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        橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度仿真與試驗(yàn)研究

        2016-12-26 10:23:14郭耀華
        現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2016年25期
        關(guān)鍵詞:有限元分析

        郭耀華

        摘要:橫向穩(wěn)定桿是提供懸架側(cè)傾角剛度的常用部件,其側(cè)傾角剛度也有多種計(jì)算方法。為此,對(duì)某越野車的前后橫向穩(wěn)定桿,使用兩種不同的方法求取其側(cè)傾角剛度:(1)建立前后穩(wěn)定桿的有限元仿真模型,使用Hypermesh軟件模擬穩(wěn)定桿的受力狀態(tài)并計(jì)算側(cè)傾角剛度;(2)利用整車跌落試驗(yàn),結(jié)合七自由度整車動(dòng)力學(xué)模型以及參數(shù)識(shí)別方法對(duì)比了有無橫向穩(wěn)定桿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度。對(duì)兩種方法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得到橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度有限元計(jì)算方法和試驗(yàn)計(jì)算方法各自的特點(diǎn)和不足,作為工程應(yīng)用參考。

        關(guān)鍵詞:橫向穩(wěn)定桿;側(cè)傾角剛度;有限元分析;跌落試驗(yàn)

        中圖分類號(hào):TB

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        doi:10.19311/j.cnki.16723198.2016.25.100

        0前言

        目前市場上的汽車基本都裝配了橫向穩(wěn)定桿,其作為汽車底盤懸架系統(tǒng)中的重要零部件,可以提高懸架的側(cè)傾角剛度,使汽車在不平或者轉(zhuǎn)彎時(shí)能減少車身側(cè)傾,降低車輛側(cè)翻事故的發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì),在路況差,急轉(zhuǎn)彎時(shí),裝有穩(wěn)定桿的車輛翻車概率可降低60%~80%。因此,橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)計(jì)算尤為重要。

        當(dāng)車身傾斜時(shí),橫向穩(wěn)定桿就產(chǎn)生一個(gè)彈性恢復(fù)力偶矩作用于車身,影響汽車操縱穩(wěn)定性的橫向穩(wěn)定桿參數(shù)即為橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度,如何確定準(zhǔn)確的側(cè)傾角剛度屬于汽車操縱動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容。在新型懸架的設(shè)計(jì)中,需對(duì)被替換掉的橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度進(jìn)行計(jì)算獲取。國內(nèi)對(duì)于橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度的精確計(jì)算研究得較少。因此,在這樣的背景下,本文以某越野車為例,通過有限元仿真計(jì)算和試驗(yàn)計(jì)算兩種方法,得到橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度,并對(duì)兩種方法的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

        1有限元計(jì)算橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度

        1.1建立有限元模型

        下面對(duì)橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行有限元分析,計(jì)算橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度,有限元仿真中橫向穩(wěn)定桿的幾何尺寸采用某越野車的橫向穩(wěn)定桿,為了仿真分析的簡便性,對(duì)橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行簡化處理,將橫向穩(wěn)定桿看作等截面圓。

        圖1為某車橫向穩(wěn)定桿,其中1、2是連接在非獨(dú)立懸架上車軸上的支撐套,內(nèi)含橡膠襯套,3、4通過兩個(gè)豎直桿與車架連接,穩(wěn)定桿與豎直桿之間軸線的水平轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。

        在Pro/E中建立前后橫向穩(wěn)定桿的三維模型,并導(dǎo)入到有限元軟件Hypermesh中,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并設(shè)立材料參數(shù),彈性模量E=210GPa,泊松比NU=03,密度RHO=7.85g/cm3。結(jié)果如下圖2所示。

        1.2有限元分析結(jié)果

        對(duì)前后橫向穩(wěn)定桿的兩端分別施加大小相等、方向相反的單位力,通過靜力分析,得到位移的有限元分析結(jié)果,如圖3、圖4所示。

        根據(jù)圖3、圖4可知,在單位力下前桿兩端位移差為x1=3.52×10-2mm,在單位力下后桿兩端位移差為x2=3.97×10-2mm,在Hypermesh中,經(jīng)測量兩加力點(diǎn)的距離分別為L1=1186mm、L2=1060mm。

        1.3側(cè)傾角剛度的計(jì)算

        分析側(cè)傾角剛度時(shí),忽略橫向穩(wěn)定桿彎曲處過渡圓角和橡膠襯套彈性變形的影響,并假設(shè)穩(wěn)定桿的臂為剛體。

        運(yùn)用有限元的分析結(jié)果計(jì)算橫向穩(wěn)定桿的角剛度如下:

        將施加在橫向穩(wěn)定桿兩端部的力轉(zhuǎn)換成作用在橫向穩(wěn)定桿上的轉(zhuǎn)矩,力矩的計(jì)算公式:

        M=F×L(1)

        將橫向穩(wěn)定桿與兩端的位移裝換成橫向穩(wěn)定桿懸臂的角位移,轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式:

        =xL(2)

        上式中x為單位力作用下桿兩端位移差,L為橫向穩(wěn)定桿上兩個(gè)加力點(diǎn)的距離。

        橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度的計(jì)算公式:

        K=M(3)

        通過上述三個(gè)公式計(jì)算,前橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度為K1=21.5KN·m/rad,后橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度為K2=28.3KN·m/rad。

        2跌落實(shí)驗(yàn)計(jì)算橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度

        2.1跌落實(shí)驗(yàn)及模態(tài)參數(shù)識(shí)別

        在車的簧上左右對(duì)稱位置布置4個(gè)傳感器,如圖5所示。然后在平地上,將車的左側(cè)車輪和右側(cè)車輪置于高度為120mm的木塊上,將車推下并由傳感器記錄車身自由衰減的時(shí)間歷程。為保證數(shù)據(jù)的精確性,每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次。如圖6所示。

        圖5傳感器布置圖

        圖6車輛跌落試驗(yàn)圖

        2.2物理參數(shù)識(shí)別

        基于七自由度車輛模型,車身的三個(gè)振動(dòng)方程如下,根據(jù)牛頓第二定律得到車輛機(jī)械系統(tǒng)模型:

        mz¨M(t)+cz·M(t)+kzM(t)=0(4)

        式中,m,c,k分別為車輛的質(zhì)量、阻力和剛度系數(shù),zM(t),M(t),z¨M(t)分別為位移、速度和加速度。

        如果不考慮阻力及輪胎的影響,當(dāng)ksrb=ksfa時(shí),才能夠解耦。解耦后可得三自由度振動(dòng)方程如下:

        MsZ¨s+2ksf+ksrZs=0(5)

        Ipθ¨+2ksfa2+ksrb2θ=0(6)

        Ir¨+2ksft2f+ksrt2r=0(7)

        上述三個(gè)公式變形可得:

        Ip=2ksfa2+ksrb2ω2p(8)

        Ir=2ksft2f+ksrt2rω2r(9)

        由此可以得到垂向等效剛度和側(cè)傾等效剛度的計(jì)算公式:

        Keqb=2ksf+ksr(10)

        Keqr=KeqbL2eqr(11)

        式中:

        ksf——前懸架剛度;

        ksr——后懸架剛度;

        tf——前懸架鋼板彈簧中心至縱向?qū)ΨQ面的距離;

        tr——后懸架鋼板彈簧中心至縱向?qū)ΨQ面的距離;

        a——前軸至質(zhì)心的距離;

        b——后軸至質(zhì)心的距離;

        ωp——俯仰無阻尼固有頻率;

        ωr——側(cè)傾無阻尼固有頻率;

        Leqr——等于(tf+tr)/2。

        該車輛物理參數(shù)如表1所示。

        表1車輛參數(shù)

        ksf(N/m)ksr(N/m)tf(m)tr(m)

        1177501126650.50.4915

        計(jì)算可得到車輛的側(cè)傾等效剛度為Keqr=113KN·m/rad。

        2.3橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度的計(jì)算

        將采集到的數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件進(jìn)行處理,利用狀態(tài)變量法進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。在多個(gè)識(shí)別值中取平均值可得側(cè)傾固有頻率為1297Hz。將汽車的前后橫向穩(wěn)定桿拆下,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),可以獲得在無橫向穩(wěn)定桿的情況下,側(cè)傾固有頻率為1.00Hz。圖7為跌落試驗(yàn)中車身側(cè)傾角加速度傅里葉變換得到的頻域曲線,從曲線中可以得到裝和未裝橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾固有頻率。

        在有無橫向穩(wěn)定該時(shí)側(cè)傾剛度改變的比值可由下述公式計(jì)算:

        T=ω21-ω22ω21(12)

        經(jīng)計(jì)算T=40.55%。在有無橫向穩(wěn)定桿時(shí)側(cè)傾剛度的改變值,在數(shù)值上即等于橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度。計(jì)算公式如下:

        K=TKeqr(13)

        可知前后橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度之和為K=458KN·m/rad。

        3仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

        對(duì)上述兩種計(jì)算方法所得結(jié)果整理如表2所示。

        表2兩種方法的結(jié)果對(duì)比

        計(jì)算方法有限元法跌落試驗(yàn)

        前/后側(cè)傾角剛度(KN·m/rad)21.5/28.3\

        總側(cè)傾角剛度(KN·m/rad)49.845.8

        差值與比例4.0KN·m/rad8.73%

        對(duì)比結(jié)果,可以看出跌落試驗(yàn)比有限元方法計(jì)算側(cè)傾角剛度要小4.0KN·m/rad,差值比例為8.73%,結(jié)果比較接近與吻合。分析兩種方法,有限元的計(jì)算方法是經(jīng)過簡化的,沒有考慮到安裝部位襯套的彈性,所以其模型本身存在一定的誤差,計(jì)算出來的值會(huì)偏大;另外有限元方法其邊界條件設(shè)定正確,其計(jì)算結(jié)果能夠保證一定的精度,操作比較方便,工程上可節(jié)省開發(fā)成本和周期。

        運(yùn)用跌落試驗(yàn)以及整車參數(shù)識(shí)別方法得到穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度從整車系統(tǒng)出發(fā),對(duì)比兩種狀態(tài)可保證較小誤差;但是需要策劃實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備也有一定的要求,開發(fā)成本和所需周期長。綜上,文中提出的兩種方法相互驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,工程實(shí)踐可根據(jù)開發(fā)條件選擇其一或者兩種進(jìn)行穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度計(jì)算參考。

        4結(jié)束語

        本文分別應(yīng)用有限元法和實(shí)驗(yàn)兩種方法對(duì)汽車的橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行計(jì)算。有限元法計(jì)算量小,計(jì)算效率高,這是其優(yōu)點(diǎn)所在。但邊界條件的設(shè)定對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響,只有保證在有精確的邊界條件設(shè)定下,才能得到較高精度的結(jié)果。相比較之下,實(shí)驗(yàn)法需對(duì)車輛進(jìn)行跌落實(shí)驗(yàn),工作量較大,需要知道車輛的一些參數(shù),但最終的計(jì)算結(jié)果,能很好的反應(yīng)實(shí)際情況,結(jié)果精度相比更高。本文針對(duì)某款越野車輛進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度使用兩種方法計(jì)算分析,所得結(jié)果一致性較好,得到了相互驗(yàn)證的效果。

        參考文獻(xiàn)

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