鋼板彈簧橫置對車輛操縱穩(wěn)定性影響的研究

□ 姜軍平 □ 葉明瑞 □ 辛慶鋒 □ 孫福祿 □ 張棟江 □ 焦 鵬

浙江吉智新能源汽車科技有限公司 杭州 311228

1 研究背景

彈簧是連接懸架和車身的一個重要元件,對車輛的舒適性和操控性能起決定性作用。一方面,彈簧可以對來自地面的沖擊起緩沖作用,從而保證車輛具有良好的舒適性。另一方面,彈簧可以在車輛行駛于崎嶇不平的路面時保持輪胎的貼地性,從而保證車輛具有良好的操控性。螺旋彈簧制作難度小、成本低,已成為乘用車輛的標(biāo)配。

由于螺旋彈簧沒有導(dǎo)向功能,只能承受垂向載荷,因此懸架中必須另裝穩(wěn)定桿作為導(dǎo)向機構(gòu),用于傳遞垂直力以外的力和力矩。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時,懸架兩側(cè)承受的力不一樣,穩(wěn)定桿對懸架兩側(cè)的力和力矩進行傳遞,使車身的平衡得到有效控制,從而保證車輛具有良好的側(cè)傾特性。

筆者提出采用鋼板彈簧橫置來代替螺旋彈簧和穩(wěn)定桿。由于鋼板彈簧在懸架跳動過程中可以傳遞垂向的力,因此能夠起到螺旋彈簧的作用。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎,車身發(fā)生側(cè)傾時,鋼板彈簧可以通過扭轉(zhuǎn)對懸架兩側(cè)的力和力矩進行傳遞,從而起到穩(wěn)定桿的作用。由此可見,研究鋼板彈簧橫置,對于提高車輛操縱穩(wěn)定性具有重要的意義。

2 鋼板彈簧橫置懸架結(jié)構(gòu)

常規(guī)的麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由副車架、下擺臂、車輪、螺旋彈簧、減振器和穩(wěn)定桿組成。其中,螺旋彈簧置于懸架和車身之間,對懸架跳動過程中垂向的力起傳遞作用。當(dāng)車輛行駛在不平路面或者當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時,懸架兩側(cè)的跳動量不一致,穩(wěn)定桿對懸架兩側(cè)的力進行傳遞,從而保證車輛具有良好的側(cè)傾控制能力。

采用鋼板彈簧橫置的麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)如圖2所示,取消下擺臂、螺旋彈簧,鋼板彈簧橫置后兩端與擺臂支座固定在一起,從而在平行跳動過程中對垂向的力進行傳遞,起到螺旋彈簧的作用;在懸架反向跳動過程中,對懸架兩側(cè)的力進行傳遞,起到穩(wěn)定桿的作用。

3 仿真模型搭建

為了研究兩種彈簧布置方案對車輛操縱穩(wěn)定性的影響,利用ADAMS軟件分別搭建采用螺旋彈簧布置和采用鋼板彈簧橫置的前懸架仿真模型,分別如圖3、圖4所示。對鋼板彈簧建模時,主要有兩種方法。一種是采用ADAMS軟件自帶的非線性梁進行建模,另一種方法是先通過有限元軟件對鋼板彈簧進行柔性化處理,轉(zhuǎn)換為.mnf文件,再應(yīng)用ADAMS軟件進行建模。這兩種建模方法中,采用非線性梁建模的方法更為簡便快速,因此筆者采用這一方法進行建模。

▲圖1 常規(guī)麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)

▲圖2 鋼板彈簧橫置麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)

▲圖3 螺旋彈簧布置前懸架仿真模型

4 剛度仿真對比

在建立好的鋼板彈簧橫置前懸架仿真模型中,通過調(diào)整非線性梁的寬和高及鋼板彈簧的預(yù)載力,使鋼板彈簧橫置前懸架和螺旋彈簧前懸架的懸架剛度、受力完全一致。分別進行平行跳動、側(cè)傾跳動仿真,平行跳動時的前懸架剛度對比曲線如圖5所示,側(cè)傾跳動時的前懸架側(cè)傾角剛度對比曲線如圖6所示。通過對比可以看出,平行跳動過程中,鋼板彈簧橫置和螺旋彈簧在受垂向力作用下前懸架剛度相同。在側(cè)傾跳動過程中,螺旋彈簧產(chǎn)生的前懸架側(cè)傾角剛度為252 N·m/(°),鋼板彈簧橫置產(chǎn)生的前懸架側(cè)傾角剛度為360 N·m/(°),鋼板彈簧橫置前懸架側(cè)傾角剛度相比螺旋彈簧布置提升了42.86%。分析原因,側(cè)傾跳動時,鋼板彈簧橫置前懸架不僅對垂向的力進行傳遞,而且對懸架兩側(cè)的力進行傳遞,起穩(wěn)定桿的作用,而螺旋彈簧只對垂向的力進行傳遞,所以鋼板彈簧橫置前懸架側(cè)傾角剛度比螺旋彈簧布置大。

▲圖4 鋼板彈簧橫置前懸架仿真模型

▲圖5 前懸架剛度對比曲線

▲圖6 前懸架側(cè)傾角剛度對比曲線

通過對比可以看出,在保證前懸架剛度相同的情況下,鋼板彈簧橫置對前懸架側(cè)傾角剛度的貢獻要比螺旋彈簧大。由于前懸架剛度與車輛舒適性息息相關(guān),因此要保證良好的舒適性,需要前懸架剛度小一些,而前懸架剛度變小,會導(dǎo)致車輛側(cè)傾角剛度變小,從而導(dǎo)致車輛側(cè)傾控制變差。由研究可知,采用鋼板彈簧橫置,不僅可以起到螺旋彈簧的作用,而且可以起到穩(wěn)定桿的作用,在保證車輛舒適性的同時,確保車輛具有良好的操控性能。

5 操縱穩(wěn)定性仿真對比

利用ADAMS軟件搭建前懸架采用螺旋彈簧布置和采用鋼板彈簧橫置的車輛模型,分別如圖7、圖8所示。模型中除前懸架彈簧的布置方式不同外,其它系統(tǒng)均相同。通過仿真,對比兩種彈簧布置對車輛操縱穩(wěn)定性的影響。

▲圖7 螺旋彈簧布置車輛模型

▲圖8 鋼板彈簧橫置車輛模型

進行定半徑工況穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真,轉(zhuǎn)彎半徑采用40 m,仿真過程中車身側(cè)傾角、方向盤轉(zhuǎn)角隨側(cè)向加速度的變化曲線分別如圖9、圖10所示。其中,方向盤轉(zhuǎn)角梯度除以轉(zhuǎn)向傳動比,可以得到車輛的不足轉(zhuǎn)向度。兩種前懸架彈簧布置方案下車身側(cè)傾梯度、不足轉(zhuǎn)向度的對比見表1。通過對比可以看出,前懸架采用鋼板彈簧橫置與采用螺旋彈簧相比,車輛側(cè)傾梯度、不足轉(zhuǎn)向度均變小。其中,車輛側(cè)傾梯度的變化率為17.4%,不足轉(zhuǎn)向度的變化率為8.33%。分析原因,采用鋼板彈簧橫置的前懸架側(cè)傾角剛度比采用螺旋彈簧大,則車輛側(cè)傾比較小,進而導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎過程中橫向的載荷轉(zhuǎn)移比較小,使車輛不足轉(zhuǎn)向度變小。

▲圖10 方向盤轉(zhuǎn)角隨側(cè)向加速度變化曲線

表1 車輛性能對比

6 結(jié)束語

筆者通過研究得出,在前懸架剛度相同的情況下,鋼板彈簧橫置產(chǎn)生的前懸架側(cè)傾角剛度比采用螺旋彈簧大42.86%。在車輛中,前懸架采用鋼板彈簧橫置與采用螺旋彈簧相比,車輛側(cè)傾梯度減小17.4%,車輛不足轉(zhuǎn)向度減小8.33%。

前懸架采用鋼板彈簧橫置,不僅可以起到螺旋彈簧的作用,而且可以起到穩(wěn)定桿的作用。用鋼板彈簧橫置代替車輛中的螺旋彈簧和穩(wěn)定桿,能夠達到車輛輕量化的目的。另一方面,采用鋼板彈簧橫置,可以使車輛在保證舒適性的同時具有良好的操縱穩(wěn)定性。因此,鋼板彈簧橫置對于車輛輕量化、操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性具有重要作用。