一種基于Adams的穩定桿連接桿球銷 擺角計算方法

范洪春，韋達穩，譚姣姣

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.柳州孔輝汽車科技有限公司，廣西 柳州 545007）

引言

汽車常用的前懸布置形式中，麥弗遜懸架作為獨立懸架的一種，具有質量輕、結構簡單、布置緊湊等優點，是目前前置前驅動轎車和輕型客車的首選懸架形式[1]。在懸架設計中，為了減小車輛過彎時的車身側傾角，增加穩定桿裝置是最常用且有效的措施。

穩定桿通過連接桿將穩定桿和懸架的運動關聯起來，實車上連桿上下均采用球頭進行連接。在實際使用過程中，由于車輪跳動和轉向，使得穩定桿連接桿的運動變得愈加復雜。因此，要分析懸在極限運動中的球銷擺角是否處在安全設計范圍內，就變得難上加難。如果球銷的擺角設計不夠合理，會使球頭的防塵膠套經常受到擠壓損壞導致漏油，從而產生異響且影響球頭的使用壽命，更嚴重時還會造成零件干涉影響行車安全。

圖1 麥弗遜式前懸架

上下球頭的球銷擺角不但和懸架運動有關，也和上下球頭的摩擦大小有關，摩擦小的一端有可能先擺到最大角度。通過常用的建模軟件如UG、CATIA的運動仿真難以還原真實的運動情況，而Adams作為多體動力學仿真最常用的軟件，且Adams/car又融合了輪胎、求解器和后處理等模塊，故能夠使車輛開發更便捷高效[2]。本文即在Adams/car建立的完整懸架模型基礎上，介紹穩定桿連接桿球銷擺角的計算方法。

在應用Adams建模時，如果穩定桿連接桿上下都用球副建模，不符合K特性的自由度要求，因此要將其中一個球副用萬向副或者等速副代替。而用萬向副或者等速副代替的球頭無法繞著連接桿軸線偏擺，使得連接桿的運動與實際情況嚴重不符，所以這種建模方式不能指導球銷擺角的設計。萬向副代替球副的建模仿真結果如圖2所示。

圖2 球副、等速副擺角的仿真結果

而襯套有六個自由度，通過合理設置各方向的剛度能夠等效球頭的屬性。因此本文提出連接桿兩端均采用襯套代替球頭的建模方式，同時給球銷和球杯建立接觸條件，從而還原球銷在實際使用過程中擺到最大角度后被限位的情況。

1 計算方法

1.1 襯套代替球頭的建模方法[3]

1.1.1 襯套剛度設計

由于襯套有六個方向的自由度，故通過對各個方向的剛度值進行設定，即可等效不同的運動副。比如，用襯套等效穩定桿連接桿的球鉸運動副，其三個方向的線剛度均設為剛性，三個轉動自由度均釋放，為了提高仿真的精確度，襯套的線剛度應不小于108N/mm，同時通過設定襯套的扭轉剛度實現球頭的摩擦力，建議值為100 Nmm/deg。

1.1.2 襯套的方向定義

在使用Adams建模時，首先將襯套的中心和零部件的鉸接中心重合，如果要讀取球銷在各個方向的擺角分量，可以借助襯套后處理自帶的定義輸出，因此需要定義襯套的X和Z方向，擺角的正方向定義符合右手定則，大拇指指向對應軸的正方向。現將襯套的Z軸定義為與球銷的軸線重合，指向固定螺母方向，定義襯套的X向指向車輛正前方。

1.2 球銷擺角測量輸出建立

穩定桿連接桿球頭的總成如圖3所示，球銷和球杯軸線不一定是重合的，球銷的擺角∠AOB由球心點、球銷軸線點及球杯軸線點的空間相對位置確定，需要在這三個位置建立標志點。且由于左右車輪的最大轉動角度不相等，為防止球頭防塵膠套被單邊擠壓，充分利用有限的擺角設計空間，需要優化球銷的初始安裝擺角，并求出球銷擺角繞X/Y的擺動分量。

圖3 穩定桿拉桿總成

以左側穩定桿連接桿的上球頭為例，先假設某車型左側上球頭的硬點坐標如表1。在球頭的旋轉中心給球銷和球杯部件分別建立一個Marker_O和Marker_O1，Z軸分別指向球銷和球杯軸線方向的Marker_A、Marker_B，X軸垂直于上下球心點與球銷軸線構成的平面，指向車頭前方。

表1 左側連接桿上球頭硬點表

在球銷和球杯部件上建立對應的Marker點后，進行球銷擺角的測量建立，利用Adams軟件內置的函數Angle aboutX/Y/Z和Included Angle來測量球銷擺角的分量和空間合角度，建立結果如圖4所示。

圖4 擺角request建立結果

1.3 球銷球杯接觸條件建立

在實際車輛使用的過程中，上下球頭中摩擦小的一端可能會在擺動時先擺到極限位置，而摩擦大的球頭會在另一端無法繼續轉動的時候才開始轉動。如果上下球頭的摩擦力相近，由于布置的原因，導致上下球頭的擺動速度不一致，也會產生其中一個球頭先擺到極限的情況，因此給球銷和球杯設定接觸條件很有必要。如果通過對襯套的扭轉剛度進行非線性處理來達到擺角限位的效果，會因為剛度非線性突變太大而影響求解，且較難實現空間合角度的限位，因此可以通過給球銷和球杯建立一個單向作用力的方式，即當空間合角度達到設定值時，接觸力被激活，從而起到模擬接觸的效果。

以左側的接觸為例，將穩定桿的建模環境切換到View環境下，在主工具窗口中找到并點擊單向力建立圖標，Run- Time Direction選擇Two Bodies，分別選擇球銷和球杯部件，再選擇上下球心點作為方向點。建立好接觸力后，設置接觸條件，右鍵單擊單向力圖標選擇Modify，在Function項設置接觸函數，接觸力建立如圖5所示。

圖5 球銷、球杯接觸建立

2 仿真結果

2.1 仿真工況設定[4]

根據車輛實際使用情況，制定出如表2所示的七種工況并進行仿真。

表2 穩定桿球銷擺角計算的仿真工況表

2.2 仿真結果

某車型在路試結果中反饋，出現穩定桿連接桿上球頭防塵套被壓壞漏油的情況，此時穩定桿連接桿的球頭最大擺角設計值為25°。

根據本文的分析方法進行穩定桿連接桿球頭仿真分析，通過各工況的仿真結果對比，得出球銷擺角最大值出現在下極限全轉向的工況。仿真結果如圖6所示，在轉向內輪一側，穩定桿連接桿上球銷的擺動角度比下球銷大，因此先于下球銷擺至極限。此時只有下球銷仍在擺動，當齒條位移達到最大時，下球銷擺角也接近最大設計值。雖然零件還沒有發生干涉，但已經很接近極限，而且從仿真結果看來，轉向過程中總是由上球銷先擺到極限，這就與實車路試中上球頭防塵套損壞的結果一致。因此，考慮零件的制造公差，應將球銷的最大擺角設計范圍加大。

圖6 下極限全轉向的球銷擺角

3 結論

基于Adams/car的穩定桿連接桿球銷擺角計算方法，為解決模型自由度的問題，可以通過對襯套六個方向的剛度進行合理設置，從而實現球副的等效建模。同時，為了使仿真結果更接近實際，特給球銷和球杯建立接觸條件，還原球銷在實際使用過程中擺到最大角度后被限位的情況。最后，針對某車型出現的問題進行各工況下的仿真，且仿真結果與實車路試反饋的結果一致，驗證了此方法的可行性。