基于Adams的某商务车前悬架KC性能分析及优化设计

2郾 3摇 主销后倾角
摇 摇 由主销后倾角产生回正力矩是 “ 路感冶 的来源, 主销 后倾角对转向时的车轮外倾角变化影响较大, 一般不希望后 倾角在车轮上下运动过程中出现大的变化, 以免在载荷变化 时出现回正力矩过大或过小的现象, 使操纵性能恶化。 车轮 上跳时一般要求后倾角有增加的趋势, 这样可以抵消制动点 头时后倾角减小的趋势, 以防止回正力减小, 从而出现制动 跑偏等不稳定现象。 由图 4 可以看出, Kinematics 分析时, 主销后倾角从初始状态 2郾 341毅变化为 2郾 344毅, Compliance 分 析时, 主销后倾角从初始状态 2郾 532毅 变化为 2郾 540毅, 最大 变化 0郾 08毅, 虽然 Compliance 分析中后倾角稍有下降, 但变 化幅值很小, 在合理范围之内。
2郾 7摇 回正力矩加载仿真
摇 摇 Adams / car 中使车轮左转时的回正力矩为正值。 从图 9、 图 10 中可以看出, 左转时右轮外倾角增大, 前束角减小, 左轮外倾角减小, 前束角增大, 回正力矩有增大汽车不足转 向趋势。
图 9摇 回正力矩加载车轮外倾角 C 特性曲线
图 6摇 轮距 K 特性曲线
引摇 摇 言
摇 摇 汽车悬架系统的性能是影响汽车行驶平顺性、 操纵稳定 性和安全性的重要因素。 汽车悬架运动学与弹性运动学( Ki鄄 nematics & Compliance,简称 K&C) 特性是一项与悬架系统、 转向系统、 制动系统、 轮胎特性、 整车质量参数等密切相关 的系统总成 外 特 性。 它 对 汽 车 的 转 向、 直 线 行 驶 性 能 及 NVH 性能等多种整车特性尤其是高速行驶特性有直接影响。 汽车悬架运动学( Kinematics) 描述的是车轮在弹簧变形过程 和转向时的运动, K 特性即是指当汽车车轮上下跳动或转动 时, 车轮定位参数、 悬架刚度等参数相应的变化规律。 而弹 性运动学( Compliance) 则是描述由于轮胎和路面之间的力和 力矩变化引起的车轮定位参数、 悬架刚度等参数的改变, 这 是悬架某些部件具有弹性的结果。 在我国, 对悬架 K&C 特 性的理论研究早在 20 世纪 80 年代便开始, 但研究成果未能 充分指导实际。 在新车型开发过程中, 基于实物样车的整车 性能调校是对整车悬架的 K&C 特性参数进行客观评价并进 一步改进。 国内汽车公司尚无一家具备底盘调校能力, 这部 分工作几乎全部外包给国外的设计公司, 且调校费用动辄上 千万元, 这大大增加了整车开发成本及开发周期。 如果能够 在车型开发初期运用仿真方法对悬架进行多体动力学建模、 性能预测及优化设计, 这对提高整车性能、 节约开发成本、 增强企业自主开发能力掌握底盘开发核心技术具有重要的理
摇 摇 Abstract: Vehicle suspension Kinematics and Compliances characteristic as a very important assembly part characteristic has a di鄄 rect impact on vehicle driving performance郾 After building the multi鄄body dynamics model of a commercial vehicle front suspension in Ad鄄 ams / car, the K&C characteristic of it is analyzed well鄄roundedly郾 Then as for some poor suspension parameters, sensitivity levels of sep鄄 arate key point coordinate and bushing stiffness in the model are derived from Adams / Insight郾 The variables which have significant influ鄄 ence on certain suspension parameters are used in later optimization郾 The optimizing process is proved to be successful which offers guid鄄 ance to improvement of the front suspension and whole vehicle performance郾 摇 摇 Key words: suspension摇 K&C characteristic摇 simulation摇 optimization
2郾 1摇 车轮外倾角
摇 摇 为了使汽车具有较好的操纵稳定性, 应尽量减少车轮相 对车身跳动时的外倾角变化。 一般情况下希望车轮上跳时车 轮外倾角变化范围为 - 2毅 ~ 0郾 5毅 / 50mm。 由图 2 可以看出, Kinematics 分析 时, 车 轮 外 倾 角 从 初 始 状 态 0郾 91毅 变 化 为 0郾 55毅, Compliance 分析时, 车轮外倾角从初始状态 0郾 79毅 变 化为 0郾 44毅, 最大变化量-0郾 36毅, 变化幅值在合理范围内且 变化较小。
1摇 前悬架模型建立
摇 摇 该客车前悬架为上下臂不等长的双横臂独立悬架, 为保 证模型的准确性, 将前悬架三维 CATIA 模型保存为 Parasolid 实体格式导入 Adams / car 中并赋予材料属性。 悬架中扭杆弹 簧角刚度采用 joint force 进行模拟。 把横向稳定杆从中点分 为两段, 中间用旋转副联接并在其上施加 joint force 模拟角 刚度。 为了使悬架在加载后静平衡状态具有准确的初始车轮 定位参数, 把转向横拉杆分为两段, 中间用滑移副联接, 并 分别施加 Adjustable force 来调整车轮前束和车轮外倾角。 为 去除模型中的冗余约束, 将扭杆弹簧后端通过垂直副与车身 联接, 转向系中的齿轮啮合通过耦合副进行模拟。 整个悬架 模型由转向系统、 稳定杆总成和前悬架三部分组成, 为更加 准确的模拟该悬架的 C 特性, 将装配模型中的刚性轮胎换 为 FIALA 轮胎模型, 并根据实际轮胎参数修改其属性文件。 最终的前悬架多体动力学模型如图 1, 该模型共有三个自由 度, 分别为左右车轮的上下跳动和转向盘的转动, 无冗余 约束。
论及实际意义。 本文针对上海汽车集团某新开发的轻型客 车, 运用国际广泛使用的多体动力学仿真软件 Adams / car 对 其前悬架进行建模和 K&C 仿真分析, 并且进一步运用 Ad鄄 ams / Insight 模块对前悬架某些关键硬点位置和衬套刚度进行 优化设计, 为改进该车悬架特性进而提高整车性能提供了 指导。
2郾 6摇 悬架垂向刚度及侧倾角刚度( 包括轮胎)
摇 摇 悬架刚度是既影响操纵稳定性又影响舒适性的重要参 数, 决定了悬架偏频及整车平顺性。 从图 7、 图 8 中可以看 出, Kinematics 分析时, 垂向刚度从初始状态 8郾 83N / mm 变 化为 12郾 97N / mm, 侧 倾 角 刚 度 从 初 始 状 态 7郾 006 伊 105 N · mm / deg 变化为 7郾 019 伊 105 N·mm / deg, Compliance 分析时, 垂向刚度从初始状态 15郾 09N / mm 变化为 18郾 58N / mm, 侧倾 角刚度 从 初 始 状 态 7郾 976 伊 105 N · mm / deg 变 化 为 7郾 953 伊 105 N·mm / deg, 垂向刚度最 大 变 化 4郾 14N / mm, 侧 倾 刚 度 最大变化 2郾 3伊103 N·mm / deg, 分析结果表明, 在车轮相向 跳动过程中, 悬架刚度变化不大。
摇 摇 揖 关键词铱 摇 悬架摇 K&C 特性摇 仿真摇 优化
The K&C Characteristic Analysis and Optimization of a Commercial Vehicle Front Suspension Based on Adams
Zhang Shouyuan, Shen Lei, Fu Xiaolong Shanghai Commercial Vehicle Research & Development Center
摇 2009 中国汽车工程学会年会论文集
SAE鄄C2009C242
1895
化为 0郾 51毅, 最大变化范围 0郾 22毅。 该车车轮前束角在车轮 上跳过程中有增大趋势, 这加剧了外倾角所带来的不利影 响, 容易导致轮胎的磨损和额外的动力消耗, 并且有增大汽 车过多转向趋势。
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图 3摇 车轮前束角 K 特性曲线
图 1摇 某商务车前悬架多刚体模型
2摇 前悬架 K&C 特性分析
摇 摇 前悬架模型与悬架试验台装配后, 将装配模型分别调整 为 Kinematic 和 Compliance 模式, 设置簧载质量、 质心高度、 轮胎属性等参数, 进行左右轮平行跳动、 左右轮反向跳动工 况运动学仿真及侧向力和回正力矩加载作用下的弹性运动学 仿真, 分析时设置轮胎中心点从静平衡位置上下分别移动 25mm, 行程 50mm。 侧向力上下限为 依2000N, 回正力矩上 下限为依150N·m, 得到的悬架部分 K&C 特性参数如下。
图 4摇 主销后倾角 K 特性曲线
图 2摇 车轮外倾角 K 特性曲线
2郾 2摇 车轮前束角
摇 摇 在汽车行驶中保持前束不变或变化幅度较小比在汽车静 止时有一个正确的前束更为重要, 设计上希望前轮上跳时车 轮呈弱负前束变化。 在汽车的前轴, 如果上跳的车轮产生后 束角, 下落的车轮产生前束角, 则在车身侧倾时, 转向轮转 角会发生轻微回转, 从而使汽车具有不足转向特性。 车轮上 跳时变化范围一般为 - 0郾 5毅 ~ 0毅 / 50mm。 由图 3 可以看出, Kinematics 分析 时, 车 轮 前 束 角 从 初 始 状 态 0郾 20毅 变 化 为 0郾 39毅, Compliance 分析时, 车轮前束角从初始状态 0郾 29毅 变
2郾 4摇 主销内倾角
摇 摇 与主销后倾相比, 主销内倾主要在低速时起回正作用。 主销内倾角与车轮外倾角有着直接关系, 车轮运动过程中主 销内倾角的变化规律与车轮外倾角的变化规律相同, 但符号 相反。 由图 5 可以看出, Kinematics 分析时, 主销内倾角从 初始状态 11郾 93毅变化为 12郾 28毅, Compliance 分析时, 主销内 倾角从初始状态 12郾 05毅变化为 12郾 39毅, 最大变化 0郾 35毅, 变 化较小。 由仿真结果可知, 车轮上跳时, 主销内倾角增大, 即汽车转弯行驶时, 前轴外侧车轮( 或在不平路面上直线行
1894
SAE鄄C2009C242
2009 中国汽车工程学会年会论文集摇
基于 Adams 的某商务车前悬架 K&C 性能分析及优化设计
张守元摇 沈磊摇 伏小龙
上海汽车商务车研发中心
摇 摇 揖 摘要铱 摇 汽车悬架 K&C 特性作为一项重要的系统总成外特性对整车的行驶性能至关重要。 文中应用 Adams / car 软件, 对开发前期中的某商务车前悬架建立多体动力学模型, 并对其 K&C 特性进行全面分析, 针对不理想的悬架参数, 应用 Ad鄄 ams / Insight 模块得出各硬点坐标及衬套刚度对悬架参数的影响因子, 选出影响较大的变量对悬架参数进行优化设计, 取得明 显效果, 为该车前悬架及整车性能的改进提供指导。
图 5摇 主销内倾角 K 特性曲线
1896
SAE鄄C2009C242
2009 中国汽车工程学会年会论文集摇
驶时上跳的车轮)主销内倾角变大, 使重力产生的回正力矩 增大, 有利于汽车的不足转向特性同时提高直线行驶性能。
2郾 5摇 轮距
摇 摇 汽车直线行驶过程中, 如果轮距变化过大就会引起滚动 轮胎的侧偏甚至轮胎的侧滑, 这不仅加剧了轮胎的磨损, 而 且损害了汽车的直线行驶性能。 汽车转弯行驶时, 由于载荷 转移车身发生侧倾, 由悬架变形产生的轮距变化直接决定了 侧倾中心的高度, 这对汽车的稳态转向特性产生很大影响。 悬架设计中轮距变化范围希望控制在 - 5mm / 50mm ~ 5mm / 50mm( 单轮) 。 由图 6 可以看出, Kinematics 分析时, 轮距 从初始 状 态 1502郾 90mm 变 化 为 1517郾 14mm; Compliance 分 析时, 轮距从初始状态 1503郾 93mm 变化为 1518郾 97mm, 最 大变化 15郾 04mm。 可见轮距变化超出合理范围, 这将加剧 轮胎磨损且影响该车的操纵稳定性。