麥弗遜式懸架與車身安裝點動載荷研究

熊 飛，蘭鳳崇，李 罡，魏 丹

（1.廣州汽車工業(yè)集團汽車工程研究院，廣東 廣州 5 114341；2.華南理工大學(xué)機械與汽車學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引言

道路激勵產(chǎn)生的車輛部件動載荷是造成車輛在實際使用過程產(chǎn)生疲勞破壞的外在主要原因，對車輛動載荷規(guī)律的研究有利于車輛結(jié)構(gòu)件抗疲勞特性設(shè)計。實際行駛車輛是非常復(fù)雜的振動系統(tǒng)，基于實車的載荷規(guī)律研究是比較困難的。文獻[1]基于用戶關(guān)聯(lián)的整車道路譜采集和處理，總結(jié)了載荷處理方法，主要有時域、頻域、雨流統(tǒng)計分析，主要包括最大值、最小值、均方根值、偽孫傷等。文獻[2]提出運用輪心位移反求法求取車身載荷譜的方法。通過采集試驗場各種典型道路的載荷譜，根據(jù)整車和懸架參數(shù)建立完整的整車動力學(xué)模型，然后將采集的路譜加載到多體模型上，對車身受的載荷進行分解。目前國內(nèi)外對車輛載荷譜的研究主要集中在載荷譜采集[4-5]和載荷譜獲取方法[6-7]方面。但是對載荷譜規(guī)律的研究開展較少。不同于常見的對車身振動響應(yīng)特性研究，通過建立車輛振動簡化模型，開展車輛載荷規(guī)律研究。同時，通過虛擬樣機整車動力學(xué)模型隨機道路模擬，來研究車輛關(guān)鍵連接位置載荷的傳遞特性。通過開展的車身載荷譜規(guī)律研究，可以對車輛和懸架參數(shù)匹配設(shè)定提出約束，從優(yōu)化載荷的角度為車輛抗疲勞設(shè)計提供解決思路。

2 理論建模及分析

在以往研究中，常選擇二自由度雙質(zhì)量系統(tǒng)振動模型進行車身垂向振動進行研究，沒有考慮了前后懸架激勵相互關(guān)聯(lián)和車身的俯仰運動的影響。由于車輛左右車輪懸架方式和彈性件一般是對稱的，因此垂直振動和俯仰振動對車輛的載荷影響較大。為了使研究的振動模型與實際情況更加接近，進一步建立四自由度半車身振動模型。四自由度半車系統(tǒng)振動模型將車輛簡化為4個自由度的平面模型，分別為車身垂直振動、俯仰振動、前后車輪垂向振動，模型如圖1所示。

圖1 車輛4自由度振動模型Fig.1 Vibration Model of Vehicle with 4 Degrees of Freedom

根據(jù)以上車輛振動模型可以得到以下運動方程式，如式（1）～式（4）所示。

以研究的目標車型的參數(shù)，如表1所示。代入公式，令mwf、Kt f、Kt f、CSf ɑ、mhb、Ihp變化±10%，考查這些參數(shù)對前懸架力Ff的影響，結(jié)果如圖2～圖5所示。從圖2～圖5可以看出，前懸力的響應(yīng)曲線都有兩個峰值，這兩個峰值分別對應(yīng)橫坐標為前后懸架的簧上和簧下偏頻。

表1 某轎車半車模型參數(shù)Tab.1 Model Parameters of a Car

圖2 前懸架剛度變化±10%對前懸架力影響Fig.2 Effect of Front Suspension Stiffness Change 10% on Front Suspension Force

圖3 前輪胎剛度變化±10%對前懸架力影響Fig.3 Effect of Front Suspension Stiffness Change 10% on Front Suspension Force

圖4 前懸架阻尼變化±10%對前懸架力影響Fig.4 Effect of Front Suspension Damping Change 10% on Front Suspension Force

圖5 簧上質(zhì)量±10%對前懸架力影響Fig.5 Effect of Spring Mass 10% on Front Suspension Force

將圖2～圖5中峰值變化情況進行匯總，如表2所示。可以看出，在整車模型各參數(shù)變化±10%的條件下：對簧上偏頻影響較大的主要有Ksf、Ksr、mhb等參數(shù)，在簧上偏頻處的支座力增益影響較大的有懸架參數(shù)Ksf、Csf和車身參數(shù)Ihp、ɑ、mhb。

表2 前懸力頻率響應(yīng)影響Tab.2 Effect of Front Suspension Force Frequency Response

3 物理樣機建模及標定

為了建立適合進行抗側(cè)傾性能研究的多體模型，基于該SUV整車和懸架參數(shù)在ADAMS/Car中建立車輛的各個子系統(tǒng)模型（包括前后懸架、前后穩(wěn)定桿、前后車輪、制動、轉(zhuǎn)向、動力子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)），然后由各系統(tǒng)組裝成整車多體模型，如圖6所示。

圖6 整車多體動力學(xué)模型Fig.6 Multi-Body Dynamics Model of Whole Vehicle

在研究中，通過對凸塊路面整車振動加速度測試，測得前后輪心、減振器塔座等位置振動加速度信號，為整車多體動力學(xué)模型標定提供參考數(shù)據(jù)，凸塊路的尺寸，如圖7所示。

圖7 凸塊路尺寸Fig.7 Bump Road Size

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析頻率范圍為（0.5～80）Hz，得到結(jié)果。凸塊路面平順性測試設(shè)備及傳感器布置，如圖8所示。

表3 試驗設(shè)備Tab.3 Test Equipment

圖8 凸塊路面振動測試Fig.8 Bump Road Vibration Test

凸塊路平順性車輛各測量位置加速度仿真與試驗對比，從時域加速度振動幅值對比結(jié)果看，仿真與試驗誤差較小，說明搭建的整車動力學(xué)模型能夠較準確的模擬實車動態(tài)性能，可以用于后面的分析，如圖9～圖12所示。

圖9 前減振器座Z向加速度 Fig.9 Z Acceleration of Front Shock Bbsorber Tower

圖10 后減振器座Z向加速度Fig.10 Z Acceleration of Rear Shock Absorber Tower

圖11 前輪心X向加速度 Fig.11 Front Wheel Center X Acceleration

圖12 前輪心Z向加速度Fig.12 Front Wheel Center Z Acceleration

4 動載荷影響規(guī)律研究

車輛各部件載荷變化主要受路面不平度、車速、整車重量、懸架系統(tǒng)參數(shù)的變化的影響。通過建立虛擬樣機整車動力學(xué)模型，使車輛行駛在隨機路面上，研究彈簧剛度、減振器阻尼、車身簧上質(zhì)量等參數(shù)對車輛載荷變化的規(guī)律。

4.1 隨機路面選擇

根據(jù)《車輛振動輸入—路面不平度表示方法》標準，路面功率譜密度可表示，如式（18）所示。

式中：n—空間頻率，單位m-1每米長度中包含的波數(shù)；n0—參考空間頻率，n0=0.1m-1；分級路面譜的頻率指數(shù)W=2；Gq(n0)—參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數(shù)。各級路面不平度系數(shù)Gq(n0)的變化范圍及其幾何平均值，如表4 所示。中國的高等級公路路面譜基本為A、B、C三級范圍之內(nèi)，其中B、C級路面占的比重比較大。在這里選擇C級路面作為路面激勵[8]。

表4 路面不平度ABC級分類標準Tab.4 ABC Classification Criteria for Road Roughness

4.2 麥弗遜懸架與車身連接動載荷規(guī)律分析

研究的目標車型前懸架采用麥弗遜懸架，麥弗遜懸架一般有兩條路徑將路面的激勵傳遞給車身，第一條是激勵從車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、下擺臂、副車架傳到車身，第二條是激勵從車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器彈簧總成、減振器塔座傳到車身。一般第二條路徑是激勵傳遞到車身的主要路徑。以前懸架麥弗遜懸架的減振器彈簧總成傳遞載荷為研究對象，主要討論懸架剛度增加10%，減振器阻尼增加20%簧上質(zhì)量增加10%，各連接處載荷變化規(guī)律。

（1）減振器受力

（2）彈簧受力變化

（3）減振器塔座受力

將圖13～圖17的載荷進行統(tǒng)計，對減振器作用力影響較大主要是減振器阻尼的變化，其中減振器阻尼增加10%，減振器受力均方根值變化達到14%。對彈簧作用力影響較大有彈簧剛度和簧上質(zhì)量兩個因素。對減振器塔座受力影響較大時簧上質(zhì)量變化，簧上質(zhì)量增加10%，減振器塔座受力均方根值變化8%。

圖13 彈簧剛度增加10%對減振器受力影響Fig.13 Effect of 10% Increase in SpringStiffness on Shock Absorber Stress

圖14 減振器阻尼增加10%對減振器受力影響Fig.14 Effect of 10% Increase in Damping of Shock Absorber on Stress of Shock Absorber

圖15 彈簧剛度增加10%對彈簧受力影響Fig.15 Effect of 10% Increase in Spring Stiffness on Spring Force

圖16 簧上質(zhì)量增加10%對彈簧受力影響Fig.16 Effect of 10% Increase in Spring Mass on Spring Force

圖17 簧上質(zhì)量增加10% 對減振器塔座受力影響Fig.17 Effect of 10% Increase in Spring Mass on Shock Absorber Tower

5 總結(jié)

主要通過車輛簡化的多自由度振動系統(tǒng)理論解析方法和虛擬樣機隨機道路模擬方法研究麥弗遜式懸架與車身連接安裝點載荷譜影響規(guī)律。

（1）建立了四自由度半車身振動模型，通過理論解析得到車身載荷頻譜響應(yīng)關(guān)系。研究表明：對簧上偏頻影響較大的主要有Ksf、Ksr、mhb等參數(shù)，在簧上偏頻處的支座力增益影響較大的有懸架參數(shù)Ksf、Csf和車身參數(shù)Ihp、ɑ、mhb。

（2）建立了完整的整車動力學(xué)模型，通過凸塊路平順性試驗驗證了整車動力學(xué)模型準確性。然后將整車動力學(xué)模型行駛在C級隨機路面上，開展了懸架彈簧剛度、減振器阻尼、簧上質(zhì)量變化對車身載荷的影響分析，通過分析再一次證明了車身載荷主要簧上質(zhì)量、懸架剛度、懸架阻尼等參數(shù)的影響。

通過研究成果既可以為整車疲勞開發(fā)提供較好的經(jīng)驗借鑒，也從影響車身疲勞性能的角度為整車參數(shù)和懸架參數(shù)定義提出一定的要求。