基于ADAMS/Car的雙橫臂懸架的運動學建模與仿真

王 南,王 晶,平恩順

(河北工程大學機電學院,河北邯鄲056038)

雙橫臂懸架是當前汽車上常用的前懸架結構形式,對車輛行駛的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性和安全性等有著重要的影響[1-3]。通過適當?shù)剡x擇上下橫臂的長度,并進行合理地布置,就可以使輪距及前輪定位參數(shù)變化均在可接受的限定范圍內(nèi),保證汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性[4]。ADAMS軟件是目前廣泛應用的汽車動力學分析軟件,可以方便的對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析;宋傳學[5]利用ADAMS軟件建立了某皮卡車雙橫臂懸架模型,揭示出了該懸架的運動規(guī)律;于海峰[6]利用ADAMS/Car建立了帶有轉向系統(tǒng)的雙橫臂前懸架虛擬樣機模型,并對其進行了仿真分析,修改懸架的各種參數(shù)來對其進行優(yōu)化設計。本文運用ADAMS建立雙橫臂式懸架模型,對前輪前束角、前輪外傾角等參數(shù)進行仿真分析,通過施加輪跳運動從而獲得該車輪定位角的變化,對懸架進行綜合分析并評價其操縱穩(wěn)定性。

1 建立仿真模型

1.1 簡化前懸架

假設前懸架關于整車縱向中心對稱面對稱,因而只需要建立半個前懸架模型,而另一半模型(包括零件、硬點、約束)可由ADAMS/Car自動生成。

在建立雙橫臂懸架時對模型做如下簡化:假定前懸架為一個多剛體系統(tǒng),所有零部件都認為是剛體,忽略導向桿件的柔性和變形;輪胎簡化為剛性體;忽略各運動副內(nèi)的摩擦力;簧上質量根據(jù)質心位置按比例分配于前、后車架上。

定義系統(tǒng)模型的絕對坐標系時,坐標原點為兩側車輪接地印跡中心點連線之中點,車輛行駛方向為 x軸負向,y軸為坐標原點指向駕駛員右側,z軸則符合右手螺旋法則垂直向上[7]。整個懸架系統(tǒng)由上下橫臂、轉向節(jié)、扭桿、轉向橫拉桿、橫向穩(wěn)定桿、轉向系統(tǒng)、車輪和試驗臺等組成。

1.2 建立硬點

建立雙橫臂獨立前懸架模型的關鍵就是確定硬點.根據(jù)某小型轎車雙橫臂懸架的實際結構,逐一創(chuàng)建前懸架左半邊硬點坐標值如表1所示,系統(tǒng)自動生成對稱的右半邊硬點。

表1 左側懸架硬點坐標值Tab.1 Left suspension hard point coordinate value

1.3 建立零件的幾何形體

在運動學分析中,零件的外輪廓直接關系到機構運動校核,因此僅通過空間位置和動力學參數(shù)來描述零件通常無法檢查其運動干涉。在硬點的基礎上,建立簡單又盡可能接近零件實際形狀的幾何模型,如圖1所示。

1.4 建立轉向系統(tǒng)模型

懸架系統(tǒng)的運動學和彈性運動學分析可以在不與轉向系統(tǒng)組合的情況下進行,考慮到轉向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)運動機構可能會發(fā)生相互干涉的情況,在對懸架系統(tǒng)進行運動學分析時,加入轉向系統(tǒng)進行分析會比較合理。通過對ADAMS/Car軟件中自帶齒輪齒條轉向系模板的適當改動,作為本設計的轉向系統(tǒng)(圖2)。

1.5 建立懸架試驗臺及輪胎仿真模型

懸架試驗臺仿真模型采用的是ADAMS/Car軟件自帶的標準懸架測試臺,利用該測試臺可進行所有的懸架系統(tǒng)特性分析;輪胎仿真模型采用的是ADAMS/Car懸架測試臺中的標準輪胎,在進行仿真時只需給出輪胎的自由半徑、剛度和質量等參數(shù)即可完成對輪胎模型的創(chuàng)建。

1.6 定義變量參數(shù)

為了保證汽車具有良好的穩(wěn)定性和平順性,在正常的車輪跳動范圍內(nèi),設置汽車定位參數(shù)如下:輪胎自由半徑300mm,輪胎剛度200N/mm,簧上質量1 400kg,質心高度400mm,軸距2 765mm。在本次仿真中,將建立一個虛擬試驗臺,以兩側車輪同向跳動設置仿真步數(shù)20步,車輪跳動行程為-80～80mm。

1.7 定義約束

前懸架模型中零件間要進行正確的運動,還必須定義零件間的約束。按照各個零件間的運動關系確定約束類型,通過約束將各個零件連接起來。

1.8 定義組裝

根據(jù)對子系統(tǒng)及總成部件、約束關系的分析,將建立好的子系統(tǒng)模型轉入標準模式中,并與標準懸掛試驗臺總裝在一起組成一個裝配組合,這樣就完成在ADAMS/Car模塊下的建模過程。裝配后的雙橫臂懸架仿真試驗模型如圖3所示。

2 仿真結果與分析

懸架的運動學特性在使用中,通常反映在車輪定位參數(shù)的變化上。車輪定位參數(shù)(前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角及主銷內(nèi)傾角)的值對汽車的使用性能,特別是操作穩(wěn)定性影響很大。

圖4所示為前輪前束角的變化曲線。車輪的前束角的作用主要是減少車輛前進時前輪外傾和縱向阻礙力致使前輪前端向外滾開所造成的不良后果;同時可以使汽車行駛時車輪能保持直線運動,減少輪胎滾動阻力。由圖可見,前輪前束值的零點正處于平衡位置,對路面不平輸入引起的前束變化控制較好,從而能夠使直線形勢趨于穩(wěn)定。

圖5所示為前輪外傾角的變化曲線。車輪外傾角的設置對汽車的直線行駛穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)轉向操作性和輪胎磨損都有較大的影響。為此,希望在輪跳時這兩個角度不宜過多的偏離初始值。由圖可見,平衡位置處的車輪外傾角略小于零,約為-0.03°,車輪自下而上跳動的過程中,車輪外傾角逐漸減小,因此符合設計要求。

主銷后傾角應保證車輪具有足夠的側向力回正力矩,以提高汽車直線行駛的穩(wěn)定性。一般主銷后傾角越大,回正力矩也就越大。要求后傾角具有隨車輪上跳而增加的趨勢[8],這樣可以抵消制動點頭時后傾角減小的趨勢。主銷后傾角與車輪跳動量之間的變化曲線如圖6所示,平衡位置處的主銷后傾角約為7.78°。主銷后傾角隨車輪上跳而增大,使前輪有沿直線行駛的趨勢,從而提高了汽車的操縱穩(wěn)定性和轉向輕便性。

圖7為主銷內(nèi)傾角的仿真曲線。主銷內(nèi)傾角能夠產(chǎn)生主銷內(nèi)傾距,通過內(nèi)傾距的變化來改善汽車的操縱穩(wěn)定性。由圖可見,平衡位置處的主銷內(nèi)傾角約為9.4°,車輪跳動時,主銷內(nèi)傾角近似成線性變化。作用減少轉向操縱力,減少回跳和跑偏現(xiàn)象,改善車輛直線行駛的穩(wěn)定性。

懸架垂直剛度衡量懸架抵抗變形的能力,既是影響操縱穩(wěn)定性又是影響舒適性的重要參數(shù),對振動頻率起作用,對于某些汽車而言,懸架剛度要求在行駛中變化不是很大。懸架剛度隨車輪上下跳動的變化曲線如圖8所示,在平衡點懸架剛度急劇增大。因此在設計時還需要完善懸架剛度的相關參數(shù)。

3 結論

1)在平衡位置處,前輪前束角正處于0點;前輪外傾角略＜0,約為-0.03°,主銷后傾角約為7.78°,主銷內(nèi)傾角約為9.4°。車輪自下而上跳動的過程中,前輪前束角、前輪外傾角逐漸減小,主銷后傾角逐漸增大,主銷內(nèi)傾角近似成線性變化,能夠保證汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性,有利于提高仿真精度和設計效率。

2)仿真模型的動特性與樣車懸架的動特性基本一致,該方法可以準確地計算懸架的多種性能。試驗顯示懸架剛度隨車輪上下跳動的變化曲線較劇烈,影響了乘坐舒適性,因此在懸架剛度參數(shù)方面還有待進一步的優(yōu)化完善。

[1] 余志生.汽車理論[M] .北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[2] 王南,張慶恒,汽車發(fā)動機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計[J] .河北工程大學學報(自然科學版),2008,25(4):92-94.

[3] 王南,平恩順,岳龍山,等.基于車路相互作用的動態(tài)特性分析[J] .河北工程大學學報(自然科學版),2009,26(3):63-66.

[4] 李新耀,張印,周良生,等.雙橫臂扭桿懸架的特性分析及設計計算[J] .汽車工程,2003,25(1):15-19.

[5] 于海峰,于學兵.基于ADAMS的雙橫臂獨立懸架優(yōu)化仿真分析[J] .機械設計與制造,2007(10):56-58.

[6] 宋傳學,蔡章林.基于ADAMS/Car的雙橫臂獨立懸架建模與仿真[J] .吉林大學學報(工學版),2004,34(4):554-558.

[7] 鄭建榮.ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高[M] .北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[8] 蘇建成,朱華,彭生輝.基于ADAMS的雙橫臂獨立懸架仿真與優(yōu)化[J] .機械設計與制造,2009,5(5):137-139.