基于ADAMS 的汽車懸架的振動分析

萬茂林，張光慧，郭明

(1. 武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070; 2. 合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009)

0 引言

懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統之間具有彈性聯系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調節汽車行駛中車身位置等有關裝置的總稱。懸架是現代汽車的重要組成之一，懸架的性能的好壞將直接影響到汽車在行駛過程中的操縱穩定性和平順性。同樣也將影響到汽車使用者的主觀評價。汽車在行駛時，由于車輪與路面之間的動載荷，會影響到車輪的附著效應，因而也會影響到汽車的安全性。當車輪在高速運轉時，處于不平衡狀態下，會導致車輛在行駛中產生車輪抖動、方向盤震動的現象。另外，懸架性能還會引起車身姿態發生變化(側傾或俯仰)，也會影響到行車的安全和使乘客感到不舒適。由此可見，懸架性能對汽車的各個方面的性能很關鍵。

在文中將使用ADAMS 軟件研究在汽車使用過程中，由于各種原因導致的車輪在高速轉動中失去平衡狀態對懸架系統的振動影響。其中導致車輪在高速運轉過程中失去平衡的原因有以下幾種：

(1) 車輪定位不當，尤其是前束和主銷傾角。

(2) 輪胎和輪輞以及擋圈等因幾何形狀失準或密度不均勻而先天形成的重心偏離。

(3) 高速行駛中制動抱死而引起的縱向和橫向滑移，會造成局部的不均勻磨損。

(4) 車輪碰撞造成的變形引起的質心位移。

(5) 維修過程的拆裝改變了整體綜合質心，破壞了原有的良好平衡狀態。

(6) 因輪轂和輪輞定位誤差使安裝中心與旋轉中心不重合。

1 懸架模型的建立

雙橫臂獨立懸架是使用上、下擺臂分別將左、右車輪(或車身) 連接起來的懸架形式。上、下擺臂一般做成A 字型結構，這種懸架實際上是一種在橫向平面內運動的四連桿機構。雙橫臂獨立懸架是目前汽車上使用最廣泛的獨立懸架之一，主要運用于轎車、輕型客車和輕型貨車的前懸架上［1］。其空間結構簡圖如圖1 所示。

根據雙橫臂獨立懸架的空間結構求出各個關鍵點的絕對坐標，并使用ADAMS 建立雙橫臂前獨立懸架的模型，并對懸架的各個構件施加約束副，約束各個構件的相對運動，建立好的懸架模型如圖2 所示。

2 懸架在自由模態下的振動分析

在進行受迫振動分析之前，對建立好的懸架模型進行自由模態下的振動分析有利于對已建立的懸架模型進行檢查，看是否各個構件之間連接合理，可以很好地避免在施加激勵后出現錯誤所引起的問題。并且通過對懸架進行自由模態下的振動分析，可以給我們一個大致的參考，對分析受迫振動分析的結果也是相當有必要的。通過對懸架自由模態下的振動分析，可以看到懸架在各階模態下的振動頻率和振動情況［2］如下：

(1) 在一階模態下，懸架的固有頻率為0.94 Hz，主要表現為底盤的振動;

(2) 在二階模態下，懸架的固有頻率為22.3 Hz，主要表現為輪胎的跳動;

(3) 在三階模態下，懸架的固有頻率為81.1 Hz，主要表現為輪胎的左右擺動，這對汽車的操縱穩定性有重大影響，是應該極力避免的。

3 懸架的受迫振動分析

當汽車車輪在高速運轉中處于不平衡狀態時，就相當于一個不平衡的物塊繞著車軸轉動，由于該不平衡的物塊處于高速轉動中，對車軸有一個向心力的作用，該向心力可分解為垂直方向的力和水平方向力，又由于向心力與車輪的支撐點不在同一個平面，2 個分力將分別在車輪支撐點處產生一個力矩。作用力矩的原理簡圖如圖3、4 所示。

根據公式可知，不平衡質量作用在車軸的離心力大小為F=mw2r，其中m 為不平衡物塊的質量，w 為車輪的轉速，r 為不平衡物塊到車軸的徑向距離。力矩大小為M=mw2rd，d 為不平衡塊旋轉平面到車軸支撐點的垂直距離。當把離心力產生的力矩施加到懸架系統時，必須把該力矩分解為水平方向和豎直方向的力矩，分解后可得［3］：

水平方向：

Mx= mw2rdcos(wt)

豎直方向：

My= mw2rdsin(wt)

在使用ADAMS 對懸架系統進行受力振動分析后，可以得出懸架系統的振動特性曲線，如圖5 所示。

通過對懸架系統的振動特性曲線的分析，可以發現，懸架振動幅值整體上隨著車輪轉速(即頻率) 的增加而增加，但在頻率為0.94 Hz、22.3 Hz 和81.1 Hz 時，發生突增，這一結果與自由模態下的振動分析所得到的懸架在各階模態下的固有頻率值相等。通過該特性曲線不難得出結論： 當車輪處于非平衡狀態時，車速越高，其對懸架系統的影響越大［4］。下面通過對計算各個機構的動能的大小來分析在不同的轉速下，車輪的不平衡狀態對懸架各個構件的影響。懸架受力振動分析的各階模態下的動能分別如圖6、7 和8 所示。

4 結論

從動能表中，可以看出，在一階模態即頻率為0.94 Hz 下，底盤所承受的動能最大為99.44%，說明在一階模態下底盤承受的振動最大，主要表現為豎直方向的振動。在二階模態即頻率為22.3 Hz 時，車軸所承受的動能最大達到95%，說明在二階模態下車軸承受的振動最大，主要表現為輪胎豎直方向的振動。在三階模態下即頻率為81.1 Hz 時，車軸所承受的動能最大為91%，說明在三階模態下車軸承受的振動最大，主要表現為輪胎在車軸軸向的擺動，這將導致方向盤抖動，對汽車的操縱穩定性有很大影響。

【1】劉惟信.汽車設計［M］.北京：清華大學出版社，2002.

【2】陳黎卿.基于ADAMS 的懸架優化及控制研究［D］. 合肥： 合肥工業大學，2005.

【3】喻凡，林逸. 汽車系統動力學［M］. 北京： 機械工業出版社，2005.

【4】戴海燕.基于ADAMS 的懸架仿真分析［J］. 實驗科學與技術，2010，8(3) ：27-30.