麦弗逊悬架系统动力学分析与仿真_张祯云

江 西 科 学

JIANGXI SCIENCE

Vo.l25No.6

Dec.2007

文章编号:1001-3679(2007)06-0751-04

麦弗逊悬架系统动力学分析与仿真

张 祯 云

(新余钢铁有限责任公司职工大学,江西 新余338028)

摘要:利用ADAMS/Car整车设计软件包对某典型车型的前悬架系统进行了动力学建模,对前悬架选取4种工况进行动力学仿真,得出了悬架弹簧反作用力与弹簧位移关系的曲线,仿真结果与实验结果基本吻合。研究结果表明:汽车前悬架仿真是可行而实用的,可用于指导前悬架设计和参数优化。关键词:麦弗逊悬架;动力学分析;仿真中图分类号:U463.33 文献标识码:A

TheDynamicAnalysisandSimulationofVehicle

FrontSuspensionSystem

ZHANGZhen-yun

(XingangWorkerCollege,JiangxiXinyu338028PRC)

Abstract:Setupthedynamicmodeloffrontsuspensionsystemofsometypicalvhicleusingthefull-vehicledesignsoftwarepackageADAMS/Car,dynamiclysimulatedforthesuspensionunder4ca-ses,obtainedtherelationshipbetweenthesuspension.sspringreactionforceandthespring.sdis-placemen,ttheresultofthesimulationbasicallyaccordwiththeexperimentresul.tTheinvestigationindicatesthatthevehicle.sfrontsuspensionresultisfeasibleandapplicable,whichcanbeusedtoguidethefrontsuspensiondesignandparametersoptimization.

Keywords:MacPhersonsuspension,Dynamicanalysis,Simulation

投放市场初期常常出现的质量问题。

车辆悬架系统数值模拟仿真主要有3个方向:基于有限元技术的数值模拟、基于多体系统动力学分析的数值模拟仿真和基于有限元技术与动

[2,3]

力学联合仿真的数值模拟仿真。麦弗逊悬架是一种独立式悬架,其特点是主销位置和前轮定位角不随车轮的上下跳动而变化,有利于汽车的操纵性和稳定性。麦克弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式,减振器可兼做转向主销,转向节可以绕着它转动。特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化。这种悬架构造简单,布置紧凑,前轮定位变化小,具有良好的行驶

[1]

0 前言

悬架系统是车辆上的一个非常重要的系统,它是车架与车桥之间连接和传力装置的总称,包括弹性元件,减振器和传力装置等3部分,起着缓冲、衰减由于路面不平所引起的冲击和振动,传递

[1]

并承受各种力和这些力所形成的力矩等作用。作为车架(或车身)与车轴(或车桥)之间作连接的传力构件,是保证汽车行驶安全的重要部件。对悬架系统在物理样机制造出来之前先进行动力学仿真与分析,大幅度提高了设计质量,缩短了产品开发周期,节省大量开发费用,同时避免了产品

收稿日期:2007-07-16;修订日期:2007-08-16作者简介:张祯云(1967-),女,技工,二级教师。#752#稳定性。

江 西 科 学2007年第25卷

作者根据需要,对某车型前麦弗逊悬架系统进行了动力学建模和仿真,对悬架弹簧的受力与位移关系进行了分析,对比实验数据基本符合,可以采用该弹簧的受力数据进一步做有限元分析,并可用于汽车前悬架设计和参数优化。

1 麦弗逊前悬架系统动力学模型

麦弗逊悬架一般用于轿车前轮。麦弗逊悬架的主要结构是由螺旋弹簧加上减震器组成。减震器可以避免弹簧受力时向左、右、前、后偏移的现象限制弹簧只能作上下方向的振动,并可以用减震器的行程及松紧,来设定悬架的软硬及性能。麦弗逊悬架系统与其它悬架系统相比,具有结构简单、紧凑,占用空间少,性能优越等优点。该悬架还有较为合理的运动特性,能够保证整车性能要求。因此麦弗逊悬架在前置驱动的轿车和微型汽车上有着广泛的应用,被誉为经典的设计。该悬架系统的一大特点是:为了保证系统合理地受力,延长减震器的寿命并满足使用性能要求,在布置上采用主销中心线,减震器中心线以及弹簧中心线不共线的形式。这一布置形式决定了其运动规律与其它的悬架系统的不同。在其它悬架系统结构中,对应于不同的车轮跳动位置,各点至主销中心的距离不变,而在三线不共线的麦弗逊悬架系统中,对应于不同的车轮跳动位置,各点至主销中心线的距离是变化的。

对悬架系统进行动力学分析,需要首先将其转化成动力学模型。ADAMS/Car软件包提供了该功能。ADAMS/Car是MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包,能够快速建造高精度的整车虚拟样机。其中包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等;求解方法是采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法。ADAMS/Car中包括整车动力学模块(Ve-hicleDynamics)和悬架设计模块(SuspensionDe-[5]sign)。

根据设计提出的麦弗逊悬架建立的3D模型如图1所示,其中安装于减震器上的弹簧未标出。通过各个零件之间的约束关系,可以计算麦弗逊悬架的自由度数为3,即车轮绕着车轴的转动、车轮绕主销的转动和车轮的上下跳动。

图3 麦弗逊前悬架系统动力学仿真模型

[4]

图1 麦弗逊悬架3D模型

由于麦弗逊前悬架系统结构呈对称式,故取其左半结构,根据图1可以简化得到图2所示

ADAMS/CAR环境下的动力学模型。

图2 ADAMS/Car中建立的前麦弗逊悬架模型

为了能够在ADAMS/Car中进行运动仿真,作者调用了ADAMS/Car软件包中转向子系统模板文件MDI_FRONT_STEERING.sub,并将其与前悬架系统进行装配,构成动力学仿真模型。图3为修改硬点坐标后的麦弗逊前悬架系统动力学仿真模型。

[6]

第6期 张祯云:麦弗逊悬架系统动力学分析与仿真

位移关系依旧退化成横坐标上的一点。

#753#

2 基于ADAMS/Car的前悬架系统动特性仿真分析

进行悬架系统动力学仿真,需要首先设置悬架系统及整车的相关参数等。参数设定后,即可调用具体的分析工况进行仿真。对于悬架系统而言,其典型的分析工况

[7]

有:(1)两侧车轮同向跳

动(ParallelWheelTravel);(2)两侧车轮反向跳动(OppositeWheelTravel);(3)单轮跳动(SingleWheelTravel);(4)转向(Steering);(5)静载(Sta-ticLoad);(6)侧倾和垂向力(Rol&lVerticalForce);(7)车轮包络文件(WheelEnvelopFile)。

根据需要,作者选用了两侧车轮同向跳动(ParallelWheelTravel)、两侧车轮反向跳动(Op-positeWheelTravel)、单轮跳动(SingleWheelTravel)及侧倾和垂向力(Rol&lVerticalForce)这4种工况进行仿真,来考察悬架螺旋弹簧的反作用力与位移的关系。仿真步设置为100,采用inter-active模式,分别对悬架进行仿真计算。仿真计算完毕,即可进行动画播放,来检查有无干涉现象。从动画过程中可以清楚地看出整个悬架系统的运动情况和悬架弹簧变形情况,得知悬架系统运动正常。

在后处理中,选取悬架弹簧位移作横坐标,选取弹簧反作用力作纵坐标,分别绘制4种工况作用下的弹簧的反作用力与位移的关系曲线(如图4、图5、图6、图7)。由图4~图7可知,在/两侧车轮同向跳动0及/两侧车轮反向跳动02种工况下,左右弹簧的反作用力与位移关系曲线相互重合,说明这2种工况下的左右弹簧受力过程是相同的。而/单轮跳动0工况下的右弹簧反作用力与位移关系曲线退化成横坐标上的一个点,符合设置中/左轮跳动,右轮静止0的/单轮跳动0的要求。/侧倾和垂向力0工况下,右弹簧受力值先正后负,说明其由小于自由长度变形到大于自由长度,选取4种工况,分别在同一坐标系下表示左、右弹簧的反作用力与位移的关系,如图8、图9所示。由图8可知在4种工况下,左弹簧的反作用力与位移的关系曲线相互重合,可见在不同的工况作用下,左弹簧的受力过程是相同的。右弹簧在/两侧车轮同向跳动0及/两侧车轮反向跳动02种工况下的曲线反作用力与位移的关系曲线相互重合,说明在这2种工况下弹簧的受力过程是相同的;而/单轮跳动0工况下,右弹簧反作用力与图7 侧倾和垂向力工况,左右弹簧反作用力与 位移关系

根据以上分析,选取左弹簧,在MATLAB中分别将4种工况下左弹簧的反作用力与位移的关系曲线图(即图8)中仿真数据与实验所测左弹簧图6 单轮跳动工况,左右弹簧反作用力与位移关系图5 两侧车轮反向跳动工况,左右弹簧反作用力 与位移关系

图4 两侧车轮同向跳动工况,左右弹簧反作用力 与位移关系

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数据基本相一致,所以该前悬架仿真是可行的,实用的,可用于指导前悬架设计和参数优化,还可用做弹簧的疲劳寿命数值分析的参数准备。其中,data1为实验数据采集点坐标标记;data2为仿真数据采集点坐标标记;data3为实验数据拟合曲线;data4为仿真数据拟合曲线。

3 结论

图8 四种工况下左弹簧的反作用力与位移的关系

从上述的仿真对比分析可以得出:(1)4种工况曲线重合,所以选择何种工况进行仿真分析并不影响结论;(2)在Adams/Car环境下,模拟悬架弹簧受力与位移的关系具有较高的精度,模拟结果可以作为悬架弹簧的疲劳寿命数值分析的参数准备。

总之,ADAMS/Car作为专门应用于汽车悬架系统及整车的动力学分析的模块,能够方便快捷的建立虚拟样机,来确定指导建立物理样机的研制方案;其功能强大的的后处理能够提供各类

图9 四种工况下右弹簧的反作用力与位移的关系反作用力与位移关系曲线数据进行拟合,加以比较对照,以检验仿真精度,如图10所示。实验中是通过对前悬架螺旋弹簧以一定频率的正弦信号加载,并逐渐加大载荷压缩弹簧,利用振动台的数据采集系统得到力随位移变化的关系。由图10可知,仿真曲线中弹簧的受力状况与实验中所测

[2][3][4][5][6][7]

所需的曲线,可以用来指导前悬架设计和参数优化。

参考文献:

[1] 钟万勰,陆仲绩.加强以装备制造业发展需求为导

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喻 凡,林 逸.汽车系统动力学[M].北京:机械工业出版社,2005.

图10 仿真曲线数据与实验曲线数据在MATLAB 中拟合对照图