汽车前悬架力学计算建模及仿真分析报告

方向为和水平线成 69.4 度.
1.2.2 三种强化计算工况
第一种工况: 当路面作用到车轮的垂直力达到最大时----汽车驶上路面凸起障 碍或落入洼坑,车轮与路面冲击时发生的载荷。
取动载系数 2.5 时,单轮最大垂直力为 12.25*2.5=30.625KN (1)静止时 F1=(0-30.625*110)/{2*cos(0-7)}=-12.8 KN (2)上限时 F1=(0-30.625*110)/{2*cos(17.378-7)}=-12.9 KN (3)下限时 F1=(0-30.625*110)/{2*cos(-16.7-7)}=-13.88 KN 第二种工况: 当车轮上的纵向力达到最大时----汽车加速或紧急制动时,由惯性 力引起的纵向载荷. 车轮上的垂直作用力 Z=m1*G1/2=1.4*24.5=34.3 KN 最大纵向载荷为 m1*G1*q=1.4*24.5*0.8=27.44 KN 式中 m1---前轴上的重量分配系数, 取 1.4 q-----地面附着系数,取 0.8 G1----静载时的前轴载荷 第三种工况: 当汽车转弯时的测向力最大时-----转弯侧滑产生的最大侧滑力。 假设汽车向右侧滑,左轮离开地面的极限情况
F2z * l 3 * cos ω3 − F2 y * l 3 *sin ω3 = m ------------------------- (1-4)
式中
l 2 ----------------------为主销长度，由图纸尺寸可得约为 264mm
l 3 ----------------------为上摆臂长度，由图纸尺寸可得为 270mm
方向为和水平线成.8 度.
(3) 在下限位置时: F1==-5.55 KN, 下摆臂角度为-11.96
F2y=(-5.123*cos11.96)-0=-5 KN
F2z=12.25+(-5.123)*sin(-11.96)=13.31 KN
其合力为 Fd=14.22 KN
arctan(13.31/5)=69.4
序号 1 2 3
硬点项目 hpl_wheel_center hpl_lca_inner hpl_lca_outer
4 hpl_damper_lwr 5 hpl_damper_upp 6 hpl_knuckle 7 hpl_uca_inner 8 hpl_uca_outer 9 hpl_tierod_inner 10 hpl_tierod_outer 11 hpl_pull_lwr_inner 12 hpl_pull_lwr_outer 13 hpl_pull_upp_inner 14 hpl_pull_upp_outer 15 hpl_torsion_bar_end 16 hpl_torsion_front
F2y = F1 * cosω1 − Fy = −4.66 *cos 9.8550 = −4.59KN
F2z = Fz + F1 *sin ω1 = 12.25 − 4.66*sin 9.8550 = 11.45KN
式中 取 Fy=0 ( 静载时没有横向力)
ω1
=
arctan
78 449
≈
9.8550
代入数值可得: (1)在摆臂水平时:F1=-5.123 KN F2y=(-5.123*cos0)-0=-5.123 KN F2z=12.25+(-5.123)*sin0=12.25 KN
其合力为 Fd = (−5.123)2 + (12.25)2 = 13.278KN
arctan（12.25/5.123）=67.3
F1=(0-12.25*110)/{2*cos(-16.7-7)}=-5.55 KN 轮胎上跳距离为 81mm,上摆臂角度为 arctg（-81/270）=-16.7,下摆臂角度为 arctg（-81/382.5）=-11.96 月牙板处受力如图:
图 1-2 月牙板处受力图 静载时上摆臂衬套处受力分析（图 1-3）:
( ) F1*l 2 * cos ω3 − ω2 = Fy * h2 − Fz * a -----------------* cos ω1 − Fy
----------------------- (1-2)
F2z = Fz + F1 *sin ω1
-------------------------- (1-3)
ω2 ----------------------为主销内倾角，由图纸尺寸可得为 6.5 度
ω1,ω3 --------------------为下、上摆臂角
a ----------------------为车轮接地点至上摆臂球头 A 中心的水平距离 h2 ----------------------为上摆臂球头 A 至地面高度 Fz ,Fy------------------分别为单个车轮的垂直,横向载荷
(取下摆臂能达到的最大角度, 78mm 为轮胎上跳的最大距离,449mm 为下摆臂 C 点至轮胎接地点垂直中心线的距离)
（3）扭杆所受的扭矩为 m=1854.9790 (N.m)
1.2. 前悬架各工况下受力计算
1.2.1 基本载荷的受力分析
研究的前梁总成，确定前桥载荷 24.5KN 为分析的基本载荷，单侧为 12.25KN。 （1）静载时: F1=(0-12.25*110)/{2*cos(0-7)}=-5.123 KN
=
Fy * h2 − Fz * a
l 2 *cos( ω3 − ω 2 )
=
0 − 12.25*100 264*cos 120 − 6.50
≈ −4.66KN
式中取 Fz=12.25KN (设整个前桥载荷为 2.5 吨,单轮载荷为 1.25 吨)
Fy=0
(静载时没有横向力)
a = O ' E + a1 + a2 = 43.74 + h1 *tgω2 + l 2 *sin ω2
拉杆带球接头总成，7－下拉杆带球接头总成，8－固定支架，9－上、下摆臂球接头 总成，10－转向节，11－制动盘总成
2.2 ADAMS 仿真模型基本参数的确定
应用多体系统动力学建立机械系统仿真模型参数需求量大,精度要求高,参数准 备工作量大。根据研究工作的需要,将参数类型划分为运动学(几何定位)参数,质量参 数(质量,质心与转动惯量),力学特性参数(刚度,阻尼特性)与外界参数(道路普,风力 等等)。
方向为和水平线成 67.3 度.
(2) 在上限位置时:F1=-5.17 KN,下摆臂角度为 12.457
F2y=(-5.123*cos12.457)-0=-5 KN
F2z=12.25+(-5.123)*sin12.457=11.14 KN
其合力为 Fd=12.21 KN
arctan(11.14/5)=.8
图查得的前悬架定位参数如表 2－1 所示。
表 2－1 前悬架定位参数
主销内倾角
70
车轮滚动半径
359mm
主销后倾角
2030'
前轮轮距
1725mm
车轮外倾角
10
内轮最大转角
45.60
前轮前束
2.5mm（0.221 0 ） 外轮最大转角
37.70
在 ADAMS 软件中建立仿真模型时各零件关键点的位置对建立模型的准确性非常
-10.3
96.5 96.5 0.0 0.0 0.0 -136.5 -136.5 -48.5 -398.202 -31.0 -399.447 1182.5
1 前悬架力学计算 1.1． 前 悬 架 受 力 分 析
前悬架的结构为双横臂带扭杆弹簧，且扭杆弹簧上置。静载时分析悬架受力如下 图 1-1 所示：
图 1-1 悬架受力图
(1) 在轮胎中心线 oo’接地点 o’受垂直载荷 Fz 和横向力 Fy (2) 上摆臂在球头 A 处受横向和纵向力分别为 F2y 和 F2z(作用力方向假设为图 示方向)，在 D 处受扭杆产生的扭矩 m (3) 下摆臂在球头 B 处受力为 F1（由于扭杆上置，下摆臂为二力杆，F1 的方向 与下摆臂两节点的连线共线）。 由静力平衡建立方程可得：
F2z , F2y ------------------分别为上摆臂球头 A 处的受力
F1 ----------------------为下摆臂在 B 处的受力 M ----------------------为上摆臂在 C 处受的扭矩
（1）由式 1 可求得下摆臂 B 处所受的力 F1;
( ) F1
图 1-3 上摆臂衬套处受力图
由式 1-2、1-3 可求得上摆臂 A 处所受的力 F2y 和 F2z
F2 y = F1 * cosω1 − Fy -------------------------1-2
F2z = Fz + F1 *sin ω1 --------------------------1-3
关键。通过零件装配图和三维实体模型上实际测量，获得了前悬架中零件关键的位置。
表 2－2 是前悬架关键点的位置（由于模型左右对称，表中只列出左侧点的位置）。
表中 X 方向取汽车前进方向的相反方向为正，Y 方向取汽车右侧为正，Z 方向重力方
向的相反方向为正。表中单位为 mm。
表 2－2 前悬架各零件关键点位置
图 2－1 上摆臂
图 2－2 下摆臂
图 2－3 转向节
图 2－4 扭杆
图 2－5 上拉杆
图 2－6 下拉杆
根据前悬架的总装配图纸，在 PRO/E 中进行装配，并生成爆炸图如图 2－7、2－8 所示。
图 2－7 悬架总装配图
图 2－8 前悬架爆炸图 1－前梁焊接总成，2－扭杆弹簧，3－上摆臂，4－下摆臂，5－减震器总成，6－上
2.2.1 运动学（几何定位）参数
应用多体系统动力学建立机械系统仿真模型时，需要依据悬架的结构形式，在
模型中输入悬架中各运动部件之间的安装连接位置与相对角度,车轮定位角等参数。
这些参数决定了悬架各部件的空间运动关系,如前轮上下跳动时的主销内倾角,后倾
角,车轮外倾角,前束的变化等。有了运动学参数,就可以建立悬架的运动学模型并分
静载时摆臂水平 （2）在上限位置时:
F1=(0-12.25*110)/{2*cos(17.378-7)}=-5.17 KN 轮胎上跳距离为 84.5mm,上摆臂角度为 arctg（84.5/270）=17.378,下摆臂角度 为 arctg（84.5/382.5）=12.457 （3）在下限位置时:
析其运动特性。运动学参数,一般可以在汽车的设计图纸中查得。如前悬架总成图就包
括了分析前悬架运动特性得几乎所有参数。应注意的是,各运动部件得相对连接位置,
应在统一的整车参考坐标中测量。在无法获得悬架总成图时,可以在掌握一些基本参
数,如运动部件的几何外形参数与车轮定位角等,通过作图法获得参数。由悬架总装配
定义 车轮中心位置 下摆臂内端点位置 下摆臂外端点位置
减震器下安装位置 减震器上安装位置 转向节中心位置 上摆臂内端点位置 上摆臂外端点位置 转向拉杆内端位置 转向拉杆外端位置 下拉杆内端点位置 下拉杆外端点位置 上拉杆内端点位置 上拉杆外端点位置 扭杆弹簧后端位置 扭杆弹簧前端位置
loc_x 0.0 0.0
前悬架力学计算、建模及 仿真分析
关键词：前悬架力学计算 建模 仿真分析 概述：
本课题内容共两项： 1. 计算、分析或测量系列前独立悬架中前梁在静载条件下，其外力大小和方 向 2. 针对汽车的前梁与独立悬架总成设计、开发中的实际问题，利用机械系统 自动动力学仿真软件，开发汽车前悬架系统设计模块，模拟汽车的实际 工况，建立力学分析模型，分析影响汽车前轮定位参数的结构因素为测 量前悬架设计提供理论依据，为汽车前悬架提供最佳的结构尺寸。
= 43.74 + (318 − 87)*tg6.50 + 264*sin 6.50 ≈ 100mm
ω3
=
arctan
78 369
≈ 120
(取上摆臂能达到的最大角度,78mm 为轮胎上跳的最大距离,369mm 为上摆臂 D 点 至轮胎接地点垂直中心线的距离)
（2）由式 2、3 可求得上摆臂 A 处所受的力 F2y 和 F2z;
F1=(24.5*0.8*500-24.5*110)/{2*cos(-16.7-7)}=29.3 KN
2. 前悬架实体模型的建立和仿真模型基本参数的确定 2.1 前悬架实体模型建立
根据分公司提供的前悬架各零部件的二维设计图纸，利用 PRO/E 软件建立了悬 架中个组成零件的三维实体模型，并根据总装配图进行装配。主要的零件模型如下：