懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件柔性化對(duì)K&C仿真精度的影響

鮑金龍，張慧芳，蔡喜艷Bao Jinlong，Zhang Huifang，Cai Xiyan

懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件柔性化對(duì)K&C仿真精度的影響

鮑金龍，張慧芳，蔡喜艷
Bao Jinlong，Zhang Huifang，Cai Xiyan

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司 河北省汽車(chē)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071000）

為解決車(chē)輛前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中由于懸架系統(tǒng)K&C（Kinematic&Compliance，多體運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性）性能指標(biāo)仿真精度差導(dǎo)致整車(chē)虛擬驗(yàn)證效率低的問(wèn)題，利用Nastran軟件計(jì)算并生成結(jié)構(gòu)件MNF文件，在ADAMS/Car軟件中建立前、后懸架結(jié)構(gòu)件柔性化仿真分析模型，分析某車(chē)型麥弗遜前懸架及縱臂三連桿后懸架各結(jié)構(gòu)件剛性模型與柔性模型對(duì)K&C性能的影響。結(jié)果表明：針對(duì)不同的懸架形式及分析需求，有選擇地開(kāi)展結(jié)構(gòu)件柔性化建模，可在提高模型仿真精度的同時(shí)較好平衡模型建模效率。

麥弗遜懸架；縱臂三連桿懸架；柔性化建模；仿真精度

0 引 言

采用整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)車(chē)輛性能，首先需要建立高精度懸架系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型。隨著精度提高，柔性化建模方案逐步取代傳統(tǒng)剛性件建模方法[1]，鄭松林[2]等利用有限元分析軟件建立襯套柔性體模型，分析了柔性襯套模型對(duì)多連桿懸架性能的影響，陳廣彥[3]等建立了面向麥弗遜懸架性能開(kāi)發(fā)的柔性減振器建模方法，進(jìn)一步提高了麥弗遜懸架性能的預(yù)測(cè)精度。

懸架系統(tǒng)模型既需要保證足夠的精度以指導(dǎo)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，又需要盡量簡(jiǎn)化以提高建模及仿真分析效率[4]。懸架柔性化建模通常采用2種處理方式：部分零部件柔性化、所有零部件柔性化；前者對(duì)一些必要的零部件未進(jìn)行柔性化處理，從而影響仿真精度，后者對(duì)一些不必要的零部件進(jìn)行柔性化，延長(zhǎng)了仿真分析周期。基于某款SUV的前麥弗遜懸架及后縱臂三連桿懸架的仿真模型，開(kāi)展零部件柔性化對(duì)仿真結(jié)果影響的相關(guān)性研究，明確不同懸架形式及不同分析需求下，各零部件柔性化對(duì)分析結(jié)果的影響，有效提高模型的仿真精度并縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。

1 懸架系統(tǒng)自由度及約束分析

1.1 麥弗遜懸架

麥弗遜懸架包含8個(gè)活動(dòng)構(gòu)件（減振器桿、減振器筒、穩(wěn)定桿連接桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、穩(wěn)定桿、下擺臂、齒條），各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接，如圖1所示。

圖1 麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)副

根據(jù)自由度理論，麥弗遜懸架自由度計(jì)算公式為[5]

式中：1為麥弗遜懸架系統(tǒng)的自由度；為麥弗遜懸架活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；1、2、3、45、6分別為1～6級(jí)運(yùn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)。

由圖1可知，1=0，2=0，3=3，4=4，5=3，6=1，=8；代入式（1）可得1=2，即轉(zhuǎn)向節(jié)上下跳動(dòng)和繞主銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)2個(gè)自由度。對(duì)懸架進(jìn)行K特性分析時(shí)，由于結(jié)構(gòu)件受力較小，則無(wú)須進(jìn)行結(jié)構(gòu)件柔性化；對(duì)懸架進(jìn)行C特性分析時(shí)，由于輪心處施加的外力引起結(jié)構(gòu)件變形，須進(jìn)行結(jié)構(gòu)件柔性化。

1.2 縱臂三連桿懸架

縱臂三連桿懸架包含8個(gè)活動(dòng)構(gòu)件（減振器桿、減振器筒、轉(zhuǎn)向節(jié)、穩(wěn)定桿、上控制臂、下前控制臂、下后控制臂、縱臂），各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接，如圖2所示。

圖2 縱臂三連桿懸架結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)副

根據(jù)自由度理論，縱臂三連桿懸架自由度計(jì)算公式為[5]

式中：2為縱臂三連桿懸架系統(tǒng)的自由度；為三連桿懸架活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，1、2、3、45、6分別為1～6級(jí)運(yùn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)。

由圖2可知，1=0，2=0，3=0，4=2，5=9，6=1，=8；代入式（2）可得2=－11，即懸架系統(tǒng)為過(guò)約束狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)力，則懸架在進(jìn)行K特性及C特性仿真分析時(shí)，均需進(jìn)行結(jié)構(gòu)件柔性化。

開(kāi)展柔性化零部件K&C仿真，驗(yàn)證各零部件柔性化對(duì)仿真結(jié)果的影響。

2 懸架系統(tǒng)K&C仿真驗(yàn)證

開(kāi)展剛性結(jié)構(gòu)件及柔性結(jié)構(gòu)件的K&C特性對(duì)比分析，其中柔性化方法利用Nastran軟件計(jì)算并生成剛性結(jié)構(gòu)件的有限元模型，徐余平[6]基于該方法開(kāi)展白車(chē)身剛度試驗(yàn)及仿真分析研究，得到扭轉(zhuǎn)剛度的仿真精度為93%，彎曲剛度的仿真精度為98%，驗(yàn)證了該方法可有效模擬結(jié)構(gòu)件受力時(shí)產(chǎn)生的彎曲及扭轉(zhuǎn)。

2.1 麥弗遜懸架K特性

對(duì)平行輪跳、反向輪跳及轉(zhuǎn)向幾何特性進(jìn)行分析，由于分析曲線較多，重點(diǎn)選取了具有代表性的前束-平行輪跳及輪心偏移距-轉(zhuǎn)向曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 前束-平行輪跳測(cè)試及仿真曲線

圖4 輪心偏移距-轉(zhuǎn)向測(cè)試及仿真曲線

由圖3、圖4可知，在副車(chē)架、下擺臂及減振器柔性化方案中，下擺臂對(duì)麥弗遜懸架K特性仿真精度的影響最大，精度值變化量為－0.4%。

2.2 麥弗遜懸架C特性

對(duì)側(cè)向力、回正力矩及縱向力特性進(jìn)行分析，由于分析曲線較多，重點(diǎn)選取了具有代表性的前束-反向側(cè)向力及外傾-反向回正力矩結(jié)果曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 前束-反向側(cè)向力測(cè)試及仿真曲線

圖6 外傾-反向回正力矩測(cè)試及仿真曲線

由圖6可知，采用剛性結(jié)構(gòu)件模型仿真外傾-反向回正力矩特性，仿真曲線的趨勢(shì)與試驗(yàn)曲線相反，仿真精度為0。

結(jié)合圖5、圖6可知，在副車(chē)架、下擺臂及減振器柔性化方案中，減振器對(duì)麥弗遜懸架C特性仿真精度的影響最大，使前束-反向側(cè)向力工況的仿真精度值增加10.4%，使外傾-反向回正力矩工況的仿真精度值增加70.9%。

2.3 縱臂三連桿懸架K特性

對(duì)平行輪跳及反向輪跳進(jìn)行分析，由于分析曲線較多，重點(diǎn)選取了具有代表性的前束-平行輪跳及外傾-平行輪跳結(jié)果曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 前束-平行輪跳測(cè)試及仿真曲線

圖8 外傾-平行輪跳測(cè)試及仿真曲線

由圖7、圖8可知，在副車(chē)架、控制臂及縱臂柔性化方案中，縱臂對(duì)三連桿懸架K特性仿真精度的影響最大，使前束-平行輪跳工況仿真精度值增加18.9%，使外傾-平行輪跳工況仿真精度值增加4.1%。

2.4 縱臂三連桿懸架C特性

對(duì)側(cè)向力及縱向力特性進(jìn)行分析，由于分析曲線較多，重點(diǎn)選取了具有代表性的前束-同向側(cè)向力及外傾-反向側(cè)向力結(jié)果曲線，如圖9、圖10所示。

圖9 前束-同向側(cè)向力測(cè)試及仿真曲線

圖10 外傾-反向側(cè)向力測(cè)試及仿真曲線

由圖9、圖10可知，在副車(chē)架、控制臂及縱臂柔性化方案中，縱臂對(duì)三連桿懸架C特性仿真精度的影響最大，使前束-同向側(cè)向力工況的仿真精度值增加6.7%，使外傾-反向側(cè)向力工況的仿真精度值增加5.2%。

2.5 仿真結(jié)果

柔性化結(jié)構(gòu)件對(duì)麥弗遜懸架及縱臂三連桿懸架K&C仿真精度的影響見(jiàn)表1、表2。

表1 結(jié)構(gòu)件柔性化對(duì)麥弗遜懸架K&C仿真精度的影響

表2 結(jié)構(gòu)件柔性化對(duì)縱臂三連桿懸架K&C仿真精度的影響

根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，通常3%以?xún)?nèi)的K&C仿真精度變化對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)意義較小。

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于麥弗遜懸架K特性，剛性模型仿真精度與柔性模型相當(dāng)，針對(duì)前期僅需要開(kāi)展K特性分析的項(xiàng)目，可直接使用剛性模型進(jìn)行仿真，有利于縮短建模及仿真分析周期。

（2）對(duì)于麥弗遜懸架C特性，采用減振器柔性化模型可有效提高前束及外傾角相關(guān)工況的仿真精度。

（3）對(duì)于縱臂三連桿懸架K特性，采用縱臂柔性化模型可有效提高前束及外傾相關(guān)工況的仿真精度。

（4）對(duì)于縱臂三連桿懸架C特性，采用控制臂及縱臂柔性化模型可有效提高前束及外傾相關(guān)工況的仿真精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

以麥弗遜懸架及縱臂三連桿懸架為例，分析不同懸架形式及不同分析需求下，各零部件柔性化對(duì)K&C分析結(jié)果的影響，有效提高了模型仿真精度，為后續(xù)同類(lèi)型懸架及其他類(lèi)型懸架柔性化建模以及K&C仿真分析提供參考。

[1]歐健，張林青，楊鄂川，等.考慮懸架柔性的剛?cè)狁詈掀?chē)平順性研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（2）：4.

[2]鄭松林，顧晗，馮金芝，等.柔性體襯套對(duì)四連桿懸架K&C特性的影響[J].汽車(chē)工程，2012（8）：4.

[3]陳廣彥，孫暉云，趙永坡，等.面向麥弗遜懸架性能開(kāi)發(fā)的柔性減振器建模及應(yīng)用[J].汽車(chē)技術(shù)，2016（2）：4.

[4]常放，呂振華，郭孔輝.轎車(chē)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的CAE分析模型構(gòu)建技術(shù)及應(yīng)用[J].汽車(chē)技術(shù)，2009（3）：5.

[5]羅伯特·諾頓.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].黃平，李靜蓉，翟敬梅，等，譯.5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

[6]徐余平，蘆偉，張艷玲，等.白車(chē)身剛度試驗(yàn)與仿真分析研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2015（5）：143.

2021-09-01

1002-4581（2021）06-0006-04

U463.33：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.06.002