某車型麥弗遜懸架KC特性分析

黃喆，張?zhí)煊?，趙志軍，吳巖

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

目前，國(guó)內(nèi)很多新車型的開(kāi)發(fā)都是在成熟已成熟的底盤上根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整來(lái)達(dá)到開(kāi)發(fā)的要求。在底盤開(kāi)發(fā)過(guò)程中，懸架的K&C特性與底盤的性能直接相關(guān)。其中K代表英文Kinermatics，指懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，也就是不考慮力和質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)只跟懸架連桿有關(guān)的車輪運(yùn)動(dòng)，是車輪上下跳動(dòng)過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)的特性；C代表英文Compliance，指懸架的彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，也就是在外力作用下引起的零部件（彈簧、橡膠襯套等）變形，是在某一固定輪跳下，某種或多種外力作用下的懸架參數(shù)變化特性[1]。對(duì)K&C特性的理論研究，國(guó)內(nèi)雖然起步比較晚，但是各大高校和車企也進(jìn)行了系統(tǒng)性的深入研究，建立了整套的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

本文結(jié)合某轎車的開(kāi)發(fā)，對(duì)該車前麥弗遜懸架在ADAMS中的建模進(jìn)行說(shuō)明介紹，并將該懸架K&C仿真分析、K&C臺(tái)架試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證。利用K&C分析指導(dǎo)懸架設(shè)計(jì)，評(píng)估操作穩(wěn)定性。

1 麥弗遜懸架模型建立

本次模型的建立使用的是MSC.ADAMS 2013。根據(jù)所得到的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，襯套剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，橫向穩(wěn)定桿剛度數(shù)據(jù)，車輪定位參數(shù)，設(shè)計(jì)狀態(tài)軸荷等信息，以數(shù)模參數(shù)為基礎(chǔ)對(duì)前懸架模型進(jìn)行建模和標(biāo)定。

1.1 懸架系統(tǒng)的簡(jiǎn)化

圖1 麥弗遜懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系圖

在建立懸架模型前，必須先對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。從汽車動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)所建模型做出如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：前懸架為一個(gè)多剛體系統(tǒng)，系統(tǒng)在每個(gè)缸體的各個(gè)方向的慣性力均為零，由于某些鉸鏈在一些方向的力的約束真值比較小，對(duì)整車動(dòng)力學(xué)的影響可以忽略不計(jì)，也假設(shè)為零，減震器簡(jiǎn)化為線性彈簧和阻尼，各運(yùn)動(dòng)副內(nèi)的摩擦力忽略不計(jì)，輪胎簡(jiǎn)化為剛性體[2]。簡(jiǎn)化后的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)坐標(biāo)系的確立

在建立多體模型時(shí)，坐標(biāo)系的選擇對(duì)建立樣機(jī)模型的力學(xué)方程難易度起到很大的作用[3]。因此選擇模型坐標(biāo)系與ISO坐標(biāo)系一致，如圖2所示。

圖2 ISO坐標(biāo)系說(shuō)明

該模型的原點(diǎn)為兩側(cè)車輪接地印跡中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)。以地面為XY平面，汽車中心對(duì)稱面為XZ平面，通過(guò)前輪輪心連線，垂直XY、XZ兩平面的面為YZ平面，取垂直向上為Z軸正向，車身右側(cè)為Y軸正向，以車前進(jìn)方向的反方向?yàn)閄軸正向。

1.3 模型關(guān)鍵點(diǎn)獲取

硬點(diǎn)是各零件之間連接處的關(guān)鍵幾何定位點(diǎn)，確定硬點(diǎn)就是在子系統(tǒng)坐標(biāo)系中給出零件之間連接點(diǎn)的幾何位置。模型關(guān)鍵硬點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)和相關(guān)系數(shù)是建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的關(guān)鍵，從零部件裝配圖上可以得到硬點(diǎn)的坐標(biāo)值。模型的硬點(diǎn)如表1所示。

表1 模型的硬點(diǎn)坐標(biāo)

1.4 仿真模型的建立

計(jì)算或測(cè)量整合零件的質(zhì)量、質(zhì)心位置及繞質(zhì)心坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，將這些動(dòng)力學(xué)參數(shù)填寫到對(duì)應(yīng)的對(duì)話框中。然后在硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建零件的幾何模型，并定義各零件間的運(yùn)動(dòng)確定約束類型。通過(guò)約束將各零件連接起來(lái)，從而構(gòu)成子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。最后將建好的子系統(tǒng)模型組裝成懸架系統(tǒng)模型，完成ADAMS/CAR模型下的建模過(guò)程[4]。麥弗遜懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型如圖3所示。

圖3 麥弗遜懸架仿真模型

2 前懸架動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析

懸架的K特性即懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，指的是車輪在跳動(dòng)過(guò)程中車輪定位參數(shù)的變化[5]。主要包括雙輪同向輪跳工況、側(cè)傾（帶穩(wěn)定桿）工況、側(cè)傾（不帶穩(wěn)定桿）工況、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)工況。在建立模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用仿真軟件對(duì)這些工況進(jìn)行仿真，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 平行輪跳試驗(yàn)

平行輪跳工況主要是對(duì)應(yīng)車輛加減速或者爬坡等工況由于載荷前后轉(zhuǎn)移而引起的懸架車輪左右兩側(cè)同時(shí)跳起或者下落時(shí)引起的懸架參數(shù)變化，是車輛正常行駛中最普遍的工況之一[6]。平行輪跳試驗(yàn)主要評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)有：行駛剛度、輪胎徑向剛度、懸架剛度、前束角梯度、外傾角梯度、主銷后傾角梯度、輪心縱向位移梯度、輪心側(cè)向位移梯度以及抗點(diǎn)頭/下蹲等九個(gè)主要參數(shù)。平行輪跳的仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表 2所示。

表2 平行輪跳的仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

2.2 側(cè)傾工況試驗(yàn)

側(cè)傾工況主要對(duì)應(yīng)的是車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)車身側(cè)傾的工況。裝有橫向穩(wěn)定桿的車輛側(cè)傾時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加的側(cè)傾力矩。側(cè)傾試驗(yàn)的主要評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)為：側(cè)傾角剛度、輪心處側(cè)傾角剛度、行駛剛度、懸架剛度、前束角梯度、外傾角梯度、主銷后傾角梯度、輪心縱向位移梯度、輪心側(cè)向位移梯度。由于側(cè)傾工況主要由車身側(cè)傾角引起。故該試驗(yàn)中主動(dòng)因素為車身側(cè)傾角，取各參數(shù)相對(duì)于車身側(cè)傾角的梯度值。側(cè)傾工況仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 側(cè)傾工況仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

3 前懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

懸架的C特性即懸架的彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，指的是車輪受地面的力和力矩的過(guò)程中，車輪定位參數(shù)的變化。主要包括制動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力、同向側(cè)向力，反向側(cè)向力、同向回正力矩，反向回正力矩的懸架靜力學(xué)分析。

3.1 縱向力試驗(yàn)

縱向力試驗(yàn)中主動(dòng)因素車輪縱向力。由于懸架采用了橡膠襯套，故當(dāng)懸架受力時(shí)由于襯套的柔性，會(huì)使懸架參數(shù)發(fā)生變化?？v向力試驗(yàn)中取各參數(shù)相對(duì)于縱向力的梯度值?？v向力試驗(yàn)的主要評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)為：前束角梯度、外傾角梯度、主銷后傾角梯度、懸架縱向柔度、輪胎接地點(diǎn)縱向柔度?？v向力試驗(yàn)仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 同向縱向力仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

3.2 側(cè)向力試驗(yàn)

表5 側(cè)向力仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

側(cè)向力試驗(yàn)與縱向力試驗(yàn)相似，主要測(cè)量由側(cè)向力引起懸架襯套變形，從而改變懸架及車輪定位參數(shù)。側(cè)向力試驗(yàn)中取各參數(shù)相對(duì)于縱向力的梯度值。側(cè)向力試驗(yàn)的主要評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)為：前束角梯度。外傾角梯度、懸架側(cè)向柔度、輪胎接地點(diǎn)側(cè)向柔度。側(cè)向力試驗(yàn)仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表5所示。

3.3 回正力矩試驗(yàn)

回正力矩試驗(yàn)測(cè)量主要由輪胎的回正力矩引起的懸架及車輪定位參數(shù)的變化值?；卣卦囼?yàn)中取各參數(shù)相對(duì)于回正力的梯度?；卣卦囼?yàn)的主要評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)為：前束角梯度和外傾角梯度兩個(gè)參數(shù)。回正力矩試驗(yàn)仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表6所示。

表6 側(cè)向力仿真試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)車仿真數(shù)據(jù)和標(biāo)桿車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析主要參數(shù)可以得出以下結(jié)論：

（1）仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果大多數(shù)相差不大，模型準(zhǔn)確性較好；

（2）反向側(cè)向力加載，前束角變化有較大差別，主要是下擺臂、副車架剛度引起，模型中下擺臂為柔性體；

（3） 縱向力前束角角相差較大，主要由副車架安裝襯套、副車架本身剛性引起；

（4）標(biāo)桿車輪胎 165/65R1，設(shè)計(jì)車輪胎 175/55R17，半徑的差別會(huì)引起主銷偏移距的不同。