基于RECURDYN的雙橫臂獨立懸架仿真分析

陳 洪，郝莉紅

(河北工程大學機電學院，河北邯鄲 056038)

基于RECURDYN的雙橫臂獨立懸架仿真分析

陳 洪，郝莉紅

(河北工程大學機電學院，河北邯鄲 056038)

利用多體系統動力學仿真分析方法，在RECURDYN建模環境中構建了雙橫臂獨立懸架的多剛體模型,并對模型進行了仿真計算，得到了前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內傾角隨車輪上下跳動的變化曲線,最后利用汽車動力學的基本理論對所得結果進行了評價。

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傳遞給車身的沖擊[1]。通過合理布置雙橫臂懸掛構件的相對位置，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，并有調校空間寬泛、抓地性能好等優點。因此，雙橫臂式獨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6的前懸掛、長城C50的后懸掛都裝配了雙橫臂獨立懸架。

RECURDYN是一種基于遞歸算法的多體系統仿真分析軟件，它以多體系統動力學為基礎，為評測和提高多體系統的綜合性能指標提供了一個仿真平臺[3]。筆者的研究對象是雙橫臂獨立懸架，在RECURDYN軟件的建模環境中構造某汽車的雙橫臂懸架模型，通過編輯試驗臺的位移函數使車輪按特定的規律在豎直方向作往返運動。筆者對車輪豎直運動過程中車輪的定位參數進行計算和分析，得到雙橫臂懸架運動學特性的仿真結果，并對懸架的性能進行簡要評價。

1 雙橫臂懸架建模

1.1模型簡介

雙橫臂懸架是主要組成構件，其結構圖見圖1。顯然，懸架的左右2部分是對稱的。筆者對懸架模型的試驗環境進行一些假設：1)不計各桿件和輪胎的變形，認為懸架是一個多剛體系統；2)不考慮各構件鉸接之間摩擦力的影響；3)假設彈簧的彈性是線性的。

圖1 雙橫臂懸架結構圖Fig.1 Double wishbone suspension structure chart

1.2建立懸架的硬點

調校懸架性能的一種重要手段就是合理布置硬點的位置，考慮到懸架的左右對稱特點，只需建立其中一側的模型即可，現以懸架的左半部分為例，依據某汽車的車輪定位參數創建左側懸架的硬點，各點坐標見表1。

表1 左側懸架各硬點坐標

1.3添加模型實體

按照表1列出的各硬點坐標，添加模型的幾何實體，生成圖2所示的懸架模型。再為雙橫臂懸架添加約束，各構件間約束關系見圖3。

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

圖3 懸架各構件約束關系Fig.3 Constraint relations among the suspension components

2 仿真分析

懸架的運動學特性可以通過模擬車輪上下跳動的虛擬環境來仿真分析，編輯測試平臺的位移驅動函數：50×sin(360°×time)，其中“time”表示時間(以s為單位)，此函數表示測試平臺帶動車輪在豎直方向-50～50 mm按正弦規律作往返運動。

車輪外傾角的變化直接引起輪胎與地面接觸點的位置變化，在汽車行駛過程中，輪胎接地點的位置發生偏移，將對行駛方向產生影響，因此外傾角不應有劇烈的變化。通常情況下，在車輪上跳過程中外傾角應向減小的方向變化，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角度，約為-0.2°，對整車的直行穩定性是有利的。

圖4 車輪外傾角-車輪跳動量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，由于車輪外傾角會導致車輪有向外翻轉的現象，車輪前束角的存在可對這一現象起到調節作用。前束角的變化合理，有利于汽車獲得充足的轉向特性[5]，并可以減緩輪胎的磨損。車輪前束角與車輪豎直跳動量的關系如圖5所示，在車輪上跳過程中前束角呈現減小的趨勢，而且變化幅度較小。

圖5 車輪前束角-車輪跳動量Fig.5 Toe angle-wheel travel

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

圖6 主銷內傾角-車輪跳動量Fig.6 Kingpin inclination angle-wheel travel

由于主銷后傾角的存在，使主銷軸線延長線與地面的交點比車輪與地面接觸點靠前一段距離(稱為主銷縱傾移距)。它可以利用汽車行駛中地面對輪胎的阻力生成一個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。設置主銷后傾角對路面沖擊引起汽車行駛方向的微小變化有自行調節功能。主銷后傾角如果布置得太大，轉向時就需要克服很大的力矩，導致方向盤過沉[7-8]。如圖7所示，在車輪處于平衡狀態時，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，對車輪偏轉具有回正作用，保證了汽車的直行穩定性。

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

3 結 語

車輪定位參數的確定一直是汽車底盤開發乃至整車設計的重點和難點。筆者用仿真分析的方法建立了基于RECURDYN軟件的雙橫臂獨立懸架模型并對其進行運動學分析，得出測試平臺豎直移動過程中各主要定位參數的變化情況，并按照汽車底盤設計的基本規范對仿真結果進行簡要分析評價。采用此方法，可在懸架實體試驗之前進行仿真測試，對新開發懸架的性能得到預測，省去了不必要的加工制造，提高了汽車底盤設計的進度，簡化了繁瑣的實體拆裝試驗。仿真分析過程是在不計運動副摩擦等理想環境下進行的，必然與實際試驗存在一定誤差，有待進一步完善。

/

[1] 王宵鋒.汽車底盤設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

WANG Xiaofeng. Car Chassis Manual[M].Beijing: Tsinghua University Press，2010.

[2] HEIBING B,ERSOY M.汽車底盤手冊：基礎知識、行駛動力學、部件、系統、機電一體化及展望[M].孫 鵬，譯. 北京：機械工業出版社，2012.

HEIBING B，ERSOY M. Car Chassis Manual: Basic Knowledge, Driving Dynamics, Component, System, Mechatronics and Prospect[M]. Translated by SUN Peng. Beijng: Machinery Industry Press，2012.

[3] 焦曉娟.RecurDyn多體系統優化仿真技術[M].北京：清華大學出版社，2010.

JIAO Xiaojuan. RecurDyn Multi-body System Optimization Simulation Technology[M]. Beijing: Tsinghua University Press，2010.

[4] 陳德玲.基于ADAMS的前懸特性分析及優化[J].農業裝備與車輛工程，2011(8)：18-21.

CHEN Deling. Front suspension analysis and optimization based on ADAMS[J]. Agricultural Equipment and Vehicle Engineering, 2011(8)：18-21.

[5] 王 南，郝莉紅，張莉婷，等．基于ADAMS/VIEW的雙橫臂獨立懸架的運動學仿真分析[J]．河北工業科技，2012,29(4)：214-216．

WANG Nan, HAO Lihong, ZHANG Liting,et al. Kinematics simulation of double-wishbone suspension based on ADAMS/View[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2012,29(4)：214-216.

[6] 秦 成，史淑玲，趙珍強. 基于Solidwork/Adams的汽車懸架仿真分析[J].機電產品開發與創新，2012,25(3)：77-78.

QIN Cheng, SHI Shuling, ZHAO Zhenqiang. Simulation and analysis of a suspension bracket based on Solidworks/Adams[J].Development & Innovation of Machinery & Electrical Products,2012,25(3)：77-78.

[7] 劉宏飛，許洪國，徐 溦，等.惰行工況下汽車列車橫向穩定性分析[J].河北科技大學學報，2009，30(3)：266-269.

LIU Hongfei, XU Hongguo, XU Wei,et al. Lateral stability analysis of tractor-semitrailer unde idle running condition[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2009,30(3)：266-269.

[8] 胡曉清，尚修香. 采用雙天線GPS/INS系統的汽車側偏角和輪胎側偏剛度估測法[J].河北科技大學學報，2011，32(1)：92-97.

HU Xiaoqing, SHANG Xiuxiang. Estimation of sideslip angle and tire cornering stiffness of vehicle with two-antenna GPS/INS measurement system[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology，2011,32(1)：92-97.

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

責任編輯：馮 民

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

E-mail:greatchenhong@163.com