趙海賓，趙巍

（1.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，河北 石家莊 050091；2.卓輪（天津）機(jī)械有限公司，天津 300457）

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汽車懸架系統(tǒng)建模與仿真研究

趙海賓1，趙巍2

（1.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，河北 石家莊 050091；2.卓輪（天津）機(jī)械有限公司，天津 300457）

摘 要：汽車懸架系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的多體系統(tǒng)，其構(gòu)件之間的運(yùn)動關(guān)系十分復(fù)雜，這就給使得傳統(tǒng)的計(jì)算方法分析懸架的各種特性帶來許多的困難。因此，懸架的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析在汽車懸架特性的研究中起著重要作用，并為懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了一種先進(jìn)高效快捷的方法。

關(guān)鍵詞：懸架；仿真；優(yōu)化；ADAMS/Car；ADAMS/Insight

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.043

CLC NO.: TH132.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-117-04

引言

本文主要針對國內(nèi)某自主品牌汽車制造廠開發(fā)的某型號SUV前懸架，利用ADAMS/Car建立了前懸架三維實(shí)體模型，并獲取前懸架有關(guān)部件的質(zhì)心、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等質(zhì)量參數(shù)，確定了前懸架的幾何定位參數(shù)、襯套、減震器和扭桿等相關(guān)參數(shù)，對前懸架模型進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真試驗(yàn)。

同時(shí)，運(yùn)用ADAMS/Insight對前懸架進(jìn)行了參數(shù)化分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)，改善原設(shè)計(jì)中部分定位參數(shù)。使得優(yōu)化后車輪外傾角、前束和主銷內(nèi)傾角等參數(shù)有明顯改善，滿足了前懸架的設(shè)計(jì)要求。

1、前懸架模型建立

建立分析模型過程中，ADAMS/Car的建模順序是自下而上，最后進(jìn)行裝配得到前懸架模型，通過試驗(yàn)臺裝配試驗(yàn)，以檢驗(yàn)懸架模型的正確性。

1.1 前懸架基本參數(shù)的確定

表1 前懸架各零件硬點(diǎn)位置

在ADAMS/Car軟件中建立仿真模型時(shí)各零件關(guān)鍵點(diǎn)的位置對建立模型的準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵。通過查閱零件設(shè)計(jì)圖紙和在三維實(shí)體模型上實(shí)際測量，獲得了前懸架中零件關(guān)鍵的位置。表1是前懸架關(guān)鍵點(diǎn)的位置(由于模型左右對稱，表中只列出左側(cè)點(diǎn)的位置)。表中X方向取汽車前進(jìn)方向的相反方向?yàn)檎?，Y方向取汽車右側(cè)為正，Z方向重力方向的相反方向?yàn)檎?。表中單位為mm。

懸架零件的質(zhì)量，一般在設(shè)計(jì)圖上查取。在多體系統(tǒng)動力學(xué)中，只要在運(yùn)動過程中時(shí)刻具有相同運(yùn)動軌跡，并具有特定的聯(lián)系，如通過各種方法固定在一起的零部件，就是一個運(yùn)動部件。一個運(yùn)動部件應(yīng)只有一個共同的質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量。運(yùn)動部件的質(zhì)心與轉(zhuǎn)動慣量的參數(shù)查取，可以通過稱重，計(jì)算，實(shí)驗(yàn)等方法獲得。近年來，隨著CAD技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了確定運(yùn)動部件質(zhì)心，轉(zhuǎn)動慣量的新方法，利用CAD實(shí)體造型軟件，建立零部件的三維實(shí)體模型，之后輸入材料密度等特性參數(shù)，獲得質(zhì)量，質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量。懸架各個部分的質(zhì)量，轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置見表2。

表2 懸架零件質(zhì)量參數(shù)表

1.2 前懸架3D模型

根據(jù)硬點(diǎn)參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)，所建立起來的汽車前懸架模型及其抽象示意圖如圖1所示。

圖1 懸架模型及其示意圖

2、前懸架的仿真結(jié)果分析

ADAMS/Car提供了強(qiáng)大的懸架系統(tǒng)分析功能，如通過車輪的垂直跳動分析前懸架各定位參數(shù)如前束角，車輪外傾角，主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角的變化規(guī)律。通過在輪胎接地點(diǎn)施加側(cè)向力和回正力矩，測量前束角和車輪側(cè)偏角的變化，偏轉(zhuǎn)車輪(橫向平面內(nèi))，測量車輪的轉(zhuǎn)角等。

2.1 前懸架仿真試驗(yàn)

前懸架仿真模型建立好后，就可以對其進(jìn)行分析了。懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真的基本過程如圖2所示。

圖2 懸架仿真過程

2.2 前懸架仿真結(jié)果分析

對前懸架模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和彈性運(yùn)動學(xué)仿真分析，進(jìn)行雙輪同向激振試驗(yàn)，即對其左右側(cè)的車輪輪心處同時(shí)施以平行位移-80mm～80 mm (正值表示車輪向上跳，負(fù)值表示車輪向下跳動)，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

2.2.1 車輪外傾角

車輪外傾角是車輪中心平面和地面垂線的夾角，汽車工程手冊推薦上跳時(shí)，外傾變化為-1～+1°(±50mm)范圍內(nèi)應(yīng)合理選擇懸架的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提高輪胎的側(cè)偏特性。

圖3 前懸架車輪外傾角與輪跳的關(guān)系

如圖3所示，車輪由下向上跳動過程中外傾角由正值向負(fù)值變化，當(dāng)車輪在-50mm時(shí)，外傾角為0.20°，車輪在+50mm時(shí)，外傾角為-1.77°。車輪外傾角在上跳過程中向負(fù)值方向變化過大，超過±1°的范圍，不符合設(shè)計(jì)要求，有待改進(jìn)。

2.2.2 主銷后傾角及后傾拖距

主銷后傾角與主銷后傾拖距一起，保證足夠的側(cè)向力回正力矩，有利于汽車直線行駛。主銷后傾角越大，主銷后傾拖距也越大，則回正力矩的力臂越大，故回正力矩也就越大。一般來說，四輪驅(qū)動車為3～10°，后傾拖距一般為0～30mm。主銷后傾角和主銷后傾拖距仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 前懸架主銷后傾角與輪跳的關(guān)系

圖4的仿真結(jié)果表明，主銷后傾角隨車輪跳動量的變化為4.36～5.36°之間，且在3～10°范圍之內(nèi)，變化較小，符合懸架的設(shè)計(jì)的要求。

圖5 前懸架主銷后傾拖距與輪跳的關(guān)系

圖5是主銷后傾拖距仿真結(jié)果，可以看出，隨車輪上跳，主銷的后傾拖距是逐漸變大的，變化范圍為10.31～22.03mm，而后傾拖距的增加，使回正力矩的力臂變大，因此回正力矩將隨著車輪的上跳而變大，其值在合理的范圍0～30mm內(nèi)，符合懸架的設(shè)計(jì)的要求。

2.2.3 主銷內(nèi)傾角及橫向偏移距

主銷內(nèi)傾角也有使車輪自動回正的作用，其有利用汽車本身的重力使車輪回復(fù)到原來中間位置的效應(yīng)。主銷內(nèi)傾角與主銷橫向偏置距是相關(guān)聯(lián)的，主銷內(nèi)傾有利于橫向偏置距的減小，從而減小轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員在方向上的力，使轉(zhuǎn)向輕便，同時(shí)也可以減小從轉(zhuǎn)向輪傳到方向上的沖擊力。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，大致的范圍是7～13°，希望取較小的值，主銷橫向偏移距為-10～30mm，也希望取較小的數(shù)值。主銷內(nèi)傾角及橫向偏移距結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6是主銷內(nèi)傾角仿真結(jié)果，主銷內(nèi)傾角隨車輪的上跳增加幅度比較大，其值為10.60～14.72°，已經(jīng)超出設(shè)計(jì)的范圍7～13°，所以，該懸架的主銷內(nèi)傾角不符合設(shè)計(jì)要求，需要改進(jìn)。

圖7 前懸架主銷橫向偏移距與輪跳的關(guān)系

圖7主銷橫向偏移距結(jié)果表明，前懸架的主銷橫向偏移距為13.88～23.45mm，在-10～30mm的范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.4 前束

對于汽車前輪，車輪上跳時(shí)的前束值多設(shè)計(jì)成零值或負(fù)值。設(shè)計(jì)值取在零附近時(shí)為了控制直行時(shí)由路面的凹凸引起的前束變化，確保良好的直行穩(wěn)定行。另外，負(fù)前束是為了使裝載質(zhì)量變化而引起車高變化時(shí)，也能保持轉(zhuǎn)向。

在實(shí)際中，在±50mm范圍內(nèi)，其變化為-0.5～0.5°。前束變化與輪跳關(guān)系如圖8所示。

圖8 前懸架前束與輪跳的關(guān)系

圖8的前懸架前束仿真結(jié)果表明，雖然前束值是隨車輪的上跳向負(fù)值變化的，但是在-50mm時(shí)，前束角為0.75°；在50mm時(shí)，前束角為-0.97°，這種變化過大，是不符合設(shè)計(jì)的要求，需要改進(jìn)。

綜上結(jié)果表明，某型號長城前懸架的各定位參數(shù)和性能基本滿足設(shè)計(jì)要求，但車輪外傾角，前束，主銷內(nèi)傾角等參數(shù)有待改進(jìn)。

3、前懸架定位參數(shù)的優(yōu)化

為解決以上問題，用ADAMS/Insight模塊，對這幾項(xiàng)車輪定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使之達(dá)到一個比較理想的值?？紤]對前懸架硬點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，但在優(yōu)化前，首先要對能夠影響定位參數(shù)的懸架硬點(diǎn)位置進(jìn)行參數(shù)化分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)，即考慮在多個硬點(diǎn)位置改變時(shí)，各硬點(diǎn)的坐標(biāo)對懸架參數(shù)的影響。從而可以找到對定位參數(shù)的變化敏感程度較高的硬點(diǎn)坐標(biāo)，然后再以這些硬點(diǎn)坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 前懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)輸出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，對主銷內(nèi)傾角和后傾角影響較大的上下擺臂后點(diǎn)的位置；對車輪外傾角影響較大的是上擺臂后點(diǎn)和下擺臂與車架前點(diǎn)位置；對主銷偏移距影響較大的是上下擺臂的外點(diǎn)位置；對前束影響較大的是橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)外端點(diǎn)的位置。

3.2 優(yōu)化前后仿真結(jié)果的對比

調(diào)整完相關(guān)硬點(diǎn)參數(shù)后，需要改善的懸架指標(biāo)變化范圍合格，參加下列對比。

3.2.1 車輪外傾角

由圖9所示優(yōu)化后車輪外傾角，車輪在上跳過程中外傾角的值由正值向負(fù)值的變化趨勢較優(yōu)化前明顯減小，在輪跳范圍內(nèi)變化值未超出±1°的范圍，優(yōu)化后滿足懸架的設(shè)計(jì)要求。

圖9 優(yōu)化后外傾角變化

3.2.2 主銷內(nèi)傾角

如圖10所示，優(yōu)化后內(nèi)傾角的變化較優(yōu)化前有很大的改善，曲線變化在合理設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

圖10 優(yōu)化后主銷內(nèi)傾角變化

3.2.3 前束

圖11所示優(yōu)化后的前束，在輪跳范圍內(nèi)前束角變化較優(yōu)化前明顯減小，同時(shí)車輪上跳時(shí)，前束值向負(fù)前束方向變化，可使車輛在曲線行駛時(shí)有增加不足轉(zhuǎn)向的趨勢，優(yōu)化后前束滿足懸架的設(shè)計(jì)要求。

圖11 優(yōu)化后前束變化

針對前懸架仿真結(jié)果中不符合設(shè)計(jì)要求的參數(shù)如車輪外傾角、前束角、主銷內(nèi)傾角等進(jìn)行優(yōu)化，利用ADAMS/Insight模塊對能夠影響定位參數(shù)的懸架硬點(diǎn)位置進(jìn)行參數(shù)化分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而找到對定位參數(shù)的變化敏感程度較高的硬點(diǎn)坐標(biāo)。重新進(jìn)行仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明車輪外傾角、前束和主銷內(nèi)傾角較優(yōu)化前有明顯的改善。

4、結(jié)論

動態(tài)仿真是進(jìn)行汽車懸架及整車產(chǎn)品開發(fā)的有效方法，多體系統(tǒng)動力學(xué)的相關(guān)軟件為汽車懸架及整車動力學(xué)提供了功能強(qiáng)大的研究工具，正確的將ADAMS引入懸架及整車的設(shè)計(jì)開發(fā)流程，將會大大的降低開發(fā)資金和縮短開發(fā)試制的周期。

本文的研究對象是汽車前懸架，其性能關(guān)系到汽車操縱穩(wěn)定性，對于整車模型進(jìn)行操縱穩(wěn)定性和平順性仿真很有意義，可為設(shè)計(jì)提供更多、更可靠的依據(jù)。

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The Model Building And Simulation Of The Automobile Suspension System Reserch

Zhao Haibin1, Zhao Wei2
( 1.Department of Automobile Engineering Hebei Jiaotong Vocational &Technical College, Hebei Shijiazhuang 050091; 2. Zollern (Tianjin) Machinery Co., Ltd, Tianjin 300457 )

Abstract:The automobile suspension is a multi-body system and the motion relationship among the parts is very complicated, so it brings many difficulties to compute the various characteristics with traditional methods. The Automobile suspension kinetics and dynamic simulation has been a very critical task in automobile design and development and it provides a rapid and effective method to design automobile suspension.

Keywords:Suspension; Simulation; Optimize; ADAMS/Car; ADAMS/Insight

作者簡介：趙海賓，講師，畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，就職于河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院。研究方向：汽車電子控制技術(shù)及故障診斷。

中圖分類號：TH132.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-117-04