鋼板彈簧運動學特性研究

□ 劉保鋒

三一建筑機器人(西安)研究院有限公司 西安 710200

1 研究背景

鋼板彈簧的運動學特性影響汽車的操縱穩定性和平順性,懸架與轉向系匹配不合理,將會導致整車發生運動干涉[1-2]。鋼板彈簧運動學特性研究的主要目的是獲取鋼板彈簧運動軌跡中心坐標及軌跡半徑,校核理論計算結果[3],同時修正計算機輔助工程仿真模型,最終獲得可用于懸架運動學分析與優化的理論計算模型和計算機輔助工程仿真模型。目前有關鋼板彈簧的運動學研究主要集中在解析算法[3]、懸架運動學及柔順性仿真分析[4-6],試驗驗證方案較少,對于多片簧鋼板彈簧與少片簧鋼板彈簧運動軌跡理論計算結果的差異性和準確性未知。

筆者通過臺架試驗、理論計算、計算機輔助工程分析方法,分別對多片簧鋼板彈簧和少片簧鋼板彈簧主片中心運動軌跡進行分析,確定理論模型的適用性,同時修正計算機輔助工程分析模型,對轉向搖臂下球鉸點的布置提出合理建議。鋼板彈簧運動學特性研究思路如圖1所示。

▲圖1 鋼板彈簧運動學特性研究思路

2 理論計算

對鋼板彈簧進行運動學特征分析,最常用的方法是采用美國汽車工程協會圓弧理論。這一理論提供了鋼板彈簧中心點近似運動軌跡,可以進行二維校核計算。美國汽車工程協會圓弧理論為:鋼板彈簧第一片中心軌跡可以用以3l/4為半徑,圓心位于比主卷耳中心高r/2的圓弧來近似描述[7-8],l為鋼板彈簧的半長,r為主片中心線處卷耳半徑,如圖2所示。

▲圖2 美國汽車工程協會圓弧理論

市場上主要的鋼板彈簧類型有兩種,為多片簧和少片簧[9]。為分析美國汽車工程協會圓弧理論的適用范圍,選擇兩種多片簧鋼板彈簧和三種少片簧鋼板彈簧,對鋼板彈簧主片運動軌跡中心坐標和軌跡半徑進行理論計算,計算結果見表1。坐標原點為鋼板彈簧主卷耳中心,X軸平行于汽車縱向指向后方,Z軸垂直于地面指向上方。

表1 圓弧理論計算結果

3 試驗

搭建鋼板彈簧主片運動軌跡中心專用試驗臺,如圖3所示。確保縱梁、前卷耳、吊耳板、鋼板彈簧夾板與實車位置及安裝姿態一致,在縱梁、卷耳中心、主片中心粘貼反射片,通過三維激光掃描儀獲取反射片坐標。將鋼板彈簧安裝在試驗臺上,檢查U形螺栓、卷耳、吊耳板處的螺栓扭矩,保證與設計值一致。將鋼板彈簧由自由狀態加載至滿載狀態,重復三次,消除裝配間隙。通過作動器加載,獲取鋼板彈簧豎直載荷與位移關系曲線,擬合得出鋼板彈簧剛度。通過與設計剛度進行對比,判斷鋼板彈簧及臺架是否符合技術條件。

確認五種鋼板彈簧滿足技術條件后,通過作動器加載,加載順序為自由狀態、極限位置、自由狀態,加載位移見表2。分別測量鋼板彈簧主片運動軌跡中心坐標和軌跡半徑,測量結果見表3。

▲圖3 鋼板彈簧主片運動軌跡中心專用試驗臺

表2 加載位移

表3 鋼板彈簧主片運動軌跡測量結果

4 理論計算與試驗對比

將美國汽車工程協會圓弧理論計算結果與臺架試驗所得鋼板彈簧主片運動軌跡中心進行對比。臺架試驗共測試五種鋼板彈簧,每種鋼板彈簧共三件樣件,重復測量兩次。多片簧鋼板彈簧主片運動軌跡中心對比結果如圖4所示。由圖4可以發現,多片簧鋼板彈簧理論計算與試驗結果偏差主要為半徑偏差。少片簧鋼板彈簧主片運動軌跡中心對比結果如圖5所示。由圖5可以發現,少片簧鋼板彈簧理論計算與試驗結果偏差主要為角度偏差。

通過構建理論模型分析角度偏差、半徑偏差導致的懸架系統對轉向系統干涉量的影響,如圖6所示。由圖6可以確定,角度偏差引起的干涉量大,半徑偏差引起的干涉量小。因此,試驗點與理論計算點有偏差時,試驗點在理論計算點與鋼板彈簧主片中心連線上時,導致的干涉量最小。

▲圖4 多片簧鋼板彈簧主片運動軌跡中心對比

▲圖5 少片簧鋼板彈簧主片運動軌跡中心對比

▲圖6 偏差對干涉量影響

5 圓弧理論適用范圍分析

根據理論分析結果可以確定,懸架與轉向系統的干涉量主要由鋼板彈簧主片運動軌跡中心角度偏差引起。為了尋求少片簧鋼板彈簧與多片簧鋼板彈簧角度偏差規律,并獲得修正數值,筆者對理論計算與試驗角度偏差結果進行統計,結果如圖7所示。統計結果顯示,多片簧鋼板彈簧理論計算與試驗角度偏差處于0°～0.3°,懸架系統匹配時可以直接使用美國汽車工程協會圓弧理論進行計算;少片簧鋼板彈簧理論計算與試驗角度偏差處于0.5°～1°,設計時需要對美國汽車工程協會圓弧理論計算結果進行修正。

▲圖7 角度偏差理論計算與試驗統計結果

6 仿真分析

鋼板彈簧建模時,對鋼板彈簧進行逆向掃描,得到鋼板彈簧安裝狀態和自由狀態點云數據,根據點云數據建立鋼板彈簧三維模型;依據自由狀態下鋼板彈簧的形狀得到控制點坐標,根據控制點坐標在ADAMS軟件中建立鋼板彈簧模型;通過參數優化,完成模型修正[10-11]。鋼板彈簧軌跡ADAMS軟件分析模型如圖8所示。以少片簧鋼板彈簧1為例,對美國汽車工程協會圓弧理論計算、ADAMS軟件仿真、臺架試驗得到的鋼板彈簧主片運動軌跡中心進行對比,結果如圖9所示。由圖9可以發現,ADAMS軟件仿真得到的鋼板彈簧主片運動軌跡中心與試驗高度符合,因此在后續車輛懸架系統仿真或進行問題整改時,可以直接使用這一模型。

▲圖8 鋼板彈簧軌跡ADAMS軟件分析模型

▲圖9 少片簧鋼板彈簧1主片運動軌跡中心對比結果

7 結束語

筆者利用臺架試驗、美國汽車工程協會圓弧理論對兩種多片簧鋼板彈簧、三種少片簧鋼板彈簧的主片運動軌跡中心進行分析,結果表明,多片簧鋼板彈簧理論計算與試驗偏差為半徑偏差,少片簧鋼板彈簧理論計算與試驗偏差為角度偏差,角度偏差引起的干涉量大,半徑偏差引起的干涉量小。多片簧鋼板彈簧主片理論運動軌跡中心與試驗符合,懸架系統匹配時可以直接使用美國汽車工程協會圓弧理論進行計算。少片簧鋼板彈簧主片理論運動軌跡中心與試驗偏差較大,設計時需要對美國汽車工程協會圓弧理論計算結果進行修正。

在轉向系統布置過程中,應保證轉向懸架干涉量最小。對于多片簧鋼板彈簧,轉向搖臂下球鉸點布置在轉向節臂球鉸點與鋼板彈簧主片理論運動軌跡中心連線上。對于少片簧鋼板彈簧,轉向搖臂下球鉸點布置在轉向節臂球鉸點與鋼板彈簧主片理論運動軌跡中心連線偏0.5°～1°范圍內。

通過ADAMS軟件建模,確保仿真結果與臺架試驗結果一致后,可對不同懸架高度及鋼板彈簧制動縱扭工況對懸架系統干涉的影響做進一步分析,為設計人員分析校核提供重要數據依據。