（机械工程专业论文）双横臂悬架运动分析和转向机构断开点最佳位置的确定.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 汽车的悬架系统是汽车上一个重要的部分，与整车的操纵性和稳定性有密切关 系。双横臂独立悬架因其簧下质量小，悬架占用的空间小，弹性元件只承受垂直 力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺性； 由于有可能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，又改善了汽车的行 驶稳定性；左右车轮各自独立运动互不影响，正确地选取导向机构的参数和形式 可大幅度减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能 力，故成为目前最广泛应用于轿车和轻型车上的一种独立悬架，所以对双横臂式 独立悬架系统的运动分析和优化具有重要意义。独立悬架的缺点是结构复杂，维 修不便。 本文通过研究用于转向车轮的双横臂式独立悬架的结构特点和运动特性，建 立了转向车轮双横臂式独立悬架在车轮跳动时的物理模型和仿真模型，采用 a d a m s 进行运动学分析，准确计算出前转向车轮在跳动时的双横臂式独立悬架 上点的空问位置。针对一种实际车型上的双横臂式独立悬架，仿真分析了转向轮 跳动时前轮定位角和车轮横向滑移量的变化情况，改变前悬架定位点坐标，分析 操纵稳定性的变化；并根据实际车型上双横臂式独立悬架的空间布置要求，建立 了以转向横拉杆断开点空间位置坐标为优化变量，转向横拉杆断开点空间布置坐 标可变化范围为约束条件，转向轮跳动时转向横拉杆长度干涉量为目标函数的约 束优化设计模型。最后利用a d a m s - - v i e w 进行仿真优化，并和转向横拉杆断 开点在初始设计位置情况下车轮跳动时的转向横拉杆长度干涉量进行了对比，得 出的结果显示优化后转向横拉杆的干涉情况明显优于优化前，表明本文所采用的 建摸方法是可行的。 关键词：双横臂式独立悬架， 运动分析，转向横拉杆断开点，优化设计。 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u s p e n s i o ns y s t e mi sak e yp a r tf o rv e h i c l e s ，a n dh a sd e c i s i v ee f f e c to nv e h i c l e d r i v a b i l i t y , s t a b i l i t y , a n dc o m f o r t a b i l i t y d o u b l ew i s h b o n ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nh a s t h es m a l l n e s so ft h eu n s p r u n gm a s s ，i tt a k e ss m a l l e rs p a c e ，t h ee l a s t i cc o m p o n e n t s u p p o r t so n l yv e r t i c a lf o r c es oi tc a nu s et h es m a l l e rs t i f f n e s ss p r i n ga n dd e p r e s st h e v i b r a t i o nv e l o c i t yo ft h eb o d y , i m p r o v et h er i d ec o r n f o r t ；a n di tc o n d u c e st or e d u c i b l eo f e n g i n eh e i g h ta n dr e d u c e st h eh e j i g h to ft h ec o m p l e t ev e h i c l ec e n t r o i da n di m p r o v et h e r o a d a b i l i t y ；t h el e f ta n dt h ef i g h tw h e e lm o v e sr e s p e c t i v e l yw i t h o u ti n f l u e n c eo ne a c h o t h e rw h i c hc a nr e d u c et h ei n c l i n ea n dv i b r a t i o no fb o d ys ot h ev e h i c l ec a ng e tb e t t e r g r o u n da d h e s i o n b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c s d o u b l ew i s h b o n ei n d e p e n d e n t s u s p e n s i o nh a sb e c o m et h em o s tp o p u l a ri n d e p e n d e n ts u s p e n s i o na p p l i e do nm o t o r c a r a n dm i n i a t u r ec a rs i n c ei t se m e r g e n c e h e n c e ，t h ek i n e m a t i ca n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n o fd o u b l ew i s h b o n ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c e i n t h i sp a p e r t h es t r u c t u r ea n dk i n e m a t i cp e r f o r m a n c eo ft h ed o u b l ew i s h b o n e i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nu s e db yt h es t e e r i n gw h e e li s s t u d i e d t h ed i m e n s i o n a l p o s i t i o n so fp o i n t so nt h el e f td o u b l ew i s h b o n ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nw h i l et h e f r o n tl e f tw h e e lj u m p sa r ec a c u l a t e dw i t ht h em e t h o do fa d a m s t h ec h a n g e so ft h e f r o n tw h e e la l i g h m e n ta n dt h em o t i o no ft h ef r o n tw h e e li nt h et r a n s v e r s a ld i r e c t i o n sa r e f i g u r e do nar e a lv e h i c l e ，t h ec h a n g e so fv e h i c l e d r i v a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya r ea n a l y s e d w h i l ea l t e r i n gp o i n t so nt h el e f td o u b l ew i s h b o n e i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n b a s e do n t h er e q u i r e m e n t so fg e n e r a ll a y o u t ，ac o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e li ss e tu p w i t ht h es t e e r i n gc r o s sr o db a l lj o i n tp o s i t i o na st h eo p t i m i z a t i o nv a r i a b l e s ( d e s i g n p a r a m e t e r s ) ，a n dt h es u mo fs t e e r i n g c r o s sr o dl e n g t hi n t e r f e r e n c ew h i l et h el e f tf r o n t w h e e lb o u n c i n ga st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n a n dt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r ew o r k e do u t b ya d a m s _ v m w o nc o m p u t e r t h ed i f e r e n c eb e t w e e nt h eo p t i m i z e da n dt h eo r i g u a l d e s i g ni sf i g u r e do u t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d e l i n gm e t h o di n t h ep a p e ri s p r a c t i c a l k e yw o r d s ：d o u b l ew i s h b o n ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n ，k i n e m a t i ca n a l y s i s ， s t e e r i n gr o dc r o s sb a l lj o i n t ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n 。 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：房喜翟 f i 期：矽婢f r 月哕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在j 年解密后适用本授权书。 不保密囡。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：嗨i q 月咝，日 乎廖翟 指剥嗽：一毛烫盔1 一l ， 日期：扣阵伽 华中科技大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 1 概述 计算机辅助设计、制造自上世纪9 0 年代初进入国内以来，已经被广泛应用于汽 车设计和加工的各个阶段。进入9 0 年代末期，随着各种三维造型软件和仿真分析处 理模块的出现，以及虚拟技术的引入使汽车行业这一几乎涉及了国家大多数基础工业 与生产领域的产业激发出新的活力。随着汽车工业的不断发展以及我国道路条件的改 善，如今的车辆无论在自身的动力性还是在行驶路况方面都有了很大的提高，汽车的 高速运营已势在必行。“高速和安全”要求汽车有良好的操纵稳定性，“舒适”要求汽 车有良好的行驶平顺性，合理的双横臂独立悬架能满足此要求。因为独立悬架的前轮 定位、轮距等出于结构的原因，往往在车轮跳动的过程中是变化的，而这些变化对操 纵稳定性和磨胎有很大影响。为了减少磨胎和提高操纵稳定性，对双横臂式独立悬架 系统的运动分析和优化已是摆在汽车设计人员面前的一个重要课题。 以往对双横臂式独立悬架系统的运动分析和优化一般采用经验设计和人工计算 方法，同时作了很多简化。然后试制样车，通过不断的“试验一修正一再试验一再修 正”，最后达到期望值这样一种办法。而利用多刚体系统动力学方面的知识和虚拟样 机技术，可以在物理样车生产出来以前，在计算机上实现对虚拟样车进行各种分析， 从而缩短样车的生产周期，降低生产成本和风险，应用前景十分广阔。 本课题来源于东风汽车有限公司的e q 6 5 9 0 l 客车开发设计项目。东风汽车公司 以前开发了e q 6 6 8 0 k s 客车底盘，该底盘的前悬架转向系统基本都是靠对考斯特底盘 的测绘来组织生产，从未对其悬架系统的运动分析和优化作任何工作。本次开发的 e q 6 5 9 0 l 底盘因车架变化而导致前悬架转向系统跟着改变，必须重新设计转向系统， 而原考斯特底盘悬架系统能否适应整车要求，更有待于研究。因此作为汽车设计人员， 掌握独立悬架设计中转向与悬架的匹配核心技术，将它匹配到整车上，发挥其优良的 性能，且对双横臂独立悬架转向梯形机构断开点进行优化，有其非常现实的意义。本 课题将针对该车型，利用国内外常用的三维设计造型、仿真分析软件，建立合理的前 悬架参数化模型。同时课题也紧跟了国内外虚拟产品开发应用的最新趋势，并在充分 考虑保证仿真准确度的前提下，对前悬架模型做了相应的简化。 本文本着在学习基本理论、原理的基础上，注重实用性和社会经济价值，主要有 如下特点： 华中科技大学硕士学位论文 1 1 应用a d a m s 软件作为研究手段，对双横臂独立悬架的运动学进行分析，考 虑了悬架的空间位置关系，因而仿真及优化计算结果的真实度大为提高，比m a t l a b 和c + + 语言所得的结果都要好，而且方法简单，操作性强，本文的研究内容极其有利 于独立悬架系统及转向系统的设计或研究，对企业提高产品竞争力提供了有利保障。 2 1 本文建立的模型对于设计或检验新的独立悬架的性能具有很强的实用性，检 验的结果能预测操纵稳定性的好坏，从而减少不必要的损失。 3 、由于建模实现了参数化设计，适应性广泛，对悬架性能进行优化设计打下了 坚实的基础，进行优化后得出可以指导实际生产的最佳结果，而且开发周期短。 1 2 汽车悬架概述 悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 弹 性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架( 或车身) 之间的一切力和力矩， 并且缓和路面传给车架( 或车身) 的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保 证汽车的行使平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽 车的操纵稳定性，使汽车获得高速行使能力。理想的悬架不仅能使车随路面起伏而上 下运动，并能借此使整个车身在前进过程中尽量保持水平，而且还能随车速、路况、 运动方式的变化作出适当、灵敏的反应，提供足够的安全性，保证车辆不会失控。同 时，它还能使轮胎与路面随时贴合，并使车轮保持适当的角度，从而使汽车的动力性 能、制动性能以及转向性能得以充分体现。汽车的车速越快，对操纵性能要求也就越 高。因此，现代汽车的悬架系统越来越受到业内人士的重视。 车轮定位是悬架系统中重要的参数之一。正确的车轮定位，不仅能减少轮胎的磨 损，延长零部件使用寿命，还能确保汽车直线行驶的稳定性。因此，悬架系统必须保 证车轮的正确定位，从而确保汽车操纵性能得以完全发挥。 不同的悬架系统对汽车的操纵性能产生不同的影响。悬架系统一般可以分为两种 形式：非独立悬架和独立悬架。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 3 非独立悬架 图1 , 1 钢板弹簧式非独立悬架简图 如图1 1 所示的非独立悬架的结构特点是左右车轮用一根整体轴连接，再经过悬 架与车架( 或车身) 连接，以纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架， 其主要优点是结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是由于整车布置上的 限制，钢板弹簧不可能有足够的长度( 特别是前悬架) ，使之剐度较大，所以汽车的 平顺性较差：簧下质量大( 弹簧以下的质量) ；在不平路面上行驶时，左右车轮相互 影响，并使车桥和车身倾斜；当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右两侧 车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，会产生不利的轴转向特性。这种悬架主要用在 货车、大客车的前后悬架以及某些轿车的后悬架上。 1 4 独立悬架 在独立悬架中，如图1 2 所示，两侧车轮各自由相互独立的连杆机构来控制，各 自可以单独随着路况的变化运动而不影响整个车身，从而增加了行驶的平顺性，安全 性。前轮采用独立悬架，可以使发动机的布置位置降低和前移，使整车重心得以下降， 从而提高汽车的行驶稳定性。另外，独立悬架中广泛采用刚度较小的螺旋弹簧来做缓 冲元件，所以乘驾舒适性也比较好。因此，独立悬架被广泛应用在现代汽车上。独立 悬架可分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式、麦弗逊式和扭转 梁随动臂式等几种u 1 。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 5 双横臂式独立悬架 图1 2独立悬架结构简图 早期汽车悬架以非独立悬架为主，悬架的特性研究主要集中在非独立悬架上。近 年来，随着车速的提高，非独立悬架已经不能满足操纵稳定性和行驶平顺性方面提出 的更高要求，因此独立悬架得到了很大的发展。世界上第一种独立式悬架是1 8 7 8 年 由法国人a m e d e eb o l l e e 发明用在一辆名叫l am a n c e l l e 的蒸汽汽车上，是由上、下两 副横置叶片弹簧组成了等长双横臂独立悬架，到1 8 9 8 年其儿子l e o nb o l l e e 把它移植 到汽油机的汽车上，当时采用这种悬架代替左右车轮用刚性梁连接的非独立悬架，目 的是提高乘坐的舒适性和稳定性。因为独立悬架两侧车轮各自由相互独立的连杆机构 来控制，各自可以单独随着路况的变化运动而不影响整个车身，前轮采用独立悬架， 可以使发动机的布置位置降低和前移，使整车重心得以下降，从而提高汽车的行驶稳 定性。但是弹簧的寿命和可靠性较差，所以，后来一度又被非独立悬架所代替。于1 9 4 7 年麦弗逊发明了麦弗逊式悬架，首先于1 9 5 0 年在福特汽车公司的车型采用。后来又 陆续出现了一些新颖的悬架类型，如多连杆式独立悬架等。麦弗逊式和双横臂式是目 前应用最为广泛的独立悬架，目前悬架研究主要集中在麦弗逊悬架、双横臂悬架以及 多连杆悬架上。 4 华中科技大学硕士学位论文 双横臂式独立悬架由上、下横臂，减振器，螺旋弹簧等组成，如图1 3 所示。与 麦弗逊悬架相比，双横臂式独立悬架的侧倾中心高度比较低，车轮相对于车身跳动时 车轮外倾角与主销内倾角均有变化，轮距变化也小，横向侧倾角刚度较小，需要用横 向稳定杆，横向刚度也大，占用的空间尺寸较多，结构较复杂，多用于前悬架。双横 臂式独立悬架按其上下横臂的长短又有等长双横臂和不等长双横臂之分，如图1 4 所 示。用等长双横臂时，当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，可保持主销倾角不变， 但轮距却发生了较大的变化，这将增加车轮侧向滑移的可能性，故已很少采用，多为 不等长双横臂式悬架所取代。在两摆臂不等长的悬架中，如两臂长度选择适当并合理 布置，可以使车轮和主销的角度以及轮距的变化都不大1 2 j 。因为车轮上跳或回弹时上 臂比下臂运动弧度小，这种运动使轮胎上部轻微向外移动，而底部不受影响，还处于 正常位置，减少磨胎，在车轮压缩和伸张行程时，形成非平行四边形运动，外倾角几 华中科技大学硕士学位论文 乎不变，优于麦弗逊悬架。 双横臂式独立悬架的突出优点在于设计的灵活性，可以通过合理选择空间导向机 构的铰接点位置及控制臂的长度，使得悬架具有合适的运动特性( 亦即当车轮跳动或 车身侧倾时，车轮角及轮距的变化能尽量满足设计的要求) ，并且形成恰当的侧倾中 心和纵倾中心( 上、下横臂摆动轴延长线的交点) 。因此，从2 0 世纪8 0 年代后期开 始，不等长双横臂式独立悬架已为中高级轿车的前悬架所广泛采用。2 0 0 2 年交通部颁 发了j t 厂r 3 2 5 2 0 0 2 营运客车类型划分及等级评定，明确规定：小型高一级、高二 级，中型高一级、高二级，大型高三级客车的前悬架必须装独立悬架系统。 a )b 田1 4 飘 j | l 鬻毒勰鑫爨女g 目潆躅 舔霸糍_ ! 簿i 篝长晦悬絮b 灞馕臂粼酌零慕 。 舞 1 6 论文的主要研究内容和目的 本文的主要研究对象为用于汽车转向非驱动前桥的不等长双横臂独立悬架。为了 满足汽车运动性能的使用要求，车辆的前悬架设置了车轮外倾、车轮前束、主销内倾 和主销后倾等前轮定位参数，双横臂独立悬架的上横臂、下横臂、转向节臂以及转向 横拉杆都是空间杆件，相互之间的空间运动关系十分复杂。本文应用a d a m s 软件准 确求出车轮在上下跳动时悬架上各点的空间位置，对转向轮在跳动时车轮各个定位角 的变化情况进行了分析，以达到满足良好的运动性能的使用要求。并通过改变前悬架 定位点坐标，计算分析前轮定位参数变化，研究其对操纵性能的影响。 与双横臂独立悬架配套的转向机构组成的系统是断开式空间机构，转向横拉杆断 开点的位置选择适当与否，关系到转向轮在转向和跳动时转向横拉杆发生干涉的严重 程度，从而会影响车轮的稳定性，严重时还可能导致转向轮产生摆振现象。为了提高 华中科技大学硕士学位论文 车辆的操纵稳定性以及悬架系统和转向系统的协调性，转向横拉杆断开点的位置的合 理确定是解决该问题的一个有效途径。为此本文建立了以横拉杆断开点位置的空间坐 标为优化变量，横拉杆断开点在车辆总布置中的空间位置要求为约束函数，以转向轮 在各种姿态下横拉杆干涉量绝对值为目标函数的优化设计数学模型。进而对实际车辆 中转向车轮的不等长双横臂独立悬架转向横拉杆断开点的最佳位置进行确定，并将优 化前和优化后转向横拉杆干涉量进行对比，结果显示转向横拉杆干涉量明显减少，从 而验证了本文中所建立的模型的可行性。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 不等长双横臂独立悬架运动模型的建立 2 1 不等长双横臂独立悬架的运动分析 2 1 - 1 前车轮的转向运动 汽车的运动是由直线运动和圆周运动两部分组成。为了进行曲线圆周运动，汽车 上都装备了转向拉杆系统。转向拉杆系统应具备的性能是转向操纵必须轻便可靠，转 向车轮应有自动回正能力，以保持汽车稳定的直线行驶，同时应在运动学上保证汽车 的转向性能，安全的进行转向。 转向系统一般包括三个部分【3 1 ，如图2 1 所示： 1 ) 方向盘、转向传动轴和转向器：一般来说，转向通常方向盘的旋转位移经过 转向传动轴传递到转向器，由转向器把方向盘的旋转位移变成转向垂臂的摆动位移。 转向器除了变换位移以外，还具有放大方向盘的转向力矩并传给转向垂臂的作用。大 部分车辆还装有动力转向装置。 1 方向盘2 转向传动轴总成3 转向器4 转向垂臂5 转向直拉杆6 左过渡臂7 中间 横拉杆8 左横拉杆9 左转向节臂1 0 左转向节1 1 上横臂总成1 2 下横臂总成1 3 左扭杆弹 簧1 4 车轮总成 图2 1e q 6 5 9 0 l 客车的转向悬架系统 2 ) 转向横、直拉杆：它将转向垂臂的摆动位移通过过渡臂传给横拉杆，再通过 8 华中科技大学硕士学位论文 横拉杆传给左右转向车轮。这种转向横拉杆装置必须具有一种几何关系使左右转 向车轮实现正确转向并保证转向运动协调( 符合阿克曼原理) 4 - 7 】。 3 ) 转向节：这一部分的支承方法一般是连接在前轴或悬架装置上，并考虑到转 向运动的特点使其相对车身有一些倾斜( 即满足前轮定位角度) 。转向运动是把方向 盘的旋转位移通过转向器和转向横、直拉杆变成前轮转向节的转动而进行的。如图2 2 所示当汽车转向时，内外侧车轮的转角应该满足某种适当的关系。这种关系的最基本 条件称为阿克曼杨特( a c k e r m a nj a n t a u d ) 理论，即汽车转向时，要以前轮中心线 的延长线与后轴中心线的延长线的交点作为转弯中心进行转向，这是满足内外车轮的 方向和行进方向一致，各车轮不发生侧滑的条件。该转向特性的特点为：( 1 ) 汽车直 线行驶时，4 个车轮的轴线都互相平行，而且垂直于汽车纵向中心面；( 2 ) 汽车在转 向行驶过程中，全部车轮都必须绕一个瞬时中心点做圆周滚动，而且前内轮与前外轮 的转角应满足下面关系式： c t g o c t g b = b l b o 5 ：两佣生稍鞲缱与地砸相交点之阔曲距翦0 - 转向中心 l t 轴距a 。外转向轮转角 r 转霉半径e 。内转向艳转虑 田2 2 内外精同诧精舟z 阿帕黄糸( 阿冗量舰) 左右转向轮的转角关系在理论上必须满足阿克曼原理，但实际上这个关系经常难 以得到满足，只能采取各种方法适当的确定连接横拉杆的转向节臂的长度及安装角， 在汽车的最大转角范围内近似的满足。 为了转向操作轻便、可靠和行驶的稳定性，以及考虑轮胎行驶时的摩檫等，应使 前轴、主销和前轮保持一定的关系，以满足主销内倾、主销后倾、车轮外倾和车轮前 束。当转向时，转向横拉杆断开点0 2 左右运动，而转向节臂端点c 的运动轨迹是一 9 华中科技大学硕士学位论文 条螺旋线，它由两部分合成，一是绕主销a b 的圆周运动，二是在转向过程中，主销 的向上运动。当没有主销后倾角和主销内倾角时，转向节臂端点c 的运动轨迹与主销 垂直【8 】 如图2 3 所示： b ：上横臂与转向节球销点a ：下横臂与转向节球销点 c ：转向节臂端点0 2 ：转向横拉杆断开点 图2 3 转向时横拉杆断开点0 2 和转向节臂端点c 的运动情况 2 1 2 前车轮的跳动运动 不等长双横臂独立悬架的结构型式决定了前转向车轮的向上跳动运动的运动方 式。 在结构如图2 4 所示的不等长双横臂独立悬架中，上横臂d i b 的摆动轴线0 1 ( b 为d 1 到轴线0 1 的垂足) ，下横臂d 2 a 的摆动轴线0 2 ( a 为d 2 到轴线0 2 的垂足) 为固定轴，固定在车架上。为了保证前车轮有回正能力及车辆具有良好的操纵稳定性， 设计时存在主销后倾角、主销内倾角；为了保证车辆具有良好的侧倾和纵倾特性，上 下横臂在空间也是倾斜布置；摆动轴线0 1 前高后低，前外后内，摆动轴线0 2 前低 后高。上横臂摆动点d 1 通过球铰连接在主销上端点上，车轮跳动时，车轮和d 1 点 连接在一起，绕上横臂摆动轴线0 1 转动，下横臂摆动点d 2 通过球铰连接在主销下 端点上，车轮跳动时，车轮和d 2 点连接在一起，绕下横臂摆动轴线0 2 转动。如果 单独考察一侧悬架和车轮，则悬架和车轮绕悬架系统的瞬心轴作圆周运动，其瞬心轴 随着车轮的上下跳动而不断变化。在某一时刻，瞬心轴可以按照以下方法确定：在悬 架的某一个运动位置，过d 1 b ，d 2 a 作相交线得交点m ，则m 点就是悬架在此运动 位置的运动瞬心，过瞬心m 且垂直于d 1 d 2 m 三点形成的平面的直线就是悬架在此运 动位置的瞬心轴。在此运动位置，可以认为，整个左侧悬架绕瞬心轴作圆周运动。 l o 华中科技大学硕士学位论文 一孑 夕 e ji h 1r d 4 ( y 4 ，z 4 ) d i ：上横臂与转向节球销点d 2 ：下横臂与转向节球销点 b ：上横臂摆动中心与横臂交点a ：下横臂摆动中- t l , 与横臂交点 m ；悬架的运动瞬心e ： 车厢的侧倾中心h ：侧倾中心高度 图2 4 双横臂独立悬架的跳动 本文仅讨论左侧双横臂独立悬架和车轮的运动和转向横拉杆左侧断开点的优化， 所以将左侧车轮的跳动以及在这情况下双横臂独立悬架的运动情况单独进行研究。实 际上，汽车在行驶中，不管是转弯时进行曲线运动，还是遇到沟坎时颠簸而上下跳动， 都是车辆整体受到驾驶员的操纵或者路面激励的作用，各个车轮和悬架之间的运动必 然会相互影响和作用。在此情况下，车辆各个车轮和悬架的运动结果使车辆表现出一 定的侧倾和纵倾。 汽车的理论侧倾轴线是前后悬架侧倾中心的连线。汽车的侧倾中心是指通过车轮 中心的横向垂直平面上的一点，在这点上给簧载质量一即车身一施加一个侧向力，可 以不产生侧倾角运动。汽车的侧倾轴线和侧倾中心在负载的作用下的高度变化对行驶 性能具有决定影响。独立悬架车辆的侧倾轴线一般大致与地面平行，同时要尽可能离 地面高一点儿。侧倾轴线与地面平行的目的是为了使车辆在曲线行驶时前后轴上的轴 荷变化接近相等，从而保证中性转向性能；侧倾轴线尽可能离地面高一点是因为这样 可以使车身的侧倾限制在极限范围内。在车轮转向和跳动时，悬架的运动将引起车轮 的各个定位参数：车轮外倾、车轮前束、主销内倾和主销后倾，以及车辆的轮距和轴 距都发生一定的变化，从而对车辆的操纵性能产生影响。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 不等长双横臂独立悬架运动物理模型的建立 将双横臂独立悬架轮胎和转向系统部分部件简化为如下的物理模型。 1 上横臂总成2 主销3 左转向拉杆4 下横臂总成5 + 左转向节臂6 左前轮7 左转向节8 方向 盘9 转向传动轴1 0 转向机1 1 直拉杆1 2 左过渡臂1 3 横拉杆1 4 右转向拉杆1 5 右转向节臂 图2 5 前悬架转向模型分析示意图 左转向横拉杆3 段开点e 在转向机构的作用下，可以按规定的轨迹运动，带动 左转向拉杆3 运动，从而使左转向节臂5 、转向节7 和左前轮6 绕主销2 实现转向运 动，这种转向运动理论上应满足阿克曼原理，本论文这次虽没有着重讨论转向运动， 但在做横拉杆段开点优化时涉及到转向运动，即在段开点优化时必须将e 点固定，这 样在车轮跳动时左转向横拉杆长度不变，于是产生较小的转向运动；同时上、下横臂 总成1 和4 分别绕摆动轴线0 。0 2 、0 3 0 4 转动，实现左前轮上下跳动。实际过程中这两 种运动转向、跳动运动同时发生，运动时伴随着车轮定位角的变化，这是本文重 点讨论内容。因为前悬架是左右对称的，所以只考虑了左前悬架部分。 2 3 模型有关参数的获得与a d m s 模型的建立 创建模型。在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的物体，它们具 有质量、转动惯量等物理特性。使用a d a m s v i e w 创建的物体有三种：刚体、 点质量和弹性体。样机模型是在计算机中建立的反映产品结构特征和属性数据 的静态产品模型，它是进行仿真、分析、优化的基础。对于复杂的产品，其三 1 2 华中科技大学硕士学位论文 维几 可模型的建立、产品预装配通馓在c a d 软件f 如u g 、p r o e 等) 中突成； 然后通过格式转换，导入a d a m s 环境。削建完物体后，可和用约束库中的约 束建立两个物体之间是如何相对运幼的关系；最后，通过施加力、力矩贼者运 动，班佼模登按照设计要求进行运动仿真。 对于利用a d a m s 软件进行建模涞说，最后仿真结果是否准确，关键在于两点， 第一，新获鹣模型参数是否准确，第二，模受静撞象与建立惫甭合瑾，其中摸鍪参数 的测量与获取作为整个仿真过程的基础尤为重腰，否则在参数测取阶段就存在偏差， 裂意嚎着整令过程鳃爨发纛就存在误豢，嚣续除鬏熬王 乍不论多么准确，整个傍真结 果都将变得不够精确，因此，必须准确地测取前懋架的脊关的各种参数。应用a d a m s 较簿建模瘊嚣粒参数主要毒足 霉定傲参数、震量特性参数、力学特牲参数与癸 界参数等四种 9 - 1 6 。获得参数的方法主要有图纸查阅法、实验法、计算法、c a d 建摸法等。 2 3 1a d a m s 多刚体的坐标系统和自由度 剖建模型时，a d a m s 需要定义坐标系，a d a m s 中定义了三种坐标 系统。 1 ) 遣箍坐标系( g r o u n dc o o r d i n a t es y s t e m ) 固定于地面( g r o u n dp a r t ) ，即添统的绝对坐标系。a d a m s 中所有刚体 ( 部件) 帮穗对于穗疆垒标确定萁筏嚣蠢方商。 2 ) 局部参考坐标系( l o c a lp a r tr e f e r e n c ef r a m e ，l p r f ) 每个部辞有一个局部参考坐标系l p r f ，整鬟帮方位裙对予逡瑟坐标系 定义，随部件一起运幼。 辩标记系统( m a r k e r ) 它是各部件拥有的各自内部的坐标系统，分两类：固定标记( f i x e dm a r k e r ) 积浮动标记( f l o a t i n gm a r k e r ) 。蔻者露续予部终上，势与部l 孛起运动，其像霪移 方向魑相对于l p r f 定义的，不随时间变化，可用于定义部件的图形边界、质心、 作用力鞠约束；一些力稠约束嶷a d a b t s 中有浮动标记采确定其俘瘸力，力翱约束叁动标 明标记的位置和方向。 a d a m s 中自由度( d o f ) 的计算公式为： d o f = 6 ( n - 1 ) - - 2 n i 其中n 。系统躲郫枣 数毯( 包括蜷薅) ； n 。系统内各约束所限制的自由度数网。 华中科技大学硕士学位论文 a d a m s 系统中包括一般的约束库和基础约束库，一般约束库包括了机 械系统常见的约束，基础约束库则是一些抽象的约束，一般约束所限制自由 度列表如下。 表2 1a d a m s 常用的运动副及自由度约束数 自由度约束数( c o n s t r a i m s l 总自 运动g l j ( j o i n t l 由度约 转动 平动 柬数 铰接 9 1 ( r e v o l u t e l 移动i g ) ( t r a n s l a t i o n a l ) 圆柱昌l j ( c y l i n d r i c a l l 球形副( ( s p e r i c a l ) 平面副( p l a n a r ) 固定 g i ( f i x e d l 万向副( u n i v e r s a l ) 恒速i g r j ( c o n s t a n tv e l e o s i t y ) 点- 线9 1 ( 1 n l i n e ) 点一面g l l ( i n p l a n e l 螺旋副( s c r e w ) 2 3 3 前悬架定位参数 e q 6 5 9 0 l 前悬架是双横臂、纵置扭杆弹簧独立悬架。根据实车结构的分析 研究建立包括上下摆臂、转向节、转向拉杆、扭杆弹簧、减振器的简化模型， 其结构示意图如图2 5 ，空载状态下的初始前轮定位参数见表2 2 ( 原车设计值) 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 表2 2前悬架定位参数 主销内镁角向 1 3 ( 1 3 0 5 ) 圭销蜃镁建d 4 5 ( 4 5 & 弱 前轮外倾角( o ) 0 3 ( 0 - 0 5 、 前轮前束值( n u n ) 3 ( 0 - 5 ) 2 。3 。2 麓悉絮冬定位赢坐标 在羧取前悬架的定位参数对，过前轮轮心的连线与汽车纵向对称筒的交点为坐标 原点，将过原煮的水平面与汽车级向对称面交线定为x 轴，并戳汽车衙退方向为正， 同一水平面内与x 轴垂赢的轴线为z 轴，并以汽车的左侧方向为正，慰然根据右手定 羽取遥原点竖豢海上静袁线为y 轻，嘏该坐标系作为a d a m s 模型中豹绝蕊坐标 系( g r o u n dc o o r d i n a t es y s t e m ) ，本文建立的e q 6 5 9 0 l 型车的前悬架模型是在忠于 覆悬粱参数豹藏磋主鹃，对予前悬粱来说，左右是对称豹，掰蔽这里哭给密了友透部 分定位点的坐标。前悬架在空车状态下各定位点的坐标值见表2 3 。 袋2 3前悬架在空载下各定位点的坐标值 农上面的系列工作的基础上，可以着手筒悬架的a d a m s 模型的建立，酋先根 据上述点创建设计点( a d a m s 中零 牛库的点p o i n t ) ，这些p o i n t 自动又产生一个 m a r k e r 点，这魏m a r k e r 点的嫩标是始终伴隧篱主体，箍p o i n t 只是初始值，相对地 面坐标系而言是始终不变的。然后分别创建上横臂，生销等零件( a d a m s 中零件库 华中科技大学硕士学位论文 的圆柱体c y l i n d e r 或球体s p h e r e 等) ，左悬架包括：上横臂总成，主销，左转向拉杆， 下横臂总成，左转向节臂，左车轮，转向节，接着加约束副( 如上横臂与大地之间加 旋转副r e v o l u t ej o i n t ) ，其中，车轮与转向节通过固定副相连，转向节与主销通过固 定副相连，主销通过球铰分别与上、下横臂相连，上、下横臂通过旋转副与车身相连， 转向节臂与主销通过固定副相连，转向横拉杆一端通过球铰与转向节臂相连，一端通 过球铰与大地相连。 每个球铰提供3 个约束方程，每个转动铰链提供5 个约束方程。整个系统的自由 度d o f 为： ( 5 1 ) + 6 2 * 5 4 * 3 = 2 这两个自由度就是左车轮相对于车身的上下跳动和车轮在跳动过程中绕主销的 转动。在a d a m s 软件中，机构的自由度决定了该机构的分析类型：运动学分析 或动力学分析。 当d o f o 时，对机构进行动力学分析，多刚体系统动力学的数学模型可 由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度，所以不但适用于较简单的 平面模型，而且更适用于复杂的三维空间模型。本文虽未作动力学分析，对机 构只进行运动学分析，即仅考虑系统的运动规律，是因为该模型同样适用于运 动学分析。 下面为在a d a m s 中所建的三维图，如图2 6 所示。 图2 6 前悬架模型的a d a m s 图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章介绍了不等长双横臂独立悬架的转向车轮的转向运动和跳动运动机理( 即该 物理模型在跳动的过程中，由于横拉杆的长度不能伸缩，故使得车轮能够绕主销发生 轻微的转向) ，并在此基础上建立了双横臂独立悬架的物理模型，为后面的仿真分析 和优化作铺垫。 利用a d a m s 软件进行建模，得到模型有关参数后，建立a d a m s 的前悬架模型， 在建模过程中，在不影响对双横臂独立悬架进行运动分析的情况下，将双横臂独立悬 架轮胎和转向系统部分部件进行如下简化： 1 ) 假设所有杆件全部为刚体，在车轮转向及跳动和悬架运动过程中不发生变形： 2 ) 假设轮胎为刚体，不考虑其变形。 该模型虽然是简化模型，但是它真实的反映了悬架的姿态，对悬架的各种运动分 析是进行空间运动计算，考虑了前轮定位参数，同时没有其它方法操作复杂 【1 7 1 8 1 3 9 】【4 5 ，数学模型可由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度，这是 本软件的优点，具有一定的使用价值。因为双横臂独立悬架的布置是空间的，因而欲 准确地确定机构的空间运动计算难度较大，分析过程比较复杂。传统的设计一般采用 经验设计、查表法以及作图等方法，设计虽然可以基本满足要求，但设计的精度和效 率不高。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 悬架模型的运动仿真分析 采用双横臂独立悬架的车辆具有良好的行驶平顺性和操纵稳定性，所以在现代汽 车上得到广泛的应用。通常情况下，在汽车设计过程中对前轮独立悬架导向机构的设 计要求如下【l 】： 1 ) 当车轮与车身产生相对运动时，保证轮距变化在一定的范围之内，以免轮胎 过早磨损： 2 ) 当车轮上下跳动时，前轮定位参数要有合理的变化特性。 3 1 转弯时，应使车轮与车身倾斜方向相同，增加汽车的不足转向效应。 4 1 制动时，悬架导向机构的运动应使车身具有抗点头的作用：加速时有抗俯仰的 作用。 本章主要分析当车轮上下跳动时，前轮定位参数的变化特性，并通过改变上下横 臂等参数，使前轮定位参数的变化合理，以满足悬架导向机构的设计要求。 3 1 车轮定位参数的确定 3 1 1 汽车前轮定位参数的计算 有关汽车车轮的定位参数的定义可以参考应的国家标准g b t 3 7 3 0 3 - 9 2 汽车和 挂车的术语及其定义，在此标准中对汽车的定位参数进行了严格而又灵活的规定。 具体的车轮定位参数( 参考图2 5 ) 可以按照下面的公式计算： 主销的后倾角：o7 _ h i = a r c t a n ( x h x i ) ( y h y i ) 主销的内倾角：oz n = a r c t 蛐( z i - z h ) ( y h - y i ) 车轮的外倾角：oz w = a r c t a n ( y a - y o ) ( z o - z a ) 车轮的前束角：oz o = a r c t a n ( x o - x a ) ( z a - z o ) 左轮中心z 坐标的变化量：x z a = z a 0 z a l ( z a o ，z a l 分别为a 点的初始z 坐标和变动后 的z 坐标) 其中x h ，y h ，z h ，x i ，y i ，z l ，x a ，y a ，z a ，x o ，y o ，z 0 分别为h ，i ，a ，o 点的三维坐标。 3 1 2 汽车前轮定位参数的作用 在具体的汽车前轮定位参数选取时，还要充分地考虑各个参数的实际作用。随着 华中科技大学硕士学位论文 汽车技术的不断发展，人们对这个问题的认识也在不断的改变。随着这种认识的改变， 对各个参数的取值范围也做出了相应的调整f 1 7 】。下面就各个定位参数作用分别阐述如 下： 1 1 主销后倾角 采用主销正后倾角可使主销轴线与路面交点位于车轮着地点的前面，当汽车转向 轮偶然受到外力的作用，使汽车行驶方向偏离时，能产生与车轮偏转方向相反的力矩， 起到回正作用，从而保证汽车稳定地直线行驶。由于现代汽车的最高车速的不断提高， 当汽车转向轮偶然偏转时，汽车离心力加大，从而加大了侧向反作用力，同时轮胎胎 压普遍较低，轮胎的弹性加大，车轮着地点后移，自然地增加了稳定力矩。因此，主 销后倾角有减小的趋势。 主销内倾角 采用负偏移距的汽车在左右制动力不相等时，会产生抗偏力矩，防止车辆制动时 跑偏。所以当代汽车为了提高制动时稳定性，主销内倾角有增大的趋势。 3 ) 前轮外倾角 车轮外倾角的作用是为了防止轮胎外侧磨损的不均匀，防止车轮因载荷变化引 起的变形而产生的内倾角，从而降低轮毂轴承的负载和提高车身的横向稳定性。现代 轿车的车轮外倾角有减小的趋势。