擺桿式非獨(dú)立后懸架Adams/Car建模及動(dòng)力學(xué)研究

張三川，褚 錚，王婷婷

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001)

擺桿式非獨(dú)立后懸架Adams/Car建模及動(dòng)力學(xué)研究

張三川，褚 錚，王婷婷

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引言

大型場(chǎng)館特勤車能夠在出現(xiàn)如火災(zāi)、地震等突發(fā)事故時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)展開救援，因此正在成為許多重要場(chǎng)館的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急裝備配置，如2008年北京奧運(yùn)會(huì)水立方鳥巢就引進(jìn)了北極貓研發(fā)的微型消防車。

場(chǎng)館特勤車往往需要攀爬樓梯，存在劇烈顛簸工況，但目前，國(guó)內(nèi)的小型消防特勤車多采用鋼板彈簧懸架[1]，減震效果與越障能力不盡理想。擺桿式非獨(dú)立后懸架的減振性能突出，多用于輕載和有越野要求的車輛設(shè)計(jì)中，因此本文選用此種懸架。由于目前還少見該種懸架的Adams/Car模版研究成果，因此本文擬在Adams/Car模塊中，通過(guò)建模和動(dòng)力學(xué)仿真分析，提出擺桿式非獨(dú)立懸架的新的設(shè)計(jì)方法，完成為特勤車懸架的主副彈簧形式優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論技術(shù)支持。

1 擺桿式懸架動(dòng)力學(xué)模型建立與優(yōu)化

1.1 懸架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

1.1.1 約束簡(jiǎn)化與自由度

Adans/Car中的約束種類可分為鉸鏈約束（joint）和橡膠襯套約束（bushing），通過(guò)定義不同的鉸鏈連接方式，所建立的模型可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析或彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[2]。對(duì)于本文所要進(jìn)行的模型仿真分析，需要將擺桿式懸架各約束簡(jiǎn)化為鉸鏈約束。

場(chǎng)館特勤車的擺桿式非獨(dú)立后懸架結(jié)構(gòu)及鉸接定義情況如圖1所示，它由擺動(dòng)臂（縱向推桿）、一體式車軸、減震器和彈簧等構(gòu)成。其中：一體式車軸與擺動(dòng)臂固連，且隨擺動(dòng)臂一起上下擺動(dòng)；減震器下活塞桿與上活塞桿之間能夠沿同一軸線產(chǎn)生相對(duì)位移；減震器下活塞桿與一體式車軸鉸接，可繞車軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 懸架結(jié)構(gòu)與約束簡(jiǎn)化

為了使分析更加簡(jiǎn)便明了，將輪轂與車軸的聯(lián)接點(diǎn)簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)鉸1，擺動(dòng)臂（縱向推桿）與車架的聯(lián)接點(diǎn)簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)鉸2，車軸與擺動(dòng)臂的聯(lián)接視為固定連接，減震器上活塞桿和車架的聯(lián)結(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為hooke鉸1，減震器下活塞桿和車軸的聯(lián)接點(diǎn)簡(jiǎn)化為hooke鉸2。1/2后懸架各鉸鏈的約束類型和個(gè)數(shù)如表1所示。

為了驗(yàn)證所建立模型的正確性，需要對(duì)自由度進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。根據(jù)自由度的計(jì)算公式，1/2懸架的自由度為2。分別為：輪轂繞車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；車軸相對(duì)擺動(dòng)臂與車架鉸鏈間的上下擺動(dòng)。這兩個(gè)自由度恰為懸架正常工作所需自由度，且沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)約束。從而說(shuō)明懸架的約束簡(jiǎn)化是正確的。

表1 后懸架鉸鏈約束參數(shù)

1.1.2 彈簧剛度優(yōu)化

由于特勤車的特殊需求，車體空載和滿載數(shù)值差別較大，為了能進(jìn)一步提升后懸架的力學(xué)性能，將擺桿式非獨(dú)立后懸架彈簧改為主副彈簧復(fù)合懸架。主簧式中處于工作狀態(tài)，當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，副簧介入從而使彈簧總剛度增大。為了確定副簧參加工作時(shí)，載荷在主副簧之間的剛度分配，并使副簧參加工作前后的懸架振動(dòng)頻率變化不大，在此采用比例中項(xiàng)法設(shè)計(jì)[5]。

設(shè)特勤車空載載荷為F0、滿載載荷為Fw，副簧介入時(shí)的載荷為FK，并假設(shè)當(dāng)使副簧開始介入時(shí)的撓度δα等于特勤車空載時(shí)懸架的撓度δ0，而使副簧開始介入前一瞬間的撓度δc等于滿載時(shí)懸架的撓度δK。由文獻(xiàn)[5]可得主簧剛度為：

式中，F(xiàn)0為車輛空載時(shí)的懸架載荷，i懸架的杠桿比，α為彈簧安裝角度；

當(dāng)主副彈簧共同介入時(shí)，彈簧總剛度為：

取滿載載荷與空載載荷之比為μ，可得副簧剛度：

因此，主簧端面與副簧端面之間的間隙，即長(zhǎng)度之差為：

1.2 擺桿式后懸架通用模板建立

由于擺桿式非獨(dú)立后懸架多應(yīng)用于越野車輛，Adams/Car中尚沒(méi)有相近的模板，必須由作者在模版模式下完成模板的建模。開發(fā)完成的擺桿式非獨(dú)立后懸架如圖2所示。

圖2 后懸架模型

圖3 后懸架測(cè)試平臺(tái)

2 仿真測(cè)試平臺(tái)與仿真參數(shù)

裝配擺桿式后懸架子系統(tǒng)和懸架測(cè)試平臺(tái)，得到可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析虛擬樣機(jī)模型，仿真測(cè)試平臺(tái)如圖3所示。

采用左右車輪同向激振的仿真實(shí)驗(yàn)方法，車輪初始位置為靜平衡位置，將跳動(dòng)范圍參數(shù)設(shè)為[-100mm，100mm]，以此分析得出懸架剛度、俯仰剛度等參數(shù)與車輪跳動(dòng)行程之間的關(guān)系[3]。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 車輪外傾角和前束角

圖4為車輪外傾角和前束角仿真結(jié)果。

圖4 車輪外傾角與前束角隨車輪跳動(dòng)量關(guān)系曲線

從圖4可知：在車輪上下跳動(dòng)100mm行程過(guò)程中，車輪外傾角和前束角均無(wú)變化，曲線成為近似為一條水平線。原因在于此后懸架采用了非半軸，在車輪跳動(dòng)過(guò)程中，車軸與輪轂的相對(duì)角度沒(méi)有發(fā)生變化。這種非半軸結(jié)構(gòu)能使特勤車在劇烈的工況下減少輪胎磨損。

3.2 懸架系統(tǒng)

3.2.1 主副彈簧優(yōu)化

彈簧剛度模型仿真參數(shù)為：F0=1320N；FW=2340N；f0=1.3；i=1；α=30o。

圖5 彈簧優(yōu)化前后剛度曲線

3.2.2 懸架系統(tǒng)優(yōu)化

懸架系統(tǒng)特性曲線的切線的斜率是懸架剛度，它反映了懸架在外力作用下懸架的運(yùn)動(dòng)情況，它不僅與懸架系統(tǒng)的彈性元件和阻尼元件有關(guān)，而且還在很大程度上取決于懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置情況[4]。懸架優(yōu)化前的剛度曲線如圖6所示。

圖6 懸架剛度曲線

由圖6可見，在0點(diǎn)（平衡位置）附近的剛度值比較小，而在兩端的剛度值呈上升趨勢(shì)。顯然，它與懸架支撐減震器的布置形狀有關(guān)（如圖7所示）。

圖7 后懸架仿真示意圖

由圖7可見，減震器隨著車輪位置的上升或下降，對(duì)車體的支撐角度α（彈簧減振器所在軸線與鉛垂方向的夾角）也發(fā)生變化。車輪上跳，彈簧被壓縮，彈簧力（彈簧力垂直分量系數(shù)為cosα）增大，而減震器支撐角度α也從約30o增大到約40o，由于余弦函數(shù)在這一區(qū)間為單調(diào)遞減函數(shù)，故懸架在上跳到100mm時(shí)的剛度要小于回彈至-100mm的剛度。

圖8 優(yōu)化前后懸架剛度(上)及俯仰剛度(下)曲線

對(duì)優(yōu)化后的懸架彈簧在Adams中再次進(jìn)行同向激振仿真，得到仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8所示曲線可以看出，后懸架剛度在上跳過(guò)程中有了明顯提升，能夠更好地應(yīng)對(duì)高負(fù)載工況，并且其他受到外力作用下的形變減小。同時(shí)，還可看出上跳時(shí)的俯仰剛度也有較為明顯提高, 增強(qiáng)了抗點(diǎn)頭性能，可更好地滿足汽車平順性需求。

4 結(jié)論

對(duì)某特勤車的擺桿式非獨(dú)立后懸架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與簡(jiǎn)化，建立了Adams/Car動(dòng)力學(xué)仿真模型。豐富了Adams/Car懸架模板庫(kù)。

通過(guò)對(duì)后懸架的彈簧剛度進(jìn)行主副彈簧計(jì)算和動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果表明，采用主副彈簧的優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)可以獲得：

1)懸架上跳時(shí)剛度曲線上升趨勢(shì)較改動(dòng)前明顯, 其非線性特性加強(qiáng),使懸架在滿載時(shí)也具有良好的剛度特性；

2)懸架上跳時(shí)俯仰剛度也有較為明顯的改善, 抗點(diǎn)頭性能得到提高，能更好地滿足汽車平順性需求。

[1]http://baike.soso.com/h45857144.htm。

[2]海辰光.雙連桿后懸架模板的開發(fā)及仿真分析[D].吉林:吉林大學(xué),2007.

[3]陳軍.MSC.Admas技術(shù)與工程分析實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008:114-115.

[4]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[5]周長(zhǎng)城.汽車平順性與懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[6]MSC.Getting Starting Using Admas/ Car,Version 2003.

[7]MSC.Admas/Car Training Guide,Version 12.0.

Modeling and dynamics simulation of the swing type rigid axle rear suspension with main and auxiliary spring based on Adams/Car

ZHANG San-chuan，CHU Zheng，WANG Ting-ting

針對(duì)一種大型場(chǎng)館電動(dòng)特勤車的擺桿式非獨(dú)立后懸架進(jìn)行了Adams/Car模型開發(fā)創(chuàng)建，豐富了Adams/Car懸架模板庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，采用同向激振分析對(duì)此后懸架進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真與分析。結(jié)果表明：根據(jù)車輛類型和參數(shù)以及懸架的前后載荷比、撓度與偏頻等對(duì)懸架添加副彈簧，可以使懸架的彈性特性得到改善。

Adams/Car仿真；非獨(dú)立后懸架；動(dòng)力學(xué)分析；主副彈簧

張三川（1962 -），男，教授，博士，研究方向?yàn)槌⑿碗妱?dòng)汽車和大型綠色選冶裝備先進(jìn)制造技術(shù)。

U463.3

A

1009-0134(2014)06(上)-0080-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).23

2014-03-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAG02B04）