（光学工程专业论文）麦弗逊式前悬架下摆臂结构cae分析.pdf

摘要 本课题以夏利轿车麦弗逊式前悬架下摆臂为主要研究对象，以c a e 分析为主要内容，研究 了夏利轿车改装成电动汽车前、后下摆臂内部的应力分布情况，并在此基础上对卜摆臂的结构 进行了优化设计。 本课题首先对麦弗逊式前悬架下摆臂的结构进行了分析研究根据经验公式计算得到在各种 典型行驶工况中，下摆臂的最大受力工况以及该工况下受到的最大载荷。使用a m e s i m 软件仿真 了下摆臂在最大受力工况下，前悬架的运动情况，计算得到下摆臂的实际最大受力，并与经验公 式计算得到的结果进行了对比分析。 本课题应用a n s y s 软件对下摆臂进行了有限元分析和优化。详细介绍了在a n s y s 软件中， 通过自由网格剖分和混合网格剖分对下摆臂三维模型进行网格剖分的方法，并对网格剖分后的模 型进行了力学分析。最后判读和评定原型车与电动车下摆臂的应力、应变分布和变化情况，对下 摆臂的结构进行了拓扑优化分析，使下摆臂在满足结构强度和刚度的同时，达到轻量化设计的要 求。 关键词：麦弗逊式前悬架，下摆臂，网格剖分，结构分析，拓扑优化 a b s t r a e t w i t hd r a f t1 i n ko fm a c p h e r s o nf r o n ts u s p e n s i o no fx i a l ia u t o m o b i l ea sr e s e a r c ho b j e c ta n dc a e a n a l y s i sa sm a i nc o n t e n t ，w ed i dr e s e a r c ho nt h ei n t e r n a ls l r e s sd i s t r i b u t i o no f d r a f tl i n kb e f o r ea n d a f t e r x i a l ia u t o m o b i l er e t i r e di n t o e l e c t r i cv e h i c l e a n do p t i m i z e dt h es 自m c t u r eo fd r a f tl i n kb a s e do nt h e s t r e s sd i s t r i b u t i o n f i r s t l y , i nt h i sr e s e a r e h ，t h es t r u c t u r eo f t h ed r a f tl i n ko f m a c p h e r s o nf r o n ts u s p e n s i o nw a sa n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h ee m p i r i c a lf o r m u l a e ，w ec a l c u l a t e dt h em a x i m u mc a r r y i n gl o a d su n d e rv a r i o u st y p i c a l w o r k i n gc o n d i t i o n s a n dc o n f i n e dt h em a x i m u mo f1 0 a dc o n d i t i o no ft h ed r a f tl i n k t h er u n n i n g s t a t e o ft h ef r o n ts u s p e n s i o nu n d e rt h em a x i m u mc a r r 蜘gl o a dc o n d i t i o n sw a gs i m u l a t e db ya m e s 诚 s o f t w a r et oo b t a i nt h em a x i m u mc a r r y i n g1 e n do ft h ed r a f tl i n k ，a n dt h e nt h eo b t a i n e dr e s u l t sw e r e c o m p a r e dw i i l lt h er e s u l t so b t a i n e db ye m p i r i c a lf o r m u l a e t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h ed r a f tl i n kw a sc o n s 咖c t e da n do p t i m i z e db ya n s y ss o f t w a r e a d e t a i l e di n t r o d u c t i o nw a sg i v e nt ot h em e s hm e t h o do ft h et h r e ed i n a e n s i o no ft h ed r a f tl i n k w h i c hw a s m e s h e db yf r e em e s ha n dm i x e dm e s hi na n s y ss o f t w a r o ，a n dt h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h em e s h e d m o d e lw a sp e r f o r m e d f i n a l bt h ed i s t r i b u t i o n sa n dc h a n g e so ft h es t r e s sa n ds t r , a i no ft h ed r a f tl i n ko f t h ep r o t o t y p ev e h i c l ea n de l e c t r i cv e h i c l ew e 】t ea n a l y z e da n da s s e s s e d ；t h et o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o no f t h ed r a f tl i n kw a sa n a l y z e dt or e a c ht h er e q u i r e m e n to fl i g h tw e i # td e s i g nw h i l et h ed r a f tl i n kc o u l d m e c ft h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s s k e yw o r d s ： m a c p h e r s o nf r o n ts u s p e n s i o n ，d r a f tl i n k ，m e s h ，s t r u c t u r a la n a l y s i s ，t o p o l o g i c a l o p t i m i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：1 畴呜 时间：沙7 年占月f 口日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名：泼 时间：2 7 年月( 9 日 时间：脚年g 月口日 舀寻 ，垃 畴 江 1 中国农业大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 本课题的研究意义 第1 章绪论 悬架是车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间的一切传力连接装置的总称它的功用是把路 面作用于车轮上的垂直反力( 支承力) 、纵向反力( 牵引力和制动力) 和侧向反力以及这些反力所形成 的力矩传递到车架( 或承载式车身) 上，以保证汽车的正常行驶【l 】对悬架进行c a e 分析，不仅可 以得到在各种典型行驶工况下其结构中的应力分布规律和变形情况，找出结构中应力值较大的关 键点，检验结构强度，还能进一步揭示各种载荷( 垂直力，纵向力，制动力和侧向力) 对悬架应力 分布的影响，为疲劳强度分析，结构改进、确定应力测量时应变片的布置和合理进行疲劳试验提 供参考数据。 在激烈的市场竞争压力下，产品的生命周期越来越短，产品从概念设计到出成品的时间也相 应缩短，设计后期发现的任何设计缺陷都有可能推迟新产品的适时推出，并可能大幅度提高产品 的成本，因此越来越多的企业已经意识到在设计前期发现并修改设计缺陷的重要性 采用c a e 技术可以尽早发现设计缺陷，及时修正错误，在产品制造前期以最低的成本达到 最优的设计目标图l - l 为采用c a e 技术的设计制造流程 图i - i 采用c a e 技术的设计制造漉程田 c a e 技术的价值就在于可以在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的计算机分析 模型，对所设计的产品进行强度、寿命分析，运动学，动力学仿真，以得到所设计产品的各种性 能，从而指导产品设计，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期如在汽车产品的设计中 采用c a e 技术，在汽车结构设计的同时，进行静态、动态分析，在设计阶段即可发现设计中存 在的缺陷、错误，及时地加以改进，这样将极大地减少样车的制作和试验时间 1 2 国内外c a e 分析的研究概况 c a e ( c o m p u t e fa i d e de 嘻n f j n g ) 计算机辅助工程是一种迅速发展起来的信息技术，是实现 重大工程和工业产品的建模、计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持工程科学家进 行创新研究和工程师进行创新设计最重要的工具和手段【，1 而c a e 软件则是迅速发展中的计算力 学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合而形成的一种综合 性、知识密集型的信息产品【4 1 中国农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 从应用数学的角度考虑，有限元法基本思想的起源可以追溯到美国著名数学家r c c m r a n t 在 1 9 4 3 年的工作。他首先尝试应用在一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小位能原理相结 合的方法，来求解s t v e n m t 扭转问题 s i 此后，不少应用数学家、物理学家和工程师分别从不同 角度对有限元的离散理论、方法及应用进行了研究t u n e r 、c l o u g h ，m a r l i n 、t o p p 于1 9 5 6 年发 表了一篇文章，提出了数值分析的广义定义有限元法的实际应用是随着电子计算机的出现而开 始的。首先是t u n e r 、c l o u g h 等人于1 9 5 6 年将钢架分析中的位移法推广到弹性力学平面问题，并 用于飞机结构的分析。他们首次给出了用三角单元求解平面应力问题的正确答案三角形单元的 特性矩阵和结构的求解方程是由弹性理论的方程通过直接刚度法确定的他们的研究工作开辟了 利用计算机求解复杂弹性力学问题的新阶段1 9 6 0 年c l o u g h 进一步求解了平面弹性问题，并第 一次提出了。有限元法”的名称，使人们更清楚地认识到有限单元法的特性和功能 在2 0 世纪7 0 年代前期，有限元分析一般仅局限在拥有昂贵的大型计算机的航空、汽车、国 防、核工业等领域，而且分析的范围非常有限到了7 0 年代。z e i n l d e w i c z 和c h e u n g 等人进一步 扩展了有限元技术他们通过用拉普拉斯方程来完成对一般问题的描述数学家们正努力开发出 更好的求解算法一维线性元和p a y l e i g h - l u t z 法的出现优化了特定类别的常规类问题的求解在 非线性问题的求解和模拟研究方面，h i n t o n 和c r i s f i e l d 成为主要的贡献者” 实用的c a e 软件诞生于上世纪7 0 年代初期，7 0 8 0 年代是c a e 技术蓬勃发展的时期，其 功能和算法也得到了进一步扩充和完善，到上世纪年代中期，逐步形成了商品化的通用和专 用c a e 软件，到8 0 年代后期国际上已经有n a s t r a n ，a n s y s ，a b a q u s 。d y n 3 d ，m a r c , a s k a ，m o d u l e f ，f a s t r a n 等十多种知名的有限元分析软件，而国内也拥有i i f e x ，f e m ， f e p s 等c a b 软件上世纪9 0 年代是c a e 技术的成熟壮大时期而最近1 5 年c a e 的发展。不 仅扩充了软件的功能，性能，更重要的是扩充了用户界面，前后处理能力，对数据管理和图形部 分，进行了重大的改造，新增的软件大都采用了面向对象的软件技术和o h 语言 c a e 技术在汽车产品开发中的应用非常广泛如采用有限法f e m 计算机械零件的应力和变 形、进行强度和刚度分析；采用有限元法进行汽车碰撞分析；采用有限元法和边界方法0 3 e m ) 分 析汽车的噪声等可以说，c a e 在汽车产品开发过程中已处于无可替代的地位，c a e 技术水平 的提高对增强我国汽车工业的竞争能力，发展国民经济发挥着重要作用 1 车身覆盖件成形过程的计算机仿真 车身覆盖件尺寸较大，形状复杂，多为空间自由曲面，其成形过程涉及几何非线性，材料非 线性和复杂的接触与摩擦等问题1 7 】在传统的冲压生产过程中，无论是覆盖件模具的设计、制造， 还是坯料形状和尺寸的确定，冲压工序，工艺参数的规划。都要设计制造原塑，经过多次试生产 和多次调试后才能确定，这是一个试错逼近的过程，造成人力，物力和财力的大量消耗。生产成 本高，周期长嘲 1 9 6 5 年，当时担任美国通用汽车公司商业顾问的哈佛大学教授b b u d i a m k y 提出一种设想“制 造工程师在不经过试生产的条件下，能够根据所设计的模具和工艺，预见所选板材在冲压后的成 形情况，这将大大降低生产成本，缩短生产周期，赢得市场竞争”即几年之后，他所设想的这 项技术的轮廓日渐清晰，这就是建立在塑性成形理论和当时刚刚诞生不久的有限元分析技术和开 始蓬勃发展的计算机技术基础上的薄板成形过程的数值仿真技术 2 汽车碰撞安全性分析 - 2 - 中国农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 由于汽车碰撞涉及大位移、大转动、大应变及未知接触界面等问题，在1 9 8 5 年以前，出于 理论水平的无奈，对它的研究几乎都靠实验室的手段来实现。在1 9 8 5 年以后，b a f f l e ，h a l l q u i s t t ”、 s i m o 、h u g h e s t l ”，b e l y t s c h k o 、f l a n a g a n t l 2 1 ，b e n s o n 及钟志华教授【1 3 】等一大批杰出科学家的长期 努力与创造性研究成果。汽车碰撞c a e 技术”日益成熟。人们才能完全从理论上开展汽车 碰撞安全性研究，从而开创了汽车碰撞安全性研究的新纪元1 9 9 2 年，清华大学拥有了初步的试 验研究能力随后，中国汽车技术研究中心在青年学者朱西产教授的努力下，后来居上，建立了 一套国内最完备的汽车碰撞试验装置同时，湖南大学等单位也相继建立了颇具特色的汽车碰撞 试验系统然而，由于汽车碰撞c a e 技术的发展需要更加深厚的理论基础，我国的汽车碰撞c a e 技术直到最近才取得实质性进展，需特别指出的是，湖南大学钟志华教授不仅以其创立的防御节 点法、“级域”法及交叉降阶积分法【1 4 1 而享誉世界，为汽车碰撞c a e 技术的发展奠定了新基础， 而且，在他的直接推动下，我国才拥有了具有自主知识产权的成套的汽车碰撞c a e 技术，其主 要成果包括国内自主开发的汽车碰撞仿真软件及获教育部科技进步一等奖的成果一汽车碰撞 安全性设计与改进理论、方法及关键技术 实际上，汽车覆盖件冲压成形c a e 技术与汽车碰撞c a e 技术是同宗共源的“习也是在1 9 8 5 年以后，人们才能完全从理论上实现对汽车覆盖件冲压成形过程的分析同样，我国在汽车覆盖 件冲压成形c a e 技术方而也取得了大量成果，其中最突出的代表人物仍然当数钟志华教授i 在他的直接参与和带领下，课题组成员经过近4 年的潜心研究和联合攻关取得了一系列研究成果， 其中的“薄板冲压工艺与模具设计理论、计算方法和关键技术及在车身制造中的应用0 还获得了 国家科技进步一等奖此外，吉林大学的胡平教授也在这一领域取得了很大成绩，他们依靠自己 的力量，独立开发出了集成化的覆盖件弹塑性变形有限元仿真与模具设计c a e 软件系统，并与 已有的c a d 和c a m 软件相互集成，基本实现了从模具设计曲面造型到成形性分析，直至模具 n c 加工轨迹形成的一体化耳前，该系统可以模拟各种冲压件的成形过程以及卸载回弹和切边 回弹而长沙交通学院教授雷正保主持完成的湖南省中青年基金项目及上汽通用五菱汽车股份有 限公司攻关项目呼( 车覆盖件冲压成形c a d c a e c a m 一体化技术及应用研究”，则立足重大工 程应用，解决了汽车覆盖件冲压成形c a e 技术在重大工程应用中存在的1 2 个技术难题，取得了 6 项新的突破【”该成果应用在上汽通用五菱汽车股份有限公司，解决了该公司新产品n l 的覆 盖件模具设计与工艺分析问题，改变了企业向国际公开招标的计划 3 整车系统性能仿真 由于汽车是由轮胎、悬架、车架、车身等零部件组成的复杂系统。且其工作中要承受一定的 载荷，以一定的速度、加速度在各种道路上直线或曲线运动因此。要全面，准确地进行汽车整 车性能的计算机仿真非常困难 近年来美国工程技术合作公司( e t a 公司) 在a n s y s ，i 如n 软件平台上二次开发推出的虚 拟试验场技术( v i r i u a lp r o v i n gg r o u n d ，简称v p g 技术) ，是c a e 技术在汽车领域中的 新发展，它是对整车性能全面仿真实用软件的代表i “ v p g 以整车为分析对象，考虑系统各类非线性特性，以标准路面和车速为负荷，对整车系统 同时进行结构疲劳、全频率振动噪声分析、数据处理和碰撞历程仿真v p g 有完善的数据库，向 用户提供全面的悬挂系统模型，轮胎模型、标准的道路条件和碰撞条件等，这使得分析模型更加 方便，分析条件更加标准化。v p g 技术能够使产品开发期的仿真汽车样车在标准道路上实验，得 3 - 中国农业大学硕士学位论文第l 章绪论 到样车道路实验结果的。整车性能预测”效果，从而节省研制费用，减少投资风险，缩短产品开 发时问，在开发成本方面取得极大的经济效型” 4 汽车结构优化设计 结构优化设计的基本思想是，在满足结构正常工作要求的前提下，设计质量最轻( 或造价最低) 的结构，即以最小的代价，获取最大的利益。 近年来由于计算机技术的发展，有限元法的逐步成熟以及数学规划研究的进展，结构优化设 计逐步发展起来，并开始应用于实际工程结构设计中自2 0 世纪7 0 年代以来，结构优化设计得 到了巨大的发展，并在实际工程结构设计中发挥出日益巨大的作用和效益 2 0 i 将结构优化设计方法应用于汽车结构设计，满足轻量化的设计要求，对于提高汽车的动力性， 燃油经济性以及降低汽车的生产成本都具有重要的意义 5 汽车结构强度分析 汽车结构强度是保证汽车安全性、可靠性的重要指标，因此汽车结构强度分析也是a 嗵技 术在汽车工程中应用最广泛的方面 汽车结构强度分析一般都是应用有限元法对汽车的结构进行数值计算由于汽车是一个非常 复杂的结构，大多数的分析计算都是针对汽车的某些重要的部件或总成( 例如车架、悬架、传动系 等俨” 在国内，由于有限元的算法十分繁琐。并且悬架的结构也很复杂，所以在没有相关软件的帮 助下，很少有人涉及悬架结构的有限元分析1 9 9 3 年，同济大学的傅耀民用有限元方法建立了复 合式悬架车桥的计算模型，经试验验证后。用于车桥横梁的应力分析他通过大量计算，对应于 几种主要的载荷工况，得到了车桥横梁的应力分布规律，并归纳了横梁的强度控制工况和截面1 2 2 1 1 9 9 4 年，华南理工大学的黄向东采用有限元模型模拟分析汽车悬架系统的新方法，探讨了悬架有 限元建模过程中的一些特殊问题及其处理技术，通过模拟实验结果对照论述了悬架有限元模型的 分析精度和可靠性，并通过对应用实例的讨论展示了这种方法的优越性和在汽车c a d 等方面的 应用潜力但这些研究并没有借助于c a e 软件t 2 3 1 吉林工业大学的初亮、高义民、王志浩、白 雪等人应用空间机构运动学对滑柱摆臂式悬架进行空间运动计算，在此基础上对转向梯形断开点 位置的确定进行详细分析计算，编制了确定断开点位置的通用优化计算程序比传统的平面作图 法和平面解析法考虑了更多的因素，计算结果更符合实际情况，同时也为滑柱摆臂式悬架转向梯 形设计提供了精确实用的方法刚 随着c a e 软件的广泛应用，1 9 9 8 年，朱文学等人首先采用大型结构有限元分析软件a l c , - o r f e a s 系统，对桑塔纳2 0 0 0 型轿车的前悬架结构进行了较完整的静态和动态强度分析，获得了在 各种典型工况下的结构强度分布规律及动态特性，从而对所研究的前悬架提出了改进措施，为整 车分析和自行设计前悬架以及对复杂结构进行有限元分析提供了必要的参数和依据瞄】2 0 世纪 末，虽然国内业界已经有应用c a e 技术于钢板弹簧分析的内部报告 2 e l 。但工作中没有分析装配 过程的预应力或因为应用显式软件而降低了应力分析精度2 0 0 2 年，谷安涛使用c a e 技术对某 货车后悬架的钢板弹簧进行精确设计他精确计算了在不同的单片自由曲率和形状条件下，组装 后各片预应力响应和各叶片间的接触状态，接触压力以及钢板弹簧总成在大变形工作时应力响 应、叶片问接触状态及接触压力和刚度，从而实现了钢板弹簧精确设计1 2 7 1 2 0 0 5 年郑银环，张 仲甫应用a n s y s 参数化建立了变截面钢板弹簧的有限元模型，对单片弹簧进行优化设计，并分 中国农业大学硕士学位论文第l 章绪论 析其刚度和强度情况【瑚 从国内外学者对悬架结构强度的c a e 分析来看，他们大多是对钢板弹簧做结构强度的分析， 而由于麦弗逊悬架的结构复杂，对它做结构强度分析及优化设计的较少 1 3 有限单元法简介 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是2 0 世纪5 0 年 代首先在连续力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后 很快就广泛地用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题 比如用有限单元法对长圆柱体进行的变形和应力分析，采用八节点四边开等参数单元把长圆 柱划分成网格，这些网格称为单元网格间相互连接的交点称为节点。网格与网格的交界线成为 边界显然，节点数是有限的，单元数目也是有限的，所以称为。有限单元”这就是。有限元” 一词的由来 有限单元法分析计算的思路和做法可归纳如下： 1 物体离散化 将某个工程结构离散为由各种连接单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分离散后单元 与单元之间利用单元的节点相互连接起来单元节点的设置，性质、数目等应视问题的性质而定， 描述变形形态要根据需要和计算精度而定f 一般情况，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越 接近实际变形，但计算量越大) 所以有限元法中分析的结构己不是原有的物体或结构物，而是同 样的材料由众多单元以一定方式连接成的离散物体这样，用有限元分析计算所获得的结果只是 近似的如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况符合 2 单元特性分析 ( 1 ) 选择未知量模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量 时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法位移法易于实现 计算自动化，所以在有限单元法中应用范围最广 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位移，应变和应 力等用节点位移表示这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描 述通常，有限元法中将位移表示为坐标变量的简单函数，这种函数成为位移模式或位移函数， 如y ；q 仍，其中q 是待定系数，仍是与坐标有关的某种函数 j ( 2 ) 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质，形状，尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位 移的关系式，这是单元分析中的关键一步此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建 立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一 ( 3 ) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元但是，对于实际的连续体， 力是从单元的公共边界传递到另一个单元去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力 - 5 - 中国农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力 3 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限 元方程 绚- _ f 式中置整体结构的刚度矩阵； 口节点位移列阵； ，载荷列阵 4 求解未知节点位移 求解有限元方程式得出位移这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法 通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是。一分一合。，分是为了进行单元分析， 合则是为了对整体结构进行综合分析 1 4 本课题研究解决的问题 本课题研究的对象是夏利t 1 7 1 0 0 轿车和改装后的电动车由于电动车底盘的重新布置引起 整车质量、质心位置等参数的改变，因此应对麦弗逊式前悬架的结构进行c a e 分析和结构优化 设计，以保证改装后悬架结构在工作载荷作用下安全，可靠 针对以上情况，本课题将主要开展以下三方面的研究工作： 1 麦弗逊式前悬架下摆臂受力的计算计算改装前后车轮在不同工况下受到的地面法向反作 用力，并实际测量前悬架的定点位置与结构形状尺寸，遥过作图法求解下摆臂所受的最大载荷 使用a m e s i m 软件仿真前悬架在下摆臂最大受力工况下的运动情况，得到下摆臂受力的曲线图， 求得下摆臂受力的最大值 2 下摆臂的c a d 建模及c a e 分析根据原型车前悬架的结构设计图纸，使用u g 软件建立 前悬架主要受力零件下摆臂的三维模型，并输入模型数据将下摆臂的u g 模型导入a n s y s 软 件中，分别计算电动车与原型车下摆臂所受到的应力与应变 3 结果评定及优化设计判读和评定分析结果，对比加载前后下摆臂应力的大小，分析判断 原车悬架结构能否满足改装的需求，并提出结构的优化设计，确定满足刚度要求的下摆臂形状及 结构尺寸 中国农业大学硕士学位论文 第2 章麦麦弗逊式前悬架受力分析 第2 章麦弗逊式前悬架受力分析 2 i 夏利汽车基本参数 2 1 1 夏利汽车前悬架 夏利t j 7 l 轿车前悬架为麦弗逊式独立悬架，由下摆臂、螺旋弹簧、减振器、横向稳定杆 等构成，如图2 - 1 所示筒式减振器2 的上端通过前悬架橡胶支座支承在车身上，而其下端固定 在转向节3 上，转向节用球铰链与下摆臂4 连接车轮所受到的大部分侧向力由转向节通过下摆 臂传给车身，其余传给减振器由于横向稳定杆5 两端与下摆臂连接，其兼起纵向推力杆的作用 嘲。 3 圈2 1t j 7 1 麦弗逊式独立悬榘 1 螺旋弹簧2 筲式藏振嚣3 转向节4 下摆臂5 横向稳定杆矗稳定杆支架 7 j 向拉杆8 蠕旋弹簧缓冲限位块9 橡胶支座 t j 7 1 0 0 改装成电动车以后，整车及前悬架主要参数如表2 - l 所示 - 7 中国农业大学硕士学位论文 第2 章麦麦弗逊式前悬架受力分析 衰2 - 1 改装成电动车后整车参数及前悬架主要参数 参数名称 内容 整车整各质量 前轴载荷 前轴非簧载质量 轮胎型号 车轮外倾角 前悬架型式 1 1 7 0 i 唔 6 5 0 坶 1 1 6 4 k g 1 6 5 ，7 0 r 1 38 3 t o a 2 0 ， 麦弗逊式独立悬架 2 1 2 前悬架的力学模型 根据麦弗逊式前悬架的结构位置关系及车轮受到的地面作用力可建立前悬架的力学模型，从 而得到下摆臂受到的作用力大小及方向但在进行麦弗逊式前悬架的受力分析时，存在以下四个 方面的问题： ( 1 ) 由于悬架工作时特有的大位移、大转角和大变形。须考虑系统的几何非线性； ( 2 ) 悬架结构中有一些线性或非线性的弹性元件，如含橡胶的铰链及缓冲垫块等，使模型 中不宜采用简化的理想内外约束； ( 3 ) 在某些悬架中出现接触滑动的运动导向机构，需要用较复杂的非线性接触( 间隙) 单元来 正确模拟； ( 4 ) 在某些悬架中出现具有分布弹性和承受大变形的功能薄壁构件，需要考虑其蠕变效应， 也使建模工作复杂化 以上四方面的问题使得下摆臂的受力分析非常复杂，因此本文对麦弗逊式前悬架模型作了以 下简化 ( 1 ) 在进行前悬架受力分析时，车轮、转向节、减振器套筒、活塞和下摆臂形成一个整体， 点a 固定在挡泥板处，下摆臂固定于车身点b 处，如图2 - 2 所示； 图2 - 2 麦弗逊式莆悬架简化模型示意图 ( 2 ) 假定在起步加速和制动时，下摆臂及其与转向节有旋转副连接的球铰所受到的纵向力 作用在球铰上； ( 3 ) 假定在各种行驶工况下左右车轮同向等幅跳动，因此横向稳定杆不起作用，而由于横 向稳定杆不向下摆臂施力，则可将下摆臂视为二力杆； ( 4 ) 假定下摆臂衬套为刚性体 2 2 不同工况下电动车前悬架下摆臂受力分析 2 2 1 水平良好路面持续载荷下前悬架下摆臂受力分析 前悬架受力如图2 - 3 所示 9 中国农业大学硕士学位论文第2 章麦麦弗逊式前悬架受力分析 田2 - 3 水平良好路面持续载荷下前悬榘下摆臂受力模型及作圈法确定量菜上产生的力 汽车在水平良好路面上行驶，下摆臂受到持续作用载荷此时根据车轮垂直方向载荷：和 侧向力s ，得到合力r ，计算下摆臂承受载荷： 职= 毛肌一玑2 ；墨= ，； ：匀速水平路面工况下车轮垂直方向载荷； 毛水平良好路面工况下的车轮动载系数； ：前轮载荷( 等于前轴允许载荷之半的法向力) ； c 厂- 前轴非簧载质量； 墨水平良好路面工况下的侧向力； 。水平良好路面工况下的侧向力系数 本课题研究对象的轮胎的型号为1 6 5 h 0 - r 1 38 3 t ，其基本参数如表2 - 2 所示 表2 - 2 轮胎基本参数 参数名称内容 轮胎外径( ) 扁平率( ) 轮胎类型 轮辋直径( 缸) 胎压( ”a ) 最大载荷( k g ) 1 6 5 7 0 子午线胎 1 3 1 9 0 4 8 5 根据图2 4 可以得到轮胎的刚度为q = 1 6 怂r c 掰。 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第2 章麦麦弗逊式前悬架受力分析 静刚度( k n m ) 1 5 0 1 0 0 0 5 0 1 0 01 5 0 2 0 0 充气压力k p a 田2 - 41 6 5 x1 3 型子午线汽车轮胎静尉度与充气压力的关系嗍 考虑到车轮允许载荷t = 6 5 0 x 9 8 2 = 3 2 k n ，所以c l r = i 6 3 2 = 0 5 c m 一由图2 - 5 的曲线可得动载系数毛= 1 5 ，七2z 2 5 其中车轮动载荷系数毛、乞取决于车轮载荷和轮胎刚 度c l f 童4 童口 2 占 2 2 l ，8 1 4 1 o 一 ，一 一 二，一 ，一一一 ，一一 ，一 已一一 ，一 i _ ，一 j o 一一 ，一 一 o 0 口2e 4o 6o 8l ，0c i f 强vc f 图2 - 5 耐久性( 水平良好路面) 和强度( 坑洼不平路面) 计算时使用的车轮动载系数 侧向力系数踟和z ，2 大小仅与车轮载荷虬有关在本论文中，m = 3 2 k n ，则 如= o 3 2 ，所2 = o 8 4 口” 耻 1 8 吐寸 扭疗 髓4 厦? n 护 i h 序 、 、 f f 0 占t 01 52 0 笏3 0 盯n vk n 图2 _ 6 进行耐久性( 水平良好路面) 和强度( 坑洼不平路面) 计算时使用的侧向力系数，l 和，f ，2 中国农业大学硕士学位论文第2 章麦麦弗逊式前悬架受力分析 如图2 - 3 所示，这个整体模型受到三个作用力分别是：轮胎与地面接触，接触面的反作用力； 减振器上端点a 与车身挡泥板处连接，车身的反作用力瓦；下摆臂点b 与车身相连，车身的反 作用力，j 根据三力汇交原理，已知r 的大小和方向与尼的方向就可以通过绘制力的三角形 而得到r 的大小 3 2 1 ：= 毛m 一玑2 = 1 5 x 3 2 - 0 1 6 4 x 9 8 2 ) 1 0 0 0 = 4 2 3 埘 s = ，i m = 0 3 2 3 2 = 1 0 2 4 k n r ：厮= 4 4 2 3 2 + 1 0 2 4 2 = 4 3 5 k n 兄= 置2 1 7 6 1 x 1 5 = 4 3 5 2 1 7 6 1 x 1 5 = 2 9 9 8 k n ( 压力) 2 2 2 不平路面工况下前悬架下摆臂受力分析 由于路面不平整，汽车行驶时会受到较大的侧向力，因此在计算地面侧向力时应使用 是= ，f ，2 肌代替焉= ，i 以其他力学条件都与汽车在水平良好路面上行驶时的条件相同，此 时悬架处于正常中间位置，如图2 - 3 所示，通过作图法得到晶与r i 的力的比例为2 1 - 2 0 v ：, i = 毛m v , 2 = 1 5 x 3 2 一( 1 1 6 4 x 9 8 1 2 ) 1 0 0 0 = 4 2 3 k n 是= 脚2 m = 0 8 4 3 2 = 2 6 9 k n = 扛：丽；x 4 2 3 2 + 2 6 9 2 ；5 0 1 k n 晶= 如2 0 x 2 1 = 5 0 1 2 0 x 2 1 = 5 2 6 k n ( 压力) 2 2 3 过障碍路面工况前悬架下摆臂受力分析 在计算过障碍路面时，应按规定的减振器活塞的行程长度将悬架移到上极限位置来研究车 轮，如图2 - 3 所示在此行驶工况下，车轮与地面接触产生侧向力的侧向力系数应为七2 ，地面对 车轮反作用力的动载荷系数应为所2 考虑到下摆臂与减振器旋转的角度以及作用力j 大小与 方向的变化，可用作图法确定力忍2 ，通过作图法得到与4 2 的力的比例为2 0 ：2 3 7 0 6 q 2 = 屯m u , , 2 = 2 5 x 3 2 一( 1 1 6 4 x 9 8 2 ) 1 0 0 0 = 7 4 3 k n 是= z ，2 m = o 8 4 x 3 2 = 2 6 9 k n 墨2 ：瓜：霹：x 7 4 3 2 + 2 6 9 2 ：7 9 0 k n 局2 = 耳2 2 3 7 0 6 x 2 0 = 7 9 0 2 3 7 0 6 x 2 0 = 6 6 6 k n ( 压力) 1 2 中国农业大学硕士学位论文 第2 章麦麦弗逊式前悬架受力分析 曼曼量量曼墨皇置置曼曼曼曼量皇量墨量量量皇| 量_ 鲁| 皇量量曼量皇皇_ _ e 置量量詈量置量皇罾蔓曼寡曼曼| 皇i 比较上述计算结果可知，汽车在驶过障碍路面时前悬架下摆臂所受到的载荷最大，其载荷最 大值为6 6 6 k n ，方向为沿下摆臂指向b 点( 约束端) 的方向 2 3 原型车前悬架下摆臂最大受力的计算 由改装的电动车在各种行驶工况下的受力分析可知，汽车在过障碍路面时，前悬架下摆臂承 受的作用力最大因此，直接计算原型车下摆臂在过障碍道路工况的载荷，即为其最大载荷原 型车前轴载荷t 为2 2 k n ：9 j 如图2 - 3 所示通过作图法得到昂与r 的力的比例为1 8 ：2 1 ：= 七2 m u , 2 = 2 5 x 2 2 一( 1 1 6 4 x 9 8 1 2 ) 1 0 0 0 = 4 9 3 k n 岛= 所2 t = o 8 4 x 2 2 = 1 8 5 k n r ：雁= 4 9 3 2 + 1 8 5 2 。5 2 6 6 k n b = 足2 1 x 1 8 - - 5 2 6 6 2 1 x 1 8 = 4 5 1 k n ( 压力) 2 4 仿真分析电动车前悬架下摆臂受力情况 由于上述计算结果基于经验公式得到，是否精确，还应通过仿真软件进行进一步分析 2 4 1 前悬架仿真模型及参数 本课题采用a m e s i m 软件对前悬架的运动情况进行仿真，得到下摆臂的受力 a m e s i m 软件是一种可以为机械、流体动力( 流体及气体) 、热流体和控制系统提供一个完 善、优越的方针环境及最灵活解决方案的软件，使用简单，便于操作但该软件不能进行多自由 度混合仿真，所以前悬架的仿真建模只考虑竖直方f 句上的力的变化，因此模型中减振器受力要向 竖直方向上投影在设定螺旋弹簧刚度和减振器阻尼时不能使用原值，而要用投影后的值例图 2 - 7 为前悬架结构尺寸简图，图2 - 8 为前悬架1 2 模型 1 3 y 静 ， 逊b b ， n 屹 ；寥 、 、 s 2 夕名9 衫 l 飞 围2 - 7 苗悬榘结构简田 图2 - 8 壹弗逊式前悬槊l ，2 模型 仿真中涉及到的前悬架结构参数如表2 - 3 所示 一1 4 一 1 i l t l - l 1 中国农业大学硕士学位论文第2 章麦麦弗逊式前悬架受力分析 衰2 - 3 前悬架结构参数 参数名称内容 螺旋弹簧刚度 减振器阻尼 轮胎质量 轮胎刚度 车身质量 2 1 n m m 4 2 0 0 n ( m s ) 1 4 2 k g i 6 k i q c m 3 2 5 k g 2 4 2 水平路面工况下前悬架运动仿真结果及分析 下摆臂受力载荷如图2 - 9 所示 袭荷 x 1 0 3 氏 i o24681 0 时河- 图2 - 9 水平良好路面工况下下摆臂受载情况 车轮受到的垂向载荷如图2 - 1 0 所示 载荷珂 们旷 i o2468 时回。 豳2 - 1 0 车轮受到的垂向载荷 1 5 中国农业大学硕士学位论文第2 章麦麦弗逊式前悬架受力分析 2 4 3 过障碍路面工况下前悬架运动仿真结果及分析 地面信号输入如入2 一1 1 所示 地面信号- 。 、 、 、 弋 n o1 o2 03 0 0曩o 时阊0 田2 - 1 1 地面信号输入固 螺旋弹簧的伸长量如图2 1 2 所示，其中正值为螺旋弹簧的伸长量，负值为螺旋弹簧的压缩量 弹簧伸长量t | | ff 3 y a o 1 0 2 0 3 0 t o矗0 时同t 图2 1 2 螺旋弹簧的伸长量 螺旋弹簧伸长量的数据如表2 - 4 所示 衰2 - 4 螺旋弹簧的伸长量 时间( s )伸长量( m )时间( s )伸长量( m )时问( s )伸长量( m )时阃( o ) 伸长量( m ) 28 3 1 8 0 62 2 60 0 0 4 4 7 4 92 5 2- 0 0 1 0 1z 7 8n 伽凹l 2 0 2- 0 0 1 9 6 72 2 80 0 3 5 8 22 5 4- 0 0 1 0 2 22 sn 0 0 2 3 5 2 0 4 - 0 0 3 7 3 2 2 3 o 0 2 7 5 7 72 5 6 _ 0 们0 0 82 跎m l 斛 2 0 6 - 0 0 5 1 7 5 2 3 2o 0 2 0 i 2 5 80 0 0 9 7 42 8 4- 0 1 3 8 2 鸺也0 6 2 6 82 3 40 0 1 3 7 4 32 1 6 - o 伽9 2 42 8 6- 0 0 0 0 9 9 2 1- 0 0 7 0 2 82 3 60 0 0 8 2 0 7 2 6 2 - 0 0 0 8 6 22 8 8- 0 o 0 0 6 4 - 1 6 一 中国农业大学硕士学位论文第2 章麦麦弗逊式前悬架受力分析 囊2 4 续 时问( _ )伸长量( m )时间c s )伸长量( m )时阃( _ )伸长量( m )时间( 0 ) 伸长量( m ) 2 1 2o 0 3 5 5 22 3 8n 0 0 3 5 5 22 6 4m 0 0 7 9 32 9以0 0 0 3 5 2 1 4o 0 0 2 2 72 4n 0 2 8 2 6 6- 0 7 l s 2 妮 - 0 0 0 0 1 i 2 1 60 0 2 酌8 92 4 2- 0 3 3 62 硝0 0 0 6 4 22 9 48 5 8 e - 0 5 2 1 8o 0 5 0 3 9 62 4 4- 0 5 7 62 7以0 0 5 6 6 2 9 6 0 0 0 0 2 4 3 2 20 懈7 9 52 舶-