焦熙印Jiao Xiyin

基于復(fù)合材料橫置板簧懸架系統(tǒng)K&C分析

焦熙印
Jiao Xiyin

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200122）

利用CATIA和HyperMesh、ABAQUS、ADAMS等CAD、CAE軟件，進(jìn)行橫置板簧后懸架設(shè)計(jì)。根據(jù)懸架系統(tǒng)的要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定板簧的安裝硬點(diǎn)。根據(jù)懸架性能要求和襯套參數(shù)，確定板簧的力學(xué)性能參數(shù)。通過與原懸架進(jìn)行K&C（Kinematic and Compliance，剛性和柔性運(yùn)動(dòng)）分析對(duì)比，說明用復(fù)合材料橫置板簧系統(tǒng)可取代傳統(tǒng)的螺旋彈簧和穩(wěn)定桿組件。

復(fù)合材料；橫置板簧；K&C；剛度

0 引 言

板簧作為彈性元件，具有結(jié)構(gòu)簡單，加工便利，工作可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)；但由于其自身重量大，很少應(yīng)用在乘用車上。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，復(fù)合板簧在繼承鋼板彈簧在結(jié)構(gòu)和可靠性方面優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還具有彈性應(yīng)變大、疲勞壽命長及安全斷裂好等特點(diǎn)，其中最大的優(yōu)點(diǎn)是重量比鋼板彈簧降低60%～70%[1]。

汽車板簧是汽車懸掛系統(tǒng)中重要的彈性元件，連接著車輪和車架，主要用來傳遞車輪和車架之間的力與力矩，緩和因路面不平給車身帶來的振動(dòng)和沖擊。因板簧自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其占用整車向空間較小，為整車駕駛室空間提供支撐，已被低位底盤車型所采用。

目前對(duì)復(fù)合板簧的研究主要包括2個(gè)方向，一方面是對(duì)零件本身的材料和工藝研究，王甲世[2]等通過對(duì)材料屬性的設(shè)計(jì)，結(jié)合有限元和試驗(yàn)的分析，驗(yàn)證零件可靠性；另一方面是結(jié)合復(fù)合板簧的縱向布置形式研究，陳德玲[3]等結(jié)合整車需要闡述了零件的可靠性。

重點(diǎn)梳理了橫置玻纖板簧的設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)某四連桿獨(dú)立懸架進(jìn)行K&C（Kinematic and Compliance，剛性和柔性運(yùn)動(dòng)）分析。

1 懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為充分說明復(fù)合橫置板簧的可行性，選擇一款成熟的四連桿獨(dú)立后懸架作為對(duì)標(biāo)車型，在此懸架基礎(chǔ)上，采用復(fù)合橫置板簧代替原懸架的螺旋彈簧和穩(wěn)定桿組件。除了彈簧硬點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整以外，其他硬點(diǎn)均不變，將原懸架剛度作為新懸架剛度目標(biāo)值，具體設(shè)計(jì)流程見表1。

表1 懸架設(shè)計(jì)流程

1.1 整車及懸架參數(shù)

采用某乘用車的后懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析，具體參數(shù)見表2。

表2 整車及懸架參數(shù)

此款乘用車懸架是刀鋒臂式四連桿獨(dú)立后懸架，如圖1所示，包括副車架、彈簧臂、前束臂、外傾臂、刀鋒臂、螺旋彈簧和穩(wěn)定桿等。在此基礎(chǔ)上，用復(fù)合材料橫置板簧替代螺旋彈簧和穩(wěn)定桿，如圖2所示。

圖1 刀鋒臂式四連桿后懸架

圖2 橫置板簧多連桿懸架

板簧的安裝采用4點(diǎn)固定的形式，如圖3所示，內(nèi)點(diǎn)采用接觸壓緊的形式，外點(diǎn)采用螺栓螺母固定的形式。

圖3 橫置板簧安裝結(jié)構(gòu)圖

1.2 復(fù)合板簧的設(shè)計(jì)

根據(jù)復(fù)合板簧的安裝硬點(diǎn)和懸架剛度等要求，明確了板簧的杠桿比和載荷要求，見表3。利用HyperMesh或ABAQUS等軟件，對(duì)板簧的外形規(guī)格和材料屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)要求。由于復(fù)合材料具有各向異性的特點(diǎn)，板簧設(shè)計(jì)過程需要不斷迭代和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終固化的產(chǎn)品屬性見表4和表5。

表3 板簧設(shè)計(jì)要求

表4 板簧參數(shù)

表5 玻纖材料屬性參數(shù)

因該結(jié)構(gòu)在內(nèi)、外固定點(diǎn)均采用了橡膠襯套，因此，需要對(duì)板簧組件的剛度進(jìn)行分解，懸架單側(cè)、復(fù)合板簧的初始剛度[4]為

=2（1）

式中：為懸架單側(cè)剛度；為復(fù)合板簧系統(tǒng)剛度；為板簧杠桿比；d為外點(diǎn)橡膠剛度；h為板簧單側(cè)剛度；up為內(nèi)點(diǎn)上端襯套剛度；down為內(nèi)點(diǎn)下端襯套剛度。

在ABAQUS軟件下，從自由狀態(tài)變形到設(shè)計(jì)狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 板簧狀態(tài)的變換

2 懸架系統(tǒng)的K&C分析

K&C特性是影響底盤懸架性能的關(guān)鍵因素，是動(dòng)態(tài)特性的基本體現(xiàn)。K（Kinematics，剛性運(yùn)動(dòng)）是分析懸架在不考慮力和重量的情況下，懸架機(jī)構(gòu)隨車輪運(yùn)動(dòng)的特性；C（Compliance，柔性運(yùn)動(dòng)）是懸架系統(tǒng)中緩沖塊、橡膠襯套和彈簧等零部件變形引起的運(yùn)動(dòng)特性。相較K特性，C特性更全面地反映了懸架的實(shí)際情況，因此基于C特性進(jìn)行分析。

2.1 建立柔性體模型

通常將系統(tǒng)設(shè)定為剛體模型進(jìn)行分析，但由于刀鋒臂四連桿系統(tǒng)的特殊性，將板簧和刀鋒臂設(shè)定為柔性體更加符合系統(tǒng)的真實(shí)情況。

在ADAMS中建立柔性體一般有3種方法[5]：（1）將一個(gè)零部件離散成多段剛性構(gòu)件，再通過柔性體將這些剛體進(jìn)行連接；（2）應(yīng)用ADAMS的Auto Flex模塊直接在View中建立MNF（Modal Neutral File，模態(tài)中性文件），替代原剛性文件；（3）利用有限元軟件將零部件離散成細(xì)小的網(wǎng)格，通過模態(tài)計(jì)算，為柔性體零部件建立MNF文件，再導(dǎo)入ADAMS中。由于板簧懸架較為復(fù)雜，故采用第3種方法，具體模型如圖5所示。

圖5 板簧懸架ADAMS模型

2.2 懸架K&C分析

懸架的振動(dòng)特性對(duì)整車的操穩(wěn)性和舒適性有直接的影響。汽車在不同的路況行駛，懸架會(huì)受到不同的激勵(lì)。在成熟的懸架系統(tǒng)中對(duì)彈簧元件進(jìn)行替代；因此，采用成熟的懸架進(jìn)行對(duì)標(biāo)，對(duì)標(biāo)模型如圖6所示。

圖6 對(duì)標(biāo)懸架ADAMS模型

為合理評(píng)價(jià)懸架的性能，考慮懸架的同向跳動(dòng)和反向跳動(dòng)，主要評(píng)價(jià)參數(shù)包括前束角、外傾角、軸距、輪距、輪心垂向力等。重點(diǎn)評(píng)估設(shè)計(jì)的板簧懸架與對(duì)標(biāo)螺旋彈簧懸架剛度，包括兩種懸架的行駛剛度和側(cè)傾剛度，如圖7、圖8所示。

圖7 同向跳動(dòng)輪心垂向力

圖8 反向跳動(dòng)輪心垂向力

通過圖7、圖8可知，同向跳動(dòng)行駛剛度相同，但反向跳動(dòng)側(cè)傾剛度偏差較大，具體見表6，需要進(jìn)行優(yōu)化提高側(cè)傾剛度。

表6 剛度對(duì)比

在保持行駛剛度基本不變的情況下，通過對(duì)板簧安裝硬點(diǎn)和材料屬性進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)側(cè)傾剛度的優(yōu)化，對(duì)比對(duì)標(biāo)懸架和設(shè)計(jì)板簧懸架的前束角、外傾角、軸距、輪距垂向力、側(cè)傾中心高度等K&C參數(shù)見表7。

表7 K&C參數(shù)對(duì)比表

從表7可知，通過板簧的優(yōu)化，在定位參數(shù)滿足要求、行駛剛度不變的情況下，側(cè)傾剛度由38.7 N/ mm優(yōu)化到了53.3 N/ mm，從而證實(shí)板簧剛度調(diào)整的可實(shí)施性。

優(yōu)化后軸距變化量和外傾角的偏差較大，但軸距變化量減小，有利于整車性能；優(yōu)化后車輪外傾角雖然比對(duì)標(biāo)車大，但仍在合理范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

利用成熟的后懸架系統(tǒng)，進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì)，以驗(yàn)證玻纖橫置板簧對(duì)懸架系統(tǒng)的影響。用一套板簧組件取代傳統(tǒng)的螺旋彈簧和穩(wěn)定桿組件，分析懸架的K&C特性，通過研究發(fā)現(xiàn)，板簧對(duì)懸架的外傾角和軸距參數(shù)影響較大，對(duì)其他參數(shù)影響較小，可以實(shí)現(xiàn)行駛剛度和側(cè)傾剛度的需求。這為今后深入研究橫置板簧的懸架方案提供了支持。

[1]KUMAR M S , VIJAYARANGAN S.Analytical and Experimental Studies on Fatigue Life Prediction of Steel and Composite Multi—leaf Spring for Light Passenge Vehicles Using Life Data Analysis[J]. Materials Science，2007，13（2）：141-146.

[2]王甲世，李再軻，吳輝，等. 汽車復(fù)合材料板彈簧的有限元分析及性能測(cè)試[J]. 汽車技術(shù)，2012（4）：55-57.

[3]陳德玲，郭偉，石永金，等. 復(fù)合材料板簧有限元分析和試驗(yàn)研究[J]. 上海汽車，2016（9）：51-54.

[4]劉延柱，陳立群，陳文良. 振動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2019.

[5]畢厚煌，何家寧，譚蓉，等. 基于ABAQUS和ADAMS的懸臂式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2017（11）：16-21.

2021-01-12

U463.33+4.04

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.03.006

1002-4581（2021）03-0024-04