基于參數(shù)化的鋼板彈簧懸架系統(tǒng)運(yùn)動仿真

周榮煒

基于參數(shù)化的鋼板彈簧懸架系統(tǒng)運(yùn)動仿真

周榮煒

（廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 361006）

文章基于“參數(shù)化設(shè)計”、“SAE圓弧法”，快速、準(zhǔn)確、直觀地模擬了多片簧鋼板彈簧懸架系統(tǒng)的運(yùn)動情況。對減振器、傳動軸、穩(wěn)定桿、吊耳等懸架零部件的設(shè)計及懸架系統(tǒng)的運(yùn)動仿真，提供了便捷的途徑。

參數(shù)化；SAE圓弧法；鋼板彈簧懸架系統(tǒng)；運(yùn)動仿真

前言

在非獨(dú)立懸架系統(tǒng)中，鋼板彈簧懸架應(yīng)用非常廣泛。目前常用的二維布置方法，不能精確的對懸架系統(tǒng)各零部件進(jìn)行仿真，使用三維建模則能直觀準(zhǔn)確地反應(yīng)零部件間的相對位置關(guān)系、運(yùn)動情況。但由于鋼板彈簧的動態(tài)變化，不同弧高之間的模型建立需花費(fèi)大量時間。

現(xiàn)有的研究中，如基于“SAE圓弧法”的仿真，常運(yùn)用于二維校核，未能實(shí)現(xiàn)數(shù)模的實(shí)時動態(tài)顯示；如基于“三連桿法”的仿真，將鋼板弧線按三段直線進(jìn)行模擬，是一種近似方法。如何更加快速、準(zhǔn)確、直觀地模擬鋼板彈簧懸架系統(tǒng)的運(yùn)動情況，本文通過參數(shù)化設(shè)計，提供了一個簡單易用的方法。

1 原理介紹

1.1 鋼板彈簧懸架系統(tǒng)

鋼板彈簧是一種常見的彈性元件，其除了具有緩沖作用外，還具有一定的減震作用，縱向布置的鋼板彈簧還有導(dǎo)向功能。鋼板彈簧非獨(dú)立懸架，可省去導(dǎo)向裝置，結(jié)構(gòu)簡單，廣泛運(yùn)用于各種車輛中[1]。

在懸架系統(tǒng)中，鋼板彈簧的運(yùn)動情況影響整車的平順性和操縱穩(wěn)定性，從而影響車輛的舒適性和安全性。因此，對鋼板彈簧進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析是研究的重點(diǎn)。

1.2 SAE圓弧法

對于鋼板彈簧運(yùn)動學(xué)，現(xiàn)最常采用的是美國汽車工程協(xié)會推薦的“SAE圓弧法”，該法提供了鋼板彈簧中心點(diǎn)的近似運(yùn)動軌跡，并依此進(jìn)行二維校核計算。“SAE圓弧法”即：板簧第一片中點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，可以用以3l/4（l為鋼板彈簧的半長）為半徑，圓心在比主卷耳中心高r/2（r為主片中心線處的卷耳半徑）的圓弧來近似描述[2]，如圖1。

圖1 SAE圓弧法

在對“SAE圓弧法”的理論驗(yàn)證中表明，多片簧的鋼板彈簧，當(dāng)板簧變形時，主片沿全長的形狀可以近似地看作一個半徑隨載荷變化的圓弧[3]。

1.3 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計，即定義圖形的幾何約束和尺寸參數(shù)，在幾何約束不變的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整尺寸參數(shù)，可自動改變圖形形狀。本文以全參數(shù)化設(shè)計軟件Pro/E作為主要工具，對懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模。通過參數(shù)化設(shè)計建模，提高運(yùn)動模擬的效率[4]。

2 模型建立

2.1 板簧建模

用參數(shù)化設(shè)計方法模擬鋼板彈簧運(yùn)動仿真的要點(diǎn)在于，對固定弧長的圓弧，實(shí)現(xiàn)隨弦長變化的半徑變化。Pro//E很方便實(shí)現(xiàn)了此狀態(tài)，步驟如下：

（1）進(jìn)入草圖狀態(tài)，通過點(diǎn)A、點(diǎn)B創(chuàng)建任意圓弧，連接AB為參考線，做弧高參考線，標(biāo)注出半徑R，弧高N，弦長M，弧高兩端點(diǎn)分別約束于弦長線和弧線上。如圖2。

（2）單擊弧線，選擇命令“編輯-轉(zhuǎn)換到-周長”，選擇半徑R，隨即顯示出了周長L，半徑R同時顯示為“R變量”。

（3）周長L長度確定后，本文按1200mm為例，即可完成一個隨弧高N參數(shù)化變化而變化的運(yùn)動草圖。

（4）在此草繪基礎(chǔ)上創(chuàng)建數(shù)模，包括兩端連接軸、中心螺栓等裝配參數(shù)。如圖3。

圖3 鋼板彈簧數(shù)模的建立

2.2 系統(tǒng)建模

創(chuàng)建減振器、穩(wěn)定桿、板簧吊耳等的數(shù)模，創(chuàng)建中心面，并輸入硬點(diǎn)參數(shù)如表1所示。

表1 懸架硬點(diǎn)參數(shù)

通過硬點(diǎn)創(chuàng)建骨架模型，建立車身上各基準(zhǔn)軸：板簧前端、減震器上端、吊耳與車身連接端、穩(wěn)定桿連接軸固定端，如圖4中紅色線條。

用“連接”模塊裝配模型。連接順序?yàn)椋喊寤傻醵c車身為“銷釘連接”，板簧后端與板簧吊耳為“銷釘連接”，板簧前端與車身為“圓柱連接”，后橋與板簧為“常規(guī)連接”，減振器下端與后橋?yàn)椤颁N釘連接”，減振器上端與車身為“圓柱連接”，穩(wěn)定桿與后橋?yàn)椤颁N釘連接”，穩(wěn)定桿連接軸與穩(wěn)定桿為“銷釘連接”，穩(wěn)定桿連接軸與車身為“圓柱連接”。完成圖4最終狀態(tài)。

3 運(yùn)動仿真

3.1 弧高參數(shù)化調(diào)整

對于裝配完成的懸架系統(tǒng)，鋼板彈簧弧高為參數(shù)化的變量，改變參數(shù)弧高N，即可快速得出不同狀態(tài)下的鋼板彈簧狀態(tài)。現(xiàn)提出以下三種方法可任意調(diào)整弧高N：

（1）直接在鋼板彈簧零件草圖中改變弧高N值（如圖1中）。變更弧高N值，即可直接生成新狀態(tài)的鋼板彈簧數(shù)模。

（2）將鋼板彈簧數(shù)模設(shè)定成撓性原件。打開鋼板彈簧數(shù)模，點(diǎn)擊“編輯-設(shè)置-撓性”，選擇弧高N為撓性值，如圖5所示，保存數(shù)模。當(dāng)打開裝配系統(tǒng)時，在跳出的對話框中輸入新值即可。

（3）將鋼板彈簧數(shù)模設(shè)定成族表狀態(tài)。打開鋼板彈簧數(shù)模，點(diǎn)擊“工具-族表”，選擇弧高N為族表值，增加各種弧高狀態(tài)的族表選項(xiàng)，如圖6所示。當(dāng)打開板簧數(shù)模時，在跳出的對選擇框中選擇需要的弧高即可。

圖5 設(shè)定撓性原件

圖6 設(shè)定族表

3.2 懸架運(yùn)動仿真

根據(jù)設(shè)計計算，得出不同載荷情況下的弧高值，即可生成各種狀態(tài)的懸架系統(tǒng)數(shù)模。本文按如下設(shè)置：下極限弧高：128mm，空載狀態(tài)弧高：45mm，滿載狀態(tài)弧高：-21mm，上極限狀態(tài)弧高：-80mm。通過以上方法，即可快速得出四種狀態(tài)的仿真模型，如圖7。

圖7 鋼板彈簧懸架運(yùn)動仿真

對于車輛懸架系統(tǒng)，其運(yùn)動過程中的運(yùn)動部件為：①減振器、②穩(wěn)定桿、③穩(wěn)定桿連接軸、④鋼板彈簧、⑤吊耳、⑥車輪、⑦后橋法蘭盤。在運(yùn)動仿真模型中，其運(yùn)動軌跡已經(jīng)通過包絡(luò)圖顯示出來，如圖7所示。

3.3 仿真分析

通過包絡(luò)、剖面、測量，可以快速得出極限尺寸，檢查各零部件的干涉情況，確定運(yùn)動趨勢及相應(yīng)變化曲線。

根據(jù)①減振器運(yùn)動情況，可設(shè)計校核減振器長度，其極限行程為331.5mm~517.2mm，如圖8。

圖8 減振器運(yùn)動情況

根據(jù)②穩(wěn)定桿運(yùn)動情況，可設(shè)計校核穩(wěn)定桿狀態(tài)，明確其是否與后橋干涉、后橋加油口位置是否合理等，如圖9。

圖9 穩(wěn)定桿運(yùn)動情況

根據(jù)③穩(wěn)定桿連接軸運(yùn)動情況，確定其是否有卡滯點(diǎn)；如圖10，其運(yùn)動擺角小于180°。

圖10 穩(wěn)定桿連接軸運(yùn)動情況

根據(jù)④鋼板彈簧運(yùn)動情況，確定其剛度、自由弧高等設(shè)計值是否合理。

根據(jù)⑤吊耳運(yùn)動情況，確定其擺動是否干涉。

根據(jù)⑥車輪運(yùn)動情況，可得出車輪運(yùn)動軌跡，如圖11。根據(jù)三維坐標(biāo)點(diǎn)的測量，可確定各種載荷情況下的車姿高度、車輪跳動量、軸距變化量；

圖11 車輪運(yùn)動情況

圖12 后橋法蘭盤運(yùn)動情況

根據(jù)⑦后橋法蘭盤運(yùn)動情況，可精準(zhǔn)設(shè)計校核傳動軸長度、安裝角度等。如圖12為其安裝點(diǎn)運(yùn)動趨勢。

同時可通過"敏感度曲線"生成分析曲線，分析弧高和傳動軸長度的運(yùn)動關(guān)系，步驟如下：

（1）通過命令“分析-測量-長度”，測量出傳動軸長度，并添加特性到結(jié)構(gòu)樹中，命名為“傳動軸長度”。

圖13 “敏感度分析”對話框

圖14 敏感度曲線

（2）通過命令“分析-敏感度分析”，在“敏感度分析”對話框中，選擇鋼板彈簧弧高N為變量尺寸，輸入變量值如：10-128，如圖13，點(diǎn)擊“計算”即可生成相應(yīng)的“敏感度曲線”，如圖14。

4 結(jié)束語

依據(jù)SAE圓弧法的理論，通過參數(shù)化設(shè)計，對固定弧長的鋼板彈簧，實(shí)現(xiàn)了隨弧高變化的運(yùn)動仿真，從而對多片簧鋼板彈簧懸架系統(tǒng)進(jìn)行了快速、準(zhǔn)確、直觀地三維運(yùn)動仿真。通過進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)校核，極大方便了懸架系統(tǒng)的設(shè)計，縮短了開發(fā)周期，提高了準(zhǔn)確性，降低了開發(fā)成本。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[2] SAE Manual On Design and Application of Leaf Springs,SAE HS 788.

[3] 郭孔輝.板簧變形運(yùn)動學(xué)分析及其應(yīng)用[J].汽車工程.1990(02).

[4] 林清安.Pro/Engineer中文野火版4.0入門教程(第一版)[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.10.

Motion simulation of leaf spring suspension system based on Parameterization

Zhou Rongwei

（Xiamen golden dragon bus Co. LTD, Fujian Xiamen 361006）

Based on "parametric design" and "SAE circular arc method", this paper rapidly, accurately and intuitively simulates the motion of multi-leaf spring leaf spring suspension system. It provides a convenient way for the design of shock absorber, transmission shaft, stabilizer rod, suspension lug and other suspension parts and the motion simulation of suspension system.

parameterization; SAE arc method; leaf spring suspension system; motion simulation

U463.33

A

1671-7988(2019)13-106-04

U463.33

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1671-7988(2019)13-106-04

周榮煒（1985-）男，就職于廈門金龍旅行車有限公司，主要從事汽車底盤設(shè)計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.037