基于RECURDYN的雙橫臂獨(dú)立懸架仿真分析

陳 洪，郝莉紅

(河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北邯鄲 056038)

基于RECURDYN的雙橫臂獨(dú)立懸架仿真分析

陳 洪，郝莉紅

(河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北邯鄲 056038)

利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析方法，在RECURDYN建模環(huán)境中構(gòu)建了雙橫臂獨(dú)立懸架的多剛體模型,并對(duì)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角隨車輪上下跳動(dòng)的變化曲線,最后利用汽車動(dòng)力學(xué)的基本理論對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

RECURDYN；雙橫臂懸架；仿真

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei University of Engineering, Handan Hebei 056038, China)

懸架是汽車底盤的一個(gè)重要組成部分，是連接車身和車輪的裝置，其主要功能是衰減由車輪振動(dòng)傳遞給車身的沖擊[1]。通過合理布置雙橫臂懸掛構(gòu)件的相對(duì)位置，可限制車輪的橫向偏移量和車輪傾角的變化幅度[2]，使懸架的橫向剛度較好，并有調(diào)校空間寬泛、抓地性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此，雙橫臂式獨(dú)立懸掛成為目前汽車常用的懸掛形式之一，如本田雅閣和馬自達(dá)6的前懸掛、長(zhǎng)城C50的后懸掛都裝配了雙橫臂獨(dú)立懸架。

RECURDYN是一種基于遞歸算法的多體系統(tǒng)仿真分析軟件，它以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，為評(píng)測(cè)和提高多體系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)提供了一個(gè)仿真平臺(tái)[3]。筆者的研究對(duì)象是雙橫臂獨(dú)立懸架，在RECURDYN軟件的建模環(huán)境中構(gòu)造某汽車的雙橫臂懸架模型，通過編輯試驗(yàn)臺(tái)的位移函數(shù)使車輪按特定的規(guī)律在豎直方向作往返運(yùn)動(dòng)。筆者對(duì)車輪豎直運(yùn)動(dòng)過程中車輪的定位參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，得到雙橫臂懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的仿真結(jié)果，并對(duì)懸架的性能進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)。

1 雙橫臂懸架建模

1.1模型簡(jiǎn)介

雙橫臂懸架是主要組成構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)圖見圖1。顯然，懸架的左右2部分是對(duì)稱的。筆者對(duì)懸架模型的試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行一些假設(shè)：1)不計(jì)各桿件和輪胎的變形，認(rèn)為懸架是一個(gè)多剛體系統(tǒng)；2)不考慮各構(gòu)件鉸接之間摩擦力的影響；3)假設(shè)彈簧的彈性是線性的。

圖1 雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Double wishbone suspension structure chart

1.2建立懸架的硬點(diǎn)

調(diào)校懸架性能的一種重要手段就是合理布置硬點(diǎn)的位置，考慮到懸架的左右對(duì)稱特點(diǎn)，只需建立其中一側(cè)的模型即可，現(xiàn)以懸架的左半部分為例，依據(jù)某汽車的車輪定位參數(shù)創(chuàng)建左側(cè)懸架的硬點(diǎn)，各點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

表1 左側(cè)懸架各硬點(diǎn)坐標(biāo)

1.3添加模型實(shí)體

按照表1列出的各硬點(diǎn)坐標(biāo)，添加模型的幾何實(shí)體，生成圖2所示的懸架模型。再為雙橫臂懸架添加約束，各構(gòu)件間約束關(guān)系見圖3。

圖2 雙橫臂懸架模型Fig.2 Double wishbone suspension model

圖3 懸架各構(gòu)件約束關(guān)系Fig.3 Constraint relations among the suspension components

2 仿真分析

懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性可以通過模擬車輪上下跳動(dòng)的虛擬環(huán)境來仿真分析，編輯測(cè)試平臺(tái)的位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)：50×sin(360°×time)，其中“time”表示時(shí)間(以s為單位)，此函數(shù)表示測(cè)試平臺(tái)帶動(dòng)車輪在豎直方向-50～50 mm按正弦規(guī)律作往返運(yùn)動(dòng)。

車輪外傾角的變化直接引起輪胎與地面接觸點(diǎn)的位置變化，在汽車行駛過程中，輪胎接地點(diǎn)的位置發(fā)生偏移，將對(duì)行駛方向產(chǎn)生影響，因此外傾角不應(yīng)有劇烈的變化。通常情況下，在車輪上跳過程中外傾角應(yīng)向減小的方向變化，在車輪回落的過程中向增大的方向變化[4]。由圖4可知，隨著車輪上跳，車輪外傾角約從0.4°減小到-0.6°，在平衡位置外傾角為負(fù)角度，約為-0.2°，對(duì)整車的直行穩(wěn)定性是有利的。

圖4 車輪外傾角-車輪跳動(dòng)量Fig.4 Camber angle-wheel travel

輪胎中心縱平面與車身縱軸線之間的角度稱為車輪前束角，由于車輪外傾角會(huì)導(dǎo)致車輪有向外翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，車輪前束角的存在可對(duì)這一現(xiàn)象起到調(diào)節(jié)作用。前束角的變化合理，有利于汽車獲得充足的轉(zhuǎn)向特性[5]，并可以減緩輪胎的磨損。車輪前束角與車輪豎直跳動(dòng)量的關(guān)系如圖5所示，在車輪上跳過程中前束角呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而且變化幅度較小。

圖5 車輪前束角-車輪跳動(dòng)量Fig.5 Toe angle-wheel travel

主銷內(nèi)傾角有助于保持汽車在低速行駛時(shí)的回正作用，較大的主銷內(nèi)傾角可以減緩凹凸路面對(duì)車身的縱向沖擊，但過大地布置主銷內(nèi)傾角會(huì)加劇輪胎的磨損，并且占據(jù)大量的橫向空間，通常主銷內(nèi)傾角的值設(shè)定在7°～15°范圍內(nèi)[6]。如圖6所示，在車輪上跳的行程中，主銷內(nèi)傾角約從9.5°增加到11.1°，增長(zhǎng)過程較緩和，滿足汽車設(shè)計(jì)的要求。

圖6 主銷內(nèi)傾角-車輪跳動(dòng)量Fig.6 Kingpin inclination angle-wheel travel

由于主銷后傾角的存在，使主銷軸線延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)比車輪與地面接觸點(diǎn)靠前一段距離(稱為主銷縱傾移距)。它可以利用汽車行駛中地面對(duì)輪胎的阻力生成一個(gè)使車輪方向與行駛方向保持一致的力矩，主銷縱傾移距越大，該力矩也越大。設(shè)置主銷后傾角對(duì)路面沖擊引起汽車行駛方向的微小變化有自行調(diào)節(jié)功能。主銷后傾角如果布置得太大，轉(zhuǎn)向時(shí)就需要克服很大的力矩，導(dǎo)致方向盤過沉[7-8]。如圖7所示，在車輪處于平衡狀態(tài)時(shí)，主銷后傾角的值約為2.6°，在車輪上跳過程中角度有所增加且變化幅度較小，對(duì)車輪偏轉(zhuǎn)具有回正作用，保證了汽車的直行穩(wěn)定性。

圖7 主銷后傾角-車輪跳動(dòng)量曲線Fig.7 Caster angle-wheel travel

3 結(jié) 語

車輪定位參數(shù)的確定一直是汽車底盤開發(fā)乃至整車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。筆者用仿真分析的方法建立了基于RECURDYN軟件的雙橫臂獨(dú)立懸架模型并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出測(cè)試平臺(tái)豎直移動(dòng)過程中各主要定位參數(shù)的變化情況，并按照汽車底盤設(shè)計(jì)的基本規(guī)范對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析評(píng)價(jià)。采用此方法，可在懸架實(shí)體試驗(yàn)之前進(jìn)行仿真測(cè)試，對(duì)新開發(fā)懸架的性能得到預(yù)測(cè)，省去了不必要的加工制造，提高了汽車底盤設(shè)計(jì)的進(jìn)度，簡(jiǎn)化了繁瑣的實(shí)體拆裝試驗(yàn)。仿真分析過程是在不計(jì)運(yùn)動(dòng)副摩擦等理想環(huán)境下進(jìn)行的，必然與實(shí)際試驗(yàn)存在一定誤差，有待進(jìn)一步完善。

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Simulation and analysis of double-wishbone independent suspension based on RECURDYN

CHEN Hong, HAO Lihong

With the method of multi-body system dynamics, a multi-body model of double-wishbone independent suspension was established in RECURDYN modeling environment. The curves of toe angle, camber angle, caster angle and kingpin inclination changing as the up-and-down movement of wheels were obtained. Results were evaluated by basic theory of vehicle dynamics.

RECURDYN; double-wishbone suspension; simulation

1008-1534(2013)02-0097-03

U461.1

A

10.7535/hbgykj.2013yx0113

2012-09-10;

2012-11-05

責(zé)任編輯：馮 民

陳 洪(1987-)，男，河北保定人，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方面的研究。

E-mail:greatchenhong@163.com