汽車五連桿后懸架機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析及DMU仿真

賈威振，馬祖國(guó)，陳洪正，于 江

汽車五連桿后懸架機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析及DMU仿真

賈威振1，馬祖國(guó)2，陳洪正2，于 江2

（1.寧波極氪智能科技有限公司 杭州分公司，浙江 杭州 310051；2.極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司，浙江 寧波 315336）

文章介紹了汽車底盤五連桿后懸架的結(jié)構(gòu)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理、懸架運(yùn)動(dòng)建模和電子樣機(jī)（DMU）模型應(yīng)用，從理論角度分析汽車五連桿后懸架的機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理、計(jì)算構(gòu)件數(shù)量、計(jì)算運(yùn)動(dòng)副數(shù)量、計(jì)算空間自由度。研究了CATIA DMU運(yùn)動(dòng)學(xué)建模過程，包括輸入?yún)?shù)、創(chuàng)建零件、創(chuàng)建約束、創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)仿真，并用懸架DMU模型解決汽車底盤設(shè)計(jì)的實(shí)際問題，包括校核各運(yùn)動(dòng)件間隙預(yù)防零件碰撞干涉，制作輪胎運(yùn)動(dòng)包絡(luò)支持車身造型設(shè)計(jì)，輸出車輪位移和外傾角關(guān)系圖，判斷車輛是否具備優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，輸出車輪前束角和外傾角調(diào)節(jié)范圍，得到輪心、彈簧、減振器的三者運(yùn)動(dòng)的杠桿比，計(jì)算懸架零部件的載荷支持懸架設(shè)計(jì)。研究成果在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

五連桿懸架；機(jī)械原理；自由度；DMU仿真；汽車底盤；機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析；CATIA

在車輛底盤研發(fā)過程中，會(huì)遇到以下實(shí)際問題：例如汽車機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理自由度如何計(jì)算，在車輪上下跳動(dòng)過程中，各個(gè)擺臂、驅(qū)動(dòng)軸、連桿、減震器、彈簧是否干涉，需要計(jì)算零件之間的間隙。車輪在過坑、過坎、縱向沖擊等工況下，如何制作輪胎包絡(luò)支持車身造型設(shè)計(jì)。車輛是否有較好的運(yùn)動(dòng)特性，四輪定位參數(shù)數(shù)值和變化斜率是多少。輪心載荷、彈簧載荷、減振器載荷、緩沖塊載荷的相關(guān)性是什么。為了解決以上汽車研發(fā)的問題，本文解析汽車機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理圖，計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，創(chuàng)建五連桿后懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并應(yīng)用仿真。

1 五連桿后懸架簡(jiǎn)介

1.1 五連桿后懸架結(jié)構(gòu)和功能

汽車的底盤懸架結(jié)構(gòu)是汽車的重要結(jié)構(gòu)裝置，承擔(dān)著汽車整個(gè)車身以及車輪的力矩，保證車輛能夠安全穩(wěn)定地行駛[1]。

五連桿后懸架包括后副車架、前上擺臂、后上擺臂、前下擺臂、后下擺臂、前束桿、前束角偏心螺栓、外傾角偏心螺栓、后減振器、后穩(wěn)定桿、穩(wěn)定桿連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等零部件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 五連桿后懸架結(jié)構(gòu)圖

五連桿后懸架各擺臂用途不同，其按功能可分為調(diào)節(jié)前束角的擺臂、調(diào)節(jié)外傾角的擺臂，支撐彈簧垂向載荷的擺臂、傳遞縱向側(cè)向載荷的擺臂。五個(gè)擺臂共同控制了后車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，使車輛具備優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)特性。

控制臂本體是鋼或鋁材料的，用于傳遞側(cè)向力?？刂票鄣膬啥耸窍鹉z，它緩沖了沖擊載荷，釋放五個(gè)擺臂的自由度，避免機(jī)構(gòu)過約束。

彈簧是支撐整車重量的零件，彈簧包括2個(gè)核心參數(shù)，分別是剛度（單位：N/mm）和載荷（單位：N）。車輪在上極限、設(shè)計(jì)狀態(tài)、下極限各狀態(tài)下，彈簧均處于被壓縮狀態(tài)，均有載荷。

車輪上跳時(shí)減振器被壓縮，車輪下跳時(shí)減振器伸張[2]。減振器上端連接車身，下端連接擺臂，組成滑動(dòng)副，控制著車輪向運(yùn)動(dòng)。

穩(wěn)定桿是繞副車架做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件。車輛在側(cè)傾時(shí)穩(wěn)定桿一端向上運(yùn)動(dòng)，另一端向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)變形。車輛垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定桿兩端同時(shí)向上或向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)穩(wěn)定桿襯套扭轉(zhuǎn)變形。

穩(wěn)定桿連桿的兩端是球鉸或襯套。穩(wěn)定桿連桿是二力桿，它傳遞了穩(wěn)定桿的垂向力。球鉸和襯套釋放穩(wěn)定桿的自由度，使得機(jī)構(gòu)能運(yùn)動(dòng)。

偏心螺栓在副車架的長(zhǎng)圓孔中移動(dòng)，它拉動(dòng)擺臂改變位置，從而調(diào)整了車輪的外傾角和前束角。

2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理

2.1 構(gòu)件數(shù)量計(jì)算

構(gòu)件是指機(jī)械中的一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元，機(jī)架是機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的固定構(gòu)件[3]。原動(dòng)件是按照給定已知的運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，從動(dòng)件指其余活動(dòng)構(gòu)件。汽車懸架的機(jī)構(gòu)組成及分類如表1所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)副數(shù)量計(jì)算

運(yùn)動(dòng)副指兩個(gè)構(gòu)件直接接觸組成的可動(dòng)連接[3]。運(yùn)動(dòng)副按相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式分為旋轉(zhuǎn)副、滑動(dòng)副、球鉸副、剛性副、萬(wàn)向節(jié)副、點(diǎn)面副、點(diǎn)線副、圓柱副、螺釘副、平面副等。運(yùn)動(dòng)副的分類和定義如表2所示。

表1 機(jī)構(gòu)組成及分類

序號(hào)構(gòu)件分類備注 1后副車架和車身機(jī)架1個(gè) 2前上擺臂從動(dòng)件10個(gè) 3后上擺臂從動(dòng)件 4前下擺臂從動(dòng)件 5后下擺臂（后外傾桿）從動(dòng)件 6前束桿從動(dòng)件 7后減振器活塞桿從動(dòng)件 8后減振器油筒從動(dòng)件 9后轉(zhuǎn)向節(jié)單元從動(dòng)件 10后穩(wěn)定桿從動(dòng)件 11后連桿從動(dòng)件 12前束角偏心螺栓原動(dòng)件3個(gè) 13外傾角偏心螺栓原動(dòng)件 14后輪心垂向滑塊原動(dòng)件

表2 運(yùn)動(dòng)副的分類和定義

序號(hào)圖標(biāo)分類自由度定義 1固定副0一個(gè)部件相對(duì)另外一個(gè)部件沒有運(yùn)動(dòng) 2旋轉(zhuǎn)副1一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)部件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其共用1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸 3滑動(dòng)副1一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)部件的平移運(yùn)動(dòng)，其共用1個(gè)滑動(dòng)軸 4球鉸副3一個(gè)零件相對(duì)于另一個(gè)零件的三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持2個(gè)部件的鉸接點(diǎn)重合 5剛性副0一個(gè)部件連接另外一個(gè)部件，沒有運(yùn)動(dòng) 6萬(wàn)向節(jié)副2一個(gè)部件相對(duì)另外一個(gè)部件的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持2個(gè)部件的鉸接點(diǎn)重合 7點(diǎn)面副5一個(gè)零件相對(duì)另一個(gè)零件的兩個(gè)滑動(dòng)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 8點(diǎn)線副4一個(gè)零件相對(duì)另外一個(gè)零件的一個(gè)滑動(dòng)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng) 9圓柱副2一個(gè)零件相對(duì)另外一個(gè)部件的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng) 10螺釘副2一個(gè)零件相對(duì)另外一個(gè)部件的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng) 11平面副3一個(gè)部件相對(duì)另外一個(gè)部件的XY平面運(yùn)動(dòng)

2.3 空間自由度計(jì)算

在空間中每個(gè)構(gòu)件都有6個(gè)自由度，即3個(gè)相對(duì)移動(dòng)的自由度和3個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度[3]。用表示運(yùn)動(dòng)副的自由度，它指兩構(gòu)件之間允許產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。用表示約束度，它指在運(yùn)動(dòng)副中自由度受到的約束的數(shù)目，滿足關(guān)系式+=6。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖如圖2所示。

此運(yùn)動(dòng)模型可以簡(jiǎn)化為基本模塊和其它模塊?；灸K包含5個(gè)擺臂、1個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)、1個(gè)副車架、1個(gè)輪心垂向移動(dòng)。其他模塊包含前束調(diào)節(jié)螺栓+外傾調(diào)節(jié)螺栓+穩(wěn)定桿和連桿總成。汽車懸架約束和主動(dòng)件的數(shù)量如表3所示。

表3 約束和主動(dòng)件數(shù)量

序號(hào)項(xiàng)目I級(jí)運(yùn)動(dòng)副約束數(shù)主動(dòng)件數(shù) 1機(jī)架100 2構(gòu)件1300 3萬(wàn)向節(jié)副740 4球頭副730 5滑動(dòng)副450 6點(diǎn)面副110 7旋轉(zhuǎn)副150 8前束角偏心螺栓001 9外傾角偏心螺栓001 10車輪垂向運(yùn)動(dòng)001

自由度的計(jì)算表達(dá)式為

式中，為活動(dòng)件個(gè)數(shù)；為約束數(shù)；P為級(jí)運(yùn)動(dòng)副。

自由度數(shù)=13×6?（7×4+7×3+4×5+1×1+1×5）=3；主動(dòng)件數(shù)=自由度=3，因此，機(jī)構(gòu)可以運(yùn)動(dòng)。

3 懸架運(yùn)動(dòng)建模

3.1 輸入?yún)?shù)

懸架運(yùn)動(dòng)件建模時(shí)需要輸入以下參數(shù)，如表4所示。

表4 輸入?yún)?shù)項(xiàng)目

項(xiàng)目硬點(diǎn)及行程參數(shù)數(shù)值 硬點(diǎn)副車架前安裝點(diǎn)坐標(biāo)（X,Y,Z） 副車架后安裝點(diǎn) 前上擺臂內(nèi)點(diǎn) 前上擺臂外點(diǎn) 后上擺臂內(nèi)點(diǎn) 后上擺臂外點(diǎn) 前下擺臂內(nèi)點(diǎn) 前下擺臂外點(diǎn) 后下擺臂內(nèi)點(diǎn) 后下擺臂外點(diǎn) 前束桿內(nèi)點(diǎn) 前束桿外點(diǎn) 后減振器上點(diǎn) 后減振器下點(diǎn) 后輪心 穩(wěn)定桿安裝點(diǎn) 連桿上點(diǎn) 連桿下點(diǎn) 四輪定位參數(shù)前束角 外傾角 前束桿偏心螺栓行程 外傾桿偏心螺栓行程 行程車輪上行程 車輪下行程

3.2 創(chuàng)建構(gòu)件

依次創(chuàng)建后副車架和車身、前上擺臂、后上擺臂、前下擺臂、后下擺臂、前束桿、前束桿偏心螺栓、外傾桿偏心螺栓、后減振器活塞桿、后減振器油筒、后穩(wěn)定桿、后連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、垂向滑塊（Aux_z）等零部件，零件裝配圖如圖3所示。

3.3 創(chuàng)建約束

各零件之間的約束關(guān)系如表5所示，各零件約束圖如圖4所示。

3.4 創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)仿真

點(diǎn)擊仿真按鈕并輸入車輪行程和偏心螺栓的行程，如圖5所示。

4 懸架DMU模型應(yīng)用

4.1 應(yīng)用一：運(yùn)動(dòng)件間隙校核

在車輪上下跳動(dòng)過程中，校核各運(yùn)動(dòng)件的間隙，預(yù)防各擺臂運(yùn)動(dòng)碰撞干涉，如圖6所示。

圖3 零件裝配圖

表5 零件約束關(guān)系

序號(hào)第一零件第二零件約束關(guān)系 1后副車架和車身地面固定副 2前上擺臂后副車架萬(wàn)向節(jié)副 3后上擺臂后副車架萬(wàn)向節(jié)副 4前下擺臂后副車架萬(wàn)向節(jié)副 5后下擺臂外傾桿偏心螺栓萬(wàn)向節(jié)副 6前束桿前束桿偏心螺栓萬(wàn)向節(jié)副 7前束桿偏心螺栓后副車架滑動(dòng)副 8外傾桿偏心螺栓后副車架滑動(dòng)副 9前上擺臂后轉(zhuǎn)向節(jié)球鉸副 10后上擺臂后轉(zhuǎn)向節(jié)球鉸副 11前下擺臂后轉(zhuǎn)向節(jié)球鉸副 12后下擺臂后轉(zhuǎn)向節(jié)球鉸副 13前束桿后轉(zhuǎn)向節(jié)球鉸副 14后減振器活塞桿車身球鉸副 15后減振器活塞桿后減振器油筒滑動(dòng)副 16后減振器油筒下擺臂萬(wàn)向節(jié)副 17轉(zhuǎn)向節(jié)輪心垂向滑塊點(diǎn)面副 18垂向滑塊副車架垂向滑軌滑動(dòng)副 19后穩(wěn)定桿后副車架旋轉(zhuǎn)副 20后穩(wěn)定桿后連桿萬(wàn)向節(jié)副 21后連桿后擺臂球鉸副

同時(shí)在本懸架DMU基礎(chǔ)上，工程師可以用VB 編程語(yǔ)言對(duì)CATIA 進(jìn)行二次開發(fā)，生成自動(dòng)測(cè)量懸架零部件運(yùn)動(dòng)間隙程序，利用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言調(diào)用 CATIA 自動(dòng)化對(duì)象，自動(dòng)對(duì)懸架零部件的運(yùn)動(dòng)間隙進(jìn)行測(cè)量，并繪制成曲線圖[4]。

圖4 零件約束圖

圖5 驅(qū)動(dòng)仿真圖

圖6 校核運(yùn)動(dòng)件間隙圖

4.2 應(yīng)用二：制作輪胎包絡(luò)支持

車輛行駛過程中車輪上下前后運(yùn)動(dòng)。本模型可生成輪胎包絡(luò)，用于車身設(shè)計(jì)和造型設(shè)計(jì)，如圖7所示。

圖7 輪胎包絡(luò)圖

通過對(duì)輪胎與輪罩間隙設(shè)計(jì)的因素進(jìn)行研究分析和整車耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，工程師可以制定輪胎包絡(luò)規(guī)范，預(yù)防新車型輪胎撞擊輪罩[5]。

4.3 應(yīng)用三：輸出輪心坐標(biāo)和四輪定位參數(shù)

輸出輪心和擺臂硬點(diǎn)位置，如圖8所示；輸出車輪行程和外傾角關(guān)系圖，如圖9所示。輸出調(diào)整偏心螺栓后的外傾角和前束角。

圖8 輪心位置圖

圖9 車輪行程和外傾角關(guān)系圖

本DMU模型可用于設(shè)計(jì)四輪定位目標(biāo)值和公差，預(yù)防車輛跑偏。避免車輛行駛跑偏造成的啃胎和輪胎磨損。駕駛員不需要長(zhǎng)期在方向盤上施加一個(gè)與跑偏方向相反的作用力，避免了駕駛員疲勞[6]。

4.4 應(yīng)用四：懸架載荷分析

通過DMU獲取車輪彈簧減振器的杠桿比，在得知軸荷、零件剛度等參數(shù)下，可計(jì)算車輪、彈簧緩沖塊的受力載荷，支持懸架零部件設(shè)計(jì)。如圖10所示。

圖10 車輪行程-載荷關(guān)系圖

5 結(jié)論

本文旨在解決汽車設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問題，校核零部件間隙，制作輪胎包絡(luò)，提取四輪定位參數(shù)曲線，計(jì)算零部件載荷。

本文從理論力學(xué)和機(jī)械原理角度，通過計(jì)算構(gòu)件數(shù)量，計(jì)算運(yùn)動(dòng)副數(shù)量，計(jì)算空間自由度，解釋了后懸架機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理。同時(shí)本文詳細(xì)介紹了汽車五連桿后懸架DMU建模方法。

本文實(shí)用性強(qiáng)，在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 俞海平.汽車底盤懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2022(11):20-22.

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Mechanical Motion Analysis and DMU Simulation of Automotive Five-link Rear Suspension

JIA Weizhen1, MA Zuguo2, CHEN Hongzheng2, YU Jiang2

( 1.Hangzhou Branch, Ningbo ZEEKR Intelligent Technology Company Limited, Hangzhou 310051, China;2.ZEEKR Automobile (Ningbo Hangzhou Bay New Zone) Company Limited, Ningbo 315336, China )

This article introduced the structure, mechanical motion principle, suspension motion modeling, and digital mock-up (DMU) model application of the automotive chassis five-link rear suspension. This article analyzed the mechanical motion principle of the automotive five-link rear suspension from a theoretical point of view, calculated the number of components, calculated the number of motion pairs, and calculated the degree of freedom of space. This article detailed the CATIA DMU kinematic modeling process, including input parameters, creating parts, creating constraints, and creating drive simulations. This article used the suspension DMU model to solve the practical problems of automotive chassis design, including checking the clearance of each moving part to prevent part collision interference. Make tire sports envelopes to support body styling. Output the wheel displacement and camber relationship diagram to determine whether the vehicle had excellent kinematic characteristics. Output wheel toe angle and camber adjustment range. Obtain the lever ratio of the movement of the wheel center, spring, and shock absorber, and calculate the load of the suspension part to support the suspension design. This article has a wide application value in the field of automotive design.

Five-link suspension; Mechanical principle; Degree of freedom; DMU simulation;Automotive chassis;Mechanical motion analysis;CATIA

U463.33+1

A

1671-7988(2022)21-102-06

U463.33+1

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.019

賈威振（1989—），男，工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P懸架集成研發(fā)，E-mail:jiaweizhen1989@163.com。