基于剛?cè)狁詈系腅型多連桿K&C特性分析

景立新 吳利廣 曹嬌嬌 李廣

摘 要：通過有限元軟件Hypermesh將E型多連桿后懸架中的下擺臂、上擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架進(jìn)行柔性化，分別導(dǎo)入到 ADMAS/Car軟件中進(jìn)行多體動力學(xué)建模和仿真分析，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，分析得到不同剛?cè)狁詈系牧悴考M合對前束角變化產(chǎn)生較大影響。

關(guān)鍵詞：E型多連桿；ADMAS/Car；剛?cè)狁詈?/p>

中圖分類號：U461.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）01-0035-05

Abstract： The lower swing arm， the upper swing arm， the toe tie rod， the longitudinal arm and the sub-frame in the E-type multi-link rear suspension are flexed by the finite element software Hypermesh.They are imported into ADMAS/Car software for multi-body dynamics modeling and simulation analysis. The simulation results are compared with the experimental results. The analysis shows that the combination of different rigid-flexible components has a great influence on the change of toe angle.

Key Words： E type multi-link； ADMAS/Car； Rigid and flexible coupling

引言

目前，在多體系統(tǒng)就是剛體運(yùn)動的構(gòu)件和彈性變形的構(gòu)件通過約束組成的完整機(jī)械動力系統(tǒng)[ 1]。從嚴(yán)格意義上講，在實(shí)際中遇到的絕大多數(shù)工程上的問題都是多體運(yùn)動問題，由于其復(fù)雜性，通常都將多體系統(tǒng)運(yùn)動分析簡化為剛體運(yùn)動分析，但是由于在分析過程中將實(shí)際問題進(jìn)行了簡化，因此其處理結(jié)果會存在誤差[2]。而近幾年，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們開始追求物質(zhì)生活，對汽車代步功能已經(jīng)不再滿足，而對汽車舒適性和其行駛穩(wěn)定性有了進(jìn)一步要求。這對底盤的舒適性和其操縱穩(wěn)定性有了直接要求，因此傳統(tǒng)的應(yīng)用較好的獨(dú)立懸架已經(jīng)越來越不能夠滿足人們的要求，于是E型多連桿式的獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)的采用成為熱門。因此，本文的主要目的是根據(jù)ADAMS軟件建立的汽車后懸架的剛?cè)狁詈系哪Ｐ停瑢ζ洳煌桨傅鸟詈夏Ｐ瓦M(jìn)行分析，確定其剛?cè)狁詈系淖罴逊桨竅3]。

1 多連桿后懸架模型分析

1.1 E型多連桿懸架結(jié)構(gòu)分析

E型多連桿懸架的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其組成有下擺臂、上擺臂、前束拉桿以及縱臂組成。

橫向的連桿分別與副車架和后轉(zhuǎn)向節(jié)相連接，主要功用一是調(diào)整整車四輪的定位參數(shù)；二是調(diào)整最佳的主銷后傾角的位置，加大汽車后懸架的側(cè)向剛度，很大程度上的降低路面對汽車的側(cè)向沖擊力?？v臂分別與車身和制動角總成連接，其主要功用是加大汽車后懸架的縱向剛度，很大程度上降低路面對汽車的前后方向力。

副車架是作為汽車后懸架的主要結(jié)構(gòu)件，與汽車車身剛性連接，是車身與下擺臂、上擺臂和前束拉桿相連的橋梁，主要承載汽車分配到后懸架的載荷，加大了后懸架的支撐架的剛度，從而改善汽車懸架的的平順性，也確保了車輛直線行駛的穩(wěn)定性，確保汽車乘坐的舒適性。螺旋彈簧作為彈性元件其主要功用一是緩和沖擊，二是承受和傳遞垂向力；減震器主要是對不平路面所造成的震動進(jìn)行緩沖[4]。

1.2 E型多連桿后懸架K&C;特性分析

汽車懸架系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)主要由懸架運(yùn)動學(xué)和懸架彈性運(yùn)動學(xué)（Kinematics &Compliance;，K&C;）組成。其中懸架運(yùn)動學(xué)的主要研究內(nèi)容是汽車車輪的定位參數(shù)和汽車懸架的垂直剛度特性在行駛過程中由于懸架彈簧變形和轉(zhuǎn)向而引起的變化；而懸架彈性運(yùn)動的主要研究內(nèi)容是車輪的定位參數(shù)和懸架的垂直剛度特性在汽車行駛過程中由于車輪與地面之間的力和力矩而產(chǎn)生的變化。懸架K特性主要與汽車的乘坐舒適性相關(guān)，C特性影響汽車的操穩(wěn)性。懸架K&C; 特性主要工況包含平行輪跳工況、側(cè)傾工況、同向（反向）側(cè)向力工況、同向（反向）回正力矩工況、縱向力工況、轉(zhuǎn)向工況。相關(guān)參數(shù)主要涉及前束角變化、側(cè)傾剛度變化、懸架側(cè)傾中心高度等參數(shù)[5]。

汽車車輪前束角（Toe），具體是指從車的正上方看，車輪的前端所在平面和車輛從線所在平面的夾角，如圖2所示。從汽車后方向前看，車輪的Toe角與汽車輪胎的側(cè)向偏角一樣大，如圖3所示[6]。因此，為確保車輛能夠準(zhǔn)確的沿直線行駛，一般都會設(shè)置一定的前束角。而且為不使汽車輪胎有側(cè)向偏角導(dǎo)致在行駛的過程中其輪胎磨損較大，汽車的前束角的變化不應(yīng)太大。

2 E型多連桿懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ徒?/p>

本文分析用到的后懸架形式為E型多連桿獨(dú)立懸架。在汽車行駛過程中，其懸架的主要功用是作為車輪與車身的橋梁，將車輪上承受的不同方向上的力和力矩傳遞到汽車車身上，懸架由于承載了這些力和力矩會產(chǎn)生變形，通過將上擺臂、下擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架進(jìn)行柔化[7]如圖4所示，并進(jìn)行不同形式的組合，分別進(jìn)行K&C;特性仿真分析。

將通過相關(guān)軟件將上擺臂、下擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架柔化后導(dǎo)入到汽車后懸架的ADAMS模型中，其模型如圖5所示：

為了分析后懸架各結(jié)構(gòu)件（上擺臂、下擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架）對懸架K&C;特性的影響，本文首先對將上述所有結(jié)構(gòu)件均進(jìn)行柔性化，這樣各零部件在仿真中均考慮了變形，更符合實(shí)際情況，分析結(jié)果也證實(shí)了全部柔性化后的模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度很好。基于篇幅限制，以及本文主要目的是論證各結(jié)構(gòu)件柔性化對懸架K&C;特性的影響，因此暫不對驗(yàn)證過程進(jìn)行描述。

為了研究各結(jié)構(gòu)件柔性化對懸架K&C;特性的影響，本文借鑒DOE（Design Of Experiment）的思想，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1：

在柔性化的模型基礎(chǔ)上，分別對各結(jié)構(gòu)件（上擺臂、下擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架）進(jìn)行剛性化處理，分析對懸架K&C;特性的影響。

3 E型多連桿剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯壹躃&C;特性的影響分析

本文分別從K特性和C特性方面來論證E型多連桿剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯壹躃&C;特性的影響。

3.1 E型多連桿剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯壹蹸特性的影響分析

在同向縱向力工況下包括制動力、驅(qū)動力和滾動阻力，其中對車輪前束角影響最大的是制動力。同向縱向力工況下，剛?cè)狁詈系暮髴壹軐ζ淝笆堑挠绊懭鐖D6所示。從圖中可得model_longitidunal曲線與試驗(yàn)曲線model_all斜率相差較大，其它曲線與試驗(yàn)曲線斜率相差較小，因此可以得出，在相同縱向力下有剛性縱臂的后懸架的前束角變化較小，影響懸架對應(yīng)C特性以及整車橫擺力矩、車輛行駛穩(wěn)定性的分析精度。

同向側(cè)向力工況下，剛?cè)狁詈系暮髴壹軐ζ淝笆堑挠绊懭鐖D7所示，從方案的仿真數(shù)據(jù)與某車型試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，model_longitidunal曲線與model_all曲線斜率相差較大，其他曲線與試驗(yàn)曲線斜率相差較小，在相同側(cè)向力下有剛性縱臂的后懸架的前束角變化較小，影響懸架對應(yīng)C特性以及整車回正力矩變化等分析精度。

反向側(cè)向力工況下，剛?cè)狁詈系暮髴壹軐ζ淝笆堑挠绊懭鐖D8所示，從方案的仿真數(shù)據(jù)與某車型試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，model_longitidunal曲線和model_subframe曲線均與model_all曲線斜率相差較大，其他曲線與試驗(yàn)曲線斜率相差較小，因此可以得出，剛性縱臂和副車架的懸架會影響懸架對應(yīng)C特性以及到汽車的直線行駛性能分析精度。

同向回正力矩工況下，剛?cè)狁詈系暮髴壹軐ζ淝笆堑挠绊懭鐖D9所示，從方案的仿真數(shù)據(jù)與某車型試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，model_longitidunal曲線和model_subframe去向均與model_all曲線斜率相差較大，其他曲線與試驗(yàn)曲線斜率相差較小，因此可以得出，有剛性縱臂和副車架的懸架模型會影響輪胎接地印跡、輪胎拖距等分析精度，進(jìn)而影響車輛的不足轉(zhuǎn)向特性等分析精度。

圖6-9中曲線數(shù)據(jù)也表明，在同向縱向力、同向側(cè)向力、反向側(cè)向力、同向回正力矩等工況下仿真，上擺臂、下擺臂和前束拉桿分別使用剛性體的曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線相比相差較小。

3.2 E型多連桿剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯壹躃特性的影響分析

平行輪跳工況下，剛?cè)狁詈系暮髴壹軐ζ淝笆堑挠绊懭鐖D10所示，從方案的仿真數(shù)據(jù)與某車型試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比可以發(fā)現(xiàn)，model_longitidunal曲線與model_all曲線斜率的變化相差較大，其它方案曲線在此工況下與試驗(yàn)曲線斜率的變化相差不明顯，因此可以得出：與柔性的后懸架相比，有剛性的縱臂的后懸架在車輪上跳后軸外側(cè)車輪的前束角變化更大，這就使后軸在側(cè)傾時(shí)也具有不足轉(zhuǎn)向性。因此，若仿真使用剛性縱臂，則車輪轉(zhuǎn)向時(shí)的不足轉(zhuǎn)向特性分析精度會受到很大影響，與試驗(yàn)相差較大。

側(cè)傾工況下，剛?cè)狁詈系暮髴壹軐ζ淝笆堑挠绊懭鐖D11和圖12所示，從方案的仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，model_longitidunal曲線與model_all曲線斜率的變化不同，有剛性縱臂的懸架在輪心垂向位移向上時(shí)后輪前束角變化更大，則后輪的外傾角增大，影響懸架對應(yīng)K特性以及整車不足轉(zhuǎn)向特性等分析精度。（外傾時(shí)前束角變化過大，會使汽車輪胎的磨損加劇，進(jìn)而導(dǎo)致汽車輪胎的附著性能變差，而且汽車的行駛性能也會受到一定的影響，剛性的縱臂改變了車輪前束角的正常變化，影響車輪的不足轉(zhuǎn)向特性破壞了汽車行駛時(shí)良好的轉(zhuǎn)向性能。）

從圖11和12中分析可得，上擺臂、下擺臂和前束拉桿分別剛性化的曲線在側(cè)傾工況下與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線相比斜率的變化不明顯，對懸架K&C;特性以及整車操穩(wěn)的影響可以忽略。

4 結(jié)論

通過以上對比分析，可以得出E型多連桿懸架中各結(jié)構(gòu)件對懸架K&C;特性的影響，見表2：

表2中描述了各結(jié)構(gòu)件是否柔性化對懸架K&C;特性的影響，表中空白的表示基本沒有影響；標(biāo)注★越多的，影響越大。其中：上擺臂、下擺臂、前束拉桿柔性或剛性對模型仿真而言影響不大；縱臂和副車架是否柔性化對于懸架的K&C;特性具有較大影響。主要影響車輛前束角變化，剛性的副車架和縱臂降低了車輛的轉(zhuǎn)向性能、直線行駛性能以及輪胎磨損的分析精度。

因此，在進(jìn)行E型多連桿后懸架K&C;仿真分析時(shí)，為使仿真數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，在仿真模型中副車架和縱臂應(yīng)該使用柔性體。

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