控制臂后襯套開口角度對懸架零件及性能的影響分析

李中洋　鐘杰銘　劉仕冬　林建華

摘 要：基于ABAQUS軟件分析控制臂后襯套開口角度對襯套受力、控制臂強度的影響，為控制臂及襯套的結(jié)構(gòu)設(shè)計和空間布置提供指導(dǎo)，提高零件設(shè)計的可靠性?；贏dams/Car軟件在建立的麥弗遜前懸架彈性連接運動學(xué)模型中分析控制臂后襯套開口角度對車輪定位參數(shù)的影響，為懸架的性能優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。梳理后襯套開口角度對襯套受力、控制臂強度、懸架性能的影響，為懸架零件設(shè)計及性能優(yōu)化提供借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：后襯套 開口角度 強度 車輪定位參數(shù)

Impact Analysis of Control Arm Rear Bushing Opening Angle on Suspension Parts and Performance

Li Zhongyang Zhong Jieming Liu Shidong Lin Jianhua

Abstract： The influence of control arm rear bushing opening angle on the bushing strength and control arm strength was analyzed based on ABAQUS software， which can provide guidance for design and arrangement of control arm and bushing to improve reliability design of parts. The influence of control arm rear bushing opening angle on wheel positioning parameters was analyzed by the multi-body dynamics software Adams/Car in the kinematics model of McPherson front suspension elastic connection， which can provide theoretical foundation for the optimization design of suspension performance. The influence of rear bushing opening angle on the bushing strength， the strength of the control arm and the performance of the suspension was analyzed to provide reference experience for design and performance optimization of suspension part.

Key words：Rear bushing; Opening angle; Strength; Wheel positioning parameters

1 前言

懸架K特性是車輪在彈簧變形過程和轉(zhuǎn)向時的運動;懸架C特性是輪胎和路面之間的力和力矩引起的車輪定位參數(shù)的變化，二者統(tǒng)稱為懸架運動學(xué)與彈性運動學(xué)[1]，簡稱K&C特性。作為汽車懸架的彈性連接元件，橡膠襯套可以有效緩和路面不平傳給車架（或車身）的沖擊，降低來自地面、輪胎輸入的噪聲。橡膠襯套的安裝位置、方向、結(jié)構(gòu)等不僅影響控制臂的強度及模態(tài)，也影響著車輛系統(tǒng)的懸架剛度和懸架K&C特性[2]。

梁家瑋[3]等通過分析汽車懸架分體式襯套下控制臂的約束模態(tài)，對控制臂及襯套總成的薄弱環(huán)節(jié)提出優(yōu)化思路。袁世林[4]等通過對擺臂的強度分析進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，滿足擺臂靜剛度和屈曲設(shè)計要求。楊新軍、陳寶[5-6]等在建立的麥弗遜前懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?，利用Adams /Insight對懸架部分硬點進行靈敏度分析并優(yōu)化硬點坐標(biāo)，實現(xiàn)車輪定位參數(shù)在合理范圍內(nèi)的變化，改善懸架性能。XIN-TIAN LIU[7] 等研究了懸架的輪跳和載荷工況下，橡膠襯套剛度對懸架特性的影響。

本文在解決某車前麥弗遜獨立懸架控制臂后襯套因摩擦接觸異響的過程中，分別通過ABAQUS軟件和多體動力學(xué)Adams/Car軟件分析了襯套開口角度對襯套受力、控制臂強度、車輪定位參數(shù)的影響，其中襯套受力、前束、后傾、縱向剛度受襯套開口角度影響較大。

2 襯套開口角度對襯套受力的影響

2.1 襯套開口角度

某國產(chǎn)車低速過扭曲路或減速帶時，控制臂襯套受力變形時產(chǎn)生摩擦異響，通過更改襯套開口角度、膠料摩擦系數(shù)、增大開口方向的接觸面積等措施解決襯套異響。如圖1為左前下控制臂后襯套在整車坐標(biāo)下的初始開口角度。分別在控制臂后襯套4種開口角度下計算襯套受力、控制臂強度、四輪定位參數(shù)的變化。

2.2 襯套受力分析

控制臂橡膠襯套為6面體C3D20H橡膠雜交單元，通過優(yōu)化識別的橡膠襯套Mooney-Rivlin模型C10、C01參數(shù)[8]對襯套進行受力分析。表1為相同臺架試驗條件下，控制臂襯套4種開口角度下的襯套應(yīng)力圖。由表1知，開口角度2下的襯套受力為3.3MPa，相比開口角度1（初始角度）下的襯套受力3.9MPa，下降了0.6MPa，下降比例15.4%，耐久可靠性高。開口角度4下的襯套受力最小為3.1MPa，相比開口角度1（初始角度）下的襯套受力3.9MPa，下降了0.8MPa，下降比例20.5%，耐久可靠性高。開口角度2和4都可以提升襯套的耐久可靠性。

3 襯套開口角度對控制臂強度的影響

3.1 麥弗遜前懸架系統(tǒng)有限元模型

基于ABAQUS分析軟件，在搭建的某車型單邊前麥弗遜懸架有限元模型中，通過改變后襯套的開口角度對控制臂進行強度分析。麥弗遜懸架系統(tǒng)有限元模型如圖2所示。

3.2 控制臂強度分析結(jié)果

分別在單側(cè)過深坑、向前緊急制動、極限轉(zhuǎn)向三個典型工況下輸入輪心載荷，得到控制臂應(yīng)力分析結(jié)果。如表2，控制臂在向前緊急制動工況下的受力最大，同一工況下，襯套不同開口角度對控制臂強度影響不大。

4 襯套開口角度對車輪定位參數(shù)的影響

4.1 麥弗遜前懸架彈性連接運動學(xué)模型

如圖3，在Adams/Car中建立的麥弗遜前懸架運動學(xué)模型由剛性連接和彈性連接構(gòu)成：下控制臂的外側(cè)通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，內(nèi)側(cè)通過前、后兩個襯套與副車架相連;減振器下端與轉(zhuǎn)向節(jié)為剛性連接，減振器上端與車身通過襯套連接;橫向穩(wěn)定桿與減振器以球鉸連接，與副車架通過襯套連接;副車架與車身剛性連接;轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿之間通過球鉸連接，轉(zhuǎn)向節(jié)與車輪之間通過轉(zhuǎn)動鉸連接。

懸架K&C特性對汽車操縱穩(wěn)定性有直接影響，其評價指標(biāo)包括車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、前束角對整車性能的影響等。進行縱向力平行加載對比，左、右輪胎印跡上縱向力同時從-1000N（負(fù)號表示指向車尾，為制動力）加載至+1000N，觀察左前輪定位參數(shù)隨縱向力的變化。

4.2 前束角的變化

汽車俯視圖上，車輪前束角是車輪中心線與汽車縱向?qū)ΨQ軸線之間的夾角。圖4為襯套不同開口角度下的車輪前束/縱向力的變化曲線對比圖，車輪前束/縱向力變化范圍為-0.0955°～-0.0374°。與開口角度1相比，開口角度4的前束角變化最大，前束角在負(fù)方向上減小了0.0581°，變化范圍減小60.8%，車輪與路面接觸面積減小，轉(zhuǎn)彎制動時的摩擦力減小，導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)彎制動的穩(wěn)定性變差;開口角度2的前束角幾乎無變化。

4.3 主銷后傾角的變化

汽車側(cè)視圖上，主銷后傾角是主銷軸線（轉(zhuǎn)向車輪的旋轉(zhuǎn)軸線）和地面垂直線的夾角。圖5為不同襯套開口角度下的車輪后傾/縱向力的變化曲線對比圖， 車輪后傾/縱向力變化范圍為0.306°～0.21°。與開口角度1相比，開口角度4的后傾角變化最大，后傾角減小了0.096°，變化范圍減小31.2%，后傾角/縱向力（制動力）特性隨著襯套開口角度的變化呈減小趨勢，有利于保持轉(zhuǎn)彎制動時的方向盤回正力感;開口角度2的后傾角幾乎無變化。

4.4 輪心縱向剛度的變化

圖6為不同襯套開口角度下的輪心縱向剛度變化曲線對比圖，輪心縱向剛度變化范圍為396N/mm～614N/mm。與開口角度1相比，開口角度4的輪心縱向剛度變化最大，增大了0.096°，變化范圍增大54.9%，輪心縱向剛度隨著襯套開口角度的變化呈增大趨勢，會減弱車輛過坎的舒適性;開口角度2的輪心縱向剛度幾乎無變化。

5 結(jié)論

本文通過多體動力學(xué)軟件Adams/Car及ABAQUS軟件分析了前麥弗遜獨立懸架控制臂后襯套開口角度對襯套受力、控制臂強度、車輪定位參數(shù)的影響，主要得到以下結(jié)論：

1、襯套開口角度對襯套受力影響較大：開口角度4下的襯套受力比開口角度1下降了20.5%，有利于耐久可靠性，但車輪定位參數(shù)變化很大，影響K&C特性。開口角度2下的襯套受力比開口角度1下降了15.4%，耐久可靠性高，且對控制臂強度、車輪定位參數(shù)影響很小，可用于解決襯套摩擦接觸異響的措施。

2、襯套開口角度對控制臂強度幾乎無影響。

3、與開口角度1相比，襯套開口角度4下的車輪定位參數(shù)變化最大：

車輪前束/縱向力減小了60.8%，導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)彎制動的穩(wěn)定性變差;

車輪后傾/縱向力減小了31.2%，轉(zhuǎn)向回正力矩減小，有利于保持轉(zhuǎn)彎制動時的方向盤回正力感。

輪心縱向剛度增大了54.9%，輪心縱向剛度隨著襯套的安裝角度變化而呈變大趨勢，會減弱車輛過坎的舒適性。

參考文獻：

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