麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧优化设计

麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧优化设计J. LIU, D. J. ZHUANG1, F. YU and L. M. LOUInternational Journal of Automotive Technology, Vol. 9, No. 1, pp. 2935 (2008) Copyright 2008 KSAE 译 摘要 : 采用某乘用车作为例，建立详细的麦弗逊悬架多体动力学模型，将减振器侧向力仿真结果作为侧载弹簧设计目标, 并结合有限元分析中的多体动力学优化它的设计,有限元分析结果传回的悬挂系统导入后，可以进行动力学仿真，进行试验验证。实验表明，采用经过化设计的侧载螺旋弹簧后可显著降低悬架侧载，该系统可增加阻尼杆的偏磨擦和促进阻尼器的内部摩擦，降低悬挂系统的行驶性能，代以一个新的与常规的螺旋弹簧弯曲中心线侧载弹簧已经被证明能够解决这些问题。关键词：多体系统动力学 优化设计 麦弗逊式悬挂 侧载螺旋弹簧一.前言由于结构简单和较低的制造/服务成本，麦弗逊式悬架一直是最流行的悬架系统之一。对于麦弗逊悬架而言, 作用于减振器上座处的力 F 与作用于控制臂处的力 FL 地面垂直反力 FA 平衡, 如图 1所示。从图中可以看出, 由于麦弗逊悬架系统本身结构的原因, 力 F 与减振器轴线偏离一定角度 A, 不可避免地存在侧向分力 FQ, 使得减振器零件间的摩擦增大, 造成减振器活塞杆球头及其它零件快速磨损, 导致减振器早期失效。而且麦弗逊悬架的侧向力会导致减振器摩擦功无法消除，从而恶化了车辆的行驶平顺性。此外，悬挂麦弗逊悬架的汽车行驶在一个平坦的道路时，垂直振动可能会被转移到身体直接部位，因为轻微的路面激励，不能克服的内摩擦正确操作暂停。因此，它是非常重要的，以减少侧负载FQ，使得优化的悬挂系统可以保护阻尼器部分，并提高行驶性能的悬架系统。传统解决方案是将弹簧倾斜，但悬架中安装空间的限制，制约了弹簧倾斜角度，以使侧负载不能完全消除。最近，一些汽车制造商采用了新型弹簧，由 Muhr，Schnaubelt等人开发，以取代常规的螺旋弹簧，其允许在按下该弹簧的两个平行平面之间的角度，而弹簧的力线偏离的一个变种中心线。通过设计适当的曲率，这种弹簧本身可以抵消侧负载，这样，它被命名为侧载弹簧。然而，它是非常困难的，直接从该弹簧的结构参数中定义刚度，因为侧载弹簧的变形机制仍然是不清楚的。其设计通常是以测试的数据为基础，从而得到符合要求的更快与更经济的方法。此外，传统的优化设计不是强调彼此之间相互作用的部分，部件和系统之间和系统之间的系统，同时能极大地影响一个产品的一般特性。因此，优化的麦弗逊悬架，首先应该从制度层面开始，一些研究人员已经做了很多贡献。图1 麦弗逊悬架的减振器侧载1994年，Muhr和Schnaubelt介绍的侧载弹簧，减少侧向力的麦弗逊悬架（Wnsche和Muhr，1994）。他们的研究是基于物理模型和实验结果。结果表明了新侧载弹簧的效果，在车身加速度和阻尼行程以及乘坐的舒适性都有着显著提高。然而，他们的研究对象是一个已经存在的侧载弹簧，他们的研究目的是确定的侧载荷弹簧的性能特点，而如何设计一个侧载弹簧从未被提及。在1996年，聪铃木，神谷浩和敏之今泉介绍了有限元分析模型的侧载弹簧的结构参数（铃木等人，1996），包括免费线圈和长细比的影响进行分析，侧载弹簧的特性，然后讨论安排的应力和倾斜角度的弹簧座位置，以尽量减少阻尼器的侧向力。这经过了大量的有限元分析模型和实验验证，但在分析的性能特点和设计方法上面，他们并没有深入参与，因此他们的研究仍然比较有限。在2000年,敏之今泉和后藤隆结合机械动力学和有限元分析软件进行设计的过程和分析阻尼器的摩擦。在他们的文章中，第一个侧的负荷弹簧和弹簧座的有限元分析模型是建立在弹簧端部线圈的角度和座椅侧载弹簧的反作用力线的角度的研究基础上。一个新的设计程序，是机械动力学与有限元分析软件相结合的代表。最后,作者评价侧载弹簧的优点，通过比较新的设计与传统弹簧的反作用力轴和悬架摩擦。然而，设计过程并不充分，并且清楚地表示一些改进仍然需要讨论，本文是设计过程的一部分，特别是设计一个侧载弹簧，用于现有的麦弗逊式悬挂。 （1）寻找最佳连接点上标量弹簧的上部和下部部位预测了理想的力线装置重复模拟和比较，为每一个组的连接点，这有更为简单的方法，所以可以被取代。 （2）如何确定弹簧初始弯曲的曲率，以及如何实现参数的研究，特别是对弹簧的中心线曲率都没有提及。 （3）这与中心线的侧载弹簧是类似还是完全相同？该文件并没有提供一个准确的描述，侧载弹簧的曲率。 （4）在悬架优化的评价，比较标准的是悬架摩擦，不支持默认的麦弗逊模板的ADAMS / CAR模块。作者可能需要建立一个全新的模型，使用ADAMS/ CAR模块，甚至ADAMS / VIEW模块，它可能会花费太多的时间。在本文中，以现有的轿车为例，我们提出了一个更简单，更详细的麦佛逊侧载弹簧，以减少横向荷载对阻尼器杆的滑柱悬挂系统的优化设计方法。设计流程图如图2所示:为了检验所施加的力，在顶部安装阻尼器杆。螺旋弹簧的麦弗逊前悬挂系统多体动力学模型是建立在采用多体动力学分析软件ADAMS/ CAR的基础上。在随后的优化时，侧载弹簧被选择的阻尼力横向分量的设计目标是使横向力的不利影响最小化。然后将侧载弹簧的曲率的初始值导出。接着，为侧载弹簧结构的优化进行分析也与实验数据相比较，使用有限元分析（FEA）软件ANSYS，比较侧载弹簧的纵向和横向的弹性特性。二阶曲线得到的侧载弹簧作为优化的曲率。导入后悬挂系统ADAMS/ CAR的有限元分析结果作为模态中性文件（MNF），最后就动力学模拟的优化设计结果的有效性进行探讨。与原弹簧垂直刚度和横向力显着减少的一致性表明，所提出的设计方法是适当优化的悬挂系统。可以解决和优化设计侧载弹簧的麦弗逊悬挂的侧向力问题，同时还具有最小边原来悬架刚度特性的影响。图2 优化设计方法流程图二、悬架系统的仿真研究以现有乘用车作为一个例子，是建立一个多体动力学模型的麦弗逊式前悬挂系统采用ADAMS/ CAR软件，如图3所示。协调系统根据SAE标准中定义的，所使用的弹簧是一个传统的螺旋弹簧。在建模过程中的动力学参数的悬架系统，包括弹簧的刚度和减震器的阻尼器的特性，过程中考虑了减振器到车身、控制臂到副车架和副车架到车身 3处橡胶衬套的非线性特性。基于这个模型，一个平行的车轮行程进行分析与车轮从70毫米至100毫米的移动和垂直同步。得到图 3 前悬架系统模型减振器上支点处的受力F = Fx, Fy, F z T及转矩M= M x,M y, M z T , 变化曲线如图 4所示。从图中可。从图中可知M OX, MOY,M OZ ，FO 与 F 大小相同并相互平行, 满足MO =M - rTO F( 1) 式中 rTO = xO, yO, zO T 为减振器上支点相对于主矢作用点的位矢, 有 rTO = F M = F M# +M +( 2) F= F+M +F由于 FO 大小和方向可从 ADAM S的仿真结果中直接获得, 因而弹簧力的计算主要是确定 FO 的作用点。由式 ( 2)可知: F YM Z= FZMYrTO =FZMX - FXMZ( 3)而得到主矢作用点坐标为 xO=FYMZ-FZMYF2X+F2Y+F2Z yO=FZMX-FXM ZF2X+F2Y+F2Z zO=FXMY-FYMXF2X+F2Y+F2Z弹簧力作用线方程可表示为x=xO-FXFZ(z-H)y=yO-FYFZ(z-H) 施加左支柱的顶部安装的测量和绘制分别在图4（a）和（b）。相应的侧向载荷弹簧的设计，改为使用有限元分析软件，如协调系统的仿真结果的原点为中心的弹簧上线圈，x轴点的行驶方向，Z轴的反向是随着向上弹簧和点轴和y轴的确定由x轴和z轴。M = MO+rTO u F .图3 前悬架系统模型可以从图4看出，当车轮旅行，纵向力分量Fx是几乎为零，都是近似线性的，但Fz的具有陡峭的斜坡。扭矩绕z轴保持零组件，绕y轴的部件几乎是线性的和非常小的，而绕x轴的力矩Mx是更大的，并显示出了强非线性倾向，这肯定是导致从组件Fy和Fz。图4 减振器上支点受力及转矩图5 主要的力和力矩根据力和力矩的模拟，可以计算出所需的弹簧力的作用线及侧载弹簧设计参数的优化目标。正如在图5中所示，力F和力矩M可以简化为一个平行的主要力矢量FO（具有相同的F值）和一个主要的力矩矢量MO有关与阻尼器力矩M的形式，施加在阻尼器顶部安装M = MO+ RTO U F。1）在式（1）中，矢量RTO点阻尼器的顶部安装点（T）FO的作用点（O点）。当O点沿FO（MO），式（1）的行动路线仍然是仅适用于RTO改变。当RTO是垂直于FO，它也是垂直的F和M的平面，那么有 （2） FYMZ = FZMYrTO =FZMX - FXM在等式（2）中，很显然，矢量v的方向是由F和M的单位矢量，而它的值是由他们的商数确定。力F和力矩M的组件，可在图4中所示的模拟结果，因此可以计算出相应的作用点FO的。由于力FO是平行的力F，所希望的弹簧力线具有相同的方向上施加的力的阻尼器的顶部安装上，并通过点（XO，YO，zO循环），让式（4）中的z分别等于零，并且弹簧安装高度，弹簧力的作用点分别在顶部和底部的席位可以以下方式获得，如在图6的（a）所示和（b）。目标侧载弹簧的结构设计可以清楚地假定，优化侧载弹簧提供的力与由这两个点确定的倾斜角度D，符合FO时，悬浮液，以维持原弹簧的垂直刚度行进。三、结构设计和验证对于原来的圆筒状的螺旋弹簧，其主要结构参数包括中间直径D，自由长度H0，总线圈数Nt，封闭线圈高度Hc，间距p及线径d等，主要确定弹簧的垂直刚度。至于侧负载设计，另一个重要的参数是弹簧的弹簧力显着影响的偏差中心线的曲率。3.1初始值估计为中心线这是更容易学习和复杂的曲率，延伸到侧载弹簧，弹簧的常曲率中心线是一个简单的类型。假设曲率弹簧中心线是非常小的，在压缩过程中的横向位移的线圈可以被忽略。当弹簧被压缩到其自由高度H0到工作高度H的弹簧上的外侧和内侧，垂直递减，这是在中间的直径，如在图7中所示。图6 弹簧力作用点坐标曲线图7 负载弹簧的结构参数 内的线性域，反正弦侧载弹簧的结构参数。作曲外侧和内侧上的对应的垂直方向的力作为平行部队，总垂直力的大小仍然是作为普通螺旋弹簧，但其作用线转化为一定的位移根据式（6），偏移的位移c是与曲率的中间直径的中心线，弹簧的自由长度及平方成比例，同时不具有相关性导线直径。当曲率为零，翻译的动作线的消失，以及，这符合正常的螺旋弹簧。至于改变曲率侧载弹簧，偏移的底部上的弹簧座的弹簧施加的力是与cl= H tanDand部分表面中的偏移量的高度z处，如果弹簧的作用线通过上座椅的中心。H0时侧向载荷弹簧是免费的。但是，该弹簧力可以抵消在顶端的座表面的位移立方所示，在图6中，因此，新的偏移量。所以按下高度H时的曲率的侧载弹簧。在式（7）中，除了结构参数D，H0和工作的高度H，的力的倾斜角D和偏移顶部座椅可以从模拟中获得的结果如图5所示。然而，分析和计算上述线性假设，并没有计算在的圆周位移和变形的线圈。的影响形成无效的线圈没有考虑过，所以，对精确度是有限的理论计算。因此，式（7）只提供曲率侧载弹簧的初始值和一组有限元模拟和分析可以采用模拟实际的压缩程序和优化的中心线的曲率。3.2有限元模拟与验证按照第3.1节中的讨论，这是显而易见的，从顶部到底部的曲率变化的弹簧力，更多的是倾斜的。此外，中心线曲率的一个更大的值，无论是上的顶部或底部的弹簧座，通常会导致在一个更大的弹簧力的分配点从座椅的几何中心的偏移距离。通过修改中心线的侧向载荷弹簧的功能和结构改变其他参数，一组不同的侧载弹簧的有限元模型，包括刚性弹簧座椅可以采用ANSYS软件，如图8所示。底部的弹簧座被固定而最佳座椅被压缩在一个稳定的速度垂直。在压缩的弹簧力线从仿真结果可以得到如在图9中所示，在其中不同的颜色的线代表的力线在不同的时间，即在不同的压缩高度。它可以被看到，对ZX的力线的突起和XY平面，图9（二），（四），几乎保持垂直和水平和变化很小，而倾斜一个显着的角度yz平面上增加压缩，图9（ C）。压缩到工作高度的线相比，所需的力，以确定线侧载弹簧的变形参数。迭代模拟进行，直到已获得的优化设计。为了节省仿真时间在重复相同的结构与不同的参数，APDL（ANSYS参数化设计语言）开发的一个软件包，建模和仿真任务。图8有限元模型减振器所受纵向分力 Fx 近似为零, 故假设侧载弹簧不需提供纵向力, 弹簧中心线可简化为平面曲线。多次仿真分析的结果证明, 对于侧载变化近似为线性的侧载弹簧采用二次函数 y = a0 + a1x + a2x2 可较好地表示中心线方程。建立的有限元模型图9 弹簧力的作用线分布中国弹簧厂制造的样品的最优设计侧载弹簧中，并示于表1由一弹簧的试验台（ZwickZ050模型）测试。侧向载荷弹簧结构参数。参数值中径(mm)125 自由长度(mm)354总线圈数量6.5有效圈数4.9封闭圈高度(mm)22.4倾斜度(mm)63.1线径(mm)12.4 图10 Spring测试钻机（ZwickZ050l）。图11仿真结果和实验数据之间比较图10与有限元分析的结果在图11中的实验结果进行比较。垂直，纵向和横向刚度特性的有限元分析模型侧向载荷弹簧适合测试数据，验证了有限元模型及仿真结果。图12设计的侧向载荷弹簧的阻尼杆的顶部安装的压力四、模拟与专方，加载弹簧在模态中性文件的形式，在ANSYS有限元分析得到的结果是之前的ADAMS模型，从而多体动力学仿真与设计的侧载弹簧的麦弗逊悬挂系统，可以进行检查的有效性设计的弹簧。虚拟试验场的方法是通过模拟非线性动力汽车乘坐的舒适性事件分析，由Yu等人的建议。 将侧载弹簧有限元模型转换成中性文件导入到 ADAM S中, 建立刚柔耦合的多体系统模型并进行动力学仿真计算, 以检验优化设计的侧载弹簧对悬架系统的作用效果。风门杆的顶部安装上的分力的仿真结果绘制在图12中。与在图4中所示的结果（一）相比，可以看出，优化后的垂直力Fz以及适合原始悬架系统的仿真结果。这意味着在设计侧载弹簧保持了原有的垂直刚度，以确保原来的悬浮液性能特此。此外，将横向力Fy已显著地减少和几乎与整个车轮行程范围内的零值。阻尼杆和内干摩擦阻尼器部件之间的侧磨损得到令人满意的降低，这是显而易见的。五、结论基于详细的多体模型之上，作者为麦弗逊悬架系统进行了优化设计与侧载弹簧，并获得所需的垂直和侧向特性，从而显著降低侧向力，并保持了原系统的性能。模拟与实验的研究结果表明，一个设计适当的侧向载荷弹簧提供了理想的纵向和横向力，没有操作中的纵向力。目前的研究表明，在汽车悬架的结构优化设计中，优化设计的悬架系统，多体动力学仿真与有限元分析相结合，是很有效的方法。这样可以节省时间并降低成本，因为我们保持在组件升级和迭代优化过程中，验证与优化侧载弹簧。此方法也可用于其他复杂的螺旋弹簧悬挂弹簧设计。参考文献 1Gotoh, T. and Imaizumi, T. (2000). Optimization of force ac