié)果，可以測(cè)量出分析系統(tǒng)中零部件之間是否存在干涉、間隙數(shù)值，生成的前包絡(luò)面可以看出前輪胎在空載、半載、滿載和極限狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)范圍，是否與前輪罩、縱梁之間產(chǎn)生干涉，為以后的整車總布置設(shè)計(jì)工作提供了充足的依據(jù)，同時(shí)也為理論計(jì)算提供了直觀的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M]機(jī)械工業(yè)出版社.2005.第二版.

[2] 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]．湖北：武漢理工大學(xué)，2008．

[3] 王侃,楊秀梅.虛擬樣機(jī)技術(shù)綜述[J]新技術(shù)新工藝,2008，(3):29—32．

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006,第四版．

[5] 王國(guó)權(quán),許先鋒,王蕾等.汽車平順性的虛擬樣機(jī)試驗(yàn)[J]農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003(3)：26—28．

Double wishbone type Suspension Kinematics Analysis

Tian Deming, Wang Chengli, Hong Xuechen
（Commercial Car Research Academy of JAC, Anhui Hefei 230601）

Abstract：The vehicle suspension is a very important part in the modern automobile．During the general disposition design on thewhole car, we must do the checking analysis of the suspension system movement to avoid the interference between tires and other components．The check is to confirm the occupying space of the tire when moving to the extreme position，to check the movement play among the wheel，the wheelcover and the sole bar is enough，and by this make a decision on the mini dimension limit of the designing wheel cover，which offers enough basis for the following general disposition design work on the whole car．

Keywords:Double wishbone type; suspensionkinematics; hard points; catia

作者簡(jiǎn)介：田德明，就職于安徽江淮汽車股份有限公司輕型商用車研究院。

中圖分類號(hào)：U463.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-40-03