岳峰麗，蔡 玲

(沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧沈陽 110159)

懸架是汽車的主要總成之一，由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減振器及橫向穩(wěn)定裝置等部件組成。它將車架與車輪彈性地連接起來，其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪與車架之間的力和力矩，并緩和由路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車平順行駛［1］。汽車懸架系統(tǒng)的性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性的重要因素。

隨著對(duì)汽車輕量化的要求和前輪驅(qū)動(dòng)汽車的流行，大多數(shù)乘用車采用麥弗遜式前懸架。這種懸架不需要上擺臂，因而結(jié)構(gòu)上更加緊湊，幾乎不占用橫向空間，有利于車身前部地板的構(gòu)造和發(fā)動(dòng)機(jī)布置，另外，當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)，其輪距、前束及車輪外傾角等均改變不大，減輕輪胎的磨損，使汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性［2］。麥弗遜懸架是一種經(jīng)久耐用的獨(dú)立懸架，具有很強(qiáng)的道路適應(yīng)能力，應(yīng)用極其廣泛。過去多用簡化條件下的圖解法和分析計(jì)算法對(duì)汽車懸架性能進(jìn)行分析計(jì)算，用多自由度的質(zhì)量–阻尼剛體數(shù)學(xué)模型對(duì)汽車行駛狀況進(jìn)行仿真，結(jié)果誤差較大，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)，可把懸架視為是由多個(gè)相互連接、彼此能相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真比以往的數(shù)學(xué)模型計(jì)算更真實(shí)反映懸架特性。近年國內(nèi)外有很多關(guān)于麥弗遜懸架仿真的研究，這些研究大都應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行仿真模擬，模型建立在ADAMS軟件平臺(tái)上，簡化很多［3－5］。而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，多應(yīng)用三維建模軟件CATIA建立懸架模型，然后應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行仿真;在將CATIA文件導(dǎo)入ADAMS過程中，需借助第三方軟件，易造成零件信息丟失。本文將CATIA與MSC SimDesiger相集成，對(duì)某車型參數(shù)的麥弗遜懸架進(jìn)行建模仿真分析，研究車輪跳動(dòng)對(duì)輪距、主銷角度的影響。

1 建模與仿真

車輪定位(包括前輪和后輪定位)參數(shù)包括車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷偏移距、主銷后傾角、前束角。前輪定位參數(shù)對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向性能和輪胎的壽命有影響［6］。本文應(yīng)用Sim-Designer軟件對(duì)車輪跳動(dòng)過程的輪距變化、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角等參數(shù)的變化進(jìn)行分析。

采用CATIA軟件對(duì)彈簧、減震器、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、下橫臂、副車架等進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

仿真過程中，下橫臂轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈處與車架間施加轉(zhuǎn)動(dòng)副;下橫臂球鉸鏈處與轉(zhuǎn)向節(jié)間施加球副;減振器缸、轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪、制動(dòng)器等處固定成一個(gè)整體;減振器活塞與減振器缸間施加移動(dòng)副，沿其軸線運(yùn)動(dòng);上彈簧座與車架固定;減振器活塞桿與上彈簧座間施加球副;托板與地面間施加移動(dòng)副，沿Z軸運(yùn)動(dòng);車輪與托板間施加平面副，車輪在托板平面上平動(dòng);在托板與地面間的移動(dòng)副上直線施加驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為

式中，d為車輪直徑，t為時(shí)間。

圖1 懸架三維建模圖

車輪的實(shí)際跳動(dòng)過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，近似為一余弦曲線。一般對(duì)車輪跳動(dòng)過程中輪距及定位參數(shù)的分析常用±40mm的路面不平度做為激勵(lì)。

1.1 車輪跳動(dòng)行程

取車輪與托板間一接觸點(diǎn)，測(cè)量該點(diǎn)在車輪跳動(dòng)過程中的位移量，得到該點(diǎn)在車輪跳動(dòng)方向上的位移曲線，如圖2所示。

圖2 車輪跳動(dòng)行程曲線

由圖2可知，曲線最大值319.429mm，最小值239.851mm，平均值279.64mm。

分析曲線結(jié)果可知，在驅(qū)動(dòng)方程(1)下，車輪上跳量為:Max-Avq≈40mm，車輪下跳量為:Avq-Min≈40mm，車輪跳動(dòng)行程近似于±40mm，滿足仿真試驗(yàn)要求。

1.2 輪距分析

車輪跳動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)主銷擺動(dòng)，此時(shí)輪距會(huì)發(fā)生變化。輪距變化量的大小直接關(guān)系輪胎的磨損，也是評(píng)價(jià)懸架結(jié)構(gòu)合理性的重要指標(biāo)。

取車輪與托板間的接觸點(diǎn)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，沿車體橫向上的一點(diǎn)為參考對(duì)象。當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)，兩點(diǎn)在Y軸方向相對(duì)移動(dòng)，該移動(dòng)量即為單側(cè)輪距變化量。圖3為輪距變化曲線。

圖3 輪距變化曲線

由圖3可知，車輪跳動(dòng)過程中單側(cè)輪距的變化量為:上跳增加量 1.907mm，下跳減小量2.363mm，總變化量4.27mm。

按車輪跳動(dòng)時(shí)輪距的合理變化特性要求，當(dāng)路面不平度為±40mm時(shí)，半輪距變化量應(yīng)小于4～8mm。

(1)車輪上跳時(shí)，輪距應(yīng)適當(dāng)增加，但增加量不宜過大，車輪跳動(dòng)為+40mm時(shí)，輪距增加量控制在2.5mm左右。

(2)車輪下跳時(shí)，輪距應(yīng)適當(dāng)減小，減小量可適當(dāng)大些;車輪跳動(dòng)為－40mm時(shí)，輪距減小量不應(yīng)超過5mm。

按主輪距合理變化趨勢(shì)的要求，輪距變化量合格。

1.3 主銷內(nèi)傾角分析

通過監(jiān)測(cè)內(nèi)傾角的補(bǔ)角值間接測(cè)量內(nèi)傾角的變化量。平衡位置內(nèi)傾角補(bǔ)角值近似為101.351。

車輪跳動(dòng)過程中，內(nèi)傾角的補(bǔ)角值變化曲線如圖4所示。

圖4 主銷內(nèi)傾角曲線

由圖4可知，主銷內(nèi)傾角補(bǔ)角值變化量為

內(nèi)傾角變化量同其補(bǔ)角值變化量，只是符號(hào)相反，即增大量0.5139°，減小量 0.6646°，總變化量 1.2036°。

主銷內(nèi)傾角的變化不宜過大，否則轉(zhuǎn)向過于沉重，在現(xiàn)代汽車中，主銷內(nèi)傾角的范圍在5°～14°之間。因此，車輪跳動(dòng)過程中，主銷內(nèi)傾角的的變化極限值應(yīng)在5°～14°范圍內(nèi)。

從試驗(yàn)結(jié)果中可知，車輪上跳時(shí)內(nèi)傾角值最大為 12.012°;車輪下跳時(shí)內(nèi)傾角最小值為11.012°，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4 主銷后傾角分析

通過監(jiān)測(cè)主銷后傾角余角值分析主銷后傾角變化量。

車輪跳動(dòng)過程中，主銷后傾角的余角值變化曲線如圖5所示。

圖5 主銷后傾角曲線

由圖5可知，主銷后傾角余角值變化量為

同理，主銷后傾角變化量為:上跳時(shí)增大量0.1738°，下 跳 時(shí) 減 小 量 0.163°，總 變 化 量0.3368°。

后傾角選取合適，可使汽車具有良好行駛穩(wěn)定性的同時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，獨(dú)立懸架的后傾角一般為2°～3°。

車輪跳動(dòng)時(shí)，后傾角變化不宜太大，以免載荷變化時(shí)，出現(xiàn)回正力矩過大或過小的現(xiàn)象，使操縱穩(wěn)定性惡化，后傾角變化應(yīng)小于1°。

因此，按主銷后傾角合理變化趨勢(shì)的要求，后傾角值選擇合適，變化特性合理。

2 結(jié)論

(1)車輪跳動(dòng)時(shí)，輪距的變化合理，車輪上跳時(shí)，輪距應(yīng)適當(dāng)增加，車輪下跳時(shí)，輪距應(yīng)適當(dāng)減小，當(dāng)路面不平度為±40mm時(shí)，半輪距變化量應(yīng)小于4～8mm。

(2)主銷內(nèi)傾角的變化不宜過大，否則轉(zhuǎn)向會(huì)過于沉重，主銷內(nèi)傾角的范圍在5°～14°之間。

(3)車輪上跳時(shí)，后傾角應(yīng)增大;車輪下落時(shí)，后傾角應(yīng)減小，以抵消汽車制動(dòng)過程中的后傾角減小趨勢(shì)。

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