基于ADAMS的麥弗遜懸架減振器側(cè)向力優(yōu)化研究

王健　薛少科　孫曉幫　馮廣權(quán)

摘 要：針對(duì)某樣車的麥弗遜懸架減振器側(cè)向力問題，采用將普通螺旋彈簧替換為C形螺旋彈簧的方法，并結(jié)合ADAMS多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行普通螺旋彈簧以及C形螺旋彈簧的1/2車的上下同跳100mm工況下減振器側(cè)向力對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示C形彈簧減振器側(cè)向力為206N，普通螺旋彈簧減振器側(cè)向力為654N，驗(yàn)證了C形螺旋彈簧可以有效降低麥弗遜懸架減振器受到的側(cè)向力，具有一定的工程實(shí)際意義。關(guān)鍵詞：麥弗遜懸架;側(cè)向力;C形彈簧;ADAMS中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-70-03

Abstract：?For the lateral force of the McPherson suspension damper of a certain car， the method of replacing the ordinary coil spring with a C-shaped coil spring， combined with ADAMS multi-body dynamics simulation software， is used The simulation experiment of the lateral force comparison of the shock absorber under the condition that the 1/2 spring of the coil spring jumps up and down 100mm.The results show that the lateral force of the C-shaped spring shock absorber is 206N and the lateral force of the ordinary coil spring shock absorber is 654N. It is verified that the C-shaped coil spring can effectively reduce the lateral force on the McPherson suspension shock absorber. Certain engineering practical significance.Keywords：?McPherson suspension;?Lateral force; C-shaped spring; ADAMSCLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-70-03

前言

麥弗遜懸架由減振器、螺旋彈簧以及下擺臂組成，其中減振器兼做主銷[1]，由于特殊的幾何結(jié)構(gòu)，其不可避免地受到側(cè)向力作用。懸架減振器在長期往復(fù)側(cè)向力的作用下，會(huì)引起減振器漏油、活塞桿彎曲、油封與導(dǎo)向套彎曲等失效形式的發(fā)生[2]，因此減振器成為了懸架結(jié)構(gòu)中容易損壞的零件。如何減小麥弗遜懸架減振器側(cè)向力從而提高減振器壽命并改善懸架性能已然成為汽車減振器行業(yè)的研究重點(diǎn)。目前國內(nèi)外各大汽車廠商主要通過優(yōu)化麥弗遜懸架幾何結(jié)構(gòu)來改善減振器側(cè)向力。例如：傾斜普通螺旋彈簧[3];偏置普通螺旋彈簧縮小圈;傾斜彈簧座支撐面;采用側(cè)載彈簧代替普通螺旋彈簧等。減小甚至消除麥弗遜減振器側(cè)向力對(duì)于提高減振器使用壽命、改善懸架性能，提升駕駛員乘坐舒適性具有重要意義。本文以某樣車麥弗遜懸架為研究對(duì)象，利用ADAMS/?VIEW多體動(dòng)力學(xué)仿真模塊，采用剛?cè)狁詈系姆椒▽⒕€性普通螺旋彈簧替換為等剛度的C形螺旋彈簧，并進(jìn)行1/2車的上下同跳100mm的減振器側(cè)向力對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析C形彈簧對(duì)麥弗遜懸架減振器的影響。

1 麥弗遜懸架減振器側(cè)向力分析與懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1?麥弗遜懸架減振器的側(cè)向力分析

如圖1所示，為麥弗遜懸架受力分析圖。將麥弗遜懸架、車輪、車身看做一個(gè)整體并以此為研究對(duì)象，圖1（a），減振器受到W、FC、FA這三個(gè)力的作用[4]。其中W為地面給車輪的作用力，方向垂直地面向上;Fc為下擺臂對(duì)減振器的作用力，方向由減振器下支點(diǎn)C指向下擺臂后支點(diǎn)D;FA為車身對(duì)減振器的作用力。圖1（b），根據(jù)三力平衡原理，已知W與Fc的大小與方向，可以求得FA的大小與方向。圖1（a），由于車身對(duì)減振器的作用力FA的方向與減振器軸線方向不共線，存在一定夾角，所以將車身對(duì)減振器上支點(diǎn)的作用力FA分解為垂直于減振器軸線方向的FAX以及平行于減振器軸線方向的FAY，圖1（c），F(xiàn)AX便是減振器受到的側(cè)向力，F(xiàn)AX可分解為FAX1與FAX2，F(xiàn)AX1為減振器油封與導(dǎo)向套處側(cè)向力，F(xiàn)AX2為活塞處側(cè)向力。減小FAX即為改善麥弗遜懸架減振器側(cè)向力的關(guān)鍵。

1.2?麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)中普通螺旋彈簧替換為C形螺旋彈簧（側(cè)載彈簧）可以顯著的降低減振器側(cè)向力，側(cè)載彈簧[5]是20世紀(jì)90年代由德國人和美國人發(fā)明，現(xiàn)已應(yīng)用在一些車型中。如圖2所示，圖（a）為C形彈簧自由狀態(tài)下的形態(tài)，可以明顯的看出，自由狀態(tài)下的C形彈簧中心曲線是一段二次曲線，類似英文字母中的字母C，圖（b）為工作狀態(tài)下的C形彈簧的形態(tài)，此時(shí)C形彈簧由于受到上下彈簧支座的壓縮，形狀與普通螺旋彈簧無異，但工作狀態(tài)下的C形彈簧力作用線會(huì)與中心線有一個(gè)夾角[6]，正是這個(gè)夾角的存在使得減振器受C形彈簧給的一個(gè)力矩MO，相應(yīng)的減振器給C形彈簧一個(gè)反方向的力矩MU，C形彈簧作用于減振器的力矩MO可以抵抗上文減振器受到的側(cè)向力FAX，當(dāng)力矩MO在合適的大小時(shí)，便可以減小甚至完全抵消減振器受到的側(cè)向力FAX，MO的大小與C形彈簧的中心曲率、彈簧剛度、鋼絲直徑、自由高度等C形彈簧參數(shù)有關(guān)，但是由于安裝空間的限制以及各種約束，使減振器側(cè)向力FAX降低為0只是理想狀態(tài)。

2 C形彈簧與普通彈簧1/2車多體動(dòng)力學(xué)建模仿真

2.1 C形彈簧與普通彈簧1/2車多體動(dòng)力學(xué)建模

本文采用ADAMS/VIEW建立1/2車模型，首先簡化物理模型，然后根據(jù)某樣車的硬點(diǎn)坐標(biāo)以及彈簧的參數(shù)來進(jìn)行創(chuàng)建幾何體、建立約束、定義參數(shù)等操作，最終建立普通彈簧麥弗遜懸架模型，如圖3（a）所示。接著建立要與其對(duì)比的C形彈簧麥弗遜懸架模型。首先利用CATIA建立的C形彈簧三維模型，然后將其導(dǎo)入Hyperwork有限元軟件中生成C形彈簧的中性體MNF文件，接著將C形彈簧的中性體MNF文件導(dǎo)入到建立好的麥弗遜懸架中，最終得到C形彈簧麥弗遜懸架模型，如圖3（b）所示。

2.2 C形彈簧與普通彈簧1/2車多體動(dòng)力學(xué)仿真

仿真結(jié)果對(duì)比圖

在車輪與測(cè)試平臺(tái)的之間的移動(dòng)副建立驅(qū)動(dòng)來研究車輪的上下跳動(dòng)[7]，驅(qū)動(dòng)方程為F=100sin（360d.time），此驅(qū)動(dòng)函數(shù)模擬車輪在不平路面時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況，且車輪的上下最大跳動(dòng)量均為100mm。在保證C形彈簧與普通彈簧的剛度一致的前提下，進(jìn)行普通彈簧與C形彈簧的麥弗遜懸架減振器側(cè)向力對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖2.2所示，普通彈簧與形彈簧麥弗遜懸架減振器側(cè)向力仿真結(jié)果對(duì)比圖，可以明顯地看出，C形彈簧懸架減振器側(cè)向力無論在哪個(gè)位置都要比普通彈簧懸架減振器側(cè)向力小，在圖中兩曲線的轉(zhuǎn)折處，C形彈簧側(cè)向力為209N，而普通彈簧懸架減振器的側(cè)向力為654N。可以證明，相比于普通螺旋彈簧C形彈簧能夠有效降低麥弗遜懸架減振器受到的側(cè)向力。

3 總結(jié)

通過研究分析麥弗遜懸架減振器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及側(cè)向力分析，明確麥弗遜懸架減振器側(cè)向力優(yōu)化方法。借鑒國外汽車專家于20世紀(jì)90年代的發(fā)明專利，并簡明地分析了C形彈簧的工作原理?；贏DAMS多體動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)，建立了普通螺旋彈簧麥弗遜懸架模型以及C形螺旋彈簧麥弗遜懸架

模型，在保證C形螺旋彈簧與普通螺旋彈簧剛度一致的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行車輪上下100mm同跳仿真，仿真結(jié)果顯示：相較于普通彈簧麥弗遜懸架減振器側(cè)向力的654N，C形彈簧麥弗遜懸架減振器側(cè)向力為209N，側(cè)向力得到了顯著的減小，有助于提高減振器的使用壽命，提高懸架的性能以及駕駛員的乘坐舒適性，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 周長城.車輛懸架設(shè)計(jì)及理論[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[3] 景立新，郭孔輝，蘆蕩.麥弗遜懸架減震器側(cè)向力優(yōu)化[J]科學(xué)技術(shù)與工程.2011.

[4] 薛少科，孫曉幫等.麥弗遜懸架減振器側(cè)向力優(yōu)化研究綜述[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019，（08）： 56-58.

[5] 柳江，喻凡，樓樂明.麥弗遜懸架側(cè)載螺旋彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2006（08）.

[6] 劉瑤瑤.麥弗遜懸架側(cè)載螺旋彈簧的設(shè)計(jì)與研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)， 2017.

[7] 羅衛(wèi)平，姜小箐，陳曼華，王珺.基于ADAMS/VIEW汽車前懸架

的建模及仿真[J].汽車實(shí)用技術(shù)， 2011.06.09.