懸架系統(tǒng)結構件柔性化對K&C仿真精度的影響

鮑金龍，張慧芳，蔡喜艷Bao Jinlong，Zhang Huifang，Cai Xiyan

懸架系統(tǒng)結構件柔性化對K&C仿真精度的影響

鮑金龍，張慧芳，蔡喜艷
Bao Jinlong，Zhang Huifang，Cai Xiyan

（長城汽車股份有限公司 河北省汽車技術創(chuàng)新中心，河北 保定 071000）

為解決車輛前期開發(fā)過程中由于懸架系統(tǒng)K&C（Kinematic&Compliance，多體運動學特性和彈性運動學特性）性能指標仿真精度差導致整車虛擬驗證效率低的問題，利用Nastran軟件計算并生成結構件MNF文件，在ADAMS/Car軟件中建立前、后懸架結構件柔性化仿真分析模型，分析某車型麥弗遜前懸架及縱臂三連桿后懸架各結構件剛性模型與柔性模型對K&C性能的影響。結果表明：針對不同的懸架形式及分析需求，有選擇地開展結構件柔性化建模，可在提高模型仿真精度的同時較好平衡模型建模效率。

麥弗遜懸架；縱臂三連桿懸架；柔性化建模；仿真精度

0 引 言

采用整車多體動力學仿真分析進行預測和評價車輛性能，首先需要建立高精度懸架系統(tǒng)多體動力學模型。隨著精度提高，柔性化建模方案逐步取代傳統(tǒng)剛性件建模方法[1]，鄭松林[2]等利用有限元分析軟件建立襯套柔性體模型，分析了柔性襯套模型對多連桿懸架性能的影響，陳廣彥[3]等建立了面向麥弗遜懸架性能開發(fā)的柔性減振器建模方法，進一步提高了麥弗遜懸架性能的預測精度。

懸架系統(tǒng)模型既需要保證足夠的精度以指導設計開發(fā)，又需要盡量簡化以提高建模及仿真分析效率[4]。懸架柔性化建模通常采用2種處理方式：部分零部件柔性化、所有零部件柔性化；前者對一些必要的零部件未進行柔性化處理，從而影響仿真精度，后者對一些不必要的零部件進行柔性化，延長了仿真分析周期?；谀晨頢UV的前麥弗遜懸架及后縱臂三連桿懸架的仿真模型，開展零部件柔性化對仿真結果影響的相關性研究，明確不同懸架形式及不同分析需求下，各零部件柔性化對分析結果的影響，有效提高模型的仿真精度并縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

1 懸架系統(tǒng)自由度及約束分析

1.1 麥弗遜懸架

麥弗遜懸架包含8個活動構件（減振器桿、減振器筒、穩(wěn)定桿連接桿、轉向節(jié)、轉向橫拉桿、穩(wěn)定桿、下擺臂、齒條），各運動構件通過運動副連接，如圖1所示。

圖1 麥弗遜懸架結構及運動副

根據(jù)自由度理論，麥弗遜懸架自由度計算公式為[5]

式中：1為麥弗遜懸架系統(tǒng)的自由度；為麥弗遜懸架活動構件數(shù)；1、2、3、45、6分別為1～6級運動副的個數(shù)。

由圖1可知，1=0，2=0，3=3，4=4，5=3，6=1，=8；代入式（1）可得1=2，即轉向節(jié)上下跳動和繞主銷旋轉2個自由度。對懸架進行K特性分析時，由于結構件受力較小，則無須進行結構件柔性化；對懸架進行C特性分析時，由于輪心處施加的外力引起結構件變形，須進行結構件柔性化。

1.2 縱臂三連桿懸架

縱臂三連桿懸架包含8個活動構件（減振器桿、減振器筒、轉向節(jié)、穩(wěn)定桿、上控制臂、下前控制臂、下后控制臂、縱臂），各運動構件通過運動副連接，如圖2所示。

圖2 縱臂三連桿懸架結構及運動副

根據(jù)自由度理論，縱臂三連桿懸架自由度計算公式為[5]

式中：2為縱臂三連桿懸架系統(tǒng)的自由度；為三連桿懸架活動構件數(shù)，1、2、3、45、6分別為1～6級運動副的個數(shù)。

由圖2可知，1=0，2=0，3=0，4=2，5=9，6=1，=8；代入式（2）可得2=－11，即懸架系統(tǒng)為過約束狀態(tài)，會產生系統(tǒng)內力，則懸架在進行K特性及C特性仿真分析時，均需進行結構件柔性化。

開展柔性化零部件K&C仿真，驗證各零部件柔性化對仿真結果的影響。

2 懸架系統(tǒng)K&C仿真驗證

開展剛性結構件及柔性結構件的K&C特性對比分析，其中柔性化方法利用Nastran軟件計算并生成剛性結構件的有限元模型，徐余平[6]基于該方法開展白車身剛度試驗及仿真分析研究，得到扭轉剛度的仿真精度為93%，彎曲剛度的仿真精度為98%，驗證了該方法可有效模擬結構件受力時產生的彎曲及扭轉。

2.1 麥弗遜懸架K特性

對平行輪跳、反向輪跳及轉向幾何特性進行分析，由于分析曲線較多，重點選取了具有代表性的前束-平行輪跳及輪心偏移距-轉向曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 前束-平行輪跳測試及仿真曲線

圖4 輪心偏移距-轉向測試及仿真曲線

由圖3、圖4可知，在副車架、下擺臂及減振器柔性化方案中，下擺臂對麥弗遜懸架K特性仿真精度的影響最大，精度值變化量為－0.4%。

2.2 麥弗遜懸架C特性

對側向力、回正力矩及縱向力特性進行分析，由于分析曲線較多，重點選取了具有代表性的前束-反向側向力及外傾-反向回正力矩結果曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 前束-反向側向力測試及仿真曲線

圖6 外傾-反向回正力矩測試及仿真曲線

由圖6可知，采用剛性結構件模型仿真外傾-反向回正力矩特性，仿真曲線的趨勢與試驗曲線相反，仿真精度為0。

結合圖5、圖6可知，在副車架、下擺臂及減振器柔性化方案中，減振器對麥弗遜懸架C特性仿真精度的影響最大，使前束-反向側向力工況的仿真精度值增加10.4%，使外傾-反向回正力矩工況的仿真精度值增加70.9%。

2.3 縱臂三連桿懸架K特性

對平行輪跳及反向輪跳進行分析，由于分析曲線較多，重點選取了具有代表性的前束-平行輪跳及外傾-平行輪跳結果曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 前束-平行輪跳測試及仿真曲線

圖8 外傾-平行輪跳測試及仿真曲線

由圖7、圖8可知，在副車架、控制臂及縱臂柔性化方案中，縱臂對三連桿懸架K特性仿真精度的影響最大，使前束-平行輪跳工況仿真精度值增加18.9%，使外傾-平行輪跳工況仿真精度值增加4.1%。

2.4 縱臂三連桿懸架C特性

對側向力及縱向力特性進行分析，由于分析曲線較多，重點選取了具有代表性的前束-同向側向力及外傾-反向側向力結果曲線，如圖9、圖10所示。

圖9 前束-同向側向力測試及仿真曲線

圖10 外傾-反向側向力測試及仿真曲線

由圖9、圖10可知，在副車架、控制臂及縱臂柔性化方案中，縱臂對三連桿懸架C特性仿真精度的影響最大，使前束-同向側向力工況的仿真精度值增加6.7%，使外傾-反向側向力工況的仿真精度值增加5.2%。

2.5 仿真結果

柔性化結構件對麥弗遜懸架及縱臂三連桿懸架K&C仿真精度的影響見表1、表2。

表1 結構件柔性化對麥弗遜懸架K&C仿真精度的影響

表2 結構件柔性化對縱臂三連桿懸架K&C仿真精度的影響

根據(jù)工作經驗，通常3%以內的K&C仿真精度變化對設計開發(fā)的指導意義較小。

綜上所述，可得出以下結論：

（1）對于麥弗遜懸架K特性，剛性模型仿真精度與柔性模型相當，針對前期僅需要開展K特性分析的項目，可直接使用剛性模型進行仿真，有利于縮短建模及仿真分析周期。

（2）對于麥弗遜懸架C特性，采用減振器柔性化模型可有效提高前束及外傾角相關工況的仿真精度。

（3）對于縱臂三連桿懸架K特性，采用縱臂柔性化模型可有效提高前束及外傾相關工況的仿真精度。

（4）對于縱臂三連桿懸架C特性，采用控制臂及縱臂柔性化模型可有效提高前束及外傾相關工況的仿真精度。

3 結束語

以麥弗遜懸架及縱臂三連桿懸架為例，分析不同懸架形式及不同分析需求下，各零部件柔性化對K&C分析結果的影響，有效提高了模型仿真精度，為后續(xù)同類型懸架及其他類型懸架柔性化建模以及K&C仿真分析提供參考。

[1]歐健，張林青，楊鄂川，等.考慮懸架柔性的剛柔耦合汽車平順性研究[J].機械設計與制造，2015（2）：4.

[2]鄭松林，顧晗，馮金芝，等.柔性體襯套對四連桿懸架K&C特性的影響[J].汽車工程，2012（8）：4.

[3]陳廣彥，孫暉云，趙永坡，等.面向麥弗遜懸架性能開發(fā)的柔性減振器建模及應用[J].汽車技術，2016（2）：4.

[4]常放，呂振華，郭孔輝.轎車多體系統(tǒng)動力學的CAE分析模型構建技術及應用[J].汽車技術，2009（3）：5.

[5]羅伯特·諾頓.機械設計[M].黃平，李靜蓉，翟敬梅，等，譯.5版.北京：機械工業(yè)出版社，2020.

[6]徐余平，蘆偉，張艷玲，等.白車身剛度試驗與仿真分析研究[J].汽車實用技術，2015（5）：143.

2021-09-01

1002-4581（2021）06-0006-04

U463.33：TP391.9

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10.14175/j.issn.1002-4581.2021.06.002