基于剛柔耦合的E型多連桿K&C特性分析

景立新 吳利廣 曹嬌嬌 李廣

摘 要：通過有限元軟件Hypermesh將E型多連桿后懸架中的下擺臂、上擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架進行柔性化，分別導入到 ADMAS/Car軟件中進行多體動力學建模和仿真分析，并將仿真結果與試驗結果進行對比分析，分析得到不同剛柔耦合的零部件組合對前束角變化產生較大影響。

關鍵詞：E型多連桿；ADMAS/Car；剛柔耦合

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）01-0035-05

Abstract： The lower swing arm， the upper swing arm， the toe tie rod， the longitudinal arm and the sub-frame in the E-type multi-link rear suspension are flexed by the finite element software Hypermesh.They are imported into ADMAS/Car software for multi-body dynamics modeling and simulation analysis. The simulation results are compared with the experimental results. The analysis shows that the combination of different rigid-flexible components has a great influence on the change of toe angle.

Key Words： E type multi-link； ADMAS/Car； Rigid and flexible coupling

引言

目前，在多體系統就是剛體運動的構件和彈性變形的構件通過約束組成的完整機械動力系統[ 1]。從嚴格意義上講，在實際中遇到的絕大多數工程上的問題都是多體運動問題，由于其復雜性，通常都將多體系統運動分析簡化為剛體運動分析，但是由于在分析過程中將實際問題進行了簡化，因此其處理結果會存在誤差[2]。而近幾年，隨著社會經濟的發展，人們開始追求物質生活，對汽車代步功能已經不再滿足，而對汽車舒適性和其行駛穩定性有了進一步要求。這對底盤的舒適性和其操縱穩定性有了直接要求，因此傳統的應用較好的獨立懸架已經越來越不能夠滿足人們的要求，于是E型多連桿式的獨立懸架結構的采用成為熱門。因此，本文的主要目的是根據ADAMS軟件建立的汽車后懸架的剛柔耦合的模型，對其不同方案的耦合模型進行分析，確定其剛柔耦合的最佳方案[3]。

1 多連桿后懸架模型分析

1.1 E型多連桿懸架結構分析

E型多連桿懸架的具體結構如圖1所示，其組成有下擺臂、上擺臂、前束拉桿以及縱臂組成。

橫向的連桿分別與副車架和后轉向節相連接，主要功用一是調整整車四輪的定位參數；二是調整最佳的主銷后傾角的位置，加大汽車后懸架的側向剛度，很大程度上的降低路面對汽車的側向沖擊力。縱臂分別與車身和制動角總成連接，其主要功用是加大汽車后懸架的縱向剛度，很大程度上降低路面對汽車的前后方向力。

副車架是作為汽車后懸架的主要結構件，與汽車車身剛性連接，是車身與下擺臂、上擺臂和前束拉桿相連的橋梁，主要承載汽車分配到后懸架的載荷，加大了后懸架的支撐架的剛度，從而改善汽車懸架的的平順性，也確保了車輛直線行駛的穩定性，確保汽車乘坐的舒適性。螺旋彈簧作為彈性元件其主要功用一是緩和沖擊，二是承受和傳遞垂向力；減震器主要是對不平路面所造成的震動進行緩沖[4]。

1.2 E型多連桿后懸架K&C;特性分析

汽車懸架系統的運動學主要由懸架運動學和懸架彈性運動學（Kinematics &Compliance;，K&C;）組成。其中懸架運動學的主要研究內容是汽車車輪的定位參數和汽車懸架的垂直剛度特性在行駛過程中由于懸架彈簧變形和轉向而引起的變化；而懸架彈性運動的主要研究內容是車輪的定位參數和懸架的垂直剛度特性在汽車行駛過程中由于車輪與地面之間的力和力矩而產生的變化。懸架K特性主要與汽車的乘坐舒適性相關，C特性影響汽車的操穩性。懸架K&C; 特性主要工況包含平行輪跳工況、側傾工況、同向（反向）側向力工況、同向（反向）回正力矩工況、縱向力工況、轉向工況。相關參數主要涉及前束角變化、側傾剛度變化、懸架側傾中心高度等參數[5]。

汽車車輪前束角（Toe），具體是指從車的正上方看，車輪的前端所在平面和車輛從線所在平面的夾角，如圖2所示。從汽車后方向前看，車輪的Toe角與汽車輪胎的側向偏角一樣大，如圖3所示[6]。因此，為確保車輛能夠準確的沿直線行駛，一般都會設置一定的前束角。而且為不使汽車輪胎有側向偏角導致在行駛的過程中其輪胎磨損較大，汽車的前束角的變化不應太大。

2 E型多連桿懸架剛柔耦合模型建立

本文分析用到的后懸架形式為E型多連桿獨立懸架。在汽車行駛過程中，其懸架的主要功用是作為車輪與車身的橋梁，將車輪上承受的不同方向上的力和力矩傳遞到汽車車身上，懸架由于承載了這些力和力矩會產生變形，通過將上擺臂、下擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架進行柔化[7]如圖4所示，并進行不同形式的組合，分別進行K&C;特性仿真分析。

將通過相關軟件將上擺臂、下擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架柔化后導入到汽車后懸架的ADAMS模型中，其模型如圖5所示：

為了分析后懸架各結構件（上擺臂、下擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架）對懸架K&C;特性的影響，本文首先對將上述所有結構件均進行柔性化，這樣各零部件在仿真中均考慮了變形，更符合實際情況，分析結果也證實了全部柔性化后的模型仿真結果與試驗結果吻合度很好。基于篇幅限制，以及本文主要目的是論證各結構件柔性化對懸架K&C;特性的影響，因此暫不對驗證過程進行描述。

為了研究各結構件柔性化對懸架K&C;特性的影響，本文借鑒DOE（Design Of Experiment）的思想，進行試驗設計見表1：

在柔性化的模型基礎上，分別對各結構件（上擺臂、下擺臂、前束拉桿、縱臂和副車架）進行剛性化處理，分析對懸架K&C;特性的影響。

3 E型多連桿剛柔耦合模型對懸架K&C;特性的影響分析

本文分別從K特性和C特性方面來論證E型多連桿剛柔耦合模型對懸架K&C;特性的影響。

3.1 E型多連桿剛柔耦合模型對懸架C特性的影響分析

在同向縱向力工況下包括制動力、驅動力和滾動阻力，其中對車輪前束角影響最大的是制動力。同向縱向力工況下，剛柔耦合的后懸架對其前束角的影響如圖6所示。從圖中可得model_longitidunal曲線與試驗曲線model_all斜率相差較大，其它曲線與試驗曲線斜率相差較小，因此可以得出，在相同縱向力下有剛性縱臂的后懸架的前束角變化較小，影響懸架對應C特性以及整車橫擺力矩、車輛行駛穩定性的分析精度。

同向側向力工況下，剛柔耦合的后懸架對其前束角的影響如圖7所示，從方案的仿真數據與某車型試驗數據作對比發現，model_longitidunal曲線與model_all曲線斜率相差較大，其他曲線與試驗曲線斜率相差較小，在相同側向力下有剛性縱臂的后懸架的前束角變化較小，影響懸架對應C特性以及整車回正力矩變化等分析精度。

反向側向力工況下，剛柔耦合的后懸架對其前束角的影響如圖8所示，從方案的仿真數據與某車型試驗數據作對比發現，model_longitidunal曲線和model_subframe曲線均與model_all曲線斜率相差較大，其他曲線與試驗曲線斜率相差較小，因此可以得出，剛性縱臂和副車架的懸架會影響懸架對應C特性以及到汽車的直線行駛性能分析精度。

同向回正力矩工況下，剛柔耦合的后懸架對其前束角的影響如圖9所示，從方案的仿真數據與某車型試驗數據作對比發現，model_longitidunal曲線和model_subframe去向均與model_all曲線斜率相差較大，其他曲線與試驗曲線斜率相差較小，因此可以得出，有剛性縱臂和副車架的懸架模型會影響輪胎接地印跡、輪胎拖距等分析精度，進而影響車輛的不足轉向特性等分析精度。

圖6-9中曲線數據也表明，在同向縱向力、同向側向力、反向側向力、同向回正力矩等工況下仿真，上擺臂、下擺臂和前束拉桿分別使用剛性體的曲線與試驗數據曲線相比相差較小。

3.2 E型多連桿剛柔耦合模型對懸架K特性的影響分析

平行輪跳工況下，剛柔耦合的后懸架對其前束角的影響如圖10所示，從方案的仿真數據與某車型試驗數據作對比可以發現，model_longitidunal曲線與model_all曲線斜率的變化相差較大，其它方案曲線在此工況下與試驗曲線斜率的變化相差不明顯，因此可以得出：與柔性的后懸架相比，有剛性的縱臂的后懸架在車輪上跳后軸外側車輪的前束角變化更大，這就使后軸在側傾時也具有不足轉向性。因此，若仿真使用剛性縱臂，則車輪轉向時的不足轉向特性分析精度會受到很大影響，與試驗相差較大。

側傾工況下，剛柔耦合的后懸架對其前束角的影響如圖11和圖12所示，從方案的仿真數據與試驗數據作對比發現，model_longitidunal曲線與model_all曲線斜率的變化不同，有剛性縱臂的懸架在輪心垂向位移向上時后輪前束角變化更大，則后輪的外傾角增大，影響懸架對應K特性以及整車不足轉向特性等分析精度。（外傾時前束角變化過大，會使汽車輪胎的磨損加劇，進而導致汽車輪胎的附著性能變差，而且汽車的行駛性能也會受到一定的影響，剛性的縱臂改變了車輪前束角的正常變化，影響車輪的不足轉向特性破壞了汽車行駛時良好的轉向性能。）

從圖11和12中分析可得，上擺臂、下擺臂和前束拉桿分別剛性化的曲線在側傾工況下與試驗數據曲線相比斜率的變化不明顯，對懸架K&C;特性以及整車操穩的影響可以忽略。

4 結論

通過以上對比分析，可以得出E型多連桿懸架中各結構件對懸架K&C;特性的影響，見表2：

表2中描述了各結構件是否柔性化對懸架K&C;特性的影響，表中空白的表示基本沒有影響；標注★越多的，影響越大。其中：上擺臂、下擺臂、前束拉桿柔性或剛性對模型仿真而言影響不大；縱臂和副車架是否柔性化對于懸架的K&C;特性具有較大影響。主要影響車輛前束角變化，剛性的副車架和縱臂降低了車輛的轉向性能、直線行駛性能以及輪胎磨損的分析精度。

因此，在進行E型多連桿后懸架K&C;仿真分析時，為使仿真數據更加準確，在仿真模型中副車架和縱臂應該使用柔性體。

參考文獻：

[1]陸佑方.柔性多體系統動力學[ M].北京：高等教育出版社，1996： 1- 7.

[2]余志生.汽車理論[ M].第3版.北京：機械工業出版社，2000：103- 145.

[3]高立新，胡延平，吳紅艷.基于ADAMS的剛柔耦合汽車懸架性能分析[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2009，32（6）：814-817.

[4]張昊.多連桿懸架汽車動力學建模仿真分析與試驗研究[D].上海交通大學，2011.

[5]孫海洋.基于整車操縱穩定性的懸架K&C; 特性指標分析研究[D]長春：吉林大學， 2012.

[6]M.米克奇，陳萌三譯，汽車動力學（第二版）C卷，北京：人民交通出版社，1997，第一版.

[7]宮鎮，夏長高.剛柔耦合多體車輛操縱穩定性研究[J].汽車工程，2004，26（5）：564- 567.