基于雙橫臂式懸架系統(tǒng)的第三彈簧裝置運動力學(xué)分析

倪小堅

基于雙橫臂式懸架系統(tǒng)的第三彈簧裝置運動力學(xué)分析

倪小堅

（梧州職業(yè)學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，廣西 梧州 535000）

由于雙橫臂獨立懸架結(jié)構(gòu)并不能完全解決垂直與側(cè)傾線剛度解耦結(jié)構(gòu)的問題，操縱穩(wěn)定性與平順性之間的切換空間就非常有限。為了能夠增加高性能車的操縱穩(wěn)定性，改善汽車在制動點頭以及加速后仰時的俯仰變化幅度，論文主要對某款高性能車的雙橫臂式懸架系統(tǒng)加裝第三根彈簧裝置進(jìn)行設(shè)計，并應(yīng)用ADAMS/Car進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，驗證增加第三彈簧對汽車的縱傾剛度與側(cè)傾剛度之間的影響關(guān)系，為懸架動力學(xué)分析研究提供參考。

第三彈簧裝置；運動力學(xué)分析；ADAMS/Car；雙橫臂式懸架系統(tǒng)

雙橫臂懸架系統(tǒng)具備出色的運動性能，通常安裝在高性能賽車或跑車上，但通常雙橫臂懸架系統(tǒng)往往不能解決懸架的垂直線剛度和側(cè)傾角剛度結(jié)構(gòu)的解耦問題。當(dāng)汽車在制動以及加速過程中，會產(chǎn)生一個使駕駛員向前傾與后仰的過程，過大的俯仰變化不僅影響汽車的操縱性能也降低了駕駛員的駕駛體驗[1]。當(dāng)行駛過較差路況時，會產(chǎn)生顛簸，這時不僅需要一個較低的適乘頻率來控制顛簸，還需要保持更高的乘坐頻率，以保持汽車底板遠(yuǎn)離地面的空氣動力負(fù)荷或高坡。增加第三個彈簧是一個解決方案，除了每個車輪上的行駛彈簧外，還可以添加一個附加彈簧，該彈簧增加整體懸架的整體剛度，但不影響單個車輪顛簸，也能夠改善汽車的俯仰變化率。第三彈簧只在車身縱傾運動時才被壓縮，在車身側(cè)傾運動時不起作用，這樣在調(diào)節(jié)汽車的縱傾剛度時，就不會影響側(cè)傾剛度，實現(xiàn)了汽車縱傾剛度與側(cè)傾剛度的解耦。為了提高整車的操縱穩(wěn)定性，使某款高性能汽車懸架在運動過程中實現(xiàn)線剛度和角剛度的解耦，對某款高性能汽車雙橫臂式懸架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，增加第三彈簧的開發(fā)與研究。

本論文先對某款高性能賽車基于第三彈簧結(jié)構(gòu)懸架進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，根據(jù)仿真結(jié)果曲線對汽車的彈簧剛度進(jìn)行匹配，其次運用 ADAMS/Car 多體動力學(xué)仿真軟件對此懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，驗證第三彈簧所起的作用。

1 雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)剛度計算

雙橫臂懸架系統(tǒng)中彈簧對懸架的線性剛度對側(cè)傾角剛度起到了直接的影響作用[2]。第三彈簧裝置則在原有的雙減震器彈簧面直接增加整車的線性剛度，以此實現(xiàn)懸架剛度的提升，通過以下公式對懸架系統(tǒng)進(jìn)行剛度計算。

前軸單側(cè)懸架乘適剛度為

式中，RF為前軸單側(cè)懸架乘適剛度；F為前懸架偏頻；smlf為前軸單側(cè)簧載質(zhì)量。

后軸單側(cè)懸架乘適剛度為

式中，RR為后軸單側(cè)懸架乘適剛度；R為后懸架偏頻；smlf為后軸單側(cè)簧載質(zhì)量。

前懸架車輪中心剛度為

式中，WF為前懸架輪胎中心剛度；T為輪胎剛度。

后懸架車輪中心剛度為

式中，WR為后懸架輪胎中心剛度。

前懸架彈簧剛度為

式中，SF為前懸架彈簧剛度；f為前懸架傳遞比。

后懸架彈簧剛度為

式中，SR為后懸架彈簧剛度；r為后懸架傳遞比。

2 懸架系統(tǒng)虛擬樣機參數(shù)的獲取與創(chuàng)建

（1）整車參數(shù)。根據(jù)某汽車參數(shù)，表1是該車的整車基本參數(shù)和設(shè)計參數(shù)。

表1 整車基本參數(shù)

（2）懸架建模。對于高性能車而言，硬點坐標(biāo)是指每個零部件的連接點，例如車架焊接吊耳與懸架桿件的連接點?？臻g位置坐標(biāo)以及相關(guān)參數(shù)都是懸架系統(tǒng)建立模型十分關(guān)鍵的要素。本文主要通過三維軟件建立懸架裝配模型。

3 轉(zhuǎn)向機懸架子系統(tǒng)模板的建立

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤、轉(zhuǎn)向柱、中間軸、萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向外殼和轉(zhuǎn)向齒輪齒條的零部件組成[3]。在建模過程中，對零部件進(jìn)行約束，共有五種運動副，采用固定副的有齒輪外殼與車架連接處，恒速副的有中間軸與轉(zhuǎn)向軸，移動副的有齒條與齒條外殼連接處，旋轉(zhuǎn)副的有齒輪與齒條外殼連接處和方向盤與中間軸；圓柱副的有中間軸與轉(zhuǎn)向軸。而建立懸架子系統(tǒng)硬點坐標(biāo)則通過建模軟件測量懸架三維模型，建立高性能車前懸架的子系統(tǒng)模板。

4 懸架動力學(xué)仿真優(yōu)化

4.1 懸架動力學(xué)仿真虛擬樣機創(chuàng)建

ADAMS/Car中可以基于模板直接進(jìn)行建模，在ADAMS/Car多體動力學(xué)仿真軟件中創(chuàng)建懸架虛擬樣機模型需要在軟件中輸入硬點坐標(biāo)[4]。硬點坐標(biāo)可以在三維裝配模型中測量獲得。圖1是根據(jù)設(shè)計建立的汽車前懸架虛擬樣機模型。

圖1 汽車前懸架虛擬樣機模型安裝第三彈簧

4.2 懸架動力學(xué)仿真參數(shù)設(shè)置

在ADAMS/Car里面可以進(jìn)行的懸架仿真主要有雙輪同向跳動仿真，即左右車輪同時遇到障礙物時同時上跳或者下跳的工況，以及雙車輪反向跳動仿真，即車輪在過彎時候側(cè)傾或者單輪遇到障礙物時輪胎的單側(cè)跳動工況。汽車車輪定位前懸架參數(shù)的選取范圍：外傾角–3°～0°，后傾角2°～8°，內(nèi)傾角2°～8°，前束角–2°～2°。

4.3 懸架動力學(xué)仿真與優(yōu)化

4.3.1車輪同向跳動仿真分析

使用ADAMS/Car軟件對懸架系統(tǒng)使用雙輪同向跳仿真分析，從圖2可以看出雙橫臂獨立懸架獨立彈簧與第三根彈簧在隨輪跳發(fā)生的位移變化。獨立彈簧與第三根彈簧在雙輪同跳仿真中，彈簧的變化趨勢一致，都在跟隨輪胎的上跳而壓縮彈簧行程。通過仿真數(shù)據(jù)顯示，第三彈簧在同向輪跳的過程中主要起到增加線性剛度的作用。

圖2 同向輪跳與彈簧壓縮量的關(guān)系

而在反向輪跳仿真分析中，從圖3的仿真數(shù)據(jù)來看，雙橫臂獨立懸架主要提供的是反側(cè)傾力，彈簧的彈性位移為對稱分布。第三彈簧在反向輪跳的過程中也有稍微變化，但是并未受到側(cè)傾力的影響，彈簧長度均勻保持在350 mm左右。

圖3 前懸加裝三彈懸架彈簧的伸縮長度變化

可以看出，從同向仿真結(jié)果與反向仿真結(jié)果來看，增加第三彈簧帶來的整車影響是增加了懸架的垂直線剛度，而對于懸架的側(cè)傾剛度并沒有產(chǎn)生影響。主要原因是當(dāng)?shù)谌龔椈赏ㄟ^搖臂連桿與左右獨立懸架進(jìn)行連接，當(dāng)同向輪跳時，兩側(cè)懸架通過搖臂直接帶動第三彈簧在同向發(fā)生彈簧的位移變化，從而使第三彈簧增加了懸架的垂直線剛度。當(dāng)車輪反向跳動時，獨立懸架對應(yīng)的左右彈簧位移變化是相對運動，連接在左右彈簧之間的第三彈簧的搖臂動作為旋轉(zhuǎn)而沒有發(fā)生位移，所以對于懸架的側(cè)傾線剛度并產(chǎn)生任何影響。

4.3.2制動過程仿真分析

對裝有第三彈簧的整車進(jìn)行只改變第三彈簧剛度參數(shù)的制動仿真試驗，由于制動減速度很大程度上受輪胎模型的影響[5]。在仿真參數(shù)中除了第三根彈簧的剛度需要修改之外，其余車上參數(shù)都設(shè)置為默認(rèn)值（性能車的兩根主彈簧剛度和為58.3 N/mm），仿真結(jié)果對比如圖4、圖5所示。

圖5 制動時不同剛度第三彈簧位移變化

根據(jù)以上仿真結(jié)果得出以下分析情況：

（1）從圖4的仿真結(jié)果可以看出某高性能汽車在制動時產(chǎn)生的制動點頭角度為1.78°，在制動極限時的點頭角度為0.518°；仿真結(jié)果表明加裝第三彈簧能夠有效減小汽車在緊急制動情況下的點頭角度。

（2）圖5為制動時不同剛度的第三彈簧發(fā)生的位移變化，綜合上圖可以看出，對于懸架增加第三彈簧在制動過程中的抑制點頭起到了一定作用。

4.3.3直線加速仿真分析

整車在直線加速時仿真情況如圖6所示，在后處理曲線中主要查看的是后懸架的車身后仰角度，從仿真曲線中可以看出，增加第三彈簧的懸架系統(tǒng)車身后仰角度在加速度峰值時要比無第三彈簧懸架系統(tǒng)的角度變化小。圖中虛線為未增加第三彈簧的懸架系統(tǒng)，實線為增加第三彈簧的懸架系統(tǒng)。從直線加速的仿真曲線上來看，增加第三彈簧可以有效改善汽車在急加速時車身的抬頭效果。

圖6 第三彈簧剛度對加速抬頭角度的影響

5 結(jié)論

綜上分析可以得出，同向輪跳仿真時時第三彈簧起到增加線剛度的作用，在角度變化時起到主要的影響作用，在遇到緊急制動的過程中，第三彈簧便起到了較大的作用，因為其剛度越大，車身動撓度越小，車身在制動時向前傾斜的角度越小，可以很好地克服制動點頭的現(xiàn)象。同時在比較特殊的工況下第三彈簧也可以分擔(dān)一部分車重，增加總體的懸架剛度，在直線加速過程中使后懸架彈簧的壓縮長度的變化減小，使車身受加速度影響的變化姿態(tài)恢復(fù)更快，提高高性能車的響應(yīng)時間。在增加第三彈簧之后，抗加速抬頭的效果也非常明顯，因此第三彈簧裝置有利于提高高性能車的操控性穩(wěn)定性，為懸架動力學(xué)分析研究提供參考。

[1] 張利鵬,段嘉瑤,蘇泰,等.電動輪驅(qū)動汽車空間穩(wěn)定性底盤協(xié)同控制[J].機械工程學(xué)報,2022,58(10):209- 221.

[2] 武冬梅,高寧,劉盛鴻,等.基于ADAMS/CAR的FSAE賽車解耦懸架設(shè)計和仿真研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2020,42(6):77-84.

[3] 邵非,李傳昌,徐華源.大學(xué)生方程式賽車轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計與優(yōu)化[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2018,32(1):58- 63.

[4] 劉君程,姜家如,宋紹文,等.基于Adams/car板簧工具箱的鋼板彈簧建模及仿真[J].汽車實用技術(shù),2021,46 (4):95-97.

[5] 劉凱華,王慶,李強.裝有互聯(lián)雙橫臂獨立懸架的方程式賽車仿真分析[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報,2019,31(3): 239-246,252.

Kinematic Mechanics Analysis of the Third Spring Device Based on Double Wishbone Suspension System

NI Xiaojian

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuzhou Vocational College, Wuzhou 535000, China )

Because the double wishbone independent suspension structure can not completely solve the problem of vertical and roll line stiffness decoupling structure, the switching space between handling stability and ride comfort is very limited. In order to increase the handling stability of the high-performance vehicle and improve the pitch change range of the vehicle when braking and accelerating, this paper mainly designs the double wishbone suspension system of a high-performance vehicle equipped with a third spring device, and applies ADAMS/Car to conduct dynamic simulation analysis to verify the influence of adding the third spring on the trim stiffness and roll stiffness of the vehicle. It provides a reference for suspension dynamics analysis.

The third spring device; Kinematic mechanics analysis; ADAMS/Car;Double wishbone suspension system

U463.33

A

1671-7988(2023)03-70-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.013

倪小堅（1993—），男，工程師，研究方向為汽車設(shè)計與制造，E-mail:916986008@qq.com。

2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目（2022KY1497）。