（车辆工程专业论文）基于刚柔耦合的i型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密叮。 学位论文作者签名：镢7 2 j 如”年易月7f t 艚狮虢獭柳 2 e ，年1 月，弓日 基于刚柔耦合的i 型麦弗逊悬架 横向稳定杆设计研究 t h es t u d yo flt y p em c p h e r s o n s u s p e n s i o ns t a b i l i z e r b a r d e s i g nb a s e o nr i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n g 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 横向稳定杆作为i 型麦弗逊悬架的关键零部件，对整车的众多性 能起到至关重要的作用。一方面，横向稳定杆作为悬架导向杆系，在 轮胎运动过程中影响前轮定位参数的变化，进而影响整车的回正性 能、轮胎侧滑性能等；另一方面，横向稳定杆作为防侧倾杆，起到增 加整车侧倾刚度的作用。另外，横向稳定杆自身的刚度及在i 型麦弗 逊悬架中的布置又影响着整车的纵倾性能，自身的应力特性影响着零 部件的寿命和整车的行车安全性。而目前针对i 型麦弗逊悬架横向稳 定杆的研究甚少，其设计方法在国内更是空白。因此，研究i 型麦弗 逊悬架横向稳定杆的设计意义重大。 在理论研究方面，从i 型麦弗逊悬架的静力学和运动学角度分析 了悬架的力学特性。基于材料力学和汽车理论知识，从理论上推导了 横向稳定杆自身刚度和等效刚度计算模型及横向稳定杆危险截面的 应力计算模型，为进一步的建模和仿真分析奠定了理论基础。 在研究方法方面，采用模型精度更高的刚柔耦合数学模型。首先， 用a d a m s c a r 建立了整车多刚体虚拟样机模型；其次，对整车的横向 稳定杆、车身、下摆臂、拖曳臂等柔性零部件进行模态分析，输出中 性模态m n f 文件；再次，用中性模态m n f 文件替换多刚体虚拟样机 中的相应刚性零部件，建立了整车刚柔耦合虚拟样机模型。 在数学模型仿真方面，基于整车刚柔耦合虚拟样机研究了横向稳 定杆结构和布置对整车操稳性的影响。通过仿真分析了横向稳定杆对 前轮定位参数的影响，建立了定位参数和整车回正力矩的数学计算模 型并计算了回正力矩特性。从外倾角和前束间的匹配关系研究了横向 稳定杆结构对转向轮侧滑的影响。最后，分析了横向稳定杆直径和安 基于刚柔耦合的i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究 装角度对整车侧倾和纵倾性能的影响及横向稳定杆在极限工况下的 应力特性。 采用横向稳定杆动态应力应变试验和整车转向回正试验来验证 数学模型的正确性。动态应力应变试验测取横向稳定杆上5 个特征位 置测点的应变，得出测点应变时间曲线；而转向回正试验得出侧向 加速度时间曲线和横摆角速度时间曲线。对虚拟样机进行相同工况 仿真，对比分析试验和仿真曲线来验证虚拟样机模型的正确性。 最后提出了横向稳定杆较全面的刚度、结构、布置等设计方法。 根据前后悬刚度匹配来设计横向稳定杆的刚度和直径，根据侧倾和纵 倾性能要求来设计横向稳定杆的结构和安装角度。 本课题研究探索了i 型麦弗逊悬架横向稳定杆的设计方法，研究 过程中分析的i 型麦弗逊悬架力学特性和建立的刚柔耦合虚拟样机为 其他车型相关研究提供了参考，i 型麦弗逊悬架横向稳定杆的设计方 法的提出填补了国内无相关设计资料的空白，为相关车型的横向稳定 杆设计提供理论依据，对工程实际应用具有一定的指导意义。 关键字：i 型麦弗逊悬架，横向稳定杆，刚柔耦合，虚拟样机，设计 方法 s t i f f n e s so fv e h i c l ea n de n s u r et h ec o n t r o ls t a b i l i t ya n df i d eq u a l i t yo f v e h i c l e i na d d i t i o n , t h es e l fs t i f f n e s so fs t a b i l i z e rb a ra n dt h el a y o u to f s t a b i l i z e rb a ri nit y p em c p h e r s o ns u s p e n s i o na f f e c tt h et r i mp e r f o r m a n c e o fv e h i c l ea n dt h es t r e s sc h a r a c t e ro fs t a b i l i z e rb a ra f f e c t st h el i f e t i m eo f c o m p o n e n t sa n dr u n n i n gs a f e t yo fv e h i c l e h o w e v e r , t h er e s e a r c ho f s t a b i l i z e rb a ro fit y p em c p h e r s o ns u s p e n s i o ni sr a r ec u r r e n t l y , e v e nt h e r e i sn od e s i g nm e t h o do fs t a b i l i z e rb a ri nd o m e s t i cf i e l d t h e r e f o r e ，t os t u d y t h es t a b i l i z e rb a ro fit y p em c p h e r s o ns u s p e n s i o nm a k e sal o to fs e n s e i nt e r mo ft h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n , t h ed y n a m i c sc h a r a c t e ro f s u s p e n s i o nw a sa n a l y z e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs t a t i c sa n dk i n e m a t i c so f it y p em c p h e r s o ns u s p e n s i o n t h es e l fs t i f f n e s sa n de q u i v a l e n ts t i f f n e s s c o m p u t a t i o n a lm o d e l sa n dt h es t r e s sc o m p u t a t i o n a lm o d e lo fd a n g e r o u s s e c t i o n so fs t a b i l i z e rb a rw e r ed e r i v e di nt h e o r yb a s e do nm e c h a n i c so f m a t e r i a l sa n dv e h i c l et h e o r e t i c a lk n o w l e d g e ，w h i c hp a v et h ew a yf o r m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt a k e nt h en e x ts t e p i nt e r mo fr e s e a r c hm e t h o d , t h er i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gm a t h e m a t i c a l m o d e lw i t hh i g hm o d e lp r e c i s i o nw a sa d o p t e d f i r s t l y , m u l t i - b o d i e s v i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo fv e h i c l ew a se s t a b l i s h e du s i n ga d a m s c a r ； s e c o n d l y , m o d ea n a l y s i so ff l e x i b l ec o m p o n e n t s ，s u c ha ss t a b i l i z e rb a r , b o d y , l o w e rc o n t r o la r n l ，t r a i la r m ，w a st a k e nt oo u t p u tn e u t r a lm o d a lm a f r l l 基于刚柔耦合的i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究 f i l e s ；t h i r d l y , r e p l a c i n gr e l a t e dr i g i dc o m p o n e n t so fm u l t i - b o d i e sv i r t u a l p r o t o t y p eu s i n gn e u t r a l m o d a lm n ff r i e st oe s t a b l i s hr i g i d - f l e x i b l e c o u p l i n gv i r t u a lp r o t o t y p em o d e l i nt e r mo fm a t h e m a t i c a lm o d e ls i m u l a t i o n ，t h er e s e a r c ht h a tt h e s t r u c t u r ea n dl a y o u to fs t a b i l i z e rb a re f f e c to nt h ec o n t r o ls t a b i l i t yo f v e h i c l ew a st a k e nb a s e do nr i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gv i r t u a lp r o t o t y p e t h r o u g hs i m u l a t i o nt h es t r u c t u r eo fs t a b i l i z e rb a re f f e c t so na l i g n m e n t p a r a m e t e r sw a sa n a l y z e d ，t h e m a t h e m a t i c sc o m p u t a t i o n a lm o d e lo f a l i g n i n gt o r q u eo fv e h i c l ew h i c hi sr e l a t e dt oa l i g n m e n tp a r a m e t e r sw a s b u i l ta n dt h ev a l u eo fa l i g n i n gt o r q u ew a sc o m p u t e d t h es t r u c t u r eo f s t a b i l i z e rb a re f f e c t so ns i d e s l i pp e r f o r m a n c eo fs t e e r i n gw h e e lw a s s t u d i e dt o ob a s e do nm a t c h i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a m b e ra n dt o ei n f i n a l l y , t h ed i a m e t e ra n dm o u n t i n gr a n g eo fs t a b i l i z e rb a re f f e c to nr o l l a n dt r i mp e r f o r m a n c eo fv e h i c l ea n ds t r e s sc h a r a c t e ro fs t a b i l i z e rb a r w h e nv e h i c l ei si nt h el i m i t e dc o n d i t i o n sw a sr e s e a r c h e d i no r d e rt ov e r i f yt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，d y n a m i cs t r e s s s t r a i nt e s t o fs t a b i l i z e rb a ra n ds t e e r i n gw h e e lr e t u r na b i l i t yt e s tw e r et a k e n t h e s t r a i no f5t e s t p o i n t si nt h es t a b i l i z e r b a rw e r em e a s u r e dt oo b t a i n s t r a i n t i m ec u i n gi n d y n a m i c s t r e s s - s t r a i nt e s ta n dl a t e r a l - t i m e a c c e l e r a t i o no l i v ea n dy a wr a t e - t i m ec u r v ew e r eo b t a i n e di ns t e e r i n g w h e e lr e t u r na b i l i t yt e s t d os i m u l a t i o nu s i n gt h es a m ew o r k i n gc o n d i t i o n a st e s ta n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i st e s ta n ds i m u l a t i o no l i v e st ov e r i f yt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l f i n a l l y , c o m p r e h e n s i v ed e s i g nm e t h o do fs t i f f n e s s ，s t r u c t u r e ，l a y o u t o fs t a b i l i z e rb a rw a sb r o u g h tu p t h es t i f f n e s sa n dd i a m e t e ro fs t a b i l i z e r b a rd e s i g n e da c c o r d i n gt om a t c h i n gb e t w e e nf r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o n , t h es t r u c t u r ea n dm o u n t i n ga n g l ed e s i g n e da c c o r d i n gt or o l la n dt r i m p e r f o r m a n c e t h i sr e s e a r c hs e e kad e s i g nm e t h o do fs t a b i l i z e rb a ro fi t y p e 江苏大学硕士学位论文 m c p h e r s o ns u s p e n s i o n , t h ea n a l y s i so fd y n a m i c sc h a r a c t e ro fs u s p e n s i o n a n dt h ee s t a b l i s ho fr i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gv i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo f f e ra r e f e r e n c ef o rs o m eo t h e rr e l a t e dv e h i c l er e s e a r c h ，t h ed e s i g nm e t h o do f s t a b i l i z e rb a rw h i c hi su s e f u lf o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nw i l l f i nu p d o m e s t i cd e s i g nd a t av a c a n c ya n d s u p p o r tt h e o r ye v i d e n c ef o rs o m eo t h e r s t a b i l i z e rb a rd e s i g n k e yw o r d s ：it y p em c p h e r o ns u s p e n s i o n ，s t a b i l i z e rb a r ，r i g i d f l e x i b l e c o u p l i n g ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，d e s i g nm e t h o d s v 基f f - 冈, j 柔耦合的i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 麦弗逊悬架概述1 1 2 横向稳定杆研究的现状2 1 3 本文研究的主要内容及意义5 第二章横向稳定杆特性分析6 2 1 横向稳定杆性能分析6 2 1 1 横向稳定杆受力分析6 2 1 2 横向稳定杆刚度分析7 2 2 横向稳定杆应力计算9 2 3 本章小结1 0 第三章整车刚柔耦合虚拟样机建模1 1 3 1 引言1 1 3 2 柔性零部件模态分析。1 2 3 2 1 横向稳定杆模态分析1 2 3 2 2 下摆臂模态分析1 3 3 2 3 拖曳臂模态分析1 4 3 2 4 车身模态分析1 5 3 3 整车刚柔耦合模型1 5 3 3 1 整车多刚体虚拟样机模型1 6 3 3 2 整车刚柔耦合虚拟样机模型2 0 3 4 本章小结2 0 第四章横向稳定杆对整车操稳性的影响 2 1 4 1 引言2 1 4 2 横向稳定杆对回正性的影响2 2 4 2 1 主销内倾角和偏移距变化特性2 2 4 2 2 主销后倾角和拖距变化特性2 3 4 2 3 转向回正特性2 5 4 3 横向稳定杆对轮胎侧滑的影响3 1 4 3 1 前轮外倾角变化特性3 1 4 3 2 前轮前束变化特性3 2 v 基于刚柔耦合的i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究 4 3 3 轮胎侧滑量变化特性3 3 4 4 横向稳定杆对侧倾的影响3 6 4 5 横向稳定杆对纵倾的影响3 7 4 6 横向稳定杆应力特性3 8 4 7 本章小结3 9 第五章刚柔耦合虚拟样机试验验证 5 1 弓i 言z m 5 2 横向稳定杆动态应力应变试验4 0 5 2 1 测点选取4 0 5 2 2 贴应变片4 1 5 2 3 测试系统搭建4 1 5 2 4 匀速直线行驶工况试验4 2 5 2 5 紧急制动直线行驶工况试验4 2 5 2 6 变速圆周行驶工况试验。4 3 5 3整车转向回正试验。4 4 5 4 本章小结4 6 第六章横向稳定杆设计方法研究 4 7 6 1引言4 7 6 2 横向稳定杆结构和刚度设计4 7 6 3 横向稳定杆布置设计4 9 6 4 本章小结5 3 第七章结论与展望 7 1 全文总结。5 4 7 2 展望5 5 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文 v 5 6 5 9 6 0 江苏大学硕士学位论文 1 1 麦弗逊悬架概述 第一章绪论 麦弗逊式悬架是当今世界上应用最广泛的独立悬挂之一，主要由螺旋弹簧、 减振器、下摆臂、横向稳定杆等组成。根据下摆臂的外观和结构，麦弗逊悬架可 分为l 型和i 型两种【l 】【2 1 。 l 型麦弗逊式悬架如图1 1 所示，筒式减振器2 为滑动立柱，外套螺旋弹簧 图1 - 1l 型麦弗逊悬架 f i g 1 1 lt y p em c p h e r s o ns u s p e n s i o n 1 螺旋弹簧2 - 筒式减振器3 转向节禾连接杆5 球头销6 - l 型下摆臂 7 横向稳定杆& 副车架 1 ，l 型下摆臂6 内端通过橡胶衬套和副车架8 相连，横向稳定杆7 通过橡胶衬 套安装在副车架上。l 型麦弗逊式悬架最大的特点为：l 型下摆臂同时承受侧向 和纵向的力，横向稳定杆只起防侧倾作用，只承受因左右车轮反向跳动时引起的 扭转力。 i 型麦弗逊式悬架如图1 2 所示，与l 型麦弗逊式悬架最大的不同之处在于 传力导向机构的设置，下摆臂内端与车身连接处只有一个橡胶衬套，下摆臂只承 受侧向力，横向稳定杆除起到提高悬架侧倾刚度外，还起纵向推力杆的作用。 i 型麦弗逊式悬架承受纵向力的导向构件兼起横向稳定杆的作用，结构简单， 制造成本低，广泛应用于微型车辆，现行市场上的奇瑞q q 、雪佛兰s p a r k 、铃 木a l t o 和夏利等车均采用i 型麦弗逊式悬架。 基于刚柔耦合的i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究 图1 2 i 型麦弗逊悬架 f i g 1 - 2it y p em c p h e r s o ns u s p e n s i o n 1 螺旋弹簧2 前减振支柱3 转向节4 _ 下摆臂5 横向稳定杆 横向稳定杆为i 型麦弗逊式悬架的关键零部件，作为导向杆系，横向稳定杆 影响前悬的前轮定位参数；作为防侧倾杆，横向稳定杆影响整车的侧倾刚度，而 前轮定位参数和侧倾刚度的变化都直接影响整车的操纵稳定性。 本文基于刚柔耦合虚拟样机技术，研究横向稳定杆的结构和布置对前轮定位 参数及整车操纵稳定性产生的影响，以整车动态性能为目标，提出i 型麦弗逊悬 架横向稳定杆的设计方法。 1 2 横向稳定杆研究的现状 随着汽车技术的不断发展和人们对车辆操纵稳定性和平顺性的要求不断的 提高，汽车研究的领域也越来越深入。横向稳定杆作为麦弗逊悬架中重要的一部 分，自然成为了国内外的学者争相研究的对象。 美国d e a r b o r n 福特赛车技术中心的d a v i dc i m b a 等提出了一种新的横向稳 定杆的主动控制系统以尽量减少车身侧倾和提高舒适性。通过计算机理论仿真和 硬件测试使主动横向稳定杆控制系统满足性能要求，并以试验来验证主动横向稳 定杆控制系统液压压力和软管直径对乘员安全和舒适性的影响【3 1 。 韩国k o o k m i n 大学的yi r y u 等提出基于侧倾控制和平顺性的重型货车横 向稳定杆主动侧倾控制系统a r c ，建立了整车的多体动力学模型来指导后空气 悬架和a r c 系统设计，并通过整车稳态试验证明加载了a r c 系统后车辆的稳 2 江苏大学硕士学位论文 态和瞬态的侧倾响应都得到了明显的改善【4 l 。 德国的l o t h a rh a r z h e i m 和u l r i k e w a r n e c k e 建立了后悬架的a d a m s c a r 模型， 通过不断调整时间载荷求出横向稳定杆连杆的上下连接位置，并基于k r i g i n g 和 a n o v a 两种不同模型对横向稳定杆连杆的上下连接位置点进行强度的优化【5 】。 清华大学的宋健等采用h y p e r m e s h 软件建立了横向稳定杆的有限元模型， 采用实验数据和m s c m a r c 软件建立了橡胶衬套的模型，按照实际的受力与约束 对横向稳定杆的应力与变形进行了仿真计算，并对比分析了仿真计算结果和试验 数据，计算结果得到了试验的验证【6 】。 北京航空航天大学的丁能根等基于对横向稳定杆的受力分析，推导出其等效 在车轮处的侧倾角刚度，给出了稳定杆截面相当应力的计算公式和最大应力横截 面的位置，校核了横向稳定杆在最恶劣工况下的强度，最终根据横向稳定杆安装 位置及结构参数对其侧倾角刚度和最恶劣工况下应力的影响，提出了横向稳定杆 直径、几何尺寸和刚度的设计要剧7 】。 上汽集团股份汽车工程研究院的廖芳等在悬架侧倾特性的分析中建立了基 于a d a m s 软件平台的某车辆前悬架仿真分析模型，其中横向稳定杆结构分别采 用基于刚体模型、基于铁木辛柯梁理论、基于多柔体动力学模态叠加技术的三种 不同方法进行建模。悬架侧倾特性的理论仿真及试验分析结果表明，采用基于模 态叠加和基于铁木辛柯梁理论的横向稳定杆柔性体模型精度较高，而在基于材料 特性的稳定杆刚体模型中加入修正系数可以有效地提高仿真精度，使计算结果达 到要求问。 安徽江淮汽车股份有限公司技术中心的戴声良和唐学东等对某轻型客车单 斜臂式后悬架布置了横向稳定杆，并进行了前后悬架侧倾角刚度匹配，并根据几 何关系分析了横向稳定杆在悬架系统中运动协调性和有效性，通过试验来验证理 论计算的正确性。结果表明，设计的横向稳定杆能有效改善整车的操纵稳定性， 前后悬架的侧倾角刚度匹配也更趋合理1 9 】。 河北中兴汽车制造有限公司的陈玉莎应用a d a m s 软件建立了某车型前横向 稳定系统的多体运动学模型，针对稳定杆橡胶衬套磨损问题，对车轮动态跳动时 该系统参数的变化进行了仿真分析。依据分析结果，提出增加稳定杆衬套厚度、 将卡箍和橡胶衬套的接触面改为圆弧面、更改下横臂稳定杆卡箍支架在下横臂的 3 基于刚柔耦合的i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究 焊接角度等改进方案，解决了该车型前横向稳定杆衬套的早期磨损问题【l o l 。 华南理工大学机械与汽车工程学院的杨荣山等建立了基于悬架弹簧、减振器 及横向稳定杆的车辆多体动力学模型并进行了操纵稳定性与行驶平顺性的协同 优化仿真【1 1 l 。 上海交通大学机械与动力工程学院的喻川等基于c a t i a 软件，对荣威 7 5 0 f c v 前横向稳定杆进行轻量化设计，主要包括对前横向稳定杆采用空心设计， 以及采用新的高强度钢材料。对轻量化前后的前横向稳定杆进行有限元分析，主 要包括应力与变形分析，扭转刚度分析以及模态分析，理论仿真结果表明轻量化 的横向稳定杆符合强度与刚度的要求。最后进行了横向稳定杆的疲劳强度校核， 表明轻量化后的横向稳定杆在正常使用时是安全可靠的【1 2 1 。 淮阴工学院的刘永臣采用计算自振频率的方法直接根据结构参数得出加长 后横向稳定杆的直径改变量，并以原型件和改动件的第一阶自振频率相等为标 准，借助理论计算和a n s y s 模态分析两种方法对横向稳定杆进行了对比分析【1 3 】。 合肥工业大学的孙海涛等在充分考虑侧倾对汽车操纵稳定性影响的情况下， 建立了基于横向动力学的两自由度线性整车模型，基于侧偏刚度修正了模型，并 进行了汽车稳态转向特性仿真，验证了安装横向稳定杆在提高汽车侧倾角刚度的 同时更增加了汽车高速时的不足转向趋势，也为正确设计横向稳定杆的尺寸提供 了一定的帮助【1 4 1 。 综上所述，国内外对横向稳定杆的研究主要集中在以下几个方面：横向稳定 杆自身的几何和刚度、横向稳定杆对前后悬架刚度匹配的影响、横向稳定杆对整 车侧倾刚度和不足转向度等操纵稳定性的影响、横向稳定杆的主动控制技术等。 而且这些方面的研究都较集中的关注横向稳定杆的扭转刚度，即横向稳定杆对侧 倾刚度的影响，而针对i 型麦弗逊悬架横向稳定杆在轮胎跳动过程中产生的对前 轮定位参数的影响以及定位参数变化后造成的整车操稳性的变化的研究甚少。国 内虽有轿车采用i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计，但大多是通过试验验证或直接 采用国外成熟车型底盘，并无针对该种横向稳定杆成熟的设计方法出现。 横向稳定杆研究涉及主要的数学方法有：根据几何和传统力学的理论计算方 法、有限元模态分析方法、多刚体动力学方法和刚柔耦合虚拟样机方法等。传统 力学和模态方法只局限于研究横向稳定杆自身的几何和刚度特性等，而无法预测 横向稳定杆对整车系统的影响；多刚体动力学方法和刚柔耦合虚拟样机方法均能 4 江苏大学硕士学位论文 研究横向稳定杆对整车系统的影响，但刚柔耦合虚拟样机方法比多刚体动力学方 法仿真精度更高，更接近实际车辆，因为整车在运行过程中，部分零部件会由于 柔性而产生变形，多刚体动力学方法中忽略了这些柔性零部件的变形。因此，刚 柔耦合方法逐渐成为了研究整车动力学的主要方法之一。 1 3 本文研究的主要内容及意义 本文主要以某轿车i 型麦弗逊前悬架横向稳定杆为研究对象，建立基于横向 稳定杆的刚柔耦合整车虚拟样机数学模型来预测i 型麦弗逊悬架横向稳定杆对前 轮定位参数和整车操稳性的影响，通过横向稳定杆动态应力应变试验和整车转向 回正试验来验证数学模型的正确性，最后提出i 型麦弗逊悬架横向稳定杆的设计 方法。 主要研究内容如下： ( 1 ) 建立带横向稳定杆的整车刚柔耦合虚拟样机模型：利用h y p e r m e s h 软 件建立横向稳定杆、下摆臂、车身等柔性零部件的有限元模型，在n a s t r a n 软件 中分别进行模态分析，输出柔性零部件的中性m n f 文件，并把它们导入a d m a s 多刚体虚拟样机中替换原有刚体部件，建立整车刚柔耦合虚拟样机模型。 ( 2 ) 在刚柔耦合理论模型条件下，分析横向稳定杆整车回正、轮胎侧滑、 侧倾、纵倾性能的影响，分析横向稳定杆在极限工况下的应力情况。 ( 3 ) 用横向稳定杆动态应力应变试验和整车转向回正试验来验证虚拟样机 模型的正确性。 ( 4 ) 提出横向稳定杆的设计方法，包括横向稳定杆刚度的选取、结构尺寸 设计、装车布置设计、衬套设计和装车预应力的设定等。 本文对i 型麦弗逊悬架横向稳定杆研究的意义重大：对i 型麦弗逊的力学分 析将为相关车辆的力学分析积累一定的经验；整车刚柔耦合建模方法使仿真模型 精度更高，理论模型更接近实际车辆，此方法同样适用于其他车辆动力学研究； 横向稳定杆动态应力应变试验将为其他车辆相关零部件及整车试验提供一定的 参考；i 型麦弗逊式悬架横向稳定杆设计方法的提出将填补了国内无相关设计资 料的空白，为相关车辆麦弗逊悬架横向稳定杆的设计提供了理论依据。 5 基于刚柔耦合的i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究 第二章横向稳定杆特性分析 i 型麦弗逊悬架系统中零部件数量多，且形状复杂，各杆件间的连接方式多 样，在横向稳定杆特性分析前作如下假设： ( 1 )除横向稳定杆和螺旋弹簧外，假设其它杆件是相对刚性的，即在受 力过程中不发生变形。 ( 2 )假设橡胶衬套不衰减力的传递，即橡胶衬套不改变力的大小和方向。 ( 3 )假设橡胶衬套在杆件运动过程中不发生变形。 本章以i 型麦弗逊悬架为例，在整车坐标系下分析i 型麦弗逊悬架横向稳定 杆特性。 2 1 横向稳定杆性能分析 2 1 1 横向稳定杆受力分析 横向稳定杆在i 型麦弗逊悬架中受力比较复杂。在x 向上，横向稳定杆作为 导向杆系起纵摆臂的作用，传递车轮x 向的地面力，其力大小为： 6 f 也= f l l 氓= f i r 其中：允、厶横向稳定杆杆端x 向作用力 、地面对轮胎的x 向作用力。 s ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 图2 - 1 轮跳过程中下摆臂r 点孔距变化 f i g 2 - 1t h e d i s t a n c eb 咖c c i lr p o i n t so nl o w e rc o n t r o la l t o sv a r ya sw h e e lt r a v e l s 在y 向上，横向稳定杆并不传递轮胎y 向的地面力，轮胎的y 向力主要由 江苏大学硕士学位论文 下摆臂和减振器承受。但横向稳定杆在y 向上的装配预紧力及与下摆臂的连接 点的位置( 图2 1 中r 点) 却影响着i 型麦弗逊悬架的众多性能。当车轮在动行 程暇，】范围内跳动时，左右侧横向稳定杆与下摆臂铰接r 点距车身中心线y 向距离将在，k 1 间变化，如图2 - 1 所示。假设在自由状态下，横向稳定杆杆 端r 点距间距离为l 。轮跳过程中，当左右下摆臂r 点孔距处于眦，l 1 2 】时， 横向稳定杆杆端被压缩，杆端对下摆臂的y 向力朝轮胎方向；当左右下摆臂r 点孔距处于陋2 ，l 牡】时，横向稳定杆杆端被扩张，杆端对下摆臂的y 向力朝车 身中心面方向，即整个轮跳过程中，横向稳定杆杆端对下摆臂的力将发生变向。 试验证明这种力方向的改变会引起前轮的摆振、轮胎的偏磨、转向不回正等问题。 因此，当横向稳定杆装配在i 型麦弗逊悬架中时要使其具备一定的y 向装配预紧 力，即保证轮跳过程中下摆臂r 点孔距的最小值k 要大于横向稳定杆自由状态 下杆端间距2 ，保证横向稳定杆在轮跳过程中杆端r 点受力不发生反向。即： 缸= 去墨一三2 ) ( 2 - 3 ) a i r = 去峰一三2 ) ( 2 - 4 ) 其中：缸、横向稳定杆左右端y 向预紧力； 蜂横向稳定杆y 向刚度； k 、k 横向稳定杆左右杆端距车身中心面间距离。 2 1 2 横向稳定杆刚度分析 横向稳定杆作为防侧倾杆影响着整车的侧倾性能，其刚度值的大小影响着整 车的侧倾刚度的匹配。横向稳定杆的刚度可根据自身结构尺寸和在悬架中的安装 位置进行计算。 假设当车轮跳动时产生的向上运动行程为s ，此时体现在横向稳定杆杆端 的力和位移分别为只和蝇，如图2 - 1 ，图2 - 2 所示。根据材料力学可知当复杂 杆件受力c 时，引起的位移是为： a s 2 = 斟3 _ ，1 3 + l 2 l 玎+ 4 4 2 ( 乞+ 绷 ， 7 基于刚柔耦合的i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究 式中：只横向稳定杆杆端受力，n ； 丛，横向稳定杆杆端位移，r a i n ； e 材料弹性模量，2 0 5 1 0 s l v p a ； ，横向稳定杆截面极惯性矩，i ：丛，蛐： 6 4 d 横向稳定杆直径，i i l i i l5 一如横向稳定杆结构参数，见图2 _ 2 。 图2 - 2 横向稳定杆结构图 f i g 2 - 2s t r u c t u r ed i a g r a mo fs t a b i l i z e rb a r 横向稳定杆a b 段在小位移情况下是相对刚性的，则可求出横向稳定杆的刚 度：局2 惫2 再虿硐3 e i ( 2 - 6 ) 3 一3 + 鲁( + 如) 2 + 他2 ( 乞+ 鲁) 毕。w i 型麦弗逊悬架中，当轮胎受到地面垂直反力屁时，轮胎向上运动了& ， 而传递到横向稳定杆杆端a 点处的力和位移分别为b 和丛：，如图2 - 1 所示， 在小变形情况下，轮胎跳动和横向稳定杆变形所做的功是相等的，即 f z 。s 2 = f s 笛2 ( 2 - 7 ) 此时作用在横向稳定杆上的弯矩和转角分别为 m r = 耻 佟= 2 & 三 式中：工横向稳定杆杆端从宽度； m r 横向稳定杆所受弯矩； 8 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 江苏大学硕士学位论文 伤稹i 司稳定种所受转角； 由此可得出横向稳定杆的角刚度为 翰2 鲁2 三惫r = 三巧r 用相同的方法可以求出轮胎处的侧倾角刚度为 5 等2 三冬酽 式中：b 轮足瓦! ( 2 一l o ) ( 2 - 1 1 ) m 横向稳定杆轮胎接地处等效弯矩； 饰横向稳定杆轮胎接地处等效转角； 由式( 2 - 7 ) 、( 2 一l o ) 、( 2 - 1 1 ) 可知横向稳定杆在轮胎接地处的侧倾角刚度： = ( 鲁 2 ( 罢) 2 删饼万一3 e l 似刁 2 2 横向稳定杆应力计算 整军在转弯过程中，车身将产生侧倾，当侧倾角为诈时，横向稳定杆杆端a 和a 受z 向力为： e = 竽( 2 - 1 3 ) 由力学知识可知，当横向稳定杆发生扭转时，其最大剪切应力发生在曰c 和b c7 的圆角处，计算可得： ：争 ( 2 - 1 4 ) 一百 忙l 式中：彬一抗扭截面系数，彬= 等； d 横向稳定杆直径，l l l m ； 由于横向稳定杆在曰c 和口圆角处为复杂结构，其剪切应力计算不同于直 1 0 江苏大学硕士学位论丈 3 1 引言 第三章整车刚柔耦合虚拟样机建模 目前大量复杂的工程机械系统中较多零部件已采用轻质柔性材料，同时系统 的运行速度加快，运行精度的要求越来越高。这样就造成了系统的动力学特性越 来越复杂，将零部件简单地假设为刚体的多刚体系统动力学已无法解释系统复杂 的动力学特性【垌。因此，考虑零部件大范围运动和构件本身变形的柔性多体系 统的刚柔耦合理论得到了迅速的发展【1 7 1 。 本章基于刚柔耦合理论，建立整车的刚柔耦合虚拟样机数学模型。本文研究 样车在试制过程中发现横向稳定杆、拖曳臂和车身柔性较大，在整车运行过程中 存在较大变形，故对横向稳定杆、拖曳臂和车身进行柔性化处理，而下摆臂通过 橡胶衬套与横向稳定杆相连，为提高模型精度，对下摆臂也进行柔性化处理。 其基本思路如图3 1 所示： 悬架 转向动力制动 轮胎 系统系统系统系统 m 旧m bm bm b m b 模型 模型模型模型模型 车身t r i m 措m e 聃d i | 动力缩磷j 车身超单元i b o d yf e 模型li - 广1 “。i 图3 - 1 建模流程图 f i g 3 1f l o w c h a r to fm o d e l i n g ( 1 )将底盘中的柔性件进行模态分析，包括横向稳定杆、下摆臂、后拖 曳臂，用前处理软件h y p e r m e s h 进行网格划分，在p a t r a n 中进行相关属性和接 口设置，用n a s t r a n 求解生成中性模态m n f 文件。 ( 2 ) 建立白车身c a e 网格模型，并将动力总成、四门两盖、乘员座椅等 簧载质量在各自质心位置以集中质量形式加入，形成t r i m m e db o d y 模型，在 1 1 基于刚柔耦合的i 型麦弗逊悬架横向稳定杆设计研究 p a t r a n 中进行相关属性和接口设置，用n a s t r a n 求解生成中性模态m n f 文件。 ( 3 )在a d a m s 中建立悬架系统、转向系统、动力系统、制动系统等m b 模型，并组装成多刚体整车虚拟样机数学模型。 ( 4 )将底盘柔性件和车身模态分析生成的m n f 文件分别导入多刚体整车 虚拟样机中，替换原刚性件，建立整车刚柔耦合虚拟样机数学模型。 3 2 柔性零部件模态分析 模态分析是对结构进行动力分析和优化的基础，计算为了达到以下的目的： ( 1 )分析零部件自身结构特性，包括振动频率、振型和刚度等。 ( 2 )输出中性模态m n f 文件，为刚柔耦合模型提供柔性体。 3 2 1 横向稳定杆模态分析 横向稳定杆的三维模型由c a t i a 搭建，将横向稳定杆三维数模导入 h y p e r m e s h 进行网格划分，网格大小设置为l m m ，由于横向稳定杆的形状较为 规则，网格单元采用五面体和六面体，横向稳定杆有限元模型如图3 2 所示，单 元总数为8 2 6 7 6 个，其中六面体单元数为6 4 8 4 4 个，五面体单元数为1 7 8 3 2 个， 材料为6