王 南,王 晶,平恩順

(河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院,河北邯鄲056038)

雙橫臂懸架是當(dāng)前汽車上常用的前懸架結(jié)構(gòu)形式,對車輛行駛的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性和安全性等有著重要的影響[1-3]。通過適當(dāng)?shù)剡x擇上下橫臂的長度,并進(jìn)行合理地布置,就可以使輪距及前輪定位參數(shù)變化均在可接受的限定范圍內(nèi),保證汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性[4]。ADAMS軟件是目前廣泛應(yīng)用的汽車動力學(xué)分析軟件,可以方便的對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析;宋傳學(xué)[5]利用ADAMS軟件建立了某皮卡車雙橫臂懸架模型,揭示出了該懸架的運(yùn)動規(guī)律;于海峰[6]利用ADAMS/Car建立了帶有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙橫臂前懸架虛擬樣機(jī)模型,并對其進(jìn)行了仿真分析,修改懸架的各種參數(shù)來對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文運(yùn)用ADAMS建立雙橫臂式懸架模型,對前輪前束角、前輪外傾角等參數(shù)進(jìn)行仿真分析,通過施加輪跳運(yùn)動從而獲得該車輪定位角的變化,對懸架進(jìn)行綜合分析并評價其操縱穩(wěn)定性。

1 建立仿真模型

1.1 簡化前懸架

假設(shè)前懸架關(guān)于整車縱向中心對稱面對稱,因而只需要建立半個前懸架模型,而另一半模型(包括零件、硬點(diǎn)、約束)可由ADAMS/Car自動生成。

在建立雙橫臂懸架時對模型做如下簡化:假定前懸架為一個多剛體系統(tǒng),所有零部件都認(rèn)為是剛體,忽略導(dǎo)向桿件的柔性和變形;輪胎簡化為剛性體;忽略各運(yùn)動副內(nèi)的摩擦力;簧上質(zhì)量根據(jù)質(zhì)心位置按比例分配于前、后車架上。

定義系統(tǒng)模型的絕對坐標(biāo)系時,坐標(biāo)原點(diǎn)為兩側(cè)車輪接地印跡中心點(diǎn)連線之中點(diǎn),車輛行駛方向?yàn)?x軸負(fù)向,y軸為坐標(biāo)原點(diǎn)指向駕駛員右側(cè),z軸則符合右手螺旋法則垂直向上[7]。整個懸架系統(tǒng)由上下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、扭桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車輪和試驗(yàn)臺等組成。

1.2 建立硬點(diǎn)

建立雙橫臂獨(dú)立前懸架模型的關(guān)鍵就是確定硬點(diǎn).根據(jù)某小型轎車雙橫臂懸架的實(shí)際結(jié)構(gòu),逐一創(chuàng)建前懸架左半邊硬點(diǎn)坐標(biāo)值如表1所示,系統(tǒng)自動生成對稱的右半邊硬點(diǎn)。

表1 左側(cè)懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)值Tab.1 Left suspension hard point coordinate value

1.3 建立零件的幾何形體

在運(yùn)動學(xué)分析中,零件的外輪廓直接關(guān)系到機(jī)構(gòu)運(yùn)動校核,因此僅通過空間位置和動力學(xué)參數(shù)來描述零件通常無法檢查其運(yùn)動干涉。在硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上,建立簡單又盡可能接近零件實(shí)際形狀的幾何模型,如圖1所示。

1.4 建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

懸架系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和彈性運(yùn)動學(xué)分析可以在不與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組合的情況下進(jìn)行,考慮到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)可能會發(fā)生相互干涉的情況,在對懸架系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析時,加入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行分析會比較合理。通過對ADAMS/Car軟件中自帶齒輪齒條轉(zhuǎn)向系模板的適當(dāng)改動,作為本設(shè)計的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(圖2)。

1.5 建立懸架試驗(yàn)臺及輪胎仿真模型

懸架試驗(yàn)臺仿真模型采用的是ADAMS/Car軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)懸架測試臺,利用該測試臺可進(jìn)行所有的懸架系統(tǒng)特性分析;輪胎仿真模型采用的是ADAMS/Car懸架測試臺中的標(biāo)準(zhǔn)輪胎,在進(jìn)行仿真時只需給出輪胎的自由半徑、剛度和質(zhì)量等參數(shù)即可完成對輪胎模型的創(chuàng)建。

1.6 定義變量參數(shù)

為了保證汽車具有良好的穩(wěn)定性和平順性,在正常的車輪跳動范圍內(nèi),設(shè)置汽車定位參數(shù)如下:輪胎自由半徑300mm,輪胎剛度200N/mm,簧上質(zhì)量1 400kg,質(zhì)心高度400mm,軸距2 765mm。在本次仿真中,將建立一個虛擬試驗(yàn)臺,以兩側(cè)車輪同向跳動設(shè)置仿真步數(shù)20步,車輪跳動行程為-80～80mm。

1.7 定義約束

前懸架模型中零件間要進(jìn)行正確的運(yùn)動,還必須定義零件間的約束。按照各個零件間的運(yùn)動關(guān)系確定約束類型,通過約束將各個零件連接起來。

1.8 定義組裝

根據(jù)對子系統(tǒng)及總成部件、約束關(guān)系的分析,將建立好的子系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)模式中,并與標(biāo)準(zhǔn)懸掛試驗(yàn)臺總裝在一起組成一個裝配組合,這樣就完成在ADAMS/Car模塊下的建模過程。裝配后的雙橫臂懸架仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

2 仿真結(jié)果與分析

懸架的運(yùn)動學(xué)特性在使用中,通常反映在車輪定位參數(shù)的變化上。車輪定位參數(shù)(前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角及主銷內(nèi)傾角)的值對汽車的使用性能,特別是操作穩(wěn)定性影響很大。

圖4所示為前輪前束角的變化曲線。車輪的前束角的作用主要是減少車輛前進(jìn)時前輪外傾和縱向阻礙力致使前輪前端向外滾開所造成的不良后果;同時可以使汽車行駛時車輪能保持直線運(yùn)動,減少輪胎滾動阻力。由圖可見,前輪前束值的零點(diǎn)正處于平衡位置,對路面不平輸入引起的前束變化控制較好,從而能夠使直線形勢趨于穩(wěn)定。

圖5所示為前輪外傾角的變化曲線。車輪外傾角的設(shè)置對汽車的直線行駛穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向操作性和輪胎磨損都有較大的影響。為此,希望在輪跳時這兩個角度不宜過多的偏離初始值。由圖可見,平衡位置處的車輪外傾角略小于零,約為-0.03°,車輪自下而上跳動的過程中,車輪外傾角逐漸減小,因此符合設(shè)計要求。

主銷后傾角應(yīng)保證車輪具有足夠的側(cè)向力回正力矩,以提高汽車直線行駛的穩(wěn)定性。一般主銷后傾角越大,回正力矩也就越大。要求后傾角具有隨車輪上跳而增加的趨勢[8],這樣可以抵消制動點(diǎn)頭時后傾角減小的趨勢。主銷后傾角與車輪跳動量之間的變化曲線如圖6所示,平衡位置處的主銷后傾角約為7.78°。主銷后傾角隨車輪上跳而增大,使前輪有沿直線行駛的趨勢,從而提高了汽車的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便性。

圖7為主銷內(nèi)傾角的仿真曲線。主銷內(nèi)傾角能夠產(chǎn)生主銷內(nèi)傾距,通過內(nèi)傾距的變化來改善汽車的操縱穩(wěn)定性。由圖可見,平衡位置處的主銷內(nèi)傾角約為9.4°,車輪跳動時,主銷內(nèi)傾角近似成線性變化。作用減少轉(zhuǎn)向操縱力,減少回跳和跑偏現(xiàn)象,改善車輛直線行駛的穩(wěn)定性。

懸架垂直剛度衡量懸架抵抗變形的能力,既是影響操縱穩(wěn)定性又是影響舒適性的重要參數(shù),對振動頻率起作用,對于某些汽車而言,懸架剛度要求在行駛中變化不是很大。懸架剛度隨車輪上下跳動的變化曲線如圖8所示,在平衡點(diǎn)懸架剛度急劇增大。因此在設(shè)計時還需要完善懸架剛度的相關(guān)參數(shù)。

3 結(jié)論

1)在平衡位置處,前輪前束角正處于0點(diǎn);前輪外傾角略＜0,約為-0.03°,主銷后傾角約為7.78°,主銷內(nèi)傾角約為9.4°。車輪自下而上跳動的過程中,前輪前束角、前輪外傾角逐漸減小,主銷后傾角逐漸增大,主銷內(nèi)傾角近似成線性變化,能夠保證汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性,有利于提高仿真精度和設(shè)計效率。

2)仿真模型的動特性與樣車懸架的動特性基本一致,該方法可以準(zhǔn)確地計算懸架的多種性能。試驗(yàn)顯示懸架剛度隨車輪上下跳動的變化曲線較劇烈,影響了乘坐舒適性,因此在懸架剛度參數(shù)方面還有待進(jìn)一步的優(yōu)化完善。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 王南,張慶恒,汽車發(fā)動機(jī)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計[J] .河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,25(4):92-94.

[3] 王南,平恩順,岳龍山,等.基于車路相互作用的動態(tài)特性分析[J] .河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,26(3):63-66.

[4] 李新耀,張印,周良生,等.雙橫臂扭桿懸架的特性分析及設(shè)計計算[J] .汽車工程,2003,25(1):15-19.

[5] 于海峰,于學(xué)兵.基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架優(yōu)化仿真分析[J] .機(jī)械設(shè)計與制造,2007(10):56-58.

[6] 宋傳學(xué),蔡章林.基于ADAMS/Car的雙橫臂獨(dú)立懸架建模與仿真[J] .吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2004,34(4):554-558.

[7] 鄭建榮.ADAMS—虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[8] 蘇建成,朱華,彭生輝.基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架仿真與優(yōu)化[J] .機(jī)械設(shè)計與制造,2009,5(5):137-139.