基于adamscar的轎車前懸架與多連桿懸架的運(yùn)動學(xué)分析

基于adamscar的轎車前懸架與多連桿懸架的運(yùn)動學(xué)分析

在這項(xiàng)工作中，我們使用了華人音樂軟件，建立了一輛汽車的前部和后部懸掛模型，并對該模型進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，并顯示了車輛定位參數(shù)隨著車輛振動的變化曲線。1前懸臂運(yùn)動學(xué)分析在建立運(yùn)動學(xué)模型時(shí)做如下簡化和假設(shè):1.1模型的建立方法該車前懸架采用的是A型高支點(diǎn)雙橫臂獨(dú)立懸架,其不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)之處在于下控制臂為雙鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu),從而保證主銷偏置距為負(fù)值,提高了制動時(shí)的回正性。該結(jié)構(gòu)的連桿布置使車輪中心到主銷軸線偏置距變小,減小了繞主銷軸線的慣性力矩,能夠?qū)崿F(xiàn)精確的車輪定位,確保操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性。圖1為前懸架右半部分示意圖,其中B在ADAMS/CAR中建立模型有2種方法,一是直接在ADAMS/CAR中建模,利用軟件提供的基本體進(jìn)行組合,形成所需的模型;二是先在其它一些專業(yè)CAD軟件(如UG、CATIA)中建立實(shí)體模型,再通過兩個軟件的接口將模型導(dǎo)入ADAMS/CAR中進(jìn)行仿真。比較2種方法,后者較前者建立的模型更加準(zhǔn)確,更接近實(shí)際情況。本文采用的是第2種方法,將CATIA中的前懸架模型導(dǎo)入ADAMS/CAR,具體如圖2所示。由圖2可知,前懸架主要由減振器、彈簧、上控制臂、下控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向橫拉桿組成。按照前述的約束關(guān)系添加約束,并在副車架與車身之間添加橡膠襯套,使之組成完整的系統(tǒng),具體如圖3所示。整個前懸架系統(tǒng)的自由度N為:N=6n-∑K=6×21-124=2式中,n為有相對運(yùn)動的部件總數(shù);∑K為系統(tǒng)剛性約束之和。這2個自由度分別是懸架左、右兩側(cè)擺臂的上、下擺動,即減振器的上、下跳動。在進(jìn)行仿真時(shí)引入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和傳動系統(tǒng),在ADAMS/CAR中的仿真模型如圖4所示。1.2模型驗(yàn)證結(jié)果為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,對已建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。在ADAMS/CAR中對懸架模型輸入該車型最大轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角(-495°~495°),然后觀察其外傾角、前束角,通過與實(shí)際測試的外傾角進(jìn)行對比驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性。仿真與實(shí)際測試得出的外傾角隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化曲線如圖5、圖6所示。仿真與實(shí)際測試所得的前束角隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化曲線如圖7、圖8所示。由圖5~圖8兩組曲線對比結(jié)果可知,仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果相當(dāng)。有少許誤差,主要是因?yàn)槟Ｐ秃雎粤藴p振器上端與車身間橡膠襯套及下擺臂軸橡膠襯套的彈性,只進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。結(jié)果表明前懸架模型建立的很準(zhǔn)確,也證明了建模方法的正確性,所以后懸架模型不再進(jìn)行驗(yàn)證。1.3車輪跳車極限跳量的動態(tài)仿真進(jìn)行懸架運(yùn)動特性分析是合理選擇導(dǎo)向機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)的重要前提。比較常用的懸架運(yùn)動學(xué)仿真做法是確定定位參數(shù)隨車輪上、下跳動的變化特性。車輪跳動量按照減振器與彈簧的極限行程,然后根據(jù)前懸架的杠桿比換算出車輪極限跳動量為上跳90mm、下跳100mm,仿真時(shí)按此值來輸入正弦激勵。ADAMS用剛體i的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角或廣義歐拉角作為廣義坐標(biāo),即q任一給定時(shí)刻t鄣Φ/鄣q式中,△q可得到懸架定位參數(shù)主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、車輪外傾角、車輪前束角等在車輪上、下跳動時(shí)的變化特性仿真曲線。1.3.1車輛的轉(zhuǎn)向驅(qū)動力主銷內(nèi)傾可使車輪自動回正,可使主銷軸線與路面交點(diǎn)到車輪中心平面與地面交線的距離減小,從而可減少轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員加在轉(zhuǎn)向盤上的力,使轉(zhuǎn)向操縱輕便,同時(shí)可減少從轉(zhuǎn)向輪傳到轉(zhuǎn)向盤上的沖擊力。內(nèi)傾角不宜過大,一般在2°~12°之間,否則會增加輪胎與路面間的摩擦阻力,使轉(zhuǎn)向變得沉重,加劇了輪胎磨損。該車主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動的變化曲線如圖9所示,初始值為5.75°,變化范圍為4.73°~8.54°。1.3.2汽車行駛方向偏離主銷后傾能形成正的穩(wěn)定力矩,當(dāng)汽車直線行駛時(shí),若轉(zhuǎn)向輪偶然遇到外力作用而稍有偏轉(zhuǎn),將使汽車行駛方向發(fā)生偏離。此時(shí)由于主銷后傾角的存在,對車輪形成繞主銷軸線作用的力矩,其方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反,使車輪回到原來中間位置,從而保證汽車穩(wěn)定直線行駛。該車主銷后傾角隨車輪跳動的變化曲線如圖10所示,初始值為5.2°,變化范圍是4.3°~6.8°。1.3.3車輛轉(zhuǎn)向特性的變化前輪前束可以消除車輪外傾引起的邊滾邊滑現(xiàn)象,減少輪胎磨損,前輪前束的變化可以改變車輛的轉(zhuǎn)向特性。如果前束過大或過小,輪胎偏磨會增加,導(dǎo)致滾動阻力增大,車輛直線行駛能力下降。該車前輪前束角值隨車輪跳動變化曲線如圖11所示,初始值為0.3°,變化范圍是0.14°~0.87°。1.3.4與圓形路面相適應(yīng)前輪外傾可使輪胎磨損均勻,減輕輪轂外軸承的負(fù)荷,提高前輪工作的安全性和操縱輕便性,也使車輪可以與拱形路面相適應(yīng)。但外傾角變化不宜過大,否則會使輪胎產(chǎn)生偏磨損,一般變化范圍在-3°~3°之間。該車前輪外傾角隨車輪跳動曲線如圖12所示,初始值為-0.16°,在跳動過程中變化范圍是-2.87°~0.48°。2懸臂運(yùn)動學(xué)分析2.1后懸架連桿的配置該車后懸架為獨(dú)特的E型多連桿結(jié)構(gòu)。該懸架連桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置既能提高操縱穩(wěn)定性,又能獲得良好的乘坐舒適性,而且能得到適合的車輪外傾控制特性。除減振器和螺旋彈簧分開布置外,E型多連桿后懸架連桿的配置與傳統(tǒng)多連桿后懸架連桿配置相似。減振器與螺旋彈簧設(shè)計(jì)在后軸與后下控制臂之間,結(jié)構(gòu)緊湊。由于減振器和螺旋彈簧分開布置,實(shí)現(xiàn)了車地板較低且平坦的理想設(shè)計(jì),增大了車輛后備箱的設(shè)計(jì)空間,消除了兩部件間的磨擦且降低了減振器側(cè)向力,因而使懸架系統(tǒng)操縱更平順,同時(shí)改善了乘坐舒適性。后懸架右半部分示意如圖13所示。其中,Q建立后懸架模型的過程與前懸架相似,如圖14所示。增加剛性約束后,在副車架與車身之間添加橡膠襯套后的后懸架模型如圖15所示。整個后懸架系統(tǒng)的自由度NN式中,n這2個自由度分別是懸架左、右兩側(cè)擺臂的上、下擺動,即減振器的上、下跳動。2.2懸臂運(yùn)動學(xué)分析分析方法與前懸架相似,仿真模型如圖16。2.2.1橫向穩(wěn)定值后輪外傾角的作用有兩個,一是由于外傾角是負(fù)值,可增加車輪接地點(diǎn)跨度,增加汽車的橫向穩(wěn)定值;二是負(fù)的外傾角用來抵消當(dāng)汽車高速行駛且驅(qū)動力F較大時(shí)車輪出現(xiàn)的負(fù)的前束(前張現(xiàn)象),以減少輪胎磨損。由該車后輪外傾角隨車輪跳動的變化曲線圖17可知,其初始值為-1.05°,變化范圍為-5.3°~-0.2°。2.2.2預(yù)設(shè)置前束角一般轎車都是發(fā)動機(jī)前置和前驅(qū)動方式,后輪是從動輪,汽車的驅(qū)動力通過縱臂作用于后軸上。如果后輪沒有前束角,汽車行駛時(shí)在驅(qū)動力的作用下后軸將產(chǎn)生一定彎曲,使車輪出現(xiàn)前張現(xiàn)象,而預(yù)先設(shè)置前束角可抵消這種前張現(xiàn)象。該車后輪前束角隨車輪跳動的變化曲線如圖18所示,初始值為0.3°,變化范圍是-1.15°~0.33°。3運(yùn)行參數(shù)分析3.1主銷的內(nèi)部傾斜和后傾斜主銷內(nèi)傾角與后傾角由懸架形式?jīng)Q定,本文所述車輛的雙橫臂式獨(dú)立前懸架主銷軸線可以近似這樣確定:圖2中A3.2前束角和車輛的外傾角前輪前束可以通過改變橫拉桿長度來調(diào)整;前輪外傾角是在轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)中確定的,設(shè)計(jì)時(shí)使轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸的軸線與水平面成一定角度。4后懸架的設(shè)計(jì)通過ADAMS/CAR模塊對前懸架與后懸架的運(yùn)動學(xué)分析和對前懸架模型的驗(yàn)證,說明了建模方法的正確性與準(zhǔn)確性。由仿真結(jié)果可知,該車的前、后懸架性能比較理想;前懸架具有良好的回正能力,轉(zhuǎn)向操縱輕便,有利于提高前輪安全性,減少輪胎磨損;后懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,有利