基于CATIA-DMU四連桿懸架不同運動副仿真對比研究

王永衛(wèi)，韓權武

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

1 概述

本文以某車輛上所采用的四連桿后懸架為研究對象，對空間四連桿機構進行自由度分析，運用CATIA-DMU模塊建立四連桿懸架的運動仿真模型，通過對懸架的不同約束進行仿真，對比輪心點間隙誤差，結合實際懸架運動方式，確認較合適的四連桿懸架DMU運動仿真校核。

2 四連桿懸架自由度分析[1-2]

空間連桿機構常用的運動副類型有轉(zhuǎn)動副、圓柱副、移動副、球面副、螺旋副、平面副、曲面副等。

自由度為f＝1、2、3、4、5的運動副，相應地稱為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類運動副；第i類運動副允許i個相對自由度，同時也就有Ci=6-i個約束度。

一般空間機構自由度計算公式分為以下兩類。

2.1 空間機構單封閉環(huán)自由度的公式

空間機構單封閉環(huán)自由度的公式為：

式（1）中：F為機構自由度；m為各構件在運動時所受到的公共約束數(shù)；n為機構活動構件數(shù)；p為運動副的級別，由運動副所產(chǎn)生的約束數(shù)來決定；fi為機構i類運動副數(shù)量。

2.2 開鏈機構的自由度計算公式

開鏈機構的自由度計算公式為：

空間機構不含公共約束的自由度的計算公式為：

式（3）中：n-1為可動構件數(shù)；P1～P5為I～V級運動副的數(shù)目。

3 四連桿懸架DMU仿真模型建立

四連桿后懸架的結構如圖l所示。CATIA-DMU仿真模塊中，懸架硬點設置點、線、面元素，建立運動副，對于四連桿懸架彈性元件襯套簡化為剛體，不考慮彈性變形。

圖1 四連桿懸架結構圖

懸架運動建立輪心點上、下跳模擬實車運動，需要對輪心處進行驅(qū)動，建立驅(qū)動副如圖2所示。后副車架總成為固定座基礎，在靠近輪心外側(cè)處建立一條平行整車Z向直線1，過該直線平行整車坐標平面YZ面1；再新建一個PART作為中間傳遞運動副，做出平行整車Z向直線2，過該直線平行整車YZ面2，同時過輪心做垂直直線2的XY平面2，后副車架與PART建立的面和線運動副滑動副，并作為驅(qū)動；過輪心面與輪心點建立點曲面運動副。設置驅(qū)動行程為輪心上、下跳行程（﹣62 mm，130 mm）。

圖2 驅(qū)動副建立示意圖

四連桿懸架拖曳臂運動副建立方案1如圖3所示。從圖3中可看出，若相關四連桿桿系與后副車架連接為U型結合，與轉(zhuǎn)向節(jié)連接為球面結合，拖曳臂與轉(zhuǎn)向節(jié)固聯(lián)，與車身采用球絞結合。按照公式（3）中，W=﹣1，約束過多，無法進行運動。與DMU仿真報錯提示“機械命令過多”一致，因此，需要對某桿件進行約束放開，保證自由度為0。以下是建立兩種放開不同點約束的方法。

3.1 托曳臂襯套中心設置點曲線運動副

圖3 中，托曳臂襯套中心在后副車架數(shù)模中建立襯套軸線，建立點曲線結合，托曳臂一端與轉(zhuǎn)向節(jié)固聯(lián)，后前束調(diào)連桿與后副車架建立通用結合，與后轉(zhuǎn)向節(jié)建立球面結合。

圖3 四連桿懸架拖曳臂運動副建立方案1

3.2 后前束調(diào)整桿內(nèi)點設置點曲線運動副

四連桿懸架后調(diào)整桿運動副建立方案2如圖4所示。圖4中，托曳臂襯套中心在后副車架數(shù)模中建立襯套中心點，兩者球面結合，與轉(zhuǎn)向節(jié)固聯(lián)結合；后前束調(diào)整桿內(nèi)點中心點處后副車架數(shù)模中建立一條水平線，后前束調(diào)整桿與后副車架設置點曲線結合，與轉(zhuǎn)向節(jié)通用結合。

圖4 四連桿懸架后調(diào)整桿運動副建立方案2

以上兩種建立不同運動副方法完成后，建立機械運動1和機械運動2，進行仿真模擬。

4 輪心點運動仿真對比

對比以下輪心點運動軌跡位移，比較兩者在整車坐標系X、Y、Z方向位移的差異，分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 輪心在X向位移對比曲線

圖6 輪心在Y向位移對比曲線

圖7 輪心在Z向位移對比曲線

方案1和方案2輪心行程（﹣62 mm，130 mm），X向兩者差值在1.5 mm以內(nèi)；Y向兩者差值在1.2 mm以內(nèi)；Z向運動軌跡重合。方案1和方案2輪心在相同懸架行程范圍內(nèi)誤差量在整個間隙校核過程中較小，基本忽略，兩者不同約束運動副建立不影響間隙校核。

拖曳臂襯套軸向剛度曲線如圖8所示。在實際過程中，方案2保持拖曳臂襯套不動，但實際托曳臂襯套屬于大襯套，相關襯套剛度比后調(diào)整連桿襯套剛度各向較小，托曳臂襯套在X、Y、Z運動幅度較大。放開拖曳臂襯套中心點與實際受力情況分析：拖曳臂襯套在實際各種載荷工況下，提取載荷力，縱向沖擊2.0 g中拖曳臂襯套Y向受力最大，本開發(fā)車型載荷約930 N，方向朝整車中心面；圖8中，拖曳臂襯套軸向剛度取值Y向約5 mm左右，方案1拖曳臂襯套中心運動軌跡Y向朝整車中心面運動量有7 mm，拖曳臂襯套設置點曲線運動副產(chǎn)生方向與實際襯套軸向受力方向一致。方案1托曳臂襯套運動更符合實際運動。

圖8 拖曳臂襯套軸向剛度曲線

5 結束語

以上對比分析，CATIA-DMU校核四連桿運動，桿系運動副建立方式不同，但兩者產(chǎn)生間隙誤差較小，都可應用；實際運動符合情況不考慮襯套彈性變形，拖曳臂襯套設置點曲線運動副約束，更符合實際運動情況，有利于懸架間隙校核。