一種基于Adams的穩(wěn)定桿連接桿球銷 擺角計(jì)算方法

范洪春，韋達(dá)穩(wěn)，譚姣姣

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.柳州孔輝汽車科技有限公司，廣西 柳州 545007）

引言

汽車常用的前懸布置形式中，麥弗遜懸架作為獨(dú)立懸架的一種，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是目前前置前驅(qū)動(dòng)轎車和輕型客車的首選懸架形式[1]。在懸架設(shè)計(jì)中，為了減小車輛過(guò)彎時(shí)的車身側(cè)傾角，增加穩(wěn)定桿裝置是最常用且有效的措施。

穩(wěn)定桿通過(guò)連接桿將穩(wěn)定桿和懸架的運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)車上連桿上下均采用球頭進(jìn)行連接。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于車輪跳動(dòng)和轉(zhuǎn)向，使得穩(wěn)定桿連接桿的運(yùn)動(dòng)變得愈加復(fù)雜。因此，要分析懸在極限運(yùn)動(dòng)中的球銷擺角是否處在安全設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，就變得難上加難。如果球銷的擺角設(shè)計(jì)不夠合理，會(huì)使球頭的防塵膠套經(jīng)常受到擠壓損壞導(dǎo)致漏油，從而產(chǎn)生異響且影響球頭的使用壽命，更嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成零件干涉影響行車安全。

圖1 麥弗遜式前懸架

上下球頭的球銷擺角不但和懸架運(yùn)動(dòng)有關(guān)，也和上下球頭的摩擦大小有關(guān)，摩擦小的一端有可能先擺到最大角度。通過(guò)常用的建模軟件如UG、CATIA的運(yùn)動(dòng)仿真難以還原真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，而Adams作為多體動(dòng)力學(xué)仿真最常用的軟件，且Adams/car又融合了輪胎、求解器和后處理等模塊，故能夠使車輛開發(fā)更便捷高效[2]。本文即在Adams/car建立的完整懸架模型基礎(chǔ)上，介紹穩(wěn)定桿連接桿球銷擺角的計(jì)算方法。

在應(yīng)用Adams建模時(shí)，如果穩(wěn)定桿連接桿上下都用球副建模，不符合K特性的自由度要求，因此要將其中一個(gè)球副用萬(wàn)向副或者等速副代替。而用萬(wàn)向副或者等速副代替的球頭無(wú)法繞著連接桿軸線偏擺，使得連接桿的運(yùn)動(dòng)與實(shí)際情況嚴(yán)重不符，所以這種建模方式不能指導(dǎo)球銷擺角的設(shè)計(jì)。萬(wàn)向副代替球副的建模仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 球副、等速副擺角的仿真結(jié)果

而襯套有六個(gè)自由度，通過(guò)合理設(shè)置各方向的剛度能夠等效球頭的屬性。因此本文提出連接桿兩端均采用襯套代替球頭的建模方式，同時(shí)給球銷和球杯建立接觸條件，從而還原球銷在實(shí)際使用過(guò)程中擺到最大角度后被限位的情況。

1 計(jì)算方法

1.1 襯套代替球頭的建模方法[3]

1.1.1 襯套剛度設(shè)計(jì)

由于襯套有六個(gè)方向的自由度，故通過(guò)對(duì)各個(gè)方向的剛度值進(jìn)行設(shè)定，即可等效不同的運(yùn)動(dòng)副。比如，用襯套等效穩(wěn)定桿連接桿的球鉸運(yùn)動(dòng)副，其三個(gè)方向的線剛度均設(shè)為剛性，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度均釋放，為了提高仿真的精確度，襯套的線剛度應(yīng)不小于108N/mm，同時(shí)通過(guò)設(shè)定襯套的扭轉(zhuǎn)剛度實(shí)現(xiàn)球頭的摩擦力，建議值為100 Nmm/deg。

1.1.2 襯套的方向定義

在使用Adams建模時(shí)，首先將襯套的中心和零部件的鉸接中心重合，如果要讀取球銷在各個(gè)方向的擺角分量，可以借助襯套后處理自帶的定義輸出，因此需要定義襯套的X和Z方向，擺角的正方向定義符合右手定則，大拇指指向?qū)?yīng)軸的正方向?，F(xiàn)將襯套的Z軸定義為與球銷的軸線重合，指向固定螺母方向，定義襯套的X向指向車輛正前方。

1.2 球銷擺角測(cè)量輸出建立

穩(wěn)定桿連接桿球頭的總成如圖3所示，球銷和球杯軸線不一定是重合的，球銷的擺角∠AOB由球心點(diǎn)、球銷軸線點(diǎn)及球杯軸線點(diǎn)的空間相對(duì)位置確定，需要在這三個(gè)位置建立標(biāo)志點(diǎn)。且由于左右車輪的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度不相等，為防止球頭防塵膠套被單邊擠壓，充分利用有限的擺角設(shè)計(jì)空間，需要優(yōu)化球銷的初始安裝擺角，并求出球銷擺角繞X/Y的擺動(dòng)分量。

圖3 穩(wěn)定桿拉桿總成

以左側(cè)穩(wěn)定桿連接桿的上球頭為例，先假設(shè)某車型左側(cè)上球頭的硬點(diǎn)坐標(biāo)如表1。在球頭的旋轉(zhuǎn)中心給球銷和球杯部件分別建立一個(gè)Marker_O和Marker_O1，Z軸分別指向球銷和球杯軸線方向的Marker_A、Marker_B，X軸垂直于上下球心點(diǎn)與球銷軸線構(gòu)成的平面，指向車頭前方。

表1 左側(cè)連接桿上球頭硬點(diǎn)表

在球銷和球杯部件上建立對(duì)應(yīng)的Marker點(diǎn)后，進(jìn)行球銷擺角的測(cè)量建立，利用Adams軟件內(nèi)置的函數(shù)Angle aboutX/Y/Z和Included Angle來(lái)測(cè)量球銷擺角的分量和空間合角度，建立結(jié)果如圖4所示。

圖4 擺角request建立結(jié)果

1.3 球銷球杯接觸條件建立

在實(shí)際車輛使用的過(guò)程中，上下球頭中摩擦小的一端可能會(huì)在擺動(dòng)時(shí)先擺到極限位置，而摩擦大的球頭會(huì)在另一端無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候才開始轉(zhuǎn)動(dòng)。如果上下球頭的摩擦力相近，由于布置的原因，導(dǎo)致上下球頭的擺動(dòng)速度不一致，也會(huì)產(chǎn)生其中一個(gè)球頭先擺到極限的情況，因此給球銷和球杯設(shè)定接觸條件很有必要。如果通過(guò)對(duì)襯套的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行非線性處理來(lái)達(dá)到擺角限位的效果，會(huì)因?yàn)閯偠确蔷€性突變太大而影響求解，且較難實(shí)現(xiàn)空間合角度的限位，因此可以通過(guò)給球銷和球杯建立一個(gè)單向作用力的方式，即當(dāng)空間合角度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，接觸力被激活，從而起到模擬接觸的效果。

以左側(cè)的接觸為例，將穩(wěn)定桿的建模環(huán)境切換到View環(huán)境下，在主工具窗口中找到并點(diǎn)擊單向力建立圖標(biāo)，Run- Time Direction選擇Two Bodies，分別選擇球銷和球杯部件，再選擇上下球心點(diǎn)作為方向點(diǎn)。建立好接觸力后，設(shè)置接觸條件，右鍵單擊單向力圖標(biāo)選擇Modify，在Function項(xiàng)設(shè)置接觸函數(shù)，接觸力建立如圖5所示。

圖5 球銷、球杯接觸建立

2 仿真結(jié)果

2.1 仿真工況設(shè)定[4]

根據(jù)車輛實(shí)際使用情況，制定出如表2所示的七種工況并進(jìn)行仿真。

表2 穩(wěn)定桿球銷擺角計(jì)算的仿真工況表

2.2 仿真結(jié)果

某車型在路試結(jié)果中反饋，出現(xiàn)穩(wěn)定桿連接桿上球頭防塵套被壓壞漏油的情況，此時(shí)穩(wěn)定桿連接桿的球頭最大擺角設(shè)計(jì)值為25°。

根據(jù)本文的分析方法進(jìn)行穩(wěn)定桿連接桿球頭仿真分析，通過(guò)各工況的仿真結(jié)果對(duì)比，得出球銷擺角最大值出現(xiàn)在下極限全轉(zhuǎn)向的工況。仿真結(jié)果如圖6所示，在轉(zhuǎn)向內(nèi)輪一側(cè)，穩(wěn)定桿連接桿上球銷的擺動(dòng)角度比下球銷大，因此先于下球銷擺至極限。此時(shí)只有下球銷仍在擺動(dòng)，當(dāng)齒條位移達(dá)到最大時(shí)，下球銷擺角也接近最大設(shè)計(jì)值。雖然零件還沒(méi)有發(fā)生干涉，但已經(jīng)很接近極限，而且從仿真結(jié)果看來(lái)，轉(zhuǎn)向過(guò)程中總是由上球銷先擺到極限，這就與實(shí)車路試中上球頭防塵套損壞的結(jié)果一致。因此，考慮零件的制造公差，應(yīng)將球銷的最大擺角設(shè)計(jì)范圍加大。

圖6 下極限全轉(zhuǎn)向的球銷擺角

3 結(jié)論

基于Adams/car的穩(wěn)定桿連接桿球銷擺角計(jì)算方法，為解決模型自由度的問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)襯套六個(gè)方向的剛度進(jìn)行合理設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)球副的等效建模。同時(shí)，為了使仿真結(jié)果更接近實(shí)際，特給球銷和球杯建立接觸條件，還原球銷在實(shí)際使用過(guò)程中擺到最大角度后被限位的情況。最后，針對(duì)某車型出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行各工況下的仿真，且仿真結(jié)果與實(shí)車路試反饋的結(jié)果一致，驗(yàn)證了此方法的可行性。