麦弗逊悬架系统动力学分析与仿真.pdf

收稿日期: 2007- 07- 16; 修订日期: 2007- 08- 16 作者简介: 张祯云 ( 1967- ), 女, 技工, 二级教师。 第 25卷 第 6期 2007年 12月 江 西 科 学 JI ANGXI SCIENCE Vo.l 25No . 6 Dec . 2007 文章编号: 1001- 3679( 2007) 06- 0751- 04 麦弗逊悬架系统动力学分析与仿真 张 祯 云 (新余钢铁有限责任公司职工大学, 江西 新余 338028) 摘要: 利用 ADAM S/Car整车设计软件包对某典型车型的前悬架系统进行了动力学建模, 对前悬架选取 4种工 况进行动力学仿真, 得出了悬架弹簧反作用力与弹簧位移关系的曲线, 仿真结果与实验结果基本吻合。研究 结果表明: 汽车前悬架仿真是可行而实用的, 可用于指导前悬架设计和参数优化。 关键词: 麦弗逊悬架; 动力学分析; 仿真 中图分类号: U463. 33 文献标识码: A The Dynam ic Analysis and Si mulation ofVehicle Front Suspension Syste m ZHANG Zhen -yun (X ingangWorker College , JiangxiX inyu 338028 PRC) Abstract : Set up the dynam icmodel of front suspension system of som e typical vhicle using the full - vehicle design software package ADAMS/Car , dynam icly si mulated for the suspension under 4 ca - ses, obtained the relationship between the suspension. s spring reaction force and the spring. s dis - placemen, t the result of the si mulation basically accord w ith the experi ment resul. t The investigation indicates that the vehicle. s front suspension result is feasible and applicable , which can be used to guide the front suspension design and parameters opti m ization . Key words :MacPherson suspension , Dynam ic analysis, Si mulation 0 前言 悬架系统是车辆上的一个非常重要的系统, 它是车架与车桥之间连接和传力装置的总称, 包 括弹性元件, 减振器和传力装置等 3部分, 起着缓 冲、 衰减由于路面不平所引起的冲击和振动, 传递 并承受各种力和这些力所形成的力矩等作用 1。 作为车架 (或车身 )与车轴 (或车桥 )之间作连接 的传力构件, 是保证汽车行驶安全的重要部件。 对悬架系统在物理样机制造出来之前先进行动力 学仿真与分析, 大幅度提高了设计质量, 缩短了产 品开发周期, 节省大量开发费用, 同时避免了产品 投放市场初期常常出现的质量问题 1。 车辆悬架系统数值模拟仿真主要有 3个方 向: 基于有限元技术的数值模拟、 基于多体系统动 力学分析的数值模拟仿真和基于有限元技术与动 力学联合仿真的数值模拟仿真 2 , 3。麦弗逊悬架 是一种独立式悬架, 其特点是主销位置和前轮定 位角不随车轮的上下跳动而变化, 有利于汽车的 操纵性和稳定性。麦克弗逊式是绞结式滑柱与下 横臂组成的悬架形式, 减振器可兼做转向主销, 转 向节可以绕着它转动。特点是主销位置和前轮定 位角随车轮的上下跳动而变化。这种悬架构造简 单, 布置紧凑, 前轮定位变化小, 具有良好的行驶 稳定性。 作者根据需要, 对某车型前麦弗逊悬架系统 进行了动力学建模和仿真, 对悬架弹簧的受力与 位移关系进行了分析, 对比实验数据基本符合, 可 以采用该弹簧的受力数据进一步做有限元分析, 并可用于汽车前悬架设计和参数优化。 1 麦弗逊前悬架系统动力学模型 麦弗逊悬架一般用于轿车前轮。麦弗逊悬架 的主要结构是由螺旋弹簧加上减震器组成。减震 器可以避免弹簧受力时向左、 右、 前、 后偏移的现 象限制弹簧只能作上下方向的振动, 并可以用减 震器的行程及松紧, 来设定悬架的软硬及性能。 麦弗逊悬架系统与其它悬架系统相比, 具有结构 简单、 紧凑, 占用空间少, 性能优越等优点。该悬 架还有较为合理的运动特性, 能够保证整车性能 要求。因此麦弗逊悬架在前置驱动的轿车和微型 汽车上有着广泛的应用, 被誉为经典的设计。该 悬架系统的一大特点是: 为了保证系统合理地受 力, 延长减震器的寿命并满足使用性能要求, 在布 置上采用主销中心线, 减震器中心线以及弹簧中 心线不共线的形式。这一布置形式决定了其运动 规律与其它的悬架系统的不同。在其它悬架系统 结构中, 对应于不同的车轮跳动位置, 各点至主销 中心的距离不变, 而在三线不共线的麦弗逊悬架 系统中, 对应于不同的车轮跳动位置, 各点至主销 中心线的距离是变化的 4。 对悬架系统进行动力学分析, 需要首先将其 转化成动力学模型。ADAMS/Car软件包提供了 该功能。ADAMS/Car是 MDI公司 ( Mechanical Dyna m ics Inc . )与 Audi 、 BMW、 Renault和 Volvo等 公司合作开发的整车设计软件包, 能够快速建造 高精度的整车虚拟样机。其中包括车身、 悬架、 传 动系统、 发动机、 转向机构、 制动系统等; 求解方法 是采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程 方法。ADAMS/Car中包括整车动力学模块 ( Ve - hicle Dynam ics) 和悬架设计模块 ( Suspension De - sign) 5。 根据设计提出的麦弗逊悬架建立的 3D模型 如图 1所示, 其中安装于减震器上的弹簧未标出。 通过各个零件之间的约束关系, 可以计算麦弗逊 悬架的自由度数为 3 , 即车轮绕着车轴的转动、 车 轮绕主销的转动和车轮的上下跳动。 图 1 麦弗逊悬架 3D模型 由于麦弗逊前悬架系统结构呈对称式, 故取 其左半结构, 根据图 1可以简化得到图 2所示 ADAMS/CAR环境下的动力学模型。 图 2 ADAMS/Car中建立的前麦弗逊悬架模型 为了能够在 ADAMS /Car中进行运动仿真, 作者调用了 ADAMS/Car软件包中转向子系统模 板文件 MDI_ FRONT_ STEERI NG.sub , 并将其与 前悬架系统进行装配, 构成动力学仿真模型 6。 图 3为修改硬点坐标后的麦弗逊前悬架系统动力 学仿真模型。 图 3 麦弗逊前悬架系统动力学仿真模型 #752#江 西 科 学2007年第 25卷 2 基于 ADAMS /Car的前悬架系统 动特性仿真分析 进行悬架系统动力学仿真, 需要首先设置悬 架系统及整车的相关参数等。参数设定后, 即可 调用具体的分析工况进行仿真。对于悬架系统而 言, 其典型的分析工况 7有: ( 1)两侧车轮同向跳 动 ( ParallelWheelTravel); ( 2)两侧车轮反向跳动 ( Opposite Wheel Travel); ( 3) 单轮跳动 ( Single W heelTravel); ( 4)转向 ( Steering); ( 5)静载 ( Sta- t ic Load);( 6 ) 侧 倾 和 垂 向 力 ( Rol ( 7)车轮包络文件 (W heel Envelop File)。 根据需要, 作者选用了两侧车轮同向跳动 ( ParallelW heel Travel)、 两侧车轮反向跳动 ( Op - posite W heel T ravel)、 单 轮 跳动 ( Single Wheel Travel)及侧倾和垂向力 ( Rol 而/单轮跳动 0工况下, 右弹簧反作用力与 位移关系依旧退化成横坐标上的一点。 图 4 两侧车轮同向跳动工况, 左右弹簧反作用力 与位移关系 图 5 两侧车轮反向跳动工况, 左右弹簧反作用力 与位移关系 图 6 单轮跳动工况, 左右弹簧反作用力与位移关系 图 7 侧倾和垂向力工况, 左右弹簧反作用力与 位移关系 根据以上分析, 选取左弹簧, 在 MATLAB中 分别将 4种工况下左弹簧的反作用力与位移的关 系曲线图 (即图 8)中仿真数据与实验所测左弹簧 #753#第 6期 张祯云: 麦弗逊悬架系统动力学分析与仿真 图 8 四种工况下左弹簧的反作用力与位移的关系 图 9 四种工况下右弹簧的反作用力与位移的关系 反作用力与位移关系曲线数据进行拟合, 加以比 较对照, 以检验仿真精度, 如图 10所示。实验中 是通过对前悬架螺旋弹簧以一定频率的正弦信号 加载, 并逐渐加大载荷压缩弹簧, 利用振动台的数 据采集系统得到力随位移变化的关系。由图 10 可知, 仿真曲线中弹簧的受力状况与实验中所测 图 10 仿真曲线数据与实验曲线数据在 MATLAB 中拟合对照图 数据基本相一致, 所以该前悬架仿真是可行的, 实 用的, 可用于指导前悬架设计和参数优化, 还可用 做弹簧的疲劳寿命数值分析的参数准备。其中, data1为实验数据采集点坐标标记; data2为仿真 数据采集点坐标标记; data3为实验数据拟合曲 线; data4为仿真数据拟合曲线。 3 结论 从上述的仿真对比分析可以得出: ( 1) 4种工 况曲线重合, 所以选择何种工况进行仿真分析并 不影响结论; ( 2)在 Ada m s/Car环境下, 模拟悬架 弹簧受力与位移的关系具有较高的精度, 模拟结 果可以作为悬架弹簧的疲劳寿命数值分析的参数 准备。 总之, ADAMS/ Car作为专门应用于汽车悬 架系统及整车的动力学分析的模块, 能够方便快 捷的建立虚拟样机, 来确定指导建立物理样机的 研制方案; 其功能强大的的后处理能够提供各类 所需的曲线, 可以用来指导前悬架设计和参数优 化。 参考文献: 1 钟万勰, 陆仲绩. 加强以装备制造业发展需求为导 向的自主 CAE软件产业建设 J. 计算机应用与软 件, 2006 , 23( 9): 1- 2. 2封 飚. 汽车动力学特性仿真分析与 ADAM S软件 J. 城市车辆, 2001, ( 3): 13- 15. 3侯红玲, 赵永强, 魏伟锋. 基于 ADAM S和 ANSYS的 动力学仿真分析 J. 现代机械, 2005 , ( 4): 6