基于CATIA的某重卡鋼板彈簧懸架運動校核

張志龍

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

懸架是車輛的承載機構，主要包括彈性元件、減震器、橫向穩定桿等零部件。鋼板彈簧懸架是重型載貨汽車常用的懸架，鋼板彈簧同時起彈性元件和導向元件作用，此類懸架承載能力強，結構簡單可靠，制造成本低且維修方便。在板簧懸架的設計過程中，板簧、減震器、橫向穩定桿、輪胎與周圍的轉向拉桿、車架、車身之間的間隙校核是十分重要的一個方面，如果布置不得當，容易與周邊的部件產生干涉。鋼板彈簧作為一種彈性元件，在懸架跳動過程中伴隨著自身的彎曲，運動較為復雜。傳統板簧懸架設計時多采用二維平面繪圖校核，但精確度較低，對于零部件較多的懸架系統間隙校核不夠精確。近年來汽車設計人員利用三維軟件進行懸架運動校核越來越普遍，數字樣機模擬仿真可以再現懸架運動過程，并可以生成運動包絡，可以更直觀準確的進行懸架各部件之間的間隙校核。

本文借助CATIA 軟件中的DMU數字樣機模塊，建立了鋼板彈簧前懸架運動模型。根據SAE圓弧法計算出鋼板彈簧中心軌跡跳動曲線，通過點線結合命令模擬前懸架的跳動情況，從而進行前懸架運動校核，為懸架設計提供參考。

1 前懸架結構及布置形式

該型重卡鋼板彈簧前懸架結構如圖1所示，主要由鋼板彈簧、減震器、橫向穩定桿及相關的支架和底座等零部件組成。鋼板彈簧通過前卷耳后吊耳的方式安裝在車架縱梁正下方，隨前橋跳動板簧繞卷耳轉動并會發生彎曲變形。板簧中間通過板簧底座、U型螺栓和前橋固連，彼此沒有相對運動。減震器布置在車架外側，上套筒安裝在減震器支架上，下套筒安裝在板簧底座上。懸架跳動過程中，減震器除拉伸和壓縮外，還隨著前橋做小幅的擺動。橫向穩定桿安裝在板簧底座上，穩定桿縱拉桿安裝在車架內側，穩定桿支架安裝在車架縱梁外表面。

2 前懸架運動仿真模型

CATIA的DMU空間分析模塊全稱Digital Mock Up，即數字樣機設計，可以用來模擬機構的運動情況，幫助設計者分析與機構運動的相關性能和參數。利用DMU建立運動仿真需要滿足3個條件：1）確定所有零部件都與其他零部件之間具有運動副，例如：轉動、滑動、鉸鏈、齒輪轉動、固定連接等。2）確定一個固定不動的零部件作為基礎。3）在建立第一步的各種運動副時，選擇其中一個運動副作為控制動力源，通過其他運動副作為約束方式帶動所有未固定的活動零件進行運動仿真。

建立前懸架運動仿真模型時，首先對原前懸架機構進行簡化，去除螺栓、螺母、襯套等小部件，只保留主要的運動零件。進行運動仿真分析的零件包括車架、板簧底座、橫向穩定桿、橫向穩定桿縱拉桿、減震器以及相應的穩定桿支架、減震器支架。

2.1 板簧運動模擬

圖2 前懸架板簧跳動軌跡示意圖

為準確模擬前懸架的運動情況，最重要的是準確模擬鋼板彈簧的運動情況。板簧變形運動決定了懸架其他部件的跳動，是前懸架跳動的依據。板簧的簡化有多種方法，如SAE圓弧法、三連桿法，有限元法等。本文采用美國汽車工程協會推薦的“SAE圓弧”方法來近似計算鋼板彈簧的運動軌跡。該方法認為鋼板彈簧跳動時，主片中心點A的運動軌跡近似為一段圓弧，該圓弧與板簧的實際運動軌跡十分接近。如圖2所示，圓弧圓心O位于基線（前后卷耳中心連線）上方e/2處的平行線上，其中e為卷耳中心到主片中性層距離；圓弧的半徑R為板簧有效半長的3/4。e和R可以按式（1）計算。

式中d為卷耳內徑，t為卷耳處板簧厚度，L為板簧主片平直狀態下左右卷耳中心距，S為U型螺栓距離，α為無效長度系數。

2.2 前輪純轉動DMU模擬

圖3 前輪轉向角示意圖

圖4 前輪純轉動形成的包絡面

前橋是轉向橋，前輪在隨懸架上下跳動的同時還要繞主銷轉動。為使運動模型簡單，可以先建立前橋純轉動的局部模型，仿真模擬得到前輪純轉動包絡面，導入前懸架整體模型進行前懸架跳動校核。樣車前橋車輪轉向極限位置如圖3所示，外側車輪轉角為 37.1°，內側車輪轉角為 48.1°。固定車橋，令左右車輪和車橋主銷孔之間采用旋轉副結合，進行運動模擬可以得到前輪轉動時的包絡面，如圖4所示。

2.3 前懸架跳動DMU模擬

圖5 前懸架運動機構模型

對該類板簧懸架系統進行模擬仿真最關鍵的是如何模擬彈性元件鋼板板簧的變化情況。本文利用CATIA軟件DMU模塊中的點線命令，將事先畫好的板簧中點跳動軌跡導入到該仿真模型中，如圖5所示。利用點線約束命令，讓板簧座中點沿板簧跳動軌跡圓弧運動，可以較為準確的模擬真實的懸架跳動情況，從而得到除鋼板彈簧外的其余運動部件在車橋跳動過程中的空間包絡，用來校核與周圍零件的干涉情況。

該懸架運動模型選定的固定零件為車架，控制動力源為板簧底座沿板簧跳動軌跡的點線接觸運動副，該運動模型一共有14個運動副，其中：

a.減震器支架和穩定桿支架和車架固連，車橋和板簧底座固連。

b.穩定桿支架和穩定桿縱拉桿、穩定桿縱拉桿和橫向穩定桿、橫向穩定桿和板簧底座均采用旋轉副結合；

c.減震器支架和減震器、減振器和板簧底座之間采用旋轉副結合，減震器上下套筒之間采用轉動滑動副結合。

圖6 各運動副部件示意圖

建立好各個零件之間的運動副后，檢查整個運動機構的自由度，當整個機構的自由度為 0（包含驅動命令）時，仿真機構可以被模擬，否則需要檢查各零件之間的運動副是否有遺漏。仿真得到的該前懸架模型的上下跳極限位置如圖7、圖8所示。

圖7 懸架上跳極限位置

圖8 懸架下跳極限位置

2.4 前懸架周邊零件間隙校核

利用DMU模塊的掃略包絡體命令，可以得到前輪穩定桿、減振器、輪胎包絡，校核與車架、轉向拉桿、車身、輪眉、擋泥板等周邊件的間隙是否滿足要求，保證車輛運動過程中不會發生干涉現象。

3 結論

本文利用CATIA軟件的DMU運動仿真模塊，結合SAE圓弧法計算的鋼板彈簧的跳動軌跡，建立了前懸架三維運動模型，有效解決了懸架設計過程中二維平面校核方法精確度較低，無法直觀觀察系統空間運動情況的問題。該運動仿真模型有利于在試制樣車之前及時發現可能出現的機構干涉、間隙較小等情況，為此類鋼板彈簧非獨立懸架車型的懸架系統機構設計、布置及校核提供了重要參考。

參考文獻

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