基于CATIA快速完成汽車懸架硬點(diǎn)調(diào)整與驗(yàn)證

田雅楠

(大慶油田裝備制造集團(tuán)研究院，黑龍江 大慶 163411)

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外汽車制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。汽車懸架系統(tǒng)作為影響車輛動(dòng)態(tài)特性的重要子系統(tǒng)，其優(yōu)化更是亟待解決的重要問題之一。懸架系統(tǒng)采用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致行車跑偏、輪胎偏磨、轉(zhuǎn)向不回正、回正力大等問題，一定程度上制約了我國(guó)汽車裝備制造企業(yè)發(fā)展。筆者選擇使用上下橫臂和不等臂式雙橫臂獨(dú)立懸架作為建立汽車三維前懸架的模型，并對(duì)其三維數(shù)模進(jìn)行裝配，通過DMU仿真運(yùn)動(dòng)詳細(xì)分析了汽車懸架的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和雙叉臂獨(dú)立懸架的優(yōu)勢(shì)。

1 雙叉臂懸架模型的建立

1.1 類型選擇及相關(guān)計(jì)算

雙叉臂獨(dú)立懸架按照上下臂不同而分為等長(zhǎng)雙叉臂型和不等長(zhǎng)雙叉臂型。根據(jù)我國(guó)汽車設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)理論，此次雙叉臂采用上短下長(zhǎng)的布置方案，且上臂L1與下臂L2長(zhǎng)度之比為0.65。

車輪具有外傾角，使輪胎與地面的交點(diǎn)，主銷與地面的交點(diǎn)更靠近，從而減小轉(zhuǎn)向扭矩Mr=FxC，讓轉(zhuǎn)向毫不費(fèi)力。但若外傾角不受限制，則可將其視為前輪的圓錐運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。也就是說，以Ra為半徑的圓錐和偏離汽車行駛方向的關(guān)系為：

(1)

式中：Ra為前輪純滾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向半徑，mm；α為前輪外傾角，rad。

隨著車速及路面平滑度的提升，汽車前輪外傾角越來越小，約為1°左右。因此上式可寫為：

(2)

圖1 外傾角變化示意圖

事實(shí)上，由于前輪有拉桿限制，汽車必須沿行駛方向移動(dòng)，導(dǎo)致前輪易打滑，增加輪胎的磨損[1]。因此，預(yù)先在車輪前設(shè)置偏角以減小前輪外傾的影響?？梢哉f，前束角就是因前輪外傾而存在的。

(3)

結(jié)合公式(2)、(3)，可得：

(4)

實(shí)踐應(yīng)用中，前束角變化示意圖如圖2所示，前束角可近似看作：

-δ=A-B=2Dsinβδ

(5)

式中：D為前束角測(cè)量直徑，mm；δ為前束角，rad。

由此可得：

(6)

圖2 前束角變化示意圖

1.2 懸架的三維建模

根據(jù)Auto CAD設(shè)計(jì)的二維圖紙數(shù)據(jù)，建立CATIA三維數(shù)模，部分主要零部件截圖如圖3～5所示。

圖3 前上叉臂 圖4 前下叉臂

圖5 實(shí)際前懸架裝配圖

2 雙叉臂懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

2.1 仿真平臺(tái)的建立與驅(qū)動(dòng)

為建立完整的懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)，需收集相關(guān)車輛原始數(shù)據(jù)，如硬點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，零件尺寸和裝配尺寸等參數(shù)，然后利用CATIA軟件中的設(shè)計(jì)模塊對(duì)組件進(jìn)行3D數(shù)字建模，集成到裝配文件中，導(dǎo)入DMU求解器，增加適當(dāng)約束、驅(qū)動(dòng)和測(cè)量要素后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬仿真分析，最終形成仿真平臺(tái)。

該平臺(tái)可完成較多工作，如間隙檢查、球銷裕度校核、形成輪胎運(yùn)動(dòng)包絡(luò)、車輛四輪定位參數(shù)校核與分析等[2]。在此次車輛輪胎偏磨問題整改過程中，建立以上完整仿真平臺(tái)必要性不強(qiáng)，且項(xiàng)目周期所不允許，故出于懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真平臺(tái)特點(diǎn)，輪胎偏磨問題只需對(duì)車輪定位參數(shù)進(jìn)行校核與分析。首先將各零部件的3D數(shù)據(jù)完整繪制，不需建立完整的驅(qū)動(dòng)和測(cè)量要素，將零部件的基本要素提取，即可完成仿真平臺(tái)的建立，基本要素如擺輪中心點(diǎn)，擺臂球銷的中心，擺臂的擺動(dòng)軸線，轉(zhuǎn)向桿的內(nèi)外球鉸點(diǎn)等，根據(jù)組件的組裝關(guān)系，使用這些元素完成仿真平臺(tái)的構(gòu)建[3-4]。由于建立此仿真平臺(tái)的目的是為了完成車輪定位參數(shù)的校核與分析，整個(gè)仿真平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)或輸入只需滿足該功能即可，如懸架的垂向運(yùn)動(dòng)行程只按照通常懸架試驗(yàn)測(cè)試要求設(shè)定為-50～50 mm 即可，該功能不需車輪轉(zhuǎn)向，可將轉(zhuǎn)向齒條的行程設(shè)定為任意值，如-30～30 mm，而無需探討懸架的實(shí)際垂向運(yùn)動(dòng)行程和實(shí)際的轉(zhuǎn)向齒條行程。

對(duì)樣車雙叉臂前獨(dú)立懸架零部件完成實(shí)件測(cè)量，測(cè)量項(xiàng)目包括：輪心位置，上、下橫臂尺寸及安裝點(diǎn)、球鉸點(diǎn)位置，轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)、外球鉸點(diǎn)位置等。提取以上測(cè)量項(xiàng)的基本要素完成建立懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)，并加以觀察，每個(gè)組件元素都會(huì)加載一個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)，是以在懸架彈跳時(shí)定義每個(gè)組件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？紤]到左/右彈跳的對(duì)稱性，只需完成側(cè)懸架的組裝和動(dòng)作子設(shè)置即可。形成只包含基本要素的雙叉臂懸架運(yùn)動(dòng)仿真DMU如圖6所示。

圖6 左側(cè)前懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 參數(shù)輸出與分析

在CATIA仿真平臺(tái)中，加入相關(guān)條件進(jìn)行懸架跳動(dòng)模擬，導(dǎo)出仿真結(jié)果，車輪前束角(單邊)、外傾角(單邊)隨車輪跳動(dòng)變化量的趨勢(shì)如圖7、8所示。

圖7 前束角(單邊)變化曲線圖

圖8 外傾角(單邊)變化曲線圖

分析曲線可知：前束角(單邊)的變化范圍約為2.4°～-0.3°，車輪外傾角的變化范圍約為1.3°～-1.3°其變化范圍涵蓋大，且隨車輪上跳有弱負(fù)前束變化趨勢(shì)。

3 雙叉臂懸架硬點(diǎn)調(diào)整與驗(yàn)證

綜合樣車的前束角和車輪外傾變化曲線，選擇降低下橫臂內(nèi)側(cè)安裝點(diǎn)的Z向高度，縮小前束角和車輪外傾角變化范圍，從而減輕輪胎偏磨嚴(yán)重問題。經(jīng)對(duì)該仿真DMU的分析與驗(yàn)證，下橫臂內(nèi)側(cè)安裝點(diǎn)的Z向高度降低20 mm可以取得較好效果。重新生成前束角及車輪外傾角的變化曲線，并與修改前的趨勢(shì)曲線對(duì)比見圖9、10。

圖9 前束角(單邊)變化曲線圖

圖10 外傾角(單邊)變化曲線圖

由圖9、10曲線對(duì)比可知，單邊前束角變化范圍由2.4°～-0.3變?yōu)?.488°～0.035°，變化值由2.7°減小至1.453°；車輪外傾角變化范圍由1.3°～-1.3°變?yōu)?.025°～-0.984°，變化值由2.6°減小至2.009°。所考察的兩項(xiàng)車輪定位角變化范圍與極值均減小，達(dá)到了優(yōu)化車輪定位角變化趨勢(shì)目的，從理論上解決輪胎偏磨問題。

對(duì)完成改進(jìn)后的樣車更換輪胎并進(jìn)行約500 km的實(shí)車道路試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，將下橫臂內(nèi)側(cè)安裝點(diǎn)Z向高度降低20 mm可有效解決車輛在道路行駛期間輪胎內(nèi)側(cè)不均勻磨損問題。

4 結(jié) 語

通過操作CATIA軟件對(duì)汽車懸架進(jìn)行三維數(shù)模裝配與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，形象描繪了汽車懸架的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和雙叉臂獨(dú)立懸架特有的好處。最后，本次論述的汽車雙叉臂獨(dú)立懸架硬點(diǎn)調(diào)整與驗(yàn)證，不僅減弱輪胎偏磨，對(duì)于提高我國(guó)汽車制造企業(yè)技術(shù)也具有重要意義。