（车辆工程专业论文）橡胶衬套刚度对悬架k＆c特性及整车稳太转向性能影响的分析.pdf

r 。一 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团。 学位论文作者签名：差杯 讪年名月b 日 匆砌 知j1 年7 月；日 jk_簪 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转 向性能影响的分析 a n a l y s i so ns u s p e n s i o nk & c c h a r a c t e ra n da u t o m o b i l e s t a b l es t e e r i n gp e r f o r m a n c ea f f e c t e db yr u b b e r b u s h i n gs t i f f n e s s 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 悬架系统作为汽车底盘总成上重要的子系统，对车辆平顺性、操 纵稳定性、制动性等整车性能有着重要的影响。现代汽车上，大量的 橡胶衬套被采用，因此对于悬架系统的研究不再局限于其纯粹的运动 学特性上，而是越来越多地考虑到橡胶衬套等弹性元件对悬架性能的 影响。橡胶衬套的变形对悬架k & c 特性及整车稳态转向性能的影响变 得越来越重要。本文针对橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性和整车稳态转 向性能的影响问题主要做了以下工作： 首先，本文分别指出了反映车轮定位、顺从转向、车身纵倾与侧 倾、轮胎磨损等悬架k & c 特性的评价指标，并给出其定义，阐述了研 究悬架k & c 特性的试验方法。通 x 立a d a m s c a r 建立了前悬架、后悬 架、转向系、横向稳定杆、动力总成、车身、轮胎、制动系等子系统 模型，并将所有子系统模型与整车试验台组装得到整车模型。 其次，对前悬架模型进行左右车轮同向跳动试验，运用 a d a m s i n s i g h t 对前悬架控制臂上的橡胶衬套刚度进行了灵敏度分 析。以对车轮定位参数和轮距影响比较大的橡胶衬套刚度为设计变 量，选取车轮定位参数和轮距为目标函数，应用多目标优化方法进行 试验优化设计。根据目标函数对设计空间进行过滤，优化了车轮定位 参数、轮距与轴距，通过选取影响转向特性与反映车身纵倾与侧倾的 悬架参数，分析了优化前后悬架的性能。结果表明，优化后悬架的大 部分性能较优化前有很好的改进。 然后，依次对前后悬架模型进行外加静载荷试验。对橡胶衬套的 径向刚度、轴向刚度和扭转刚度取不同的值，选取c 特性评价指标， 来分析橡胶衬套刚度变化对悬架c 特性的影响。研究发现，前悬架上 橡胶衬套的径向与轴向刚度和后悬架上橡胶衬套的径向刚度及其拖 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转向性能影响的分析 曳臂处橡胶衬套的轴向刚度对悬架c 特性有着重要的影响，而橡胶衬 套上的其他刚度基本不影响悬架c 特性。同时分析了橡胶衬套刚度的 变化对前后车轮转向角随外加载荷变化的影响。 最后，建立了汽车双轨运动模型，并推导了悬架橡胶衬套刚度影 响整车稳态转向性能的机理。依据汽车操纵稳定性试验方法，对整车 虚拟样机模型进行稳态回转试验仿真分析。通过前后轮纵向力与侧向 力附加转向，探讨了调整前后悬架橡胶衬套刚度等几种方案对整车稳 态转向性能的影响。结果表明，橡胶衬套刚度的变化能引起整车稳态 转向性能的变化，调整方案不同，则对整车稳态转向性能的影响不同。 关键词：橡胶衬套刚度，悬架k & c ，试验设计，稳态转向，评价指 标，a d a m s c a r 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u s p e n s i o ns y s t e ma sa l li m p o r t a n ts u b s y s t e mo fa u t o m o b i l ec h a s s i s a s s e m b l yp l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i nt h ei n f l u e n c eo nv e h i c l e c h a r a c t e r i s t i c si nr i d i n g ，h a n d l i n g ，b r a k i n ga n de t c r u b b e rb u s h i n g sa r e w i d e l y u s e di nm o d e ma u t o m o b i l e c h a s s i s ，s o ，s u s p e n s i o ns y s t e m r e s e a r c hi sn o tl i m i t e dt ok i n e m a t i c s ，b u tt h ei n f l u e n c eo ns u s p e n s i o n p e r f o r m a n c ee x e r t e db yf l e x i b l ec o m p o n e n t ss u c h 弱r u b b e rb u s h i n gi s t a k e ni n t oa c c o u n t d e f o r m a t i o no fr u b b e rb u s h i n gi ns u s p e n s i o nw o r k s i m p o r t a n t l yo nt h es u s p e n s i o nk & c c h a r a c t e ra n da u t o m o b i l es t a b l e s t e e r i n gp e r f o r m a n c e t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e so i lt h ei n f l u e n c ei m p a c t e d b yr u b b e rb u s h i n g s t i f f n e s so i ls u s p e n s i o nk & cc h a r a c t e ra n da u t o m o b i l e s t a b l es t e e r i n gp e r f o r m a n c ea r ec a r r i e do u t a tf i r s t ，e v a l u a t i o ni n d e xa n di t sd e f i n i t i o na n de v a l u a t i o nm e t h o d s o fs u s p e n s i o nk & cc h a r a c t e rr e f l e c t i n gw h e e la l i g n m e n t ，c o m p l i a n t s t e e r i n g , b o d yr o l l i n ga n dp i t c h i n ga n dt i r ew e a ra r eg i v e na n dp o i n t e d o u t t h em o d e l so fc a rs u b s y s t e m ，s u c h 瑟f r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o n ，t h e s t e e r i n g , t h es t a b l i z e rr o d ，t h ep o w e rt r a i n ，t h eb o d y , t h et i r ea n dt h e b r a k i n ga r eb u i l tw i t ha d a m s c a r a n dt h ea u t o m o b i l em u l t i b o d y s y s t e mm o d e li sa s s e m b l e db yt h es u b s y s t e m s s e c o n d l y , i m i t a t i o ne x p e r i r n e n tw i t ha d a m s i n s i g h ti nt h es a m e d i r e c t i o na n dt h es a m ea m p l i t u d eb u m pa n dr e b o u n do nt h ef r o n t s u s p e n s i o ni sc a r d e do u t t h es e n s i t i v i t yo fr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s so n t h ec o n t r o la r mo ff r o n ts u s p e n s i o ni sa n a l y z e d t h ev a r i a s i o no fw h e e l a l i g n m e n tp a r a m e t e r sa n dw h e e lt r a c ka r et a k e n 弱o b j e c t i v ef u n c t i o n s ， a n dt h ev a l i u e so fr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s s ，a f f e c t i n gt h ew h e e la l i g n m e n t p a r a m e t e r sa n d t h ew h e e lt r a c k s i g n i f i c a n t l y , a r et a k e na sd e s i g nv a r i a b l e s w i t hac o m b i n a t i o nm e t h o do fd e s i g no fe x p e r i m e n ta n dm u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ，t h ew h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s ，t h ew h e e lt r a c ka n dt h e 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转向性能影响的分析 w h e e lb a s ea r eo p t i m i z e da f t e rf i l t e r i n gd e s i g ns p a c e t h ev a r i a t i o no f s o m es u s p e n s i o np a r a m e t e r s ，a f f e c t i n gs t e e r i n gc h a r a c t e ra n dr e f l e c t i n g b o d yr o l l i n ga n dp i t c h i n ga r ea n a l y z e d ，a n dc o m p a r i s o n sb e t w e e nb e f o r e a n da f t e ro p t i m i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tm o s ts u s p e n s i o np e r f o r m a n c e a f t e ro p t i m i z a t i o nw a sb e t t e rt h a no n e sb e f o r eo p t i m i z a t i o n t h e n ，e l a s i c td e f o r m a t i o ne x p e r i m e n to ff r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o ni s c a r r i e do u t d i f f e r e n tv a l u e so fr u b b e rb u s h i n gr a d i a l ，a x i a la n dt o r s i o n a l s t i f f n e s sa r es e l e c t e d ，w h o s ei n f l u e n c eo ns u s p e n s i o ncc h a r a c t e re x e r t e d b yr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s si sa n a l y z e db ys e l e c t i n ge v a l u a t i o ni n d e xo f s u s p e n s i o nc c h a r a c t e r i ti sf o u n dt h a tf r o n ts u s p e n s i o nr u b b e rb u s h i n g r a d i a la n da x i a ls t i f f n e s sa n dr e a r s u s p e n s i o nr u b b e rb u s h i n gr a d i a l s t i f f n e s sa n da x i a ls t i f f n e s so fi t s t r a i l i n g a r ma f f e c t s u s p e n s i o nc c h a r a c t e rs i g n i f i c a n t l y , a n dt h eo t h e rs t i f f n e s sh a r d l ya f f e c t ss u s p e n s i o nc c h a r a c t e r m e a n w h i l et h ei n f l u e n c ed u et ot h ec h a n g eo fr u b b e rb u s h i n g s t i f f n e s so ns t e e r i n ga n g l ea l o n gw i t ha p p l i e dl o a d i n g si sa n a l y z e d f i n a l l y , t h ev e h i c l ed o u b l e t r a c km o v e m e n tm o d e li sb u i l t ，a n dt h e r e a s o no fi n f l u e n c eo na u t o m o b i l es t a b l es t e e r i n gp e r f o r m a n c ei m p a c t e d b ys u s p e n s i o nr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s si sd e d u c e d t h ea u t o m o b i l es t a b l e s t e e r i n gs i m u l a t i o na n a l y s i si sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ov e h i c l eh a n d l i n g s t a b i l i t y t e s t p r o c e d u r e w i t h t h ea d d i t i o n a l s t e e r i n g c a u s e d b y l o n g i t u d i n a la n dl a t e r a lf o r c e ，t h ei n f l u e n c eo fa d j u s t i n gf r o n ta n dr e a r s u s p e n s i o n r u b b e r b u s h i n gs t i f f n e s s o na u t o m o b i l es t a b l e s t e e r i n g p e r f o r m a n c e i sd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta u t o m o b i l es t a b l e s t e e r i n gp e r f o r m a n c ec o u l db ec h a n g e dw i t hc h a n g i n gr u b b e rb u s h i n g s t i f f n e s s ，t h a ts t a b l e s t e e r i n gp e r f o r m a n c ev a r i a t ed i f f e r e n t l yw i t h d i f f e r e n ta d j u s t m e n to fr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s s k e yw o r d s ：r u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s s ，s u s p e n s i o nk & c ，e x p e r i m e n t d e s i g n ，s t a b l es t e e r i n g ，e v a l u a t i o ni n d e x ，a d a m s c a r 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 本文研究目的与意义1 1 2 悬架k & c 特性的研究历史与发展现状2 1 2 1 悬架k & c 特性的理论研究历史2 1 2 2 悬架k & c 特性数据测试技术的发展现状4 1 3 本文研究的主要内容5 第二章独立悬架k & c 特性的评价指标与评价方法7 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 独立悬架k & c 特性的评价指标与方法综述7 独立悬架k & c 特性的评价指标7 2 2 1 车轮外倾角7 2 2 2 主销后倾角与主销后倾拖距8 2 2 3主销内倾角与内倾偏移距9 2 2 4 车轮前束。1 0 2 2 5 轮距变化量和轴距变化量1 1 2 2 6 顺从转向。1 1 2 2 7 侧倾中心高度、侧倾角刚度、侧倾角、悬架刚度1 2 2 2 8 制动点头和加速上仰1 4 独立悬架的仿真试验项目1 5 2 3 1 左右车轮同向跳动试验1 5 2 3 2 左右车轮反向跳动试验1 6 2 3 3 单侧轮跳试验1 7 2 3 4 悬架的侧倾与垂直力分析1 7 2 3 5 悬架的外加静载荷试验1 9 本章小结。1 9 前后悬架及整车模型的建立 3 1 前悬架模型的建立。2 0 3 2 后悬架模型的建立2 2 3 2 1 多连杆式后悬架中的各构件2 2 3 2 2 前束和外倾角参数变量2 3 3 2 3 轮毂2 3 3 2 4 安装件m o u n t 2 3 3 2 5 减振器与弹簧2 4 3 2 6 橡胶衬套与铰链2 5 3 2 7 定义主销轴线2 6 3 2 8 定义通讯器与测试通讯器2 6 v 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转向性能影响的分析 3 2 9 后多连杆独立悬架系统的建模2 7 3 3 转向系模型的建立2 8 3 4 横向稳定杆的建立2 8 3 5 动力系统与车身子系统模型的建立2 9 3 6 轮胎模型的建立2 9 3 7 制动系模型的建立3 0 3 8 整车虚拟样机模型的建立3 0 3 9 本章小结3 1 第四章橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性的影响分析3 2 4 1 橡胶衬套刚度对前悬架k & c 特性的影响分析3 2 4 1 1 前悬架橡胶衬套刚度的灵敏度分析及优化设计3 2 4 1 2 反映车轮定位及轮胎磨损的前悬架参数分析3 7 4 1 3 影响转向特性的前悬架参数分析。3 8 4 1 4 反映车身侧倾与纵倾的前悬架参数的分析4 0 4 1 5 橡胶衬套刚度对前悬架c 特性的影响分析4 1 4 1 6 前轮转向角随驱动力与侧向力的变化分析4 8 4 2 橡胶衬套刚度对后悬架c 特性的影响分析4 9 4 2 1 纵向力加载4 9 4 2 2 侧向力加载5 l 4 2 3后轮转向角随纵向力与侧向力的变化分析5 4 4 3 本章小结5 6 第五章橡胶衬套刚度对整车稳态转向性能影响的分析5 7 5 1 橡胶衬套刚度对整车稳态转向性能的影响机理5 7 5 1 1 车辆双轨模型。5 7 5 1 2 橡胶衬套刚度对整车稳态转向性能的影响机理的推导5 8 5 2 橡胶衬套刚度对整车稳态转向性能的影响6 2 5 2 1 前轮与后轮所受纵向力引起的附加转向6 2 5 2 2 前轮与后轮所受侧向力引起的附加转向6 3 5 2 3 整车稳态转向性能的分析6 4 5 3 本章小结7 0 第六章总结与展望7 l 6 1 工作总结7 1 6 2 研究展望7 1 参考文献。7 3 附录驾驶员控制文件( d c f ) 。7 6 致谢。7 9 攻读硕士期间发表的主要学术论文8 0 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文研究目的与意义 我国自从2 0 0 1 年加入w t o 以来，汽车工业在迎来了的机遇同时也面对着诸 多挑战。随着入世后车市“井喷 时代的结束，中国的车市进入了理性的发展阶 段，并且越来越重视自主品牌的开发和具有知识产权汽车开发平台的建设，但是 我国的底盘平台建设进展还比较缓慢。 底盘是汽车开发的基础平台。尽管现在车辆总成和部件的设计与制造被好多 汽车公司委托给一些汽车零部件供应商，但是底盘的开发作为核心技术一直受到 整车厂的重视。底盘系统包括转向系统、悬架系统、制动系统和轮胎等。一些重 要的底盘行驶性能如操纵稳定性、车辆平顺性及制动性等性能的优劣取决于各底 盘构成装置的是否协调，为实现底盘的高性能化，还需要使得各底盘构成装置和 车身的刚性等整体取得良好的匹配。 现代汽车底盘平台建设和整车性能分析中的重点和关键内容之一是悬架 k ( 运动学) c ( 弹性运动学) 特性的研究。k 特性描述的是车轮在弹簧变形过程和 转向时的运动，c 特性描述的是由于轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位 参数的变化，二者统称为k & c 特性【1 1 。悬架k & c 特性直接影响着整车的平顺性、 操纵稳定性，是国内外汽车传统动力学研究领域的一个热点问题。悬架k & c 特性 的分析和研究能为悬架的合理设计、整车各向特性矛盾的解决以及汽车性能的提 高提供重要的理论与试验依据1 2 1 。 在现代车辆的悬架系统中，人们愈来愈多地使用橡胶衬套等柔性联接。人们 使用此类柔性联接的主要原因是：与金属比起来，其弹性模量小，隔离振动的性 能优越；橡胶材料本身具有粘弹性，用于车辆的降噪；橡胶本身不会诱发固有振 动，还可以用于防振 3 1 。随着车速的不断提高，使得悬架系统在汽车横向运动时 所承受的侧向力大大增加。当汽车悬架上大量采用橡胶衬套后，橡胶衬套的作用 将不局限于隔离路面对车体的冲击，提高乘坐舒适性，而是使得悬架的弹性运动 变得十分突出，这会对汽车的操纵稳定性产生一定的影响。当考虑橡胶衬套等弹 性元件时，悬架的弹性运动学对前束的影响比运动学大得多，不仅使得悬架的弹 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转向性能影响的分析 性运动学在悬架的k & c 特性研究中占得比重更大，而且使得悬架弹性运动对整车 转向性能的影响变得极端重要，成为悬架k & c 特性研究的核心内容。 在悬架弹性运动过程中，橡胶衬套承受着来自各个方向的力和力矩，在空间 可能发生任意方向的变形，且这些变形之间存在着耦合，变形量通常都很小，橡 胶的材料和结构形状影响着其不同方向的刚度特性( 如图1 1 所示) 。 y x f y z 图1 1 橡胶村套的受力 f i g1 1t h e r e e e i v e df o r c eo fr u b b e rb u s h i n g 橡胶衬套等弹性元件对悬架系统特性和整车性能有着非常重要的影响，为使 其特性与悬架和整车系统有着良好的匹配，并且以此来改善悬架和整车的性能， 就有必要运用虚拟样机的方法在悬架或者整车系统的层次上来研究橡胶衬套特 性对悬架系统性能和整车行驶性能的影响。本文通过选取一些悬架k & c 特性的评 价指标，运用a d a m s 软件进行仿真试验，来分析橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性 及整车的操纵稳定性的影响，为以后的悬架设计和整车开发提供了理论基础与技 术支持，并具有重要的现实意义。 1 2 悬架k & c 特性的研究历史与发展现状 1 2 1 悬架k & c 特性的理论研究历史 1 9 3 3 年，g b r o u l h i e t 在s a e 上发表的一篇文章较为详细地讨论了独立悬架， 国际汽车界的学者们就开始对悬架运动学特性展开了研究和分析。研究的主要内 容涉及到车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角、前束角及轮距等车轮定位参数 2 江苏大学硕士学位论文 对汽车的直线行驶性能、稳态转向特性、轮胎磨损和回正性等汽车行驶性能的影 响。研究假设不考虑悬架系统的弹性，来分析悬架导向机构刚性元件的运动规律， 通过车轮的上下跳动，来分析这些规律对汽车行驶性能的影响。 2 0 世纪8 0 年代，德国学者耶尔森赖姆帕尔所著的汽车底盘基础【1 】一书 中，详细地论述了各种悬架的k & c 特性，其著作的悬架元件及底盘力学【4 】 介绍了各种类型的悬架及其在不同情况下的受力分析。德国人阿达姆措莫托在 其所著的汽车行驶性能网、日本学者安部正人所著的汽车的运动与操纵 嗍等著作中深入讨论分析了悬架k & c 特性对汽车操纵稳定性的影响。德国 w r o l f g a n gm a t s c h i n s k y 编写的车辆悬架【刀以悬架的理论建模、橡胶支撑的模 型为出发点深入地研究分析了悬架c 特性的理论。在分析悬架c 特性时，对悬 架模型进行受力分析，推导出变形与力的关系，并将橡胶衬套铰接的处理简化成 三根互相垂直的弹簧。由j o z e fk n a p c z y k 在s a e 上发表的带有车架的五杆悬 架的弹性运动模型的研究【明一文中通过建立五连杆悬架的运动学与弹性运动学 模型来分析其悬架特性，并通过实验验证。由m v b l u n d e l l 在s a e 上发表的橡 胶衬套柔性对悬架运动的影响 9 1 描述了在车辆悬架相对于车身的垂直运动时橡 胶衬套对平顺性的影响，通过运用多体动力学软件来预测悬架的性能，概括了悬 架的设计趋势很大程度上取决于橡胶衬套的变形。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始逐步对汽车悬架k c 特性展开研究，研究成果 则多见于2 0 世纪9 0 年代。郭孔辉教授所著的汽车操纵动力学【1 0 】系统地分析 了悬架的k & c 特性，在国内首次从侧向力转向、纵向力转向的角度来研究悬架 k & c 特性，深入分析了悬架k & c 特性对汽车转向特性的影响因素。他所著的汽 车悬架设计与底盘平台相关技术中讲到了悬架的运动学、车身侧倾与纵倾、轮 荷转移、侧倾转向、侧向力转向、纵向力转向、车轮定位、轮胎特性与稳态转向 特性、汽车操纵的瞬态响应等。他指导的研究生等发表文章【1 1 以3 1 探讨橡胶衬套特 性对悬架运动学与整车操纵稳定性的影响，通过运用a d a m s c a r 与 s u s p e n s i o n s i m 来建立悬架模型，分析悬架的运动学与弹性运动学特性并进行了 实验研究，通过a d a m s c a r 与c a r s i m 建立整车模型，来分析整车的操纵稳 定性。 9 0 年代，吉林工业大学的林逸教授等人在其发表文章中【m 1 5 】阐述了橡胶元 3 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转向性能影响的分析 件的基本性能及其对汽车平顺性与操纵稳定性的影响，并给出一种处理弹性运动 学问题的方法。余振龙、具龙锡所写的轿车悬架橡胶衬套结构特点分析【1 q 中介绍了橡胶衬套的种类及其在悬架中的应用，同时还分析了橡胶衬套的结构设 计及其疲劳性能。 清华大学的吕振华教授在其发表的五连杆悬架的刚体运动学与弹性运动学 分析 1 7 1 中，基于矢量分析原理分析了五连杆悬架的运动学及其受力，提出了一 种考虑橡胶衬套弹性的悬架弹性运动学特性迭代计算方法，分析了橡胶衬套弹性 对车辆性能的影响。悬架的性能直接影响到车辆的操纵稳定性、乘坐舒适性等整 车性能，而橡胶衬套特性对悬架系统有着至关重要的作用，尤其对高速行驶的车 辆显得更为重要。在实际的设计工作中，存在如何确定这些橡胶衬套性能要求的 问题。同济大学的雷雨成教授等发表文章【1 8 - 2 0 l 探讨了将橡胶衬套等弹性元件运 用于汽车设计开发中的方法，主要研究了汽车悬架橡胶衬套的力学特性及其对悬 架运动学的影响。 吉林大学的宋传学教授等采用虚拟样机技术深入研究了悬架的k & c 特性 1 2 1 例：比较全面地阐述了悬架系统k & c 特性的评价指标及其定义，并给出了评 价方法，然后运用这些评价指标对悬架的k & c 特性进行了分析，运用灵敏度分析 的方法分析了橡胶衬套刚度对悬架特性的影响，通过对橡胶衬套进行模态分析， 分析了衬套材料和安装方向对悬架弹性运动与整车稳态转向特性的影响。而吉林 大学的管欣教授等也发表文章1 2 5 1 ，运用灵敏度分析的方法对悬架的k & c 特性进行 优化与改进。 1 2 2 悬架k & c 特性数据测试技术的发展现状 悬架k & c 特性实验台( 如图1 2 所示) 是用来测试悬架特性的一种大型设备， 在汽车的设计与开发过程中起着非常重要的作用。在开发一辆新车的过程中，特 别是在早期阶段，需要测量与新车型相同的目标车的结构设计参数及其悬架 k & c 特性参数，为新车的设计提供了详细的帮助。到了新车型开发的后期阶段， 要测量对标车的悬架k & c 特性参数，并且记录对标车改进时悬架k & c 特性的 变化，有利于对各系统与总成的性能进行匹配，悬架k & c 特性实验台的应用能 够提升整车的开发能力【1 3 1 。 4 江苏大学硕士学位论文 现在国际上有几家大型的专业汽车测试设备开发商，其手中积累和掌握着大 量整车悬架k & c 测试设备的开发技术，其中比较著名的有：英国的l o t u s 和 a b d 、美国的m t s 、意大利的宾法、德国的i k 和法国m i c h e l i n 。我国在悬架 k & c 试验设备的自主开发方面也做了一些探索性的工作。吉林大学的汽车动态 模拟国家重点实验室在郭孔辉教授的领导下，研制开发了整车单轴悬架k & c 特 性试验刽2 6 1 。 图1 2k & c 试验台 f i g1 2t h et e s tp l a t f o r mo fk & c c h a r a c t e r i s t i c 1 3 本文研究的主要内容 汽车悬架的k & c 特性是一项重要的系统总成特性，其对转向特性、制动性、 平顺性及n v h 特性等整车性能有着重要的影响，而橡胶衬套的存在使得悬架的弹 性运动对整车稳态转向性能的影响变得越来越重要。上述文献的研究只是选取了 车轮定位参数来分析橡胶衬套刚度对悬架k & c 的特性的影响，且在研究橡胶衬套 刚度对悬架k & c 特性的影响时，同时改变了橡胶衬套的各向刚度。而本文围绕橡 胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车操纵稳定性特别是稳态转向性能影响的研 究，除了选取车轮定位参数等悬架k k c 特性的评价指标外，还选取了影响转向特 性及反映车身侧倾与纵倾的悬架参数来评价悬架的k & c 特性，同时分别考虑了橡 胶衬套x 、y 径向刚度，z 轴向刚度及扭转刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转向 性能的影响。主要内容如下： 5 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转向性能影响的分析 首先，本论文指出了悬架k & c 特性的评价指标，并给出其定义，同时给出 了评价悬架系统性能的方法。 其次，运用a d a m s c a r 建立前悬架、后悬架，转向系、横向稳定杆、动力总 成、车身、轮胎以及制动系等子系统模型，在此基础上，完成整车虚拟样机模型 的装配。 然后，对前悬架仿真模型进行左右车轮同向跳动试验，用a d a m s i n s i g h t 来分析橡胶衬套刚度的灵敏度，并分析了橡胶衬套刚度对前悬架性能的影响。对 前后悬架仿真模型进行外加载荷试验，来分析橡胶衬套刚度变化对悬架c 特性的 影响，同时分析了橡胶衬套刚度对前后车轮转向角随侧向力与纵向力的变化率的 影响。 最后，通过建立汽车的双轨运动模型推导出悬架橡胶衬套刚度对整车转向性 能的影响机理，依据汽车操纵稳定性试验方法对整车进行稳态回转试验。根据车 轮转向角随侧向力与纵向力变化率的分析结果，探讨了调整前后悬架橡胶衬套刚 度等几种方案对整车转向性能的影响。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章独立悬架k & c 特性的评价指标与评价方法 2 1 独立悬架k & c 特性的评价指标与方法综述 独立悬架k & c 特性的研究包含两方面的内容，即用哪些评价指标和采用什 么样的试验方法来研究悬架的k & c 特性。 悬架k & c 特性影响着汽车操纵稳定性、行驶平顺性和行驶速度等整车性能， 在悬架的设计过程中应满足操纵稳定性和平顺性等多种要求，汽车设计阳一 书详细介绍了悬架的设计过程及要求。 从某种角度来讲，悬架k & c 特性的研究都属于悬架运动学的内容，它们之 间的差别就在于是否考虑到了橡胶衬套等弹性元件对悬架性能的影响。悬架 k & c 特性研究的是在车轮与车身发生相对运动或者车轮受到来自路面的各种力 和力矩的作用时，悬架的导向机构对汽车操纵稳定性的影响，所以应该以此为出 发点来研究悬架的k & c 特性。评价悬架性能的参数包括：车轮外倾角、主销后 倾角、主销内倾角、前束角、侧倾中心高度、侧倾角、侧倾角刚度、悬架刚度、 制动时前悬架的点头量及后悬架的抬头量、加速时前悬架的上仰量及后悬架的下 蹲量、侧向力顺从转向、侧向力变形转向、侧向力外倾转向、轮距变化量和轴距 变化量等，这些参数反映了车轮定位、车身的纵倾与侧倾、顺从转向和轮胎磨损 等悬架的k & c 特性。其试验方法有两种：一种是计算机软件仿真法，另一种是通 过汽车悬架实验台，进行实车台架实验。由于我国对悬架运动学的研究起步较晚， 还没有达到成熟的地步，且国内只有几家高校有试验台，因此本文采用计算机软 件仿真法来研究悬架的性能。其试验方法主要有：左右车轮同向跳动试验、单侧 车轮跳动试验、车身侧倾试验、左右车轮反向跳动试验和外加静载荷试验闭。 2 2 独立悬架k & c 特性的评价指标 2 2 1 车轮外倾角 车轮外倾角的定义：通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线和地面 垂线之间的夹角2 9 1 ，如图2 1 所示( 图示外倾角为正) 。 7 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转向性能影响的分析 图2 1 车轮外倾角示意图 f i g2 1t h es k e t c hm a p o ft h ec a m b e ra n g l e 车轮外倾的作用主要是当汽车行驶时，将轮毂压向内轴承，而减轻外端较小 的轴承载荷，同时，可以防止因前轴变形和主销孔与主销间隙过大引起前轮内倾， 防止轮胎偏磨损。同时，外倾角也使车轮与拱形路面相适应。但是，外倾角也不 宜过大，否则会使轮胎产生偏磨损。 前轮的外倾角是在转向节的设计中确定的。设计时使转向节轴颈的轴线与水 平面成一角度，该角度即为前轮外倾角( 一般情况下多为1 。左右) 。 轿车的前轮通常设计成具有微小的正外倾角，以便轮胎尽可能垂直于稍微有 点拱形的路面滚动，并使磨损均匀和滚动阻力减小，在采用独立悬架和复合式悬 架的后悬架中，为提高轮胎的侧偏性能，车轮外倾角通常设计成负值。 由于独立悬架的缺点是在汽车曲线行驶时，车轮随车身一起倾斜，即车身外 侧车轮相对于地面向正的外倾角方向变化，从而使得承载较高一侧的轮胎的侧偏 性能降低。为消除这一影响，轿车的悬架通常设计成：在车轮上跳时，外倾角朝 负值变化，而在车轮下跳时，外倾角朝正值变化【1 1 。 2 2 2 主销后倾角与主销后倾拖距 设计转向桥时，使主销在汽车的纵向平面内，其上部有向后的一个倾角r ， 即主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，如图2 2 所示f 图示主销后倾 角为正) 。a 和b 之间的距离称为主销后倾拖距( 图示主销后倾拖距为正) 。 主销后倾角与主销后倾拖距的作用：主销后倾角对操纵稳定性的影响是通过 后倾拖距来实现的，其能形成回正的稳定力矩。当主销具有后倾角y 时，主销轴 线与路面的交点a 将位于车轮与路面接触点b 的前面，a b 之间的距离形成了主 销后倾拖距。当汽车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转时，将 8 江苏大学硕士学位论文 使汽车行驶方向向右偏离。这时由于汽车本身离心力的作用，在车轮与路面接触 点b 处，路面对车轮作用着一个侧向反作用力毋。反力毋对车轮形成绕主销轴 线作用的力矩f y l ，其方向正好与车轮偏转方向相反。在此力矩作用下，将使车 轮回到原来的位置，从而保证汽车的稳定直线行驶，故此力矩称为稳定力矩。但 此力矩也不宜过大，否则会产生转向沉重。因为稳定力矩的大小取决于的大小， 而工的大小又取决于后倾角y 的大小。现在一般采用的，角不超过2 3 。现代 汽车由于轮胎气压降低，弹性增加，而引起稳定力矩增大。因此，y 角可减少到 接近于0 ，甚至为负值【冽。 厂漱 图2 2 主销后倾角作用示意图 f i g2 2t h es k e t c hm a p o ft h ec a s t e ra n g l e 2 2 3 主销内倾角与内倾偏移距 在设计转向桥时，主销在汽车横向平面内，其上部向内倾斜一个夕角，此角 称为主销内倾角。因此主销内倾角的定义为：主销轴线与地面垂直线在汽车横向 平面内的夹角，如图2 3 所示( 图示主销内倾角为正) 。 薅境 f i 。j 事 图2 3 主销内倾角作用示意图 f i g 2 3t h es k e t c hm a po ft h ek i n g p i ni n c l i n a t i o na n g l e 9 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车稳态转向性能影响的分析 主销内倾角也有使车轮自动回正的作用。主销的内倾还使得主销轴线与路 面交点到车轮中心平面与地面交线的距离c 即主销内倾偏移距减小，