基于復合材料橫置板簧懸架系統K&C分析

焦熙印Jiao Xiyin

基于復合材料橫置板簧懸架系統K&C分析

焦熙印
Jiao Xiyin

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200122）

利用CATIA和HyperMesh、ABAQUS、ADAMS等CAD、CAE軟件，進行橫置板簧后懸架設計。根據懸架系統的要求和結構特點，確定板簧的安裝硬點。根據懸架性能要求和襯套參數，確定板簧的力學性能參數。通過與原懸架進行K&C（Kinematic and Compliance，剛性和柔性運動）分析對比，說明用復合材料橫置板簧系統可取代傳統的螺旋彈簧和穩定桿組件。

復合材料；橫置板簧；K&C；剛度

0 引 言

板簧作為彈性元件，具有結構簡單，加工便利，工作可靠等諸多優點；但由于其自身重量大，很少應用在乘用車上。隨著復合材料的發展，復合板簧在繼承鋼板彈簧在結構和可靠性方面優點的同時，還具有彈性應變大、疲勞壽命長及安全斷裂好等特點，其中最大的優點是重量比鋼板彈簧降低60%～70%[1]。

汽車板簧是汽車懸掛系統中重要的彈性元件，連接著車輪和車架，主要用來傳遞車輪和車架之間的力與力矩，緩和因路面不平給車身帶來的振動和沖擊。因板簧自身結構特點，其占用整車向空間較小，為整車駕駛室空間提供支撐，已被低位底盤車型所采用。

目前對復合板簧的研究主要包括2個方向，一方面是對零件本身的材料和工藝研究，王甲世[2]等通過對材料屬性的設計，結合有限元和試驗的分析，驗證零件可靠性；另一方面是結合復合板簧的縱向布置形式研究，陳德玲[3]等結合整車需要闡述了零件的可靠性。

重點梳理了橫置玻纖板簧的設計方法，并在此基礎上應用ADAMS軟件對某四連桿獨立懸架進行K&C（Kinematic and Compliance，剛性和柔性運動）分析。

1 懸架系統設計

為充分說明復合橫置板簧的可行性，選擇一款成熟的四連桿獨立后懸架作為對標車型，在此懸架基礎上，采用復合橫置板簧代替原懸架的螺旋彈簧和穩定桿組件。除了彈簧硬點進行調整以外，其他硬點均不變，將原懸架剛度作為新懸架剛度目標值，具體設計流程見表1。

表1 懸架設計流程

1.1 整車及懸架參數

采用某乘用車的后懸架進行設計、分析，具體參數見表2。

表2 整車及懸架參數

此款乘用車懸架是刀鋒臂式四連桿獨立后懸架，如圖1所示，包括副車架、彈簧臂、前束臂、外傾臂、刀鋒臂、螺旋彈簧和穩定桿等。在此基礎上，用復合材料橫置板簧替代螺旋彈簧和穩定桿，如圖2所示。

圖1 刀鋒臂式四連桿后懸架

圖2 橫置板簧多連桿懸架

板簧的安裝采用4點固定的形式，如圖3所示，內點采用接觸壓緊的形式，外點采用螺栓螺母固定的形式。

圖3 橫置板簧安裝結構圖

1.2 復合板簧的設計

根據復合板簧的安裝硬點和懸架剛度等要求，明確了板簧的杠桿比和載荷要求，見表3。利用HyperMesh或ABAQUS等軟件，對板簧的外形規格和材料屬性進行設計，以滿足系統要求。由于復合材料具有各向異性的特點，板簧設計過程需要不斷迭代和試驗驗證，最終固化的產品屬性見表4和表5。

表3 板簧設計要求

表4 板簧參數

表5 玻纖材料屬性參數

因該結構在內、外固定點均采用了橡膠襯套，因此，需要對板簧組件的剛度進行分解，懸架單側、復合板簧的初始剛度[4]為

=2（1）

式中：為懸架單側剛度；為復合板簧系統剛度；為板簧杠桿比；d為外點橡膠剛度；h為板簧單側剛度；up為內點上端襯套剛度；down為內點下端襯套剛度。

在ABAQUS軟件下，從自由狀態變形到設計狀態，如圖4所示。

圖4 板簧狀態的變換

2 懸架系統的K&C分析

K&C特性是影響底盤懸架性能的關鍵因素，是動態特性的基本體現。K（Kinematics，剛性運動）是分析懸架在不考慮力和重量的情況下，懸架機構隨車輪運動的特性；C（Compliance，柔性運動）是懸架系統中緩沖塊、橡膠襯套和彈簧等零部件變形引起的運動特性。相較K特性，C特性更全面地反映了懸架的實際情況，因此基于C特性進行分析。

2.1 建立柔性體模型

通常將系統設定為剛體模型進行分析，但由于刀鋒臂四連桿系統的特殊性，將板簧和刀鋒臂設定為柔性體更加符合系統的真實情況。

在ADAMS中建立柔性體一般有3種方法[5]：（1）將一個零部件離散成多段剛性構件，再通過柔性體將這些剛體進行連接；（2）應用ADAMS的Auto Flex模塊直接在View中建立MNF（Modal Neutral File，模態中性文件），替代原剛性文件；（3）利用有限元軟件將零部件離散成細小的網格，通過模態計算，為柔性體零部件建立MNF文件，再導入ADAMS中。由于板簧懸架較為復雜，故采用第3種方法，具體模型如圖5所示。

圖5 板簧懸架ADAMS模型

2.2 懸架K&C分析

懸架的振動特性對整車的操穩性和舒適性有直接的影響。汽車在不同的路況行駛，懸架會受到不同的激勵。在成熟的懸架系統中對彈簧元件進行替代；因此，采用成熟的懸架進行對標，對標模型如圖6所示。

圖6 對標懸架ADAMS模型

為合理評價懸架的性能，考慮懸架的同向跳動和反向跳動，主要評價參數包括前束角、外傾角、軸距、輪距、輪心垂向力等。重點評估設計的板簧懸架與對標螺旋彈簧懸架剛度，包括兩種懸架的行駛剛度和側傾剛度，如圖7、圖8所示。

圖7 同向跳動輪心垂向力

圖8 反向跳動輪心垂向力

通過圖7、圖8可知，同向跳動行駛剛度相同，但反向跳動側傾剛度偏差較大，具體見表6，需要進行優化提高側傾剛度。

表6 剛度對比

在保持行駛剛度基本不變的情況下，通過對板簧安裝硬點和材料屬性進行優化，可實現側傾剛度的優化，對比對標懸架和設計板簧懸架的前束角、外傾角、軸距、輪距垂向力、側傾中心高度等K&C參數見表7。

表7 K&C參數對比表

從表7可知，通過板簧的優化，在定位參數滿足要求、行駛剛度不變的情況下，側傾剛度由38.7 N/ mm優化到了53.3 N/ mm，從而證實板簧剛度調整的可實施性。

優化后軸距變化量和外傾角的偏差較大，但軸距變化量減小，有利于整車性能；優化后車輪外傾角雖然比對標車大，但仍在合理范圍內。

3 結束語

利用成熟的后懸架系統，進行了適應性設計，以驗證玻纖橫置板簧對懸架系統的影響。用一套板簧組件取代傳統的螺旋彈簧和穩定桿組件，分析懸架的K&C特性，通過研究發現，板簧對懸架的外傾角和軸距參數影響較大，對其他參數影響較小，可以實現行駛剛度和側傾剛度的需求。這為今后深入研究橫置板簧的懸架方案提供了支持。

[1]KUMAR M S , VIJAYARANGAN S.Analytical and Experimental Studies on Fatigue Life Prediction of Steel and Composite Multi—leaf Spring for Light Passenge Vehicles Using Life Data Analysis[J]. Materials Science，2007，13（2）：141-146.

[2]王甲世，李再軻，吳輝，等. 汽車復合材料板彈簧的有限元分析及性能測試[J]. 汽車技術，2012（4）：55-57.

[3]陳德玲，郭偉，石永金，等. 復合材料板簧有限元分析和試驗研究[J]. 上海汽車，2016（9）：51-54.

[4]劉延柱，陳立群，陳文良. 振動力學[M]. 北京：高等教育出版社，2019.

[5]畢厚煌，何家寧，譚蓉，等. 基于ABAQUS和ADAMS的懸臂式起重機結構設計與剛柔耦合動力學分析[J]. 機械設計，2017（11）：16-21.

2021-01-12

U463.33+4.04

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.03.006

1002-4581（2021）03-0024-04