基于某轻型载荷汽车的转向悬架系统dmu校核
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学术 | 制造研究
ACADEMIC
基于某轻型载荷汽车的转向悬架系统 DMU 校核
黄峻
( 奇瑞商用车（安徽）有限公司 241009)
摘要 ：基于某轻型货车的非对称式钢板弹簧前非独立悬架系统，采用 SAE 三连杆机构中心拓展法拟合出该钢板弹簧安装点的运动轨迹曲线，应用 CATIA DMU 模块， 分析该前悬架在不同转角和跳动位置时的间隙尺寸，经验证一致性好，为非对称式钢板弹簧悬架的空间校核提供了方法保证。 关键词 ：轻型载荷汽车 ；悬架系统 ；CATIA DMU 模块 中图分类号 ：U463.4 文献标识码 ：A
图 1 转向和悬架系统结构示意图
总成、左右制动器、钢板弹簧、直拉杆、前桥总成和上下减振器 等部件组成。前桥和转向器连接在车架上，转向器的转动带动转 向垂臂的旋转，通过转向拉杆带动制动器总成绕左右前桥主销旋 转。车轮总成、前桥和制动器总成作为一刚性总成，以钢板弹簧 为导向，做近似圆弧曲线上下摆动。根据悬架与转向系统各零部 件之间的运动关系，其运动副关系如表 1 所示。
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
表 1 转向和悬架系统运动副的建立
链接部件
运动副
车架 1
/
FIX
车架 1
前保 2
车架 1
转向器 3
车架 1
板簧中心线 4
刚接结合
左车轮总成 5
左制动器 6
右车轮总成 7
右制动器 8
转向器 3
转向垂臂 9
左制动器 6
6
5
5 2 4 3
080
AUTO DRIVING & SERVICE 2019 . 10
学术 | 制造研究 ACADEMIC
2 钢板弹簧的运动轨迹
SAE 三连杆机构中心拓展法拟合非对称钢板弹簧板簧的运 动轨迹，所有被钢化于车桥上的“相关点”都绕着 M 倾斜摆动， 摆动中心 O 与主片中心安装点 M 的距离为 Q。前连杆绕卷耳中 心 A 点作半径为 RA 的圆弧，中间连杆绕 Z 点做半径 RM 的圆弧， E 点绕 Z' 点做半径为 RE 的圆弧运动 ,B 点绕吊耳中心做摆动的 同时绕 E 点做半径 RB 的圆弧（图 2）。
1 转向和悬架系统 DMU 模型
转向和悬架的 DMU 模型结构如图 1 所示，转向系统主要由 转向器、摆臂和直拉杆 3 个部件组成，悬架系统主要由左右轮胎
1. 转向直拉杆 2. 制动器总成 3. 减振器 4.U 型螺栓 5. 缓冲块 6. 板簧 7. 摆臂 8. 转向横拉杆 9. 前桥 10. 转向垂臂 11. 转向器总成
图中，Z 点为板簧中部运动中心，H 点为车轮中心，M 点 为板簧簧片中心，A 点为前卷耳中心，B 点为后卷耳中心，D 点 为板簧中部与前半段连杆交点，E 点为板簧中部与后半段连杆交 点，Z' 点为 E 点运动中心。L、LA 和 LB 分别为板簧主片展开长 度、前半部分和后半部分的长度。m 和 n 分别为 U 型螺栓距的 1/2 倍距离，RE 为 Z' 点到 E 点的距离，其中 Z' 点位于 EH 延长 线与 AZ 交点。
序号参数设计值1空载静止弧高mm472mountmount弧高mm233最大下跳弧高mm974lamm4705lbmm5306mnmm45序号车轮跳动车轮转向最小间隙值mm前保转向垂臂轮胎转向垂臂轮胎转向直拉杆1上跳100无转向626158714912上跳8070转向3766384813上跳60100转向2492561574上跳40100转向2844002695无跳动100转向3144002686下跳50100转向3254913467下跳100100转向3382591598标准要求151515图2非对称板簧的运动规律表2钢板弹簧主片参数表3各工况关键尺寸校核点图4轮胎和转向垂臂包络运动图表4dmu和实测间隙差异对比分析图3钢板弹簧运动轨迹曲线图序号工况dmu与实测对比距离mm前保转向垂臂轮胎转向垂臂轮胎转向直拉杆1无跳动100转向实测值282462302dmu值314400268偏差3262342上跳60100转向实测值20634
图 2 非对称板簧的运动规律
图中各参数定义如下。
Q=( LA × LB)/ ( LB-LA) RA=0.75(LA-m) RB=0.75(LB-n) RM=λ×L λ=3Y2/（3Y2+1）/（Y+1）
（1） （2） （3） （4） （5）
Y= LB/ LA
（6）
与板簧主片相关的参数如表 2 所示。基于表 2 中的参数，联
4 上跳 40%
向
28.4
40.0
26.9
5
无跳动
100% 转 向
0 引言
国内市场上轻型载荷货车转向系统多数采用循环球转向器， 而其悬架系统采用非独立钢板弹簧悬架结构。转向和悬架系统运 动校核是整车设计开发过程中的必要部分，重点考察运动过程中， 转向系统的拉杆、轮胎和钢板弹簧等运动部件与周边零部件之间 的间隙。CATIA DMU(Digital Mock-Up，数字样机 ) 模块已在 汽车设计行业广泛运用，能便捷的模拟运动过程中各刚性零部件 准确位置，为空间尺寸校核提供了依据。
表 3 各工况关键尺寸校核点
序号
车轮跳动
车轮转向
最小间隙值（mm）
前保 - 转 轮胎 - 转 轮胎 - 转向直
向垂臂
向垂臂
拉杆
1
上跳 100%
无转向
62.6
158.7
149.1
2 上跳 80% 70% 转向 37.6
63.8
48.1
3 上跳 60% 100% 转 向
24.9
25.6
15.7
100% 转
前桥 10
右制动器 8
前桥 10
旋转结合
减振器上 11
车架 1
减振器下 12
前桥 10
减振器上 11
减振器下 12
菱形结合
前桥 10
板簧中心线 4
点曲线
转向垂臂 9 左制动器 6
转向直拉杆 13 转向横拉杆 14
通用结合
左制动器 6 右制动器 8
转向直拉杆 13 转向横拉杆 14
球面结合
限制自由度 6
前转向与悬架系统及周边零部件机构总成 14 个 DMU 链 接部件，机构总成的自由度为 ：DOF=14×6-6×6-5×6-22×4-2×3=2，多余的 2 个自由度分别为制动器总成绕前桥的转 动驱动（序号 8）和前桥绕板簧中心线的点曲线驱动（序号 13）。 根据车轮的设计转角范围和钢板弹簧的运动轨迹曲线，即可得到 前转向系统和悬架系统的 DMU 模型。
合（1）~（6），求解得到非板簧的运动轨迹曲线，如图 3 所示。
序号 1 2 3 4 5 6
表 2 钢板弹簧主片参数 参数 空载静止弧高 /mm MOUNT-MOUNT 弧高 /mm 最大下跳弧高 /mm LA/mm LB/mm m、n/mm
设计值 47 -23 97 470 530 45
图 3 钢板弹簧运动轨迹曲线图
钢板弹簧是底盘的重要承载件，在整车运动过程中随颠簸路 面发生跳动变形，在制动和加速工况时分别发生绕前端固定点的 前倾和后仰变形，其运动过程相对复杂。钢板弹簧的运动轨迹目 前主要有“圆弧近似算法”（简称ＳＡＥ圆弧）、三连杆机构中心 拓展法 [1] 和骨架模型函数求解法 [2] 3 种方法进行求解。某轻型载 荷汽车前悬架采用非对称板簧，鉴于其运动的复杂性，在本文中， 拟采用三连杆机构中心拓展法拟合板簧的运动轨迹，为转向和悬 架系统 DMU 运动提供依据。
ACADEMIC
基于某轻型载荷汽车的转向悬架系统 DMU 校核
黄峻
( 奇瑞商用车（安徽）有限公司 241009)
摘要 ：基于某轻型货车的非对称式钢板弹簧前非独立悬架系统，采用 SAE 三连杆机构中心拓展法拟合出该钢板弹簧安装点的运动轨迹曲线，应用 CATIA DMU 模块， 分析该前悬架在不同转角和跳动位置时的间隙尺寸，经验证一致性好，为非对称式钢板弹簧悬架的空间校核提供了方法保证。 关键词 ：轻型载荷汽车 ；悬架系统 ；CATIA DMU 模块 中图分类号 ：U463.4 文献标识码 ：A
图 1 转向和悬架系统结构示意图
总成、左右制动器、钢板弹簧、直拉杆、前桥总成和上下减振器 等部件组成。前桥和转向器连接在车架上，转向器的转动带动转 向垂臂的旋转，通过转向拉杆带动制动器总成绕左右前桥主销旋 转。车轮总成、前桥和制动器总成作为一刚性总成，以钢板弹簧 为导向，做近似圆弧曲线上下摆动。根据悬架与转向系统各零部 件之间的运动关系，其运动副关系如表 1 所示。
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
表 1 转向和悬架系统运动副的建立
链接部件
运动副
车架 1
/
FIX
车架 1
前保 2
车架 1
转向器 3
车架 1
板簧中心线 4
刚接结合
左车轮总成 5
左制动器 6
右车轮总成 7
右制动器 8
转向器 3
转向垂臂 9
左制动器 6
6
5
5 2 4 3
080
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学术 | 制造研究 ACADEMIC
2 钢板弹簧的运动轨迹
SAE 三连杆机构中心拓展法拟合非对称钢板弹簧板簧的运 动轨迹，所有被钢化于车桥上的“相关点”都绕着 M 倾斜摆动， 摆动中心 O 与主片中心安装点 M 的距离为 Q。前连杆绕卷耳中 心 A 点作半径为 RA 的圆弧，中间连杆绕 Z 点做半径 RM 的圆弧， E 点绕 Z' 点做半径为 RE 的圆弧运动 ,B 点绕吊耳中心做摆动的 同时绕 E 点做半径 RB 的圆弧（图 2）。
1 转向和悬架系统 DMU 模型
转向和悬架的 DMU 模型结构如图 1 所示，转向系统主要由 转向器、摆臂和直拉杆 3 个部件组成，悬架系统主要由左右轮胎
1. 转向直拉杆 2. 制动器总成 3. 减振器 4.U 型螺栓 5. 缓冲块 6. 板簧 7. 摆臂 8. 转向横拉杆 9. 前桥 10. 转向垂臂 11. 转向器总成
图中，Z 点为板簧中部运动中心，H 点为车轮中心，M 点 为板簧簧片中心，A 点为前卷耳中心，B 点为后卷耳中心，D 点 为板簧中部与前半段连杆交点，E 点为板簧中部与后半段连杆交 点，Z' 点为 E 点运动中心。L、LA 和 LB 分别为板簧主片展开长 度、前半部分和后半部分的长度。m 和 n 分别为 U 型螺栓距的 1/2 倍距离，RE 为 Z' 点到 E 点的距离，其中 Z' 点位于 EH 延长 线与 AZ 交点。
序号参数设计值1空载静止弧高mm472mountmount弧高mm233最大下跳弧高mm974lamm4705lbmm5306mnmm45序号车轮跳动车轮转向最小间隙值mm前保转向垂臂轮胎转向垂臂轮胎转向直拉杆1上跳100无转向626158714912上跳8070转向3766384813上跳60100转向2492561574上跳40100转向2844002695无跳动100转向3144002686下跳50100转向3254913467下跳100100转向3382591598标准要求151515图2非对称板簧的运动规律表2钢板弹簧主片参数表3各工况关键尺寸校核点图4轮胎和转向垂臂包络运动图表4dmu和实测间隙差异对比分析图3钢板弹簧运动轨迹曲线图序号工况dmu与实测对比距离mm前保转向垂臂轮胎转向垂臂轮胎转向直拉杆1无跳动100转向实测值282462302dmu值314400268偏差3262342上跳60100转向实测值20634
图 2 非对称板簧的运动规律
图中各参数定义如下。
Q=( LA × LB)/ ( LB-LA) RA=0.75(LA-m) RB=0.75(LB-n) RM=λ×L λ=3Y2/（3Y2+1）/（Y+1）
（1） （2） （3） （4） （5）
Y= LB/ LA
（6）
与板簧主片相关的参数如表 2 所示。基于表 2 中的参数，联
4 上跳 40%
向
28.4
40.0
26.9
5
无跳动
100% 转 向
0 引言
国内市场上轻型载荷货车转向系统多数采用循环球转向器， 而其悬架系统采用非独立钢板弹簧悬架结构。转向和悬架系统运 动校核是整车设计开发过程中的必要部分，重点考察运动过程中， 转向系统的拉杆、轮胎和钢板弹簧等运动部件与周边零部件之间 的间隙。CATIA DMU(Digital Mock-Up，数字样机 ) 模块已在 汽车设计行业广泛运用，能便捷的模拟运动过程中各刚性零部件 准确位置，为空间尺寸校核提供了依据。
表 3 各工况关键尺寸校核点
序号
车轮跳动
车轮转向
最小间隙值（mm）
前保 - 转 轮胎 - 转 轮胎 - 转向直
向垂臂
向垂臂
拉杆
1
上跳 100%
无转向
62.6
158.7
149.1
2 上跳 80% 70% 转向 37.6
63.8
48.1
3 上跳 60% 100% 转 向
24.9
25.6
15.7
100% 转
前桥 10
右制动器 8
前桥 10
旋转结合
减振器上 11
车架 1
减振器下 12
前桥 10
减振器上 11
减振器下 12
菱形结合
前桥 10
板簧中心线 4
点曲线
转向垂臂 9 左制动器 6
转向直拉杆 13 转向横拉杆 14
通用结合
左制动器 6 右制动器 8
转向直拉杆 13 转向横拉杆 14
球面结合
限制自由度 6
前转向与悬架系统及周边零部件机构总成 14 个 DMU 链 接部件，机构总成的自由度为 ：DOF=14×6-6×6-5×6-22×4-2×3=2，多余的 2 个自由度分别为制动器总成绕前桥的转 动驱动（序号 8）和前桥绕板簧中心线的点曲线驱动（序号 13）。 根据车轮的设计转角范围和钢板弹簧的运动轨迹曲线，即可得到 前转向系统和悬架系统的 DMU 模型。
合（1）~（6），求解得到非板簧的运动轨迹曲线，如图 3 所示。
序号 1 2 3 4 5 6
表 2 钢板弹簧主片参数 参数 空载静止弧高 /mm MOUNT-MOUNT 弧高 /mm 最大下跳弧高 /mm LA/mm LB/mm m、n/mm
设计值 47 -23 97 470 530 45
图 3 钢板弹簧运动轨迹曲线图
钢板弹簧是底盘的重要承载件，在整车运动过程中随颠簸路 面发生跳动变形，在制动和加速工况时分别发生绕前端固定点的 前倾和后仰变形，其运动过程相对复杂。钢板弹簧的运动轨迹目 前主要有“圆弧近似算法”（简称ＳＡＥ圆弧）、三连杆机构中心 拓展法 [1] 和骨架模型函数求解法 [2] 3 种方法进行求解。某轻型载 荷汽车前悬架采用非对称板簧，鉴于其运动的复杂性，在本文中， 拟采用三连杆机构中心拓展法拟合板簧的运动轨迹，为转向和悬 架系统 DMU 运动提供依据。