汽车悬架系统动力学研究

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（研究生课程论文）

汽车动力学

论文题目：汽车悬架系统动力学研究

指导老师：乔维高

学院班级：

学生姓名：

学号：

2015

汽车悬架系统动力学研究

摘要：汽车悬架类型的选择和悬架参数的差异对汽车的操纵稳定性和行驶平顺性具有重要的影响。主要分析了麦弗逊悬架的结构特点，并通过ADAMS软件建立麦弗逊悬架的3D模型,对其进行仿真分析,得出悬架参数的优化设计方法。关键词：麦弗逊悬架；ADAMS多刚体动力学；仿真分析

使驾驶者有不同的感受。看似简单的悬架系统综合多种作用力，决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性，是现代轿车十分关键的部件之一。悬架系统起着传递车轮和车身之间的力和力矩、引导与控制汽车车轮与车身的相对运动、缓和路面传递给车身的冲击、衰减系统的振动等作用，汽车悬架系统对汽车的操纵稳定性、行驶平顺性都有很大的影响[1]。通过对麦弗逊悬架的仿真提出其优化分析方法。

麦弗逊悬架系统由两大基本部分组成：支柱式减震器和三角形托臂，具有结构简单，占用空间小，非簧载质量小，且与减震器弹簧配合使用组成一个可相对运

动的结构体，可以实现车身高度和悬架刚度的自由调节。但是,由于主销轴线位置在减振器与车身连接铰链中心和横摆臂与转向节连接铰链中心的连线上,当悬架在变形时,主销轴线也随之改变,前轮定位参数和轮距也都会相应改变,且变化量可能很大。因此,如果悬架结构设计不当,就会大大影响汽车产品的使用性能[2]。

1ADAMS软件简介

ADAMS模块是美国前MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)与德国宝马(BMW)、奥迪(Audi)、法国雷诺(

的整车设计软件包。ADAMS

创建完全参数化的机械系统几何模型，

拉格朗日方程方法，

转向系、发动机、

ADAMS/Car模块中搭建汽

虚拟样机进行试验设计，进

2

由于麦弗逊悬架左右

,系统会自动地建立另一边的模型。因此,这里建模过程只涉及到左侧悬架。

2.1物理模型的简化

麦弗逊悬架系统主要由车身1、上下摆臂2、转向横拉杆3、减震器及减震弹簧4、转向齿条5、车轮总成6和转向节带制动器总成7组成。悬架各刚体之间的连接关系为：减震器4的上端用螺栓和橡胶衬垫与车身相连接，减震器4下端固定在转向节7上，转向7通过球铰接与下摆臂连接；下摆臂一端通过两个转动铰接与

车身相连（其中一个为虚约束），另一端通过球铰接与转向节总成7相连；转向横拉杆一端通过球铰接与转向节总成相连，另一端通球铰接与转向齿条相连。在进行运动分析时，转向齿条通过固定副与车身相连，车轮总成和转向节总成也通过固定副相连，车身相对地面不动。

对于单侧车轮的麦弗逊悬架约束方程数目为：n=6+1+5+3+4+3+3+2=39；对于单侧车轮的麦弗逊悬架自由度数目为：DOF=6+7-n=3。这意味着单侧车轮的麦弗逊悬架有3个自由度，包括：车轮绕车轴的转动自由度；车轮绕主销的转动自由度；车轮上下方向跳动的自由度。

2.2系统坐标系的确立

在建立多体模型时,

很大的作用。

为XY平面,汽车中心对称面为XZ平面,

面为YZ平面,取竖直向上为Z轴正向,

向为X轴正向。

2.3

,确定硬点就是在子系统坐标系中

2.4

计算或测量整合零件的质量、质心位

,将这些动力学参数填写到对应的对话框中。然后在硬点的基础上创建零件的几何模型,并定义各零件间的运动关系确定约束类型,通过约束将各零件连接起来,从而构成子系统结构模型。最后将建好的子系统模型组装成悬架系统模型,完成ADAMS/CAR模型下的建模过程。在多体动力学软件ADMAS/Car中建立该车带转向系统的麦弗逊前悬架及整车多体动力学仿真模型。如图1所示。

图1前悬架总成模型

3前悬架运动性能分析

3.1主销后倾角对整车运动学性能的影响

主销后倾角是指主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角。由于有主销内倾角的存在,使得主销延长线接地点落在轮胎接地点前面,产生回正力矩,从而保证汽车稳定直线行驶。回正力矩不易过大,否则将使驾驶员转动方向盘过于吃力,影响整车的操纵稳定性。现代汽车设计主销后倾角一般不超过2°-3°。3.2主销内倾角对整车运动学性能的影响

主销内倾角是指主销轴线与地面垂直线在汽车横向平面内的夹角。同主销后倾

角一样,也使车轮有自动回正作用。

纵轻便,

车转向时,轮胎与路面产生较大的滑动,

时加剧轮胎磨损。

3.3

间的夹角。由于车轮外倾角的存在,

转向操纵轻便,

3.4

因前轮有外倾角的存在,由于转向横拉杆等

在汽车设计时添加前轮前束，前束也可用前束角来

3.5主销偏距对整车运动学性能的影响

主销偏距是指主销延长线与地面的交点到轮胎接地中心的距离。主销偏距的大小对转向操纵轻便与否起到非常关键作用,主销偏距小,则转向时阻力也小,主销偏距大,则使转向沉重的同时加剧轮胎磨损。

3.6轮距变化量对整车运动学性能的影响

汽车在行驶时,车轮会产生上下跳动,这样会导致轮距变化。轮距变化一方面会使

轮胎加剧磨损，另一方面也会影响汽车行驶的直线稳定性和操纵稳定性。因此,轮距变化量越小对整车行驶越有利。

4仿真分析

本仿真试验分析主要采用双轮同向激振仿真,保持左右车轮相同高度,对车轮施加设定数值的上挑和回弹运动,从而获取悬挂特征参数。通过进行双侧车轮平行跳动仿真来分析前轮前束角、车轮外倾角、主销后倾角。跳动的范围选择为轿车经常用的±50mm,前轮定位参数变化曲线如图2~图4所示。

图2

图3

图4

5结论

主销后倾角越大，

可能导致不平顺的行驶状况，

销后倾宜在2°-3

小，但是，

范围内,0.2°-1.0°。

在车轮跳动过程中，主销内倾角过大，会使转向发飘。

主销

并且随着车轮的上跳，主销内倾角增加，能有效

并且，主销后倾角随车轮上跳而增大，

根据某车型存在的问题，研究的车轮跳动过程中车轮定位参数与轮胎磨损的关系以及定位参数相互之间的影响将为汽车的初始设计提供可靠的技术依据，为有效地减小车轮侧滑、降低轮胎磨损以及提高汽车的操纵稳定性进行了探索。

本文分析了悬架运动学参数对整车性能的影响’利用多体动力学软件ADAMS/Car 对麦弗逊悬架进行建模与仿真,分别得到主销后倾角、车轮外倾角等参数随车轮行程的变化曲线,为麦弗逊悬架设计及整车的操纵稳定性和平顺性分析提供了基础。