龔海清 楊啟梁 胡溧 袁爽

（武漢科技大學(xué)）

一種雙橫臂獨立懸架動力學(xué)模型驗證的新方法*

龔海清 楊啟梁 胡溧 袁爽

（武漢科技大學(xué)）

利用某輕型客車的CATIA三維設(shè)計數(shù)模進(jìn)行運(yùn)動仿真，得到懸架線剛度，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了運(yùn)動仿真結(jié)果的正確性。在ADAMS/Car中建立了雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架動力學(xué)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真計算得到懸架的線剛度，并通過與CATIA中運(yùn)動仿真計算所得的線剛度對比分析，驗證了動力學(xué)模型的正確性。該方法同樣適用于其它類型獨立懸架的動力學(xué)模型驗證。

1 前言

在汽車性能的動力學(xué)仿真計算中，懸架系統(tǒng)的建模比較復(fù)雜，其建模精度直接影響仿真結(jié)果的正確性。為了保證懸架系統(tǒng)模型的正確性，通常需要利用試驗數(shù)據(jù)來進(jìn)行模型驗證，而在缺少試驗驗證的條件下，如何驗證仿真模型的正確性是目前還沒有得到很好的解決[1-4]。采用扭桿作為彈性元件的雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架，可以通過合理選擇空間導(dǎo)向桿系鉸接點的位置及導(dǎo)向臂的長度，使得懸架具有合適的運(yùn)動特性，保證車輛具有良好的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性[5,6]，在各種輕型車輛中得到廣泛的應(yīng)用。文中以某輕型客車的雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架為例，利用懸架在CATIA中的三維設(shè)計數(shù)模進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，得到懸架線剛度，并與試驗測試的線剛度進(jìn)行對比來驗證其正確性。然后，在ADAMS/Car中建立懸架動力學(xué)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真計算得到懸架線剛度，并與CATIA中計算的線剛度進(jìn)行對比，以此驗證動力學(xué)模型的正確性。

2 雙橫臂獨立懸架線剛度計算理論

典型雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖[7]如圖1所示，其中，DE為轉(zhuǎn)向節(jié)，F(xiàn)G為主銷，GH和GI分別為上橫臂的前、后橫臂，F(xiàn)K和FJ分別為下橫臂的前、后橫臂，IL為上置扭桿彈簧。

由于雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架的線剛度主要與扭桿的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式相關(guān)，針對扭桿彈簧，不考慮系統(tǒng)中的摩擦損失時，由虛位移原理可知：

式中，F(xiàn)為車輪的垂向激勵力；M為作用在扭桿彈簧上的扭矩；dz為車輪輪心垂向虛位移；dθ扭桿彈簧在扭矩作用下的虛位移轉(zhuǎn)角。

由式（1）可得

式（2）兩邊對位移z求導(dǎo)，根據(jù)懸架線剛度的定義可得懸架線剛度的理論計算式：

式中，θ為扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)角；K為扭桿彈簧剛度。

式（3）只需要得到扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)角、扭轉(zhuǎn)角對位移分別求1階導(dǎo)、2階導(dǎo)以及扭桿彈簧剛度，就可以較準(zhǔn)確的計算出車輪跳動在任何位置時雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架線懸架剛度值Kl。因此，在任何具有運(yùn)動仿真功能的CAD軟件中均可實現(xiàn)。

3 CATIA中懸架的線剛度計算

某輕型客車的前雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架的CA?TIA三維數(shù)模如圖2所示。在CATIA中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析時，需要對懸架系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚簭椥栽ㄏ鹉z襯套等）用理想化的運(yùn)動副來代替，并在運(yùn)動仿真時不考慮彈性元件的變形[8]；定義各部件間的運(yùn)動關(guān)系，如上下橫臂與車架之間以旋轉(zhuǎn)副連接，上下橫臂與主銷之間、轉(zhuǎn)向橫拉桿與車架之間均以球面副連接。用DMU Kinematics（運(yùn)動機(jī)構(gòu)）模塊進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析時，在轉(zhuǎn)向節(jié)軸心線處設(shè)置測量基準(zhǔn)點、建立參考軸系、設(shè)置傳感器，并在上橫臂與車架連接的旋轉(zhuǎn)副處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。整個機(jī)構(gòu)定義完成以后只有2個自由度，分別對應(yīng)著轉(zhuǎn)向輪的左右運(yùn)動和上下跳動。

通過運(yùn)動模擬，傳感器測得扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)角與車輪輪心跳位移關(guān)系曲線如圖3所示；將扭轉(zhuǎn)角曲線對車輪輪心垂向跳動位移分別求1階導(dǎo)、2階導(dǎo)，其曲線如圖4、5所示。

將圖3～5中的扭轉(zhuǎn)角、扭轉(zhuǎn)角的1階導(dǎo)、扭轉(zhuǎn)角的2階導(dǎo)曲線數(shù)據(jù)和扭桿彈簧剛度K=101.41 N/mm代入（3）式，在Matlab中計算擬合懸架線剛度曲線。CA?TIA中計算的懸架線剛度與實車測試的線剛度對比如圖6所示，由圖中可以看出，兩者的結(jié)果比較吻合，其相對誤差的均方根值為只有0.07%，說明在CAD軟件中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真計算懸架線剛度是可行的。可以替代試驗結(jié)果用于驗證動力學(xué)模型的正確性。

4 動力學(xué)模型驗證

下文基于ADAMS動力學(xué)軟件，通過計算雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架的線剛度來驗證動力學(xué)模型的正確性。

在ADAMS/Car模塊中，默認(rèn)假設(shè)前懸架關(guān)于整車縱向中心對稱面對稱，由此只需要建立半個前懸架左側(cè)模型，另一半前懸架右側(cè)模型的構(gòu)件硬點坐標(biāo)、幾何構(gòu)件、運(yùn)動約束會自動生成。在建立雙橫臂懸架時對模型做如下簡化[9]: 假定前懸架為一個多剛體系統(tǒng)，所有零部件都被認(rèn)為是剛體，忽略導(dǎo)向桿件的柔性和變形。輪胎簡化為剛性體，忽略各運(yùn)動副內(nèi)的摩擦力。前懸架左側(cè)硬點坐標(biāo)值見表1。

表1 懸架左側(cè)硬點坐標(biāo)值

整個懸架系統(tǒng)由上下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷、扭桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿、減震器、車輪和試驗臺組成。上下橫臂與主銷之間用球鉸副約束，上下橫臂與車架連接處，在其中間通過橡膠襯套與車架連接，主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)用固定副約束，轉(zhuǎn)向節(jié)與車輪之間用旋轉(zhuǎn)副約束，扭桿彈簧一端與上橫臂以固定在一起，另一端與車架固定在一起，在扭桿中間斷開添加一個扭簧，同時在斷開處添加一個旋轉(zhuǎn)副約束斷開的兩個桿件，以此等效為扭桿彈簧[10]。整個懸架放置在激振臺架上施加垂直方向的運(yùn)動來計算各參數(shù)的變化規(guī)律。在ADAMS/Car界面建立的雙橫臂獨立懸架動力學(xué)模型，如圖7所示。

在ADAMS／Car環(huán)境中建好模型后，對懸架做雙輪同向激振試驗，設(shè)置仿真步數(shù)為100，車輪上下跳動范圍為-60～60 mm，對系統(tǒng)懸架剛度隨車輪跳動垂向位移的關(guān)系進(jìn)行仿真分析。計算完畢后，經(jīng)后處理模塊(ADAMS/Post Processor)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到懸架線剛度。

ADAMS計算結(jié)果與CATIA計算結(jié)果對比如圖8所示。

由圖8可以看出，兩者的結(jié)果相差很小，其相對誤差的均方根值只有0.15%，由此可以說明在AD?AMS/Car中建立的雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架的動力學(xué)模型是正確。

5 結(jié)束語

基于虛位移原理提出了一種在CAD軟件中計算雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架線剛度的計算方法，并且以某輕型客車的雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架為例，在CATIA中驗證了該方法的可行性。

通過比較ADAMS和CAD計算的雙橫臂扭桿彈簧獨立懸架線剛度，驗證了在ADAMS/Car中建立的懸架動力學(xué)模型的正確性。且該方法同樣適用于其他類型的獨立懸架。

1 Rakheja S.Boileau P.-é.Wang Z.Politis H.Performance Analysis of Suspension Seats Under High Magnitude Vibra?tion Excitations:Part 1:Model Development and Validation.Journal of Low Frequency Noise,Vibration and Active Con?trol,2003,22:225～252.

2 Daniel A.Mantaras,Pablo Luque,Carlos Vera.Develop?ment and validation of a three-dimensional kinematic mod?el for the McPherson steering and suspension mechanisms.Mechanism and Machine Theory,2004,39:603～619.

3 D Marzougui,M Zink,A Zaouk,C D Kan,N Bedewi.Devel?opment and validation of a vehicle suspension finite element model for use in crash simulations.International Journal of Crashworthiness,2004,9:565～576.

4 陳剛,陳樹人,邵景世.基于ADAMS的噴桿噴霧機(jī)前懸架仿真與優(yōu)化.農(nóng)化研究,2014.

5 石峰.雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)的分析與設(shè)計.西安：長安大學(xué),2008.

6 蔣國平,周孔亢.旅行車獨特懸架系統(tǒng)的運(yùn)動特性木.機(jī)械工程學(xué)報,2008（4）：217-221.

7 曾迥立.雙橫臂獨立懸架線剛度的非圖解法計算[J].汽車工程,2006（8）:747-749.

8 席思文.基于CATIA的麥弗遜懸架運(yùn)動仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2013（7）：114-116.

9 于海波,李幼德,門玉琢,鄧陽慶.雙橫臂獨立ADAMS建模及運(yùn)動特性分析.汽車技術(shù),2007（3）,5-8.

10 桑璟如.基于ADAMS多體動力學(xué)軟件的輕型客車平順性仿真.武漢：華中科技大學(xué),2005.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

5 橡膠復(fù)合懸架試驗驗證

由于橡膠副簧剛度受溫度影響極易引起工作點漂移，需要進(jìn)行常溫和低溫的疲勞臺架試驗，更需要進(jìn)行用戶環(huán)境(高低溫及泥沙等)試驗來評價對壽命的影響。表3的試驗結(jié)果表明，該橡膠復(fù)合懸架滿足用戶可靠性要求。

表3 臺架和整車專項可靠性道路驗證

5 結(jié)束語

通過設(shè)計橡膠復(fù)合懸架，使總成質(zhì)量減輕20%、成本降低5%；同時由于橡膠彈簧的非線性特點，使與之匹配的鋼板彈簧試驗壽命得到明顯提高。試驗驗證表明，該種復(fù)合懸架設(shè)計合理有效，推動了懸架系統(tǒng)的輕量化設(shè)計進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

1 劉惟信.汽車設(shè)計.清華大學(xué)出版社.2001.

2 Aeon Products Ltd.Aeon hollow rubber springs suspension kit for Land Rovers.Hermen Vlothuizen，1967.

3 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

4 卜繼玲，鐘漢文，等.系統(tǒng)仿真技術(shù)在橡膠懸架研發(fā)中的應(yīng)用.汽車工程學(xué)報，2012（1）:51～54

5 周煒，黃友劍，等.單橋復(fù)合懸架橡膠空心彈簧剛度分析和參數(shù)優(yōu)化.汽車技術(shù)，2011（10）:53～56.

(責(zé)任編輯簾 青)

修改稿收到日期為2014年11月1日。

A New Validation Method of Double Wishbone Independent Suspension Dynamics Model

Gong Haiqing,Yang Qiliang,Hu Li,Yuan Shuang
（Wuhan University of Science and Technology）

The liner stiffness of a light bus is calculated by CATIA 3D design mathematical model of motion simulation,and is compared with the test results,which verifies the correctness of the motion simulation results.The dynamic model of double wishbone torsion bar spring independent suspension is built in ADAMS/Car,and the liner stiffness is calculated by dynamic simulation.The comparison with the liner stiffness calculation results of motion simulation on CATIA proves correctness of the dynamic model.This method also applies to dynamic model validation of other type’s independent suspensions.

Dynamic model,Double wishbone independent suspension,Suspension liner stiffness,ADAMS,CATIA

動力學(xué)模型 雙橫臂獨立懸架 懸架線剛度 ADAMS CATIA

U463.33

A

1000-3703（2015）02-0020-04

國家自然科學(xué)基金（汽車車身薄壁件顆粒阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)振動—聲學(xué)特性分析與優(yōu)化 編號：51105283）資助。