基于瞬心法的麥弗遜懸架特性分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

李 強(qiáng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

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基于瞬心法的麥弗遜懸架特性分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

李 強(qiáng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章提出了一種基于瞬心法進(jìn)行麥弗遜懸架運(yùn)動(dòng)特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。該文以某款麥弗遜式懸架為研究對(duì)象,基于瞬心法對(duì)麥弗遜式懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于ADAMS的麥弗遜式懸架仿真模型，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明了所建模型是準(zhǔn)確的；將靈敏度分析法與瞬心法下的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析相結(jié)合,分析了下擺臂關(guān)鍵點(diǎn)變化對(duì)車輪定位參數(shù)的影響程度。該文的研究為該款車輛的懸架設(shè)計(jì)提供了參考。

瞬心法;麥弗遜懸架;靈敏度分析;改進(jìn)設(shè)計(jì)

麥弗遜式獨(dú)立懸架由于結(jié)構(gòu)簡單、非簧載質(zhì)量小、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),成為中低端汽車懸架的一種主要形式。麥弗遜式懸架設(shè)計(jì)成功與否主要由車輛定位參數(shù)和輪距等性能決定[1]。目前,國內(nèi)外學(xué)者主要通過多剛體動(dòng)力學(xué)軟件分析[2-3]或矢量法[4-5]對(duì)麥弗遜懸架運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析,取得了諸多研究成果。

本文以需加大輪距的某乘用車為研究對(duì)象,基于瞬心法推導(dǎo)出麥弗遜懸架的數(shù)學(xué)方程,通過靈敏度分析的方法對(duì)該前懸架下擺臂坐標(biāo)進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下擺臂關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 麥弗遜懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 懸架模型

某A0級(jí)轎車前麥弗遜懸架模型如圖1所示。

圖1 左前輪懸架三維模型

在汽車坐標(biāo)系下,實(shí)測三維數(shù)學(xué)模型的各硬點(diǎn)坐標(biāo)見表1所列。

表1 左懸架各硬點(diǎn)坐標(biāo)

1.2 基于瞬心法的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

懸架結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。其中,A為懸架上端固定點(diǎn)球銷中心;AK為虛擬主銷軸線;I為車輪中心;E為外端面圓心,用以確定前輪外傾角和前束角;IE長度為車輪斷開面寬度的1/2;C為下擺臂的擺動(dòng)中心;C1C2為下擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸線;D為輪胎接地點(diǎn)。當(dāng)輪胎上下跳動(dòng)時(shí),A、Q、C1、C2位置坐標(biāo)保持不變;連接轉(zhuǎn)向節(jié)的4個(gè)鉸點(diǎn)I、B、P、K的相對(duì)位置保持不變;KC、PQ不變。

圖2 懸架結(jié)構(gòu)簡圖

(1)

其中，G1為由整體坐標(biāo)系OXYZ到局部坐標(biāo)系O1X1Y1Z1的變換矩陣;K、C為K點(diǎn)和C點(diǎn)在OXYZ中的坐標(biāo)矩陣;GX(α)為繞X1軸旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換矩陣，即

本文僅以左側(cè)懸架和車輪為例,則車輪可視為繞懸架系統(tǒng)的瞬心軸線作圓周運(yùn)動(dòng),同時(shí)瞬心軸線隨著輪胎的上下跳動(dòng)隨時(shí)發(fā)生變化[6]。在某一特定時(shí)間,確定瞬心軸線的方法如下:當(dāng)懸架運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí),作1個(gè)垂直于主銷過懸架上端固定點(diǎn)A的平面,與KC(C為K到下擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸線C1C2的垂足)的延長線交于空間一點(diǎn)T,則T點(diǎn)為懸架在此運(yùn)動(dòng)位置的瞬心,作瞬心T垂直于平面ACT的直線為懸架在此運(yùn)動(dòng)位置的瞬心軸，如圖3所示。其中,T為懸架的運(yùn)動(dòng)瞬心;W為側(cè)傾中心;B為輪距。由此可以認(rèn)為,左側(cè)懸架繞瞬心軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)角為β。

圖3 車輪跳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)瞬心和側(cè)傾中心

直線TK的方程為:

(2)

過點(diǎn)A與直線AK垂直的平面方程為:

(3)

求解(2)式和(3)式即可求出瞬心T。

在輪胎的跳動(dòng)量相對(duì)較小時(shí),可近似認(rèn)為：

(4)

(5)

其中,G2為由整體坐標(biāo)系OXYZ到局部坐標(biāo)系O2X2Y2Z2的變換矩陣;GX(β)為繞X2軸旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換矩陣。

同理可求得在下擺臂KC擺動(dòng)α角、懸架繞運(yùn)動(dòng)瞬心軸轉(zhuǎn)動(dòng)β角后,B、P、I、E、D點(diǎn)在整體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Bβ、Pβ、Iβ、Eβ、Dβ。確定了上述各坐標(biāo)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)值之后,即可分析出前輪外傾角、前束角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角等評(píng)價(jià)參數(shù)的計(jì)算公式,進(jìn)而根據(jù)四輪定位參數(shù)的變化來分析懸架的運(yùn)動(dòng)特性。

主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角、前束角的計(jì)算公式分別為:

(6)

(7)

(8)

(9)

1.3 麥弗遜懸架模型驗(yàn)證

根據(jù)(6)～(9)式,輸入下擺臂外球鉸點(diǎn)K的Z向跳動(dòng)量±50 mm,計(jì)算步長為5 mm,可獲得基于瞬心法的前輪外傾角、前束角和主銷內(nèi)傾角的變化曲線。

為了驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性,基于ADAMS/Car軟件構(gòu)建麥弗遜懸架仿真模型，結(jié)果如圖4所示。

圖4 ADAMS/Car運(yùn)動(dòng)仿真模型

定位參數(shù)仿真與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖5所示。對(duì)比計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果可知，兩者的定位角誤差較小。

圖5 定位參數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

2 下擺臂關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 基于靈敏度分析的影響分析

車輪定位參數(shù)的好壞直接影響操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性以及輪胎磨損等性能,而懸架各關(guān)鍵點(diǎn)位置又直接影響各定位角。該款乘用車需要對(duì)其輪距加大20 mm,為了盡可能減少車輛的變化,采用對(duì)其前懸架下擺臂安裝點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)的措施。

選擇下擺臂外點(diǎn)K作為關(guān)鍵點(diǎn)分析,并使用未知變量值(x,y,z)代替K坐標(biāo),再對(duì)前輪外傾角、前束角分別求對(duì)未知變量的偏導(dǎo)數(shù),獲得的靈敏度函數(shù)如下:

(10)

(11)

根據(jù)(10)式和(11)式,可分別求出下擺臂外點(diǎn)的坐標(biāo)變化對(duì)外傾角和前束角的影響程度。利用Matlab軟件,結(jié)合上述靈敏度理論函數(shù)[7-8],作三維瀑布圖。

外傾角和前束角隨輪胎上下跳動(dòng)量的x向、y向、z向變化曲面分別如圖6～圖8所示。其中,橫坐標(biāo)為輪胎上下跳動(dòng)量；縱坐標(biāo)為將下擺臂外點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值進(jìn)行加大或減小時(shí)的結(jié)果(根據(jù)汽車正向設(shè)計(jì)過程中輪距、車身高度等整車尺寸合理選擇出變化范圍)[9-11]；豎坐標(biāo)分別為前輪外傾角和前束角。

分析圖6和圖7可知:① 輪胎上下跳動(dòng)時(shí),前束角隨著y值的減小而先減小后變大,因此為了使前束角在0°附近變化且不易過大,x值可適當(dāng)減小10 mm,y值則增大2 mm,這樣既可滿足車輛凹凸行駛時(shí)的穩(wěn)定,也可以減小對(duì)輪胎的磨損;② 改變?cè)擖c(diǎn)坐標(biāo)會(huì)引起主銷內(nèi)傾角和后傾角的變化；x值減小時(shí)會(huì)引起主銷后傾角的增加,同時(shí)主銷后傾拖距有所增加,會(huì)提高整車的轉(zhuǎn)向回正能力,特別在輪胎上下跳動(dòng)過程中的增加會(huì)提高整車穩(wěn)定性；y值增加會(huì)提高主銷內(nèi)傾角、降低主銷偏置距,適當(dāng)增加內(nèi)傾角具有提高轉(zhuǎn)向回正能力,但是增加過多會(huì)轉(zhuǎn)向沉重,加速輪胎磨損等[12-13]，因此不建議增加過多。

分析圖8可知,隨著下擺臂外點(diǎn)z值的增加,輪胎上下跳動(dòng)過程中外傾角會(huì)有所降低,負(fù)的外傾角會(huì)提高整車在跳動(dòng)過程中的穩(wěn)定性,因此可適當(dāng)增加該距離。但桿增長后會(huì)伴隨著彈性運(yùn)動(dòng),可能引起振動(dòng)問題，因此可通過坐標(biāo)值z(mì)向增加對(duì)外傾角進(jìn)行優(yōu)化,保證汽車在下跳時(shí)具有正向外傾角和上跳時(shí)存在較弱的外傾趨勢(shì),從而達(dá)到轉(zhuǎn)向所需的附著力和穩(wěn)定性。

圖6 x向外傾角和前束角隨輪胎上下跳動(dòng)量的變化曲面

圖7 y向外傾角和前束角隨輪胎上下跳動(dòng)量的變化曲面

圖8 z向外傾角和前束角隨輪胎上下跳動(dòng)量的變化曲面

2.2 下擺臂關(guān)鍵點(diǎn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及對(duì)比分析

根據(jù)以上靈敏度分析結(jié)果,改進(jìn)前、后懸架的關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)對(duì)比見表2所列。

表2 關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化前、后對(duì)比

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的車輛在JLU-I型懸架試驗(yàn)測試臺(tái)上進(jìn)行測試,結(jié)果如圖9所示。

圖9 運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 本文基于瞬心法進(jìn)行了麥弗遜式懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,并與ADAMS軟件建立的懸架模型進(jìn)行了仿真結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了所建模型的正確性。

(2) 基于靈敏度分析進(jìn)行了下擺臂關(guān)鍵點(diǎn)變化對(duì)定位參數(shù)的影響分析,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了前懸架下擺臂定位點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)計(jì),并通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Characteristic analysis and optimization design of McPherson suspension based on instantaneous center method

LI Qiang

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

A method of motion characteristic analysis and optimization design of McPherson suspension based on the instantaneous center method is presented. The kinematic analysis of a McPherson suspension is carried out by using the instantaneous center method, and the corresponding simulation model is built in ADAMS. The mathematical model is validated through the comparison of the experimental results with the simulation results of ADAMS model. With the integration of sensitivity analysis and the presented kinematic analysis, the effect of the structural parameters of the lower control arm on the wheel alignment parameters is studied. The study provides a reference for the optimization design of the suspension system of this vehicle.

instantaneous center method; McPherson suspension; sensitivity analysis; optimization design

2016-06-29；

2016-08-17

安徽省高校自然科學(xué)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(kj2015a305)

李 強(qiáng)(1977-),男，山東膠南人,合肥工業(yè)大學(xué)工程師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.007

U463.2

A

1003-5060(2016)11-1472-05