（机械制造及其自动化专业论文）汽车独立悬架中扭力杆的特殊功能分析与研究.pdf

中文摘要 汽车悬架是车架与车桥之问的动力连接装置。它可以降低汽车在不 平路面上行驶时车架与车身的振动，对汽车的行驶平j 顷性、操纵稳定性 和乘坐舒适性有很大影响。扭力杆是汽车悬挂系统中一个重要的零件， 起到传递力、缓和冲击与振动的作用。扭力卡t 的失效形式为扭转断裂，它 关系到汽车在行驶中的安全。本文通过对扭力杆在独立悬架中的功能研 究，探索出如何提高独立悬架系统性能的方法。 本文的研究方法是通过建立扭力相与独立悬架的数学模型，以理 论分析为基础，结合具体的悬架结构，运用a d a m s 和m a t l a b 软件。对 研究的对象进行仿真分析，使设计人员在近似真实的模拟条件下能够更 好的对目标进行研究；同时，还引入了参数化的设计方法，通过编程， 增加了入机交互式界面，可灵活的对悬架导向机构主要构件的空间几 何尺寸进行动态调整；在优化设计过程中，针对汽车悬架运动学、动 力学的特定要求，对具体的目标进行优化设计，从而获得良好的行驶 平顺性和操纵稳定性。此外，从行驶安全性的角度，详细探讨了扭力杆 在：亡作叫的应力问题，对影响因素进行了分析，为扭力卡t 的设计提供了 参考依掘。 通过研究，作者明确了独立悬架与扭力杆的内在联系，认识了扭力 杆在悬架中的功能特性及其影响规律，从而有助于对悬架系统性能的改 善，整车综合性能的提高。 关键词：扭力杆独立悬架，分析与研究 a b s t r a c t f h e s u s p e n s i o ns y s t e mi st h ed e v i c ew h i c hc o n n e c t st h ef l a m ea n dt h e a x l e i tc a nr e d u c et h ev i b r a t i o no ft h ef l a m ea n dt h eb o d y a s s e m b l yo nr o u g h r o a da n dh a sg r e a te f f e c to ns m o o t hd r i v i n g 、c o n t r o ls t a b i l i z a t i o na n dr i d e c o m f o r tt h et o r s i o nb a rs p r i n gi sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h es u s p e n s i o ns y s t e m a n dh a st h ef u n c t i o n so ff o r c et r a n s f e r i n g 、i m p a c ta l l e c i a t i n ga n dv i b r a t i o n a t t e n u a t i n g i t si n v a l i d a t i o no f t u r n i n gr u p t u r e l e a d st o d r i v i n gs a f e t y p r o b l e m s o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nt h et o r s i o nb a rs p r i n gi nt h es u s p e n s i o n s y s t e m ，t h ep a p e r f i n d st h ew a yt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h es u s p e n s i o n s y s t e m t h ep a p e re s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo 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 n ，a n a l y s e st h es p e c i f i c s t r u c t u r ei n t h e o r y ，u s e s t h e s o f l w a r e so fa d a m sa n dm a t l a bt os i m u l a t et h ef u n c t i o n sw h i c ha r e n e a r l ys i m i l a rw i t ht h ea c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n s a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e r a d o p t st h ew a yo fp a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，p r o g r a m s t o a d j u s t t h e s y s t e m p a r a m e t e r sc o n v e n i e n t l ya n di n d u c t st h eo p t i m i z ed e s i g nw i t ht h ec o n c r e t e t a r g e t st oi m p r o v e t h es u s p e n s i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e r p a lt i c u l a r l yd i s c u s s e st h es t r e s sp h e n o m e n ao ft h et o r s i o nb a rs p r i n g u n d e r w o r k i n gc o n d i t i o ni ns a f e t ya s p e c t 、a n a l y s e st h ef a c t o r so f i n f l u e n c ea n d s e t su pt h ef o u n d a t i o nf o rd e s i g n i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rf i n d st h ei n n e rr e l a t i o nb e t w e e nt h et o r s i o nb a r s p r i n g a n dt h e i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o ns y s t e m a n du n d e r s t a n d sh o wt h e t o r s i o nb a rs p r i n ga f f e c t st h ef u n c t i o n so ft h ei n d e p e n d e n t s u s p e n s i o ns y s t e m a l lt h a tw i l lr e d o u n dt ot h ep e r f o r m a n c e sa m e n d i n go ft h e i n d e p e n d e n t s u s p e n s i o na n d t h ev e h i c l e k e y w o r d s ：t o r s i o nb a rs p r i n g i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n a n a l y s i sa n d r e s e a r c h 武汉理丁人学硕l 。学位论文 第1 章引言 1 1 独立悬架系统 悬架把车架( 或车身) 与车桥( 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) 之问的一切力和力矩， 并且缓和由不平路面传递给车架( 或车身) 的冲击载荷，衰减由冲 击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性，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，使汽车获得高速行驶能力。 1 1 1 悬架的组成 悬架i 血弹性元件、导向装置和减振器等部分组成。 弹性元件用来承受并传递垂直载荷，吸收汽车在不平坦的道路 上行驶时所引起的冲击。 导向装置用来传递纵向力，侧向力和幽此产生的力矩，并保证 车轮相对于车架( 或车身) 作规定的几何运动。 减振器用于快速衰减车架和车身的振动。 在多数轿车和客车上，为了防止车身在转弯行驶等情况下发生 过大的倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件一一横向稳定器。 由此可见，汽车悬架的功能是缓冲、导向和减振，然而总的功 能是传力。应当指出，悬架要具备上述功能，在结构上并非一定要 设置满足上述各功能的单独的装置。例如常见的钢板弹簧，除了作 为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置并且一端与车架 作固定铰链连接时，它本身还能够起到传递各向力和力矩以及决定 车轮运动轨迹的作用，因而可以不再另设置导向机构。 武汉理工大学碰，l 学位论立 1 1 2 悬架系统的频率 由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量( 簧载质量) 所决定的车身 固有频率( 亦称为振动系统的自由振动频率) ，是影响汽车行驶平顺 性的悬架重要性能指标之一。人体所习惯的垂直振动频率是步行时 身体上下运动的频率，约为1 1 6 h z 。车身固有频率应当尽可能 地处于或接近这一频率范围。根据力学分析，如果将汽车看作一个 在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的固有频率为 心2 去括= 击摆 m 轳瓦瓦2 瓦1 云 1 式中，g 为重力加速度；为悬架垂直变形( 挠度) ：腻为悬架簧载 质量；c ( c = m 。g l ) 为悬架刚度( 不一定等于弹性元件的刚度) ， 它指使车轮中心相对于车架和车身向上移动的单位距离( 即使悬架 产生单位垂直压缩变形) 所需要加于悬架上的垂直载荷。 由上式可见”1 ： ( 1 ) 在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度越小，则汽车固有 频率越低。但悬架刚度越小，在一定载荷下悬架垂直变形就越大， 即车轮上下跳动所需要的空间越大，这对于簧载质量大的货车，在 结构上是难以保证的，故实际上货车的车身固有频率往往偏高，而 大大超过了上述理想的频率范围。 ( 2 ) 当悬架刚度一定时，簧载质量越大，则悬架垂直变形越大， 而固有频率低，故空车行驶时的车身固有频率要比满载行驶时的高。 簧载质量变化范围越大，则频率变化范围也越大。 为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车 身固有频率保持不变或变化很小，就需要将悬架刚度做成可变的， 即空车时悬架剐度小，而载苟增加时，悬架刚度随之增加。 有些弹性元件本身的刚度就是可变的，如气体弹簧；有些悬架 所用的弹性元件的刚度虽然是不变的但是安装在悬架中之后，可 使整个悬架具有可变的刚度刚度，例如扭力杆悬架。 武汉理丁大学硕【+ 学位论文 1 1 3 悬架的分类 汽车的悬架可以分为非独立悬架和独立悬架两类。 非独立悬架的结构特点是：汽车两侧车轮分别安装在一根整体 式的车桥两端，车桥则通过弹性元件与车架相连接。这种悬架当一 侧车轮因道路不同而跳动时，将要影响另一侧车轮的工作。 独立悬架中，两侧车轮分别安装在断开式的车桥两端，每段车 桥和车轮单独通过弹簧与车架相连。这样当一侧车轮跳动时，对另 一侧车轮不发生影响。独立悬架广泛用于轿车中。 独立悬架具有如下优点： ( 1 ) 在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以单独运 动而互不影响，这样在不平道路上可以减少车架和车身的振动，而 且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象。 ( 2 ) 减少了汽车的非簧载质量( 即不由弹簧支承的质量) 。在非 独立悬架的情况下，整个车桥和车轮部属于非簧载质量部分。在采 用独立悬架时，对驱动桥而言，由于主减速器、差速器及其外壳固 定在车架上，成了簧载质量：对转向轴而言，它仅具有转向主销和 转向节，而中部的整体梁不再存在，所以在采用独立悬架时，非簧 载质量只包括车轮质量和悬架系统中的一部分零件的全部或部分质 量，显然比用非独立悬架时的非簧载质量要小得多。在道路条件和 车速相同时，非簧载质量越小，则悬架受到的冲击载荷也越小，故 采用独立悬架可以提高汽车的平均行驶速度。 ( 3 ) 采用断开式车桥，发动机总成的位置可以降低和前移，使 汽车中心下降，提高了汽车行驶稳定性：同时给予车轮较大的上下 运动的空间，因而可将悬架刚度设计得较小，使车身振动频率降低， 以改善行驶平顺性。 ( 4 ) 可以保证汽车在不平道路上行驶时，所有车轮和路面有良 好的接触，从而增大牵引力：此外，可增大汽车的离地间隙，因而 大大提高越野汽车的通过性能。 独立悬架一般由螺旋弹簧或扭力杆和直接双动式减振器组成a 武汉理工大学硕士学位论文 独立悬架的的结构特点是两侧的车轮各自独立的与车架或车身弹性 连接，以适应各种路面情况。 独立悬架分类； 独立悬架的结构类型很多，按照车轮的运动形式，独立悬架可 分为横臂式、纵臂式、烛式和麦克弗森式。 ( 1 ) 车轮在汽车横向平面内摆动的悬架( 横臂式独立悬架) ； ( 2 ) 车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架( 纵臂式独立悬架) ； ( 3 ) 车轮沿主销移动的悬架，其中包括烛式和麦克弗森式悬架 ( 滑柱连杆式悬架) 。 独立悬架广泛地被采用在现代汽车上，特别是轿车的转向轮普 遍采用了独立悬架。但是，独立悬架结构复杂，制造成本高，保养 维修不便：在一般情况下，车轮跳动时，由于车轮外倾角与轮距变 化较大，轮胎磨损较严重。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 扭力杆 扭力杆是汽车悬挂系统的重要零件之一它作为一种弹性元件， 被广泛的应用于现代汽车的悬架中。扭力卡下悬架的基本原理是利用 钢杆或钢管的纵向扭转提供弹簧作用，当车轮跳动时，扭力杆变形 保证车轮与车架的弹性联系。 扭力杆及扭杆悬架主要具有以下优点：1 、扭力杆的单位质量 储能量是钢板弹簧的2 4 3 3 倍，可节省材料，减轻重量；2 、它比 螺旋弹簧占用空间小，布置更为方便；3 、由于扭力杼本身就固定在 车架上，使非簧载质量小，有利于改善行驶平顺性：4 、由于扭杆的一 端与调节臂连接，因而可以通过不同的装配预扭角实现车身在一定 范围内的高度调节：5 、扭力杆与固定臂和调节臂的连接结构简单， 在保养中一般无维护要求。 扭力杆可以按照断面形状或弹性元件数量的不同来分类。按照 断面形状的不同，扭力杆可以分为圆形、管形、片形等几种：按照 弹性元件数量不同可以分为单杆式和组合式两种，组合式又可以分 为并联和串联两种。端部做成花键的圆形断面扭力杆，因工艺性良 好而得到广泛的应用，但是其材料利用不太合理；管形扭力杆有制 造工艺性比较复杂的缺点，但是其材料利用合理且能够用来制作组 合扭力杆；片形断面扭力丰t 在一片断裂后仍能工作，所以工作可靠 性好，此外还有弹性好、扭角大的优点，其缺点也是材料利用不太 合理；组合式扭力杆能缩短弹性元件的长度，有利于在汽车上布置。 扭力秆的力学性能直接影响到汽车行驶的安全性和乘坐的舒适 性。扭力杆在工作状态下主要承受扭矩，它的失效形式为扭转断裂， 汽车在行驶中产生这种情况，将会给乘客的生命财产带来严重威胁， 故它是保安件。 当用于前驱动汽车的前悬架时，扭力孛丁可以纵向布置，为前驱 动桥的摆动半轴腾出空间，但是扭力杆的制造成本较高，对材料以 及工艺的要求较严。另外，扭力孝下仅能起到弹性元件的作用，与纵 武汉理工大学硕士学位论文 置钢板弹簧悬架比较，必缳有导向机构，因此虽然简化了弹性元件 的发计，却使得悬架的设计复杂化了。 扭力奉t 的结构虽然简单，但要开发出成本低、质量高的扭力杆 则受到材料、设计水平、制造水平等诸多因素的制约。近年来，随 着我国轿车、轻型客车及轻型汽车丌发与制造水平的进步，汽车扭 力杆的丌发和制造水平也取得了长足的进展。然而，在降低材料成 本、采用合理高效的制造工艺、提高扭力杆的疲劳寿命和改善其抗 蠕变性能等方面仍有许多课题值得探索。 武汉理t 人学硕i j 学位论文 第2 章双横臂扭杆悬架系统运动学分析 2 1 双横臂扭杆悬架机构运动分析 汽车悬挂系统是影响车辆操纵稳定性和平顺性的重要因素。悬架 的主要性能参数在悬架运动过程中的变化规律是影响悬架性能的主要 因素，对悬架系进行运动学分析是评价悬架性能的重要手段，也是进行 汽车操纵稳定性和平顺性分析的基础。 为了使汽车具有稳定的直线行驶能力和自动回正作用，并具有转 向轻便性，以及减少汽车在行驶过程中轮胎和转向机件的磨损，转向 车轮、转向节和前轴三者之间的安装必须具有一定的相对位置。这种 具有一定的相对位置反映在主销和前轮的相对安装上，称为前轮定位。 前轮定位包括”1 ：主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮 前束。 2 1 1 双横臂独立悬架 双横臂独立机构是目前独立悬架中使用最广泛的导向机构之一。 它是一种比较复杂的空间机构，其运动直观性差，运动复杂。 双横臂独立机构应满足如下要求： ( 1 ) 悬架上载荷变化时，保证轮距变化较小，以免引起轮胎的磨损； ( 2 ) 悬架上载荷变化时车轮定位参数要有合理的变化特性，车轮 不应产生纵向加速度； ( 3 ) 汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小； ( 4 ) 汽车制动时，应使车身有抗前俯作用，加速时，有抗后仰作用。 双横臂独立悬架的两个摆臂长度可以相等，也可以不等。在两摆 臂长度等常的悬架中，当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，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；在两摆臂 武汉理1 1 人学坝：l 二学位论义 长度等常的悬架中，如果两摆臂长度选择合适，可以使车轮和主销的 角度以及轮距的变化都不太大。 导向机构在车轮的上下跳动过程中，应不使主销的定位参数变化 过大。车轮与导向机构应运动协调。 2 1 2 导向机构的运动分析 双横臂双扭杆独立悬架的导向机构可简化为图2 一l 所示的凹连杆 机构，其中各参数意义如下： 0i 。o 。上下横臂相对于初 始安装位置所转的角度； o 。o 矿一上下横臂初始安 装角； l l 。1 ：上下横臂长度； h 主销长度； d 扭杆r p 心距： a 主销与u 轴夹角； v 大梁侧倾角。 图2 一l 导向机构简图 几何关系： ( 1 ) 上下横臂的转角关系 由图2 - 1 所示的机构模型，可得到上下横臂的转角关系： a c o s ( e 2 0 + 岛+ v ) 一b c o s ( e j 。+ 幺+ 甲) + c = c o s ( o , o + 鼠一暖。一吼) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中， a = d | l 。b = d 1 1 c = ；半。2 2 1 在上下横臂处于初始安装位置时，0 。= 口：= 0 ，则有 武汉理】：大学硕i 。学位论文 a c o s ( 8 2 0 + v ) 一b c o s ( o , o + 甲) + c = c o s ( 8 , o 一目2 0 ) ( 2 3 ) 式( 2 - 1 ) 和式( 2 3 ) 表示了0i 、o ，、0 。、e ：。之间的关系，即由四 连杆机构运动所决定的上下横臂的转角关系。 ( 2 ) 主销内倾角翦l 车轮外倾角 设a 。为机构处于初始位置时，主销与u 轴的夹角，设b 。、b 分别为 初始位置和任意位置时的主销内倾角，根据式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 变换可 得到主销内倾角的变化量： e k = p p o = s i n 。l 鲁s i n ( 岛。+ 呸+ 甲) 一i l ls i n ( q 。+ 鼠+ 掣) i s i n “怯s i n ( 易。+ 甲) 一鲁s i n ( 岛。+ v ) f ( 2 4 ) 对于车轮外倾角 在悬架导向机构运动 的时候，对悬架性能 产生影响的是外倾角 的变化量，而其变化 最与主销内倾角的变 化量相同，因此在以 后的分析中只需考虑 主销内倾角的变化量 即可。 z v a 图2 - 2 导向机构运动分析简图 ( 3 ) 车轮的垂直位移和横向位移 当悬架导向机构上下运动时，与主销刚性连接的车轮会产生垂直 位移和横向位移( 相对于初始位置) ，如图2 一z 所示。连杆( 主销) 的运 动可分解为随d 点的平动和绕d 点的转动( 图中t 点移动到t 点) ， 9 武汉理工大学碰_ 学位论文 因此车轮的垂直位移和横向位移均可分解为两种运动产生的位移之 和。 则垂直位移为： 厂= r 2 c o s 0 2 0 c o s ( 0 2 0 + 岛) 】+ 2 【c o s 2 一c o s ( f 1 2 + 瓯) 】 ( 2 5 ) 横向位移为： y = r 2 - s i n 0 2 0 + s i n ( 岛o + 吼) 】+ 2 - s i n f l 2 + s i n ( f 1 2 + 吼) 】( 2 6 ) 根据以上推导的公式( 2 1 ) ( 2 6 ) ，就可以确定双横臂扭杆独 立悬架的运动关系。 武汉理 = 大学砚j 二学位论文 2 2 双横臂扭杆悬架机构运动仿真 某公司开发的新车型，为了提高整车的乘坐舒适性和操纵稳定性， 该车的前悬挂为双横臂扭杆式独立悬挂，扭力杆与下悬臂相连接：采 用双向筒式减振器，一端固定在车架上，另一端与下悬臂相连。 浚车型悬挂运动分析所需的参数较多，这里仅列出对悬挂运动有 重要影响的部分参数“，如表2 - l 所示( 坐标系的规定：x 轴，汽车纵向， 后为f ：y 轴，汽车横向，右为正：z 轴，汽车垂向，上为f ) 。 表( 2 - 1 ) 悬挂参数 参数名称数据 推力杆前安装点( 装丁车架x 一3 9 1 ，y = 一2 4 5 ，z 一8 7 3 导向机构杆系各连上) 接点的坐标值( r a m ) 推力杆后安装点( 装】：f 横x 一3 5 3 ，y 一5 3 9 ，9 ，z 一1 5 9 臂上) 扫件f 的前后安装点前安装点花键中心点x = 7 3 。y 一2 4 5 。z 一11 6 3 的坐标值( m m ) 后安装点花键中心点x = 9 4 0 ，y 一2 4 5 z 一1 1 6 3 = ： 杆刚度( n m ( 。) ) 5 2 1 2 丰f 件f 的刚度以及其 上支点坐标( 车架上)x = 6 8 。y 一4 1 6 ，z = 1 7 9 4 前 它各连接铰链点处 下支点坐标( f 横臂上) x = 一4 2 ，y = - 4 6 5 4 ，z = 一8 7 3 减 弹性单元的各向刚 活塞速度( m s ) 0 3 振 度和阻尼 复原阻力( n ) l t 7 0 器 压缩阻力( n ) 4 5 0 上前安装点x = 一5 1 ，y = 一3 3 9 3 ，z = 1 3 5 上f 横臂与中架连 横 后安装点x = 6 5 。y 一3 3 9 3 z = 1 2 5 接点的坐标值( m m ) 臂 f 横臂安装点x 一4 2 y 一2 4 5 ，z = 一11 6 3 主销上f 球头的坐 上球头销中心点x = 6 8 。y 一5 6 0 ，z = 1 5 9 6 标值( m m )下球头销中心点x = 一4 2 ，y = 一6 0 4 8 ，z = 一1 0 0 武汉理t 大学硕j 学位论文 前轮中心点的坐标值( m m )x = l - 4 y 一6 8 7 5 。z 一2 3 9 前轮旋转轴线在主销轴线上的投影点的坐标值 x = 1 4 ，y = 一5 8 9 5 。z 一2 3 9 ( m m ) x = 一1 3 7 5 ，y = 一6 0 3 6 ，z = 一5 8 转向梯形断点的坐标值( m m ) 6 转向短横杆与转向横拉杆连接球销中心的坐标值x = 一1 3 7 5 ，y = 一2 8 5 ，z = 一5 86 ( r a m ) 主销后倾角( 。)3 主销内倾角( 。) 1 0 前轮定位参数 前轮外倾角( 。) o 5 前束( m m ) 2 轮胎型号 1 9 5 r1 4 l t 前轮胎参数 静力半径( m m )3 0 9 横向稳定杆的剐度 扭转刚度心m ( 6 ) ) 4 6 4 3 平各连接点的坐标 前安装点( 下横臂上)x = 一4 2 y = 一5 1 0 ，z = 一1 1 4 值( m m ) 后安装点( 乖架上)x = 2 5 2 5 y 一3 2 0 ，z 一6 13 2 2 1 悬挂系统的建模 我们利用美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的机 械系统动力学仿真软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，对此悬挂系统进行建模。 根据所提供的参数建立扭杆式独立悬挂系统的模型。该模型由两 部分组成：1 、由上横臂、下横臂、减振器、扭杆等组成的悬挂系主体 部分；2 、激振台架部分。模型如图( 2 - 3 ) 所示。 在模型中，关键要确定各个部件的连接方式，即约束的类型。只 有满足悬架系统空间运动的自由度要求，所建立模型刁_ 自够通过检测， 武汉理t 大学i i i j ：【：学位论文 为以后的运动分析、动力学分析刨造基础。 建立模型时，将车身固定在空间，激振台架部分采用正弦波激励 通过车轮传递，使整个悬架导向机构产生运动。 2 2 2 仿真运动分析 图2 - 3 前悬架模型 根据前轮上下最大跳动量，设置激振台架上下激振位移的最大值， 使左右车轮同步上下跳动，计算在车轮上下跳动过程中的悬挂特性参 数。由于该车前轮轮心的上跳极限小于5 0 r a m ，在仿真计算中轮心的上 下跳动量均取5 0 r a m ，稍作放大处理，以在更为严酷的工况下来考查其 悬挂的运动特性。 在a d a m s 中设置悬架导向机构一个周期运动时间以及运动的持 续时间，然后就可以在仿真运动中看到模型在激振台架的作用下运动， 同时可以直观的观察各个部件的运动。国2 - 4 为前悬架模型仿真运动 一祯的显示。 武汉理工大学硼_ 上学位论文 图2 - 4 前悬架模型仿真运动一祯 为了研究悬架参数在仿真运动过程中的变化情况，通过建立参数 的函数关系式，编辑相应的程序使系统在仿真运动的过程中记录下 参数的动态变化，然后输出结果。这里输出与悬挂运动有关的几个参 数：在车轮由下行一5 0 r a m 到上行5 0 m 时，车轮外倾角、主销后倾角、 主销内倾角、前束、轮距、车轮跳动产生的转向角的变化曲线。 ( 1 ) 车轮外倾角 车轮外倾角是车轮中心平面与地面垂线的夹角，当车轮顶端向车 身外侧倾斜时取正值。通常认为外倾角应使车轮经常处于与地面垂直 的状态。一般尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角的变化，在常见 的车轮跳动范围内，其变化量控制在士1 。以内。应合理选择悬挂的设 计参数，使得车轮由下向上跳动时外倾角向减小的方向变化，以确保 汽车曲线行驶过程中车身侧倾时，外倾车轮接近于垂直地面状态，从 4 武汉理t 人学碱小学位论文 而提高轮胎的侧偏特性。但这受到下述因素的制约：如车轮山一f 向上 跳动时外倾角向负值方向变化过大，在汽车满载工况下可能出现车轮 外倾角负值过大，导致轮胎磨损严重及产生热量过大，严重时会造成轮 l l t 俐w d h - 1 _ 帆f l _ c r 科q j _ 咀t r 酬l 、 k r_ n 弋 、 、 、 图2 5 车轮跳动量与车轮外倾角变化关系 从图2 5 可以看出，车轮由下向上跳动过程中，车轮外倾角由正向 负变化。当车轮下跳6 0 m m 时，车轮外倾角为0 7 。，当车轮上跳5 0 m m 时，车轮外倾角为一1 2 6 。，其变化范围略微超出1 。，基本满足设计 要求。 ( 2 ) 主销后倾角 在汽车纵向平面内，主销上部向后倾斜的角度称为主销后倾角。主 销后倾角与主销相对轮心的偏置距一起，应保证足够的侧向力回正力 矩，以利于汽车直线行驶。一般主销后倾角越大，主销后倾拖距也越大， 则回难力矩的力臂越大，因此回正力矩也就越大。但是回f 力矩不宜过 大，否则在转向时为了克服此力矩，驾驶员必须在方向盘上施加较大的 力( 方向盘发沉) ，因此主销后倾角不宣过大，一般认为2 3 。是合理的 范冈。 图2 6 为车轮左右同步上下跳动时主销后倾角的变化曲线。从图 武汉删j ：大学坝1 学位论文 i k 蝌jr 叫| ? j i l 二 ：。 ， 。 。 _ i 一 i i ! 7二，_ _ l i 。 e _ 一 z 7 l二 i | | 一 ， 图2 - 6 车轮跳动量与主销后倾角变化关系 中- 】以看出，在车轮出下向上跳动过程中，主销后倾角越来越大。当车 轮下跳5 0 m m 和上跳5 0 m 时，主销后倾角分别为2 3 。和3 1 。，其变化 范围满足要求。 ( 3 ) 主销内倾角 在汽车横向平面内，主销上部向内倾斜的角度称为主销内倾角。主 销内倾角也有使车轮自动回正的作用，其有利用汽车本身的重力使车 轮回复到原来中问位露的效应。主销内倾角与主销横向偏移距是相联 系的，主销内倾有利于主销横向偏移距的减小，从而减少转向时驾驶员 加在方向盘的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到方向盘 上的冲击力。内倾角不宜过大，否则转向时，在车轮绕主销转动的过程 巾，轮胎与路面之间将产生较大的滑动，增加轮胎与路面间摩擦阻力， 这不仅使转向发沉而目加速轮胎的磨损。一般认为在车轮上跳时，主 销内倾角的增加应尽量减小，以避免主销内倾角变化过大。图2 7 为车 轮左右同步上下跳动时主销内倾角的变化曲线。 从图2 7 可看出，在车轮由下向上跳动过程中，主销内倾角呈增长 趋势，但变化幅度不大，当车轮下跳5 0 m m 和上跳5 0 m m 时，主销内倾角分 别为9 1 。雨i1 1 2 3 。，其变化范围也是较为理想的。 武汉理r 人学硐i 学位论义 l _ f u k d n j t h t 虮f u t d t h 州j r v _ l ， 少 ， 夕 一，7 - 。一， 图2 7 车轮跳动量与主销内倾角变化关系 ( 4 ) 胁束 合理确定1 j i 束随车轮跳动量的变化规律，可获得希望的不足转向 和行驶特性。如果前桥车轮上跳时，前束向负角度方向变化，或后桥车 轮上跳时，前束向正角度方向变化，均可使汽车在曲线行驶时增加不足 转向的趋势。同时还应注意到，车轮跳动过程巾过大的前束变化会因轮 胎的侧偏使其磨损加剧、滚动阻力增大以及直线行驶能力下降。图2 8 为车轮t i 右同步上下跳动时i j 束的变化曲线。 1 - - f c t l 。n n 钟1 ”# “f u t d t h 雠l t r 州i | ， 1 _ l _ 。 、 、 _ 气i 卜 、 、 x 1 摹h 图2 - 8 车轮跳动量与前束变化关系 汉理t 人学坝i 学位论史 从图28 中可以看出，前轮的前束值是随着车轮的j ：跳向负值方 向变化的，且变化幅度不大，这与上述要求是一致的。 ( 5 ) 轮距的变化 “1 二独立悬挂的左右车轮相对独立，互不关联，轮距在车轮的上下 跳动中将发生变化。汽车在行驶过程中，轮距的变化会引起两侧轮胎产 ，i i 方向相反n 勺侧偏运动，从而使轮胎产生侧向力，则汽车的直线行驶能 力下降，滚动阻力增大。此外，轮距的变化还会对转向传动机构的特性 产! _ l 三影响，因此，轮距的变化应控制在一定范围之内。图2 - 9 为车轮左 才i 司步i ：f 跳动时，左右车轮轮心在y 向的变化曲线。 j 焉：! 紫测”m ，一一一，一j r| _ j _ 卜 、一 i 溪 二| 一! i 乏爿孑 i 0 1 姻 图2 - 9 车轮跳动量与轮距变化的关系 从图2 - 9 可以看出，在车轮的上跳动过程中，左车轮先由正值方向 向负值方向缓慢移动，然后又向f 值方向变化，且向正值方向移动量较 大：右车轮的横向移动趋势与左轮相反。因此，在车轮由下向上跳动的 过程中，左右车轮的轮距是先减小，然后增大，再减小，且上跳阶段的减 少量要大于下跳阶段的减少量。当车轮下跳5 0 m m 和上跳5 0 m m 时，轮距 的变化最分别为7 9 m m 和0 2 m m 。 ( 6 ) 主销的转角 武汉理丁人学碗l 学位论文 车轮跳动产生的转向角在车轮的上下跳动过程中，方向盘固定，由 于转向拉杆的作用，左右车轮会产生绕主销的转动，使左右车轮产生转 向角。一般要求将转向角控制在一定范围内，否则汽车的操纵稳定性会 变坏，而且轮胎的磨损也会加剧。图2 一1 0 为车轮左右同步上下跳动时 左右车轮转向角的变化曲线。从图中可以看出，左右车轮的转向角变化 不大，在1 5 。之内，且左右车轮的变化趋势f 好相反。 州j 忡_ = = 戤嚣等黧嚣“一t “叫 _ 一fi 1 ，_ ，刊： | 参 卜 _ 弓 、k - ，i 一7 。 、 k 、 、 、 略- i_ 卜 。 ， 、 r 一，|隅! f； 图2 1 0 车轮跳动量与主销的转角变化的关系 通过上述有关悬挂的各种运动特性参数的仿真结果可以看出，浚 车的扭杆式独立悬挂可以较好地满足悬挂运动特性要求。 9 武汉理工人学硕卜学位论殳 2 3 双横臂扭杆悬架机构的优化 23 1 结构参数化分析 参数化分析是研究设计参数变化对于仿真样机性能的影响。在参 数化分析当中系统对于不同的设计参数值，自动的运行一系列仿真 分析，然后返回分析结果。通过对参数化分析结果的研究，可以获得 个或多个参数变化对仿真样机的影响，获得最危险的工况咀及最优 化的仿真样机模型”3 由于前悬架左右两边的结构对称，因此选择左边车轮作为研究对 象。由上一节给定的数据建立的单边模型如图2 1 1 所示。 图2 1 11 2 前悬架模型 在研究设计之前，要确定研究的对象。将对悬架的运动产生影响 的部什作为研究对象并将其设景为研究的变量，确定变量的初始值 武汉理一人学坝i 学位论卫 以及变景的变化范围( 依据设计要求大体确定一个范围) 。这样可以对 悬架导向机构各部分作。一定的调整，以便于进行分析时选择一个合适 f l j 参数值。 ( 1 ) 变量设计 原模型r f l ，双上横臂的作用可以通过计算，以单上横臂来等效。 将士销的参数( 长度、后倾角、内倾角) 、上横臂的参数( 长度、1 2 横 忖水s 卜剩置角、上横臂横向平面倾角) 、下横臂的参数( 长度、下横臂 水平斜胃角、下横臂横向平面倾角) 等九个量作为研究对象，并确定 为变用，并为这些变量选择合理的变化范围。 图2 一1 2 导向机构参数化图 ( 2 ) 修改菜单栏 通过编辑程序，在界面主菜单栏中添加一列新的下拉菜单( 悬架参 武汉理1 i 大学颂l j 学位论文 数凋整h l o d i f ys u s p a r a m e t e r ) ，其中包含主销参数、上横臂参数、 f 横臂参数三个选择项，当点击该菜单栏的某项时，就跳出干应的参 数划话框。每个列话框f 1 1 显示该变量的原始值( 滚动条居与可调 整的范围( 滚动条在最左端或最右端) 。如图2 1 2 所示。 ( 3 ) 参数调整 通过拖动相应的滚动条，就可以改变对应变量的值，从而使悬架 符部件的空川位置发生相对变化，并且在模型巾形象的显示出来。此 时可以运行2 2 节中所编辑的程序，观察先前测量的曲线发生的变化。 2 32 结构的优化分析 a d a m s 优化分析的基本思想是：如果某个设计变撬发生变化，或 取不同的值，样机模型的性能会发生怎样的变化。在设计研究过程t ， 刘某个设计参数在一定范围内取若干值，然后自动的进行一系列的仿 真分析，每次取不同的设计参数值，完成设计分析后报告各次分析的 结果，分析设计参数的影响。 莉：具体的模型中，根据我们设计的确定f 1 标，在各种设计要求和 指定的变量变化范围内，通过运行程序，让计算机自动的根据设讣变 最，运行分析程序求取目标函数的最大值或最小值，达到优化的目的。 优化分析中的目标函数是一个数值表达式，我们根据要研究的具 体目标，选择在优化分析中是求取最大值还是最小值。从而获得最佳 的目标值，达到最优设计。 汽午轮胎的例向滑移会加速轮胎的磨损，并影响到汽车f j 直线行 驶能力，降低安全性，因此要尽量减少侧i , g 滑移量。汽车在行驶过程 巾，轮胎的侧向滑移与悬架的导向机构结构形式密切相关，因此将减 少侧向滑移量作为优化悬架的目标。 ( 1 ) 定义目标函数 选择车轮接地点侧向滑移量的绝对值为目标函数，通过对主销长 j 氏沮删i + 人学顾i 学位论文 度、主销内倾角、主销后倾角、上横臂跃度、下横臂长发n 个变量的 优化分析，使车轮接地点侧向滑移量的绝划值最小。( 当然也可以选挥 更多的变鼠进行优化) 。预 先设定悬架导向机构的一 个运动周期为1 秒，运行 程序，系统生成f - t 标函数 曲线。在一个周期巾，单 边乍轮侧向滑移量的最大 值为2 8 4 2 m m ，蜘i 图2 1 3 所示。 图2 1 3 目标函数l u i 线 ( 2 ) 优化模型 以降低侧向滑移量为目 标，优化的目标为日标函数 取最小值。a d a m s 对f t 标函 数进行优化分析，系统同时 生成目标函数相对于迭代次 数变化的曲线窗口。通过曲 图2 1 4 日标函数变化的曲线窗口，可以直观地看到日标函 图2 1 5 目标函数相对于迭代次数的曲线 数在优化过程中的变化情 况。如图2 1 4 和图2 1 5 所 示。 c 汉删! f ：人学恻i j 学忙睑立 ( 3 ) 观看优化结果 系统届示出优化结果的信息窗h 。如图21 6 所示。 图2 1 6 优化结果信息窗口 日标函数取最小值的时候，变量在设定的范围内变化并获得一个 确定的数值。山优化结果可以看出，主销长度( 设计变量d v - 1 ) 、主 销内倾角( 设计变量d v 一2 ) 、主销后倾角( 设i t 变量d v 一3 ) 、上横臂睬 度( 设训变量d v 一4 ) 、下横臂长度( 设计变量d v 一7 ) 的最终值优化为 2 6 6 2 7 m m ，9 6 5 2 6 。，2 8 8 9 6 。，2 0 6 3 m m ，4 0 0 5 0 m m ，车轮的侧向 滑移l h2 8 4 2 咖下降为1 7 3 4n l l n ，在一定程度上降低了轮胎的磨损 情况。( 其q _ f 各变尾原始数值分别为2 6 3 7 m m ，9 ，7 9 。，2 d 3 。， 2 2 2 6 6 m m 。 3 6 0 2 r a m ) j 心汉雎1r 人学倒ii j 学化论史 2 4 双横臂扭杆悬架刚度的确定 息架受到垂直外力作j l ； j 而引起的车轮巾一c 、相剥二j 二车身位移的变化 关系川1 线称为：恩架的弹性特性，其切线的斜率就是悬架的刚度。扭杆 悬架的刚度取决于扣力杆的刚度和导向机构的形式。丰1 【力卡t 本身刚度 足0 i 变的，但是山于有导向机构的缘敝，扭柙悬架的刚度是可变的。 当f l t ；s j 秆是纵置于车架l ：，通过双横借和车轮相连，在这种结构 卜，车轮上垂直反力与作1 1 j 在横臂端扭动扭杆之州的力是不同的，扭 杆横臂端的位移与车轮垂直位移也是不同的，因此不能够简r f l 的采川i 刚l ! ：f 内理论公式来确定悬架1 7 1 7 1 1 1 皮。i i ：l i i i 。应根据功能定理来推导。如 果忽略悬架r l l 的摩擦力，存在以下的关系式： 小考虑悬架运动巾的摩擦，则根据功能原理可得到 j r ) 够= 脚口 ( 2 7 ) ，一坼个车轮所承受的簧上载荷； 4 卜扭抒承受的扭矩； ( ，- 车轮在p 作用一f 的微量垂直位移； 口扭丰| ：的微量扭转角， 又发 i l 杆的扭转刚度为c g ，则 p d j = c 。8 d 8 j i ) ：o 型( 2 8 ) ” 仔。， 1 碣j 式r i ，l 为轴距。 通常，令s ：擘，并称为悬挂质量分配系数。可以看出当 5 = 1 的时候，联系质量n l z 。= o 。根据统计，大部分汽车的 s = o8 1 2 ，即接近l 。在g = 1 的情况下，前、后轴的上方车 身部分的集中质量n l ：，、m 。，的垂直方向上的运动是相互独立的。 武汉理丁大学硕：i ：学位论文 当前轮遇到路面不平度而引起的振动时，质量m ：，运动而m 。， 刁i 运动；反之亦然。因此在这种特殊情况下，可以分别讨论 m 。，和前轮轴以及m ：，和后轮轴所构成的两个双质量系统的振 动。 在远离车轮部分固有频率f ( 1 0 1 5 l z ) 的较低激振频率 范围( 如5 h z 以下) ，轮胎变形很小，忽略其弹性与车轮质量， 就可以得到分析车身垂直振动的最简单的单质量系统。 武汉理t 人学碗。i ：学位论义 3 2 汽车平顺性及路面不平度的统计特征 3 2 1 汽车的平顺性 汽车行驶时，出路面不平以及发动机、传动系和车轮等旋转部件 激发汽车的振动。通常，路面不平是汽车振动的基本输入，j f i l 页性 ( r i d e ) 主要指路两不平引起的汽车扳动，频率范围为0 5 2 5 h z “1 。 汽午的平顺性主要是保持汽车在行驶过程巾产生的振动和冲击环境对 输入振动系统 输i i l 订价指标 踏l 斫小r弹性元件 乍身传叠人 加杈加速度 j 皇珊l 尼元件 体的加速度 均方根值 悬架弹簧动 午速乖身午轮 挠度 捕卉悬架神 质量 车轮与路面 簧限位概牢 之问的动载 行驶安争性 乘员舒适性的影响在一定界限内，因