諸葛 曉宇

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢430070)

1 懸架的作用、分類

汽車懸架是汽車車輪與車身之間一切裝置的總稱。其功用在于:在垂直方向能夠衰減振動和起懸掛作用;在側(cè)向可防止車身側(cè)傾和左右車輪載荷轉(zhuǎn)移;在行駛方向上能夠保證驅(qū)動與制動的實現(xiàn)，并保持行駛方向的穩(wěn)定性。起著傳遞車輪和車身之間的力和力矩、引導(dǎo)與控制汽車車輪與車身的相對運動、緩和路面?zhèn)鬟f給車身的沖擊、衰減系統(tǒng)的振動等作用，汽車懸架系統(tǒng)對汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性都有很大的影響。

在設(shè)計懸架時，懸架的結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否，直接對汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大的影響。由此可見懸架系統(tǒng)的設(shè)計在現(xiàn)代汽車設(shè)計中占重要地位?，F(xiàn)代汽車的懸架盡管有各種各樣的不同的結(jié)構(gòu)形式，但是一般懸架由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減振器三部分組成:其中，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括橫向推力桿和縱向推力桿。

根據(jù)汽車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不同懸架種類又可分為獨立懸架和非獨立懸架。對于非獨立懸架，兩側(cè)車輪安裝于一整體式車橋上，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊力時會直接影響到另一側(cè)車輪上，當(dāng)車輪上下跳動時定位參數(shù)變化小?？刹捎娩摪鍙椈勺鲝椥栽?，它可兼起導(dǎo)向作用，使結(jié)構(gòu)大為簡化，降低成本。目前廣泛應(yīng)用于貨車和大客車上，有些轎車后懸架也有采用非獨立懸架。非獨立懸架由于非簧載質(zhì)量比較大，高速行駛時懸架受到?jīng)_擊載荷比較大，平順性較差。

獨立懸架是兩側(cè)車輪分別獨立地與車架 (或車身)彈性地連接，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊，其運動不直接影響到另一側(cè)車輪，獨立懸架所采用的車橋是斷開式的。這樣使得發(fā)動機(jī)可放低安裝，有利于降低汽車重心，并使結(jié)構(gòu)緊湊。獨立懸架允許前輪有大的跳動空間，有利于轉(zhuǎn)向，便于選擇軟的彈簧元件使平順性得到改善。同時獨立懸架非簧載質(zhì)量小，可提高汽車車輪的附著性。獨立懸架的左右車輪不是用整體車橋相連接，而是通過懸架分別與車架 (或車身)相連，每側(cè)車輪可獨立上下運動。

2 麥弗遜懸架

麥弗遜懸架是絞結(jié)式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉(zhuǎn)向主銷，轉(zhuǎn)向節(jié)可以繞著它轉(zhuǎn)動。其結(jié)構(gòu)特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化。這種懸架構(gòu)造簡單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性。懸掛重量輕和占用空間小，從而懸掛的運動部件輕，懸掛的響應(yīng)速度和回彈速度就會越快，減震能力也越強(qiáng);而且懸掛質(zhì)量減輕也意味著簧下質(zhì)量減輕，在車身重量一定的情況下，舒適性也越好。所以，目前轎車使用最多的獨立前懸架是麥弗遜式懸架。

麥弗遜懸架是一種典型的獨立懸架，由兩個基本部分組成:支柱式減震器和A字形托臂。其結(jié)構(gòu)緊湊，把減震器和減震彈簧集成在一起，組成一個可以上下運動的滑柱;A字型托臂設(shè)計，是用于給車輪提供部分橫向支撐力，以及承受全部的前后方向應(yīng)力。整個車身的重量和在運動時汽車車輪所承受的所有沖擊就由這兩個部件承擔(dān)。為了保證系統(tǒng)合理的受力，延長減振器的使用壽命并滿足其使用性能要求，在布置上采用主銷和減振器中心線不共線的形式，如圖1所示。該布置形式?jīng)Q定其對應(yīng)于不同的車輪跳動位置，各點至主銷的距離是變化的。而在其他懸架系統(tǒng)中，對應(yīng)于不同的車輪跳動位置，各點至主銷的距離不變。在三線不共線的麥弗遜式懸架系統(tǒng)中，當(dāng)車輪上下跳動時，下擺臂外鉸接點將隨下擺臂上下擺動，故主銷軸線的角度是變化的，這說明車輪是沿著擺動的主銷軸線而運動。因此，這種懸架在變形時，使得主銷的定位角和輪距都有些變化。然而如果適當(dāng)調(diào)整桿系的結(jié)構(gòu)的布置，可以使車輪的這些定位參數(shù)變化很小。麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 CATIA軟件簡介

CATIA是法國Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化軟件，CATIA是英文Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的縮寫，是世界一流的集CAD/CAM一體化于一身軟件之一。作為較前沿的三維CAD/CAM軟件，它在世界范圍內(nèi)被廣泛采用于航空、汽車、船舶的設(shè)計和制造領(lǐng)域;CATIA在過去的二十多年里一直保持著驕人的業(yè)績，并繼續(xù)保持著其強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢。該軟件雖然源于宇航業(yè)，但現(xiàn)在該軟件廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，如汽車制造業(yè)、船舶制造業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、電子、電器業(yè)、消費品行業(yè)等。

CATIA在汽車行業(yè)的運用十分廣泛，是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系統(tǒng)。CATIA在零部件設(shè)計、造型風(fēng)格、車身及引擎設(shè)計等方面具有獨特的長處，為各種車輛的設(shè)計和制造提供了端對端的解決方案。CATIA涉及產(chǎn)品、加工和人三個關(guān)鍵領(lǐng)域。其可伸縮性和并行工程能力可顯著縮短產(chǎn)品上市時間。

4 ADAMS軟件簡介

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司 (Mechanical Dynamics Inc)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。

5 懸架系統(tǒng)幾何模型

5.1 懸架模型的簡化

在用CATIA軟件建立麥弗遜懸架模型時，需要先通過軟件中的機(jī)械設(shè)計模塊對懸架的各個部件設(shè)計出來，隨后進(jìn)行裝配，再后進(jìn)行仿真分析。汽車懸架是一個比較復(fù)雜的汽車部件，為了使汽車懸架的樣機(jī)模型能夠在ADAMS軟件中實現(xiàn)動態(tài)仿真，在這里需要做出一些合理的假設(shè)和簡化。對一些不影響動態(tài)仿真的部件進(jìn)行省略，而對于對分析結(jié)果影響較大的部件，在建模型時要引起足夠的重視。

作出的主要簡化如下:

(1)在對懸架進(jìn)行運動仿真時，為了定義固定件的方便，這里只將把車架和懸架連在一起的軸銷畫出。

(2)汽車是關(guān)于汽車中心線對稱的，所以可以只建立汽車懸架的四分之一模型，可以在CATIA中得用鏡像工具完成懸架的建模。

5.2 CATIA內(nèi)模型的建立

5.2.1 螺旋彈簧模型

螺旋彈簧用于獨立懸架中，它只承受垂直載荷，在此載荷作用下，鋼絲內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，將外界對汽車懸架的沖擊能量轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，從而緩沖了不平路面的沖擊。為了突出懸架的功能特點，在建懸架的模型時，需要將螺旋彈簧模型建立起來。

在CATIA中建立的螺旋彈簧模型如圖2所示。

5.2.2 懸架減振器模型

懸架系統(tǒng)中由于彈性元件受沖擊產(chǎn)生振動，為了改善汽車行駛的平順性，懸架中與彈性元件并聯(lián)安裝減振器，這樣可以衰減振動。汽車懸架系統(tǒng)中采用減振器多是液力減振器，其工作原理是當(dāng)車架 (或車身)和車橋間受振動出現(xiàn)相對運動時，減振器內(nèi)的活塞上下移動，減振器腔內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個腔經(jīng)過不同的孔隙流入另一個腔內(nèi)。此時孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內(nèi)摩擦對振動形成阻尼力，使汽車振動能量轉(zhuǎn)化為油液熱能，再由減振器吸收散發(fā)到大氣中。在這里選用的是筒式減振器，懸架的螺旋彈簧套在減振器的套筒上，在車輪受到外力沖擊時，懸架的上下擺臂會發(fā)生運動，當(dāng)運動到一定程度時，會壓迫彈簧，只是彈簧發(fā)生壓縮變形，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換，緩和沖擊;同時，減振器根據(jù)其減振原理發(fā)生變化。

在CATIA中建立的減振器模型如圖3所示。

5.2.3 汽車輪胎模型的創(chuàng)建

汽車輪胎可以是個旋轉(zhuǎn)體，也可以不是。建立了如下的汽車輪轂和輪胎模型。

輪胎模型如圖4所示。

5.2.4 裝配模型

在CATIA裝配模塊中將創(chuàng)建好的各部件模型進(jìn)行裝配，裝配好的模型如圖5所示。

6 仿真

將建立好的麥弗遜懸架導(dǎo)入ADAMS，給車輪添加一個驅(qū)動約束作為運動激勵，如圖6所示。

文中主要從主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束4個方面分析。圖3～6分別為主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角、前束角與車輪運動關(guān)系圖。

從圖7～10可看出:車輪上下跳動±100 mm的范圍內(nèi)，麥弗遜式懸架主銷后傾角變化范圍是2.2°～4.1°，車輪上下位移為0時，后傾角接近2.5°;主銷內(nèi)傾角變化范圍是9.8°～11.8°，車輪上下位移為0時，內(nèi)傾角接近10°;車輪外傾角變化范圍是－0.9°～1.0°，車輪上下位移為0時，車輪外傾角接近0.8°;前束變化范圍是 －1.5°～0.6°，車輪上下位移為0時，前束接近0.1°。

試驗結(jié)果表明此麥弗遜式懸架的輪胎定位參數(shù)的初始值符合要求，證明模型是合理的，輪胎的磨損也在可接受的范圍內(nèi)。但主銷內(nèi)傾角與設(shè)定值相比偏小，前束值接近峰值，該懸架可能存在以下問題:車輛低速行駛時，轉(zhuǎn)向回正力矩不足，有時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向費力，影響操作穩(wěn)定性;前束值偏大，長期會造成輪胎過度磨損。

7 結(jié)果分析

7.1 定位參數(shù)優(yōu)化

主銷內(nèi)傾角越大，越有利于減小輪胎的磨損，但是主銷內(nèi)傾角過大，會使轉(zhuǎn)向發(fā)飄，反而增大輪胎的磨損，所以主銷內(nèi)傾角應(yīng)約束在3°～12°范圍內(nèi)。主銷后傾角越大，越有助于保持車輛行駛的方向穩(wěn)定性，但過大的主銷后傾角可能導(dǎo)致不平順的行駛狀況，若在低速，甚至?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)向前輪產(chǎn)生擺振，因此主銷后傾角宜在3°～6°范圍內(nèi)。在車輪跳動過程中，車輪外傾角對輪胎的側(cè)滑影響小，但是，外傾角過大，會使輪胎出現(xiàn)偏磨損現(xiàn)象，故車輪外傾角應(yīng)在0.5°～2°范圍內(nèi)。對于前束角應(yīng)配合車輪外傾角的取值，控制在0.2°～1.0°。

文中以定位參數(shù)的變化規(guī)律作為約束條件，以車輪在上下跳動±100 mm的范圍內(nèi)車輪側(cè)滑量最小為優(yōu)化目標(biāo)，對車輪定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過ADAMS的仿真分析，車輪定位參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果是:車輪外傾角為1°，主銷內(nèi)傾角為12°，主銷后傾角為6°，前束角為0.2°。

改進(jìn)定位參數(shù)之后，內(nèi)傾角輪胎磨損現(xiàn)象將得到改善。

7.2 結(jié)論

在車輪跳動過程中，特別在低速行駛過程中，主銷內(nèi)傾角過大，會使轉(zhuǎn)向發(fā)飄。在車輪上跳過程中外傾角減小，能有效補(bǔ)償由于車身側(cè)傾引起的不良影響。主銷后傾角對內(nèi)傾角變化影響較大，并且隨著車輪的上跳，主銷內(nèi)傾角增加，能有效補(bǔ)償由于載荷增加而降低汽車轉(zhuǎn)向輕便性的趨勢，有利于提高汽車的轉(zhuǎn)向輕便性。主銷內(nèi)傾角對后傾角的變化影響最大，并且，主銷后傾角隨車輪上跳而增大，由側(cè)向力引起的不足轉(zhuǎn)向特性將得到提高。

根據(jù)某車型存在的問題，研究的車輪跳動過程中車輪定位參數(shù)與輪胎磨損的關(guān)系以及定位參數(shù)相互之間的影響將為汽車的初始設(shè)計提供可靠的技術(shù)依據(jù)，為有效地減小車輪側(cè)滑、降低輪胎磨損以及提高汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了探索。

8 結(jié)束語

利用CATIA和ADAMS建立麥弗遜懸架系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而得出該懸架的優(yōu)化分析方法和優(yōu)化方向。通過對麥?zhǔn)綉壹芟到y(tǒng)的優(yōu)化，從而達(dá)到提高汽車操縱穩(wěn)定性和行駛平順性的目的。為解決輪胎磨損問題提供了理論依據(jù)，同時對采用其他形式的懸架系統(tǒng)提供借鑒作用。通過CATIA軟件和ADAMS軟件的結(jié)合，可以更精確地對汽車懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，從而節(jié)約大量的人力和物力，具有重要的現(xiàn)實意義。

【1】褚志剛.汽車前輪定位參數(shù)優(yōu)化設(shè)計［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2003(2):23－25.

【2】陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

【3】劉惟信.汽車設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

【4】王國強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的應(yīng)用［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

【5】陳靖芯，徐晶，陸國民，蔡蘭.基于CATIA的三維參數(shù)化建模方法及其應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計，2003(8).

【6】高秀華.工程分析及電子樣機(jī)模擬:CATIA V5在工程實踐中的應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

【7】張曉芬，劉菁.基于Adams/Car的半主動懸架整車平順性仿真研究［J］.黑龍江科技信息，2007(2).