剛?cè)狁詈戏€(wěn)定桿模型對懸架側(cè)傾剛度影響分析

李 琤

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與軌道學(xué)院，安徽 蕪湖241002）

懸架的側(cè)傾剛度，是在車輛發(fā)生側(cè)傾時(shí)，單位車輛轉(zhuǎn)角下，懸架系統(tǒng)給車輛的總恢復(fù)力，懸架側(cè)傾剛度是影響汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的主要因素之一[1]，它還直接影響到汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的其他一些性能指標(biāo)，如不足轉(zhuǎn)向度、中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)、側(cè)向加速度等[2]。汽車懸架系統(tǒng)中的橫向穩(wěn)定桿部件，是底盤零部件中在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，能提供防止車輛橫向側(cè)傾、提高車輛行駛平順性能的輔助彈性元件。懸架的側(cè)傾剛度應(yīng)保證汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)車身側(cè)傾不致過大，使乘客感到安全、穩(wěn)定，還應(yīng)使駕駛員具有良好的路感，確保安全、高速行駛[3]。

由于建模方法的不同，傳統(tǒng)的非線性梁穩(wěn)定桿建模方法，將穩(wěn)定桿視作剛性體用于懸架系統(tǒng)分析，而建模方法不同，對懸架系統(tǒng)的側(cè)傾分析的準(zhǔn)確度影響也會不同[4]。本文以ADAMS/Car 軟件為平臺，通過建立麥弗遜前懸架模型，分析橫向穩(wěn)定桿對懸架側(cè)傾剛度的貢獻(xiàn)度。

1 ADAMS懸架模型參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 ADAMS虛擬樣機(jī)懸架建模

ADAMS/Car軟件以多體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，在虛擬樣機(jī)中建立麥弗遜前懸架系統(tǒng)模型。懸架系統(tǒng)模型主要由前懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、穩(wěn)定桿子系統(tǒng)組成[5]。

建立前懸架子系統(tǒng)時(shí)，按照ADAMS/Car軟件基本的建模流程搭建的麥弗遜前懸架子系統(tǒng)如圖1（a）所示。同時(shí)，為了使仿真分析更接近實(shí)車情況，也需要同步建立轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型。動(dòng)力從方向盤輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)向管柱、連接襯套、轉(zhuǎn)向軸，再到齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)。建立的轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型，如圖1（b）所示。

圖1 懸架系統(tǒng)模型的子系統(tǒng)模型

1.2 非線性梁方法建立穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型

使用非線性梁（Nonlinear beam）方法建立穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型，是在ADAMS/Car 中常見的傳統(tǒng)方法。根據(jù)橫向穩(wěn)定桿的CATIA模型數(shù)據(jù)，標(biāo)定穩(wěn)定桿總成的硬點(diǎn)。如表1所示。

表1 穩(wěn)定桿模型硬點(diǎn)參數(shù)/mm

通過非線性梁，構(gòu)建穩(wěn)定桿的主體。再依次建立零件、安裝件、運(yùn)動(dòng)副和通訊器。建好的非線性梁穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型如圖2所示。由于穩(wěn)定桿是左右對稱件，硬點(diǎn)hpl_HP_1 至hpl_HP_23 是穩(wěn)定桿的左側(cè)點(diǎn)，Type 形式為“Left”。hpl_HP_0 為中心點(diǎn)，TYPE形式為“Single”[6]。

圖2 非線性梁穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型

1.3 麥弗遜前懸架系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

對麥弗遜前懸架進(jìn)行Simulation 的雙輪反向激振試驗(yàn)，分析其側(cè)傾剛度。設(shè)置懸架系統(tǒng)仿真參數(shù)對試驗(yàn)有重要影響。而采用真實(shí)車型數(shù)據(jù)，能提高仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。本車型是前置前驅(qū)形式，所以Drive Ratio（% Front）數(shù)值為100 %，其他懸架設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。仿真后數(shù)據(jù)處理在ADAMS/Post Processor模塊中可以查看[7]。

表2 懸架仿真設(shè)置參數(shù)

2 建立穩(wěn)定桿子系統(tǒng)柔性體模型

2.1 使用HYPERMESH建立穩(wěn)定桿柔性體模型

橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)另一種建模方法是通過Hyper-Mesh軟件對其三維數(shù)模進(jìn)行有限元分析處理，再生成MNF 文件導(dǎo)入ADAMS/Car 中[8]。具體建模流程如圖3所示。

建模過程中，兼顧模型精細(xì)程度和運(yùn)算速度，網(wǎng)格大小設(shè)置為4。在本模型中，最終創(chuàng)建11 225個(gè)節(jié)點(diǎn)和44 675個(gè)元素，如圖4（a）所示。

劃分網(wǎng)格之后，需要建立硬點(diǎn)并建立剛性連接。硬點(diǎn)在模型中需要建立固定襯套點(diǎn)和與球頭銷的連接點(diǎn)，共4點(diǎn)，如圖4（b）所示。硬點(diǎn)坐標(biāo)如表3所示。對創(chuàng)建硬點(diǎn)進(jìn)行剛性連接，連接形式為REB2，同時(shí)部件設(shè)置參數(shù)。參數(shù)設(shè)置如表4所示。建立載荷步中，為了和ADAMS匹配，選用CMSMETH模態(tài)綜合法。完成上述設(shè)置后，創(chuàng)建約束，如圖4（d）所示，并提交分析運(yùn)算。

圖3 HyperMesh建模流程圖

圖4 HyperMesh處理過程

表3 柔性體穩(wěn)定桿模型硬點(diǎn)參數(shù)/mm

表4 柔性體材料屬性參數(shù)

2.2 運(yùn)用ADAMS/Flex驗(yàn)證模型有效性

完成建模，生成MNF 柔性體文件之后，運(yùn)用ADAMS/Flex 模塊，驗(yàn)證柔性體模型的有效性。接著，導(dǎo)入模型，運(yùn)算驗(yàn)證，得到生成的柔性體模型質(zhì)量約為4.0 kg，模型質(zhì)心位置x=75.152，y=-0.002，z=-45.173，數(shù)據(jù)與CATIA 三維模型中實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致，生成的柔性體模型有效。

2.3 使用MNF 模型建立ADAMS 穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型

將生成的MNF模型導(dǎo)入ADAMS軟件，建立柔性體穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型。建立的流程依次按照導(dǎo)入柔性體MNF 文件、建立穩(wěn)定桿關(guān)鍵硬點(diǎn)、建立一般零件、建立安裝件、建立運(yùn)動(dòng)副和匹配通訊器進(jìn)行。其中，穩(wěn)定桿關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)同HyperMesh 軟件中設(shè)定坐標(biāo)一致。穩(wěn)定桿子系統(tǒng)中的輸入通訊器需要和前懸架子系統(tǒng)中的輸出通訊器匹配一致。最終得到的柔性體穩(wěn)定桿子系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 柔性體穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型

3 不同穩(wěn)定桿模型對懸架系統(tǒng)側(cè)傾剛度的影響分析

3.1 穩(wěn)定桿系統(tǒng)對懸架側(cè)傾剛度的貢獻(xiàn)

穩(wěn)定桿的主要功能和作用是增加車輛懸架的側(cè)傾剛度，減小車身側(cè)傾角，提高車輛側(cè)傾工況下的操穩(wěn)性能。本文選用直徑為22 mm 的實(shí)心穩(wěn)定桿，對懸架側(cè)傾剛度的影響展開研究，通過無橫向穩(wěn)定桿的懸架系統(tǒng)和有穩(wěn)定桿的懸架系統(tǒng)雙輪反向激振仿真，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。

在后處理模塊中，選用車輪中心的角度為橫坐標(biāo)，車身的側(cè)傾剛度為縱坐標(biāo)，觀察穩(wěn)定桿對懸架側(cè)傾剛度的貢獻(xiàn)率，如圖6所示。

圖6 有無穩(wěn)定桿對懸架側(cè)傾剛度影響曲線圖

圖6中，實(shí)線為無穩(wěn)定桿的懸架系統(tǒng)側(cè)傾剛度隨輪心角度的變化曲線，虛線為有穩(wěn)定桿的懸架系統(tǒng)側(cè)傾剛度隨輪心角度的變化曲線。無穩(wěn)定桿時(shí)側(cè)傾剛度為1 244.6 N·m/deg，有穩(wěn)定桿時(shí)側(cè)傾剛度值為2 132.1 N·m/deg，對懸架側(cè)傾剛度貢獻(xiàn)率為（2 132.1～1 244.6）/2 132.1=41.63 %。本車型設(shè)計(jì)中，彈簧貢獻(xiàn)率為33.77%，則裝配有穩(wěn)定桿的車型，對懸架側(cè)傾剛度的貢獻(xiàn)率是彈簧貢獻(xiàn)率的1.23 倍，即穩(wěn)定桿是底盤系統(tǒng)中，對懸架系統(tǒng)側(cè)傾剛度起主要作用的零部件。

3.2 不同穩(wěn)定桿模型對懸架系統(tǒng)側(cè)傾剛度影響的對比分析

在進(jìn)行汽車側(cè)傾剛度分析建模時(shí)，運(yùn)用懸架的剛性體模型進(jìn)行仿真，所反映出的側(cè)傾性能與汽車實(shí)際情況相差太大，為了提高仿真的準(zhǔn)確性與精度，逐漸開始研究懸架的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀＿@種模型更貼近真實(shí)情況，更能準(zhǔn)確地反映出側(cè)傾的實(shí)際性能。

前文對穩(wěn)定桿分別采用了非線性梁和柔性體建模的方法，將不同方法建立的子系統(tǒng)和懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)進(jìn)行裝配，得到剛性裝配體1 和剛?cè)狁詈系难b配體2，再分別進(jìn)行雙輪反向激振試驗(yàn)。

對裝配體1和裝配體2進(jìn)行雙輪反向激振試驗(yàn)，觀察不同方法建模的穩(wěn)定桿對側(cè)傾剛度的影響。仿真中使用Animation Control，反映其受力變化過程，觀察兩個(gè)裝配體的雙輪反向跳動(dòng)。

同樣，選用車輪中心的角度為橫坐標(biāo)，車身的側(cè)傾剛度為縱坐標(biāo)，觀察側(cè)傾剛度和輪心角度變化曲線，如圖7所示。

圖7 非線性梁穩(wěn)定桿和柔性體穩(wěn)定桿對側(cè)傾剛度的影響

輸出數(shù)據(jù)中，實(shí)線為采用非線性梁建模方法得到的穩(wěn)定桿對懸架系統(tǒng)的側(cè)傾剛度曲線，經(jīng)測量得到側(cè)傾剛度值為2 045.6 N·m/deg，而虛線為采用柔性體建模方法得到的穩(wěn)定桿對懸架系統(tǒng)的側(cè)傾剛度曲線，其側(cè)傾剛度值為2 132.1 N·m/deg。變化量為（2 132.1-2 045.6）/2 045.6=4.23%。

結(jié)果表明，不同建模方法，仿真所得的結(jié)果有4.23%的變化量，而本款車型，懸架設(shè)計(jì)中的側(cè)傾剛度為2 150 N·m/deg，即采用柔性體建模方法，仿真所得數(shù)據(jù)，更接近實(shí)車數(shù)據(jù)。這也意味著，對于懸架系統(tǒng)采用剛?cè)狁詈系哪Ｐ?，仿真?shù)據(jù)更接近實(shí)車性能。

3.3 提高穩(wěn)定桿襯套剛度對懸架側(cè)傾剛度的影響

懸架的側(cè)傾剛度對整車的行駛安全性有至關(guān)重要的影響，而穩(wěn)定桿的襯套剛度，對懸架的側(cè)傾剛度貢獻(xiàn)變化率也較大[5]。普通穩(wěn)定桿襯套的徑向剛度一般在500 N·m/deg～700 N·m/deg 之間。通過設(shè)定不同的穩(wěn)定桿襯套的徑向剛度值進(jìn)行仿真，對比分析其對側(cè)傾剛度的影響。

設(shè)定徑向剛度分別為500 N·m/deg、1 000 N·m/deg、1 500 N·m/deg、2 000 N·m/deg、3 000 N·m/deg和4 000 N·m/deg。在裝配有柔性體穩(wěn)定桿子系統(tǒng)的懸架裝配體中，進(jìn)行襯套的剛度試驗(yàn)。其中，襯套的徑向剛度可以通過修改襯套的bushing 文件來實(shí)現(xiàn)，其中，500 N·m/deg 的襯套修改如圖8所示。其他剛度的襯套可做同樣處理。

圖8 500 N·m/deg徑向剛度的襯套

不同徑向剛度襯套對懸架側(cè)傾剛度影響的曲線圖，如圖9所示。側(cè)傾剛度數(shù)值如表5所示。

圖9 不同徑向剛度襯套對懸架側(cè)傾剛度影響

表5 穩(wěn)定桿襯套徑向剛度對懸架剛度的影響率

根據(jù)表5數(shù)據(jù)，繪制穩(wěn)定桿襯套不同徑向剛度下懸架的側(cè)傾剛度變化曲線圖，如圖10所示。

圖10 不同徑向剛度下懸架的側(cè)傾剛度變化曲線

從圖10觀察可以得到，在穩(wěn)定桿襯套徑向剛度值為500 N/mm～1 000 N/mm時(shí)，側(cè)傾剛度的變化率較大；隨著襯套的徑向剛度不斷增大，其對懸架側(cè)傾剛度增加的影響逐漸減小。因此，在設(shè)計(jì)穩(wěn)定桿襯套時(shí)，對于一般徑向剛度在500 N/mm～700 N/mm的橡膠襯套，適當(dāng)增大其徑向剛度，對懸架側(cè)傾剛度的貢獻(xiàn)明顯；但是徑向剛度的變化曲線趨于平緩之后，盲目增加并無效果，應(yīng)考慮從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，增加其側(cè)傾剛度。

4 結(jié)語

本文通過使用HYPERMESH和ADAMS/Car聯(lián)合仿真，分別建立了非線性梁穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型和柔性體穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型，并載入懸架裝配體，設(shè)定實(shí)車參數(shù)，進(jìn)行仿真對比試驗(yàn)，最終得到結(jié)論：將柔性體模型運(yùn)用到ADAMS 中，建立懸架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈系哪Ｐ?，仿真?shù)據(jù)更接近實(shí)車性能。同時(shí)，針對穩(wěn)定桿襯套，其徑向剛度較小時(shí)，適當(dāng)增大其數(shù)值能明顯提高懸架的側(cè)傾剛度。