（车辆工程专业论文）中气轿车多连杆悬架系统kc特性分析与操纵稳定性评价研究.pdfVIP

硕士学位论文 摘要 随着人们对汽车性能要求的日益提高 如何有效提高汽车在高速状态下的操 纵稳定性等性能 成为当今行业研究的热点问题 而悬架系统的性能由于直接影 响着汽车的整体表现 成为汽车研发的关键之一 本文是国家重大专项 中国高水平汽车自主创新能力建设 子项目之一 旨 在针对中气轿车上应用的前四连杆式 后拖臂四连杆式悬架系统 进行性能分析 并确定合适的操纵稳定性客观评价指标 对影响其动态表现的底盘参数进行探讨 为该项目后期的改进设计及调校工作提供理论依据与工程导向 首先 利用a d a m s c a r 软件建立了前四连杆 后拖臂四连杆的悬架系统模型 模型充分考虑了橡胶衬套等组件的力学特性 具有较高的精细度与完整度 依据 此模型 对中气轿车前后悬架系统的k c 运动学与柔度 特性进行了详尽的分析 分析结果显示了该套悬架系统良好的性能 为方便对底盘参数产生的影响进行探讨 其次在c a r s i m 软件中建立了完整的 中气轿车动力学模型 同时利用 魔术公式 轮胎模型对轮胎的试验数据进行拟 合 有效提高了模型的精度 再次 分析比较了国内外几种较为完整的操纵稳定性客观评价体系 结合近 些年的研究成果 提出了一套适用于中气轿车的操纵稳定性的客观评价体系及试 验方法 体系中的指标充分涵盖了汽车稳态特性 瞬态时域特性及瞬态频域特性3 个方面 具有较高的完整度 随后 依据已经建立的客观评价体系 对影响整车操纵稳定性的多种底盘参 数进行了深入探讨 这些参数分为2 部分1 0 个方面 1 影响车轮载荷的因素 包括轴荷分配 侧倾刚度分配 减振器阻尼系数 减振器压缩 回弹阻尼分配共4 个方面 2 影响车轮定位的因素 包括转向系柔度 静态车轮束角 侧倾转向 侧向 力顺从转向 静态车轮外倾角 侧倾外倾共6 个方面 最后 对2 部分的参数进行了综合比较 得出了操纵稳定性各个指标对各个参 数的影响敏感度表 并据敏感度表对中气轿车的底盘部分参数进行了重新设置 对比结果表明中气轿车的操纵稳定性有明显的提升 关键词 四连杆式悬架 拖臂四连杆式悬架 悬架k c 特性 魔术公式 轮胎 模型 操纵稳定性客观评价 敏感度分析 n 中气轿车多连杆悬架系统k c 特性分析与操纵稳定性评价研究 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h e i n c r e a s i n g d e m a n d sf o rt h ei m p r o v e m e n to fa u t o m o t i v e p e r f o r m a n c e h o wt oe l e v a t ev e h i c l eh a n d l i n gu n d e rh i 曲 s p e e de f 诧c t i v e l yb e c o m e sa h o ti s s u ei na u t o m o t i v e i n d u s t r yn o w a d a y s s u s p e n s i o ns y s t e m w h i c ha f f e c t s v e h i c l e sb e h a v i o rd i r e c t l y i so n eo ft h e k e yp o i n t si nt h er dp r o c e s so f a u t o m o b i l e s t h i st h e s i si so n eo ft h es u b p r o je c t si nt h en a t i o n a lm a j o rp r o je c t i n d e p e n d e n t c r e a t i v ec a p a b i l i t y c o n s t r u c t i o no fh i 曲 l e v e la u t o m o b i l ec h i n a f o c u s i n go nt h e p e r f o m a n c ea n a l y s i so ft h e 行o n tf o u 卜l i n ka n dr e a rt r a i l i n g a r mf o u r 1 i n ks u s p e n s i o n s y s t e m e q u i p p e do nz h o n g q is e d a n a n dd e t e r m i n e p r o p e ro b je c t i v ee v a l u a t i o n i n d e x e so fh a n d l i n gf o rt h ed i s c u s s i o no ft h ec h a s s i sp a r a m e t e r sa f 诧c t i n gv e h i c l e s d y n a m i c a lb e h a v i o r t h es t u d yw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa sw e l la se n g i n e e r i n g g u i d a n c ef 6 rt h e1 a t e rd e s i g ni m p r o v e m e n ta n dv e h i c l et u n i n g i nt h ei n i t i a lp a h s e f r o n tf o u r l i n k r e a rt r a i l i n g a r mf o u r i i n ks u s p e n s i o ns y s t e m m o d e lw e r ee s t a b i l i s h e di na d a m s c a r t h e m o d e l w h i c ht h o r o u 曲l yc o n s i d e r e dt h e c o m p o n e n t sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sb u s h i n g h a sr e l a t i v e l yh i g hp r e c i s i o n a n dc o m p l e t e n e s s t h e nt h ek c k i n e m a t i c s c o m p l i a n c e a n a l y s i so ff r o n ta n d r e a r s u s p e n s i o ns y s t e mw a sc o n d u c t e di nd e t a i l t h er e s u l t ss h o w e de x c e l l e n t p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m n e x t ac o m p l e t ed y n a m i c a lm o d e lo fz h o n g q is e d a nw a sb u i l t i nc a r s i m s o f t w a r ef o rt h ec o n v e n i e n td i s c u s so ft h ec h a s s i sp a r a m e t e r s m e a n w h i l e t h et i r e e x p e r i m e n td a t aw a sf i tu s i n gm a g i cf o r m u l at i r em o d e l w h i c hi m p r o v e st h e a c c u r a c yo f t h em o d e le f 亿c t i v e l y a f e r w a r d s t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so fs e v e r a lr e l a t i v e l yc o m p l e t eo b j e c t i v e a s s e s s m e n ts y s t e mo fh a n d l i n gi nc h i n aa n da b o a r dw e r ep e r f o r m e d a n dan e w o b je c t i v ee v a l u a t i o ns y s t e mo fh a n d l i n ga n ds t a b 订i t yw h i c hc a nb ea p p l i e dt oz h o n g q i s e d a nw a sb r o u g h to u ta f t e rc o m b i n i n gt h er e s e a r c hr e s u l t sr e c e n ty e a r s t h es y s t e m w h i c hc o v e r sv e h i c l e sc h a r a c t e r i s t i c si ns t e a d y s t a t e t r a n s i e n tt i m ed o m a i na sw e l la s f r e q u e n c yd o m a i n h a sr e l a t i v e l yh i g hc o m p l e t e n e s s t h et h e s i st h e nd i s c u s s e dm u l t ic h a s s i sp a r a m e t e r sa f f e c t i n gv e h i c i eh a n d l i n g t h o r o u g l y t h e s ep a r a m e t e r s w h i c hi n v o l v e dt e na s p e c t s w e r ed i v i d e di n t ot w o c a t e 9 0 n e s 1 p a r a m e t e r s a f 亿c t i n g w h e e ll o a d s i n c l u d i n g4a s p e c t sw h i c ha r ew e i g h t d i s t r i b u t i o n r o l ls t i f f h e s sd i s t r i b u t i o n s h o c ka b s o r b e rd a m p i n gr a t i o s h o c ka b s o r b e r l i i 硕j 二学位论文 c rr a t i o c o m p r e s s i o n r e b o u n dd a m p i n gr a t i o 2 p a r a m e t e r s a f 论c t i n g w h e e la l i g n m e n t s i n c l u d i n g6a s p e c t sw h i c ha r e s t e e r i n gc o m p l i a n c e s t a t i ct o e r o l ls t e e r l a t e r a lf o r c es t e e r s t a t i cc a m b e r r o l l c a m b e r f i n a l l y s y n t h e t i c a l l yc o m p a r i s o no ft h ep a r a m e t e r si nt h et w oc a t e g o r i e sa b o v e w a sc a r r i e do u t a n das e n s i t i v i t yt a b l eo fe a c h h a n d l i n gi n d e xt oe a c hc h a s s i s p a r a m e t e rw a sd e t e r m i n e da sar e s l u t t h e nt h ec h a s s i sp a r a m e t e r so fz h o n g q is e d a n w e r er e s e tp a r t l y a c c o r d i n gt ot h e s e n s i t i v i t yt a b l e c o m p a r i s o ns h o w e dd i s t i n c t e l e v a t i o no ft h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo f z h o n g q is e d a n k e yw o r d s f o u r l i n ks u s p e n s i o n t r a i l i n g a r mf o u r l i n ks u s p e n s i o n s u s p e n s i o n k cc h a r a c t e s t i c s m a g i cf o r m u l at i r em o d e l o b j e c t i v ee v a l u a t i o no f h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y s e n s i t i v i t ya n a l y s i s i v 硕上学位论文 主要符号对照表 整车质心至前轴距离 簧载质量质心至前轴距离 整车质心至后轴距离 簧载质量质心至后轴距离 车身临界阻尼 车轮临界阻尼 前轴侧偏刚度 后轴侧偏刚度 转向系刚度 前悬侧倾阻尼 后悬侧倾阻尼 悬架偏频 纵向力 侧向力 垂向力 整车质心高度 侧倾中心高度 簧载质量质心高度 簧载质量质心与侧倾中心高度差 非簧载质量质心高度 转向系角传动比 侧倾转动惯量 侧倾与横摆运动惯性积 横摆转动惯量 乘适刚度 弹簧刚度 轮胎径向刚度 车轮刚度 悬架刚度 侧倾刚度 稳定杆提供的侧倾刚度 弹簧提供的侧倾刚度 轴距 整车质量 簧载质量 单轮簧载质量 非簧载质量 单轮非簧载质量 悬架杠杆比 回正力矩力臂 前轮距 后轮距 阻尼比 轮胎侧偏角 质心侧偏角 轮胎倾角 前轮转角 后轮转角 转向盘转角 前轮名义转角 侧倾角 横摆角 此外 厂 f d 0 的下标分别代表前侧 后侧 内侧 外侧 初始值 v i i i 栅 瀚 砗 巧 m 脚勺o 喜 a 卢y t t露爵缈y 占 降 口以6以巳巳q e e q 4厶以e疋办绋九绣吃 l乞乞k b 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源与研究背景 随着汽车技术与道路建设的不断发展 汽车的性能不断提高 汽车行业呈现 出车辆高速化 驾驶员非职业化和汽车密集化的趋势 如何有效提高汽车在高速 状态下的安全性 操纵稳定性 行驶平顺性 成为当今汽车行业研究的热点问题 而汽车的底盘性能 尤其是悬架系统的性能直接影响着汽车的整体表现 汽车悬架是车架 或车身 与车桥 或车轮 之间一切传力连接装置的总称 它的 作用是缓和 抑制由不平路面引起的振动和冲击 保证乘员乘坐舒适和所运货物 完好 以及传递汽车各方向的一切力和力矩 保证车轮和车身 或车架 之间有确 定的运动关系 使汽车具有良好的驾驶性能 l l 近代汽车悬架设计是整车研发的 关键之一 也由此被誉为是 汽车运动性能的灵魂 传统的悬架系统由于存在诸多弊端 近些年在高档轿车上己逐渐被多连杆式 独立悬架系统所代替 多连杆悬架系统是一种新型的悬架形式 它首先提出见于 19 8 3 年m e r c e d e s b e n zw 2 0 l 引 这种悬架系统由布置在空间的3 5 根连杆将转 向节与车身连接起来 连杆的外端与转向节通过球铰连接 连杆的内端与车身通 过橡胶衬套连接 这些连杆对转向节提供了过多约束 车轮上下跳动或者左右转 动时导致橡胶衬套的变形 实际上 多连杆悬架系统提供了较大的设计自由度 巧妙设计各个连杆的位置以及橡胶衬套的刚度 就可以利用纯机械的机构 被动 且精确地控制主销轴线和车轮定位角的变化 增加汽车舒适度及操控性能1 3j 可 以说多连杆悬架系统是被动式悬架系统中最先进的技术 也正因为其独特的优点 在现今高档轿车上 已得到广泛的应用 图1 1b e n ze 级车采用的多连杆悬架系统 此外 对于汽车操纵稳定性研究自身 的研究 提出了不同复杂程度的数学模型 图1 2 典型的五连杆悬架系统拓扑图 虽然各大车厂及各国的学者做了大量 诸多评价指标及试验方法 但迄今为 中气轿车多连杆悬架系统k c 特性分析与操纵稳定性评价研究 止仍没有形成公认统一的客观评价体系 仍是以专业试验车手的主观感受作为评 价的依据 4 1 所以 如何针对不同的车型及市场定位 对其操纵稳定性进行客观定量的评 价 并以此为指导 开发相应的悬架系统 是我们需要研究的重要课题 本文是 中气专项 的子项目之一 中气专项 是湖南大学钟志华院士负 责的 中国高水平汽车自主创新能力建设 项目 它由国家财政部 教育部 湖 南省政府共同出资3 亿元资助 并由企业投资7 亿元实现成果产业化 该项目旨 在 1 以高级轿车核心技术研发为目标 通过项目研究 建立系统化 全专业 全过程的底盘设计开发平台 为进一步提高中国汽车开发的工程水平奠定基础 2 集中我国现有的优质设计 研发资源 重点攻关 取得技术突破 缩短与 汽车发达国家间的技术差距 3 合理规划 全面布局 带动零部件的设计研发水平 为改变现有的成本优 势战略向成本与技术优势战略转移奠定知识 技术与人才基础 4 通过技术攻关与创新掌握底盘正向设计的系统知识 并建立具有特色的底 盘开发基础平台 5 建立底盘设计的知识库 标准库 材料库 零部件库等数据库资源 为缩 短开发周期奠定基础 6 掌握设计 制造 验证 试验 评价的方法 提高我国汽车底盘设计能力 1 2悬架系统发展及研究现状 国外对于汽车悬架的研究起步较早 德国的m i t s c h k e 等人在 汽车动力学 中详细介绍了汽车操纵稳定性和悬架性能之间的关系 并根据各种不同实车数据 分析了不同子系统如转向系统 助力系统及悬架系统的各个参数对整车操纵稳定 性的影响 6 r e i m p e l l 等人在其著作中对各种悬架运动学及弹性运动学作了详细 的论述 也对它们的作用及其对操纵稳定性的影响进行了分析 8 9 就多连杆悬架系统而言 它的发展已有3 0 多年的历史 早在1 9 7 7 年德国的 b m w 就己在麦弗逊形式基础上衍生出下控制臂分离式多连悬架系统 l0 1 只是当 时并无此名称 一直到1 9 8 3 年m e r c e d e sb e n z 首先将多连杆悬架系统这个概念应 用于w 2 0 1 车型上 并大幅度的改善了悬架系统的性能后 多连杆悬架系统这个 名词才逐渐受到瞩目 自此世界各大汽车公司及多位学者针对此系统开展了多种 研究 n i s s a n 1 1 12 1 h y u n d a i 1 3 16 1 v o l k s w a g e n l o t u s 1 7 1 等公司均提出了多种不 同形式的多连杆悬架系统 我国对于多连杆悬架的研究起步较晚 未能提出新型的多连杆式悬架结构 主要体现在对已知多连杆悬架虚拟主销的确定 原理分析及性能优化上 硕上学位论文 清华大学的宋健等同时应用a d a m s 软件与空间运动学中的瞬时螺旋轴方 法建立轿车多连杆式前悬架和转向系统的多体运动学模型 对主销和前轮定位角 进行仿真计算研究 采用两种方法仿真计算结果具有较高的一致性 3 1 同济大学的祁宏钟等采用近似数值方法 研究五连杆悬架虚拟主销轴线 以 此确定悬架虚拟轴线空间位置的变化 该方法较为简单 结果良好 易于编程实 现 18 1 清华大学的吕振华等探讨了基于矢量分析原理进行五连杆悬架的刚体运动学 和受力分析的方法 进一步提出了一种考虑橡胶衬套弹性的悬架运动学迭代计算 方法 据此编制了相应的计算机程序 进行了某轿车五连杆后悬架刚体运动学模 拟分析 探讨了悬架橡胶衬套的弹性对车辆性能的影响 提出的方法有效简捷 可方便地应用于五连杆悬架设计分析和参数优化i l 引 2 0 0 4 北京理工大学的陈潇凯等针对五连杆悬架的特点 运用多体系统动力学 的理论建立了悬架运动学分析模型 基于遗传算法开发了优化器的核心单元 以 在车轮上下跳动过程中 车轮外倾角的运动学特性变化量与目标值之间的偏差最 小作为优化设计的目标 阐述了遗传算法在五连杆悬架优化中的应用 并采用这 种优化体系对某型轿车五连杆悬架进行了实例优化分析 2 们 1 3 操纵动力学发展及研究现状 国外对于操纵动力学的研究可以追溯到2 0 世纪3 0 年代 英国的l a n c h e s t e r 美国的o l l e y 法国的b r o u l h e i t 就以开始了车辆独立悬架的研究 并对转向运动 学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析 2 1 1 5 0 年代之后车辆操纵动力学迅速发展 各公司通过试验结果分析和建模 加 深了对轮胎特性的了解 并在二自由度操纵模型基础上 建立了考虑车身侧倾 车轮转动在内等多自由度操纵动力学模型 同时扩展了包括稳定性和转向响应特 性的分析 21 1 其后v o l k s w a g e n 2 2 1 f i a t 2 3 3 们 m i t s u b i s h i 31 1 t o y o t a 3 2 3 5 1 g m 3 6 4 1 1 f o r d 4 2 1 c h r y s l e r 4 3 4 4 等公司分别从多个方面提出了评价汽车操纵稳定 性的方法 我国对于汽车操纵稳定性的研究始于2 0 世纪7 0 年代 7 0 年代初 清华大学 和长春汽车研究所都同时开展这方面的研究 各个汽车生产厂也都从自己产品的 需要出发 在不同程度上进行了汽车操纵稳定性的试验和研究工作 但研究成果 多出于8 0 年代 其中最具有代表性的是郭孔辉所著的 汽车操纵稳定性 书中 系统的介绍了汽车操纵性与稳定性的评价理论 试验方法 轮胎的特性理论与使 用模型以及汽车操纵运动的计算机仿真与性能预测 讨论了多种设计参数对汽车 操纵性能的影响 4 引 国内对于汽车操纵稳定性的评价研究不多 主要体现在郭孔辉等人上 郭孔 中气轿车多连杆悬架系统k c 特性分析与操纵稳定性评价研究 辉等于1 9 8 1 年最先提出了适应于汽车非线性 考虑多方面因素的驾驶员模型和定 量评价 人一车一路 闭环系统的综合评价指标 该指标采用了 总方差评价方 法 考虑了在 人一车一路 相互作用中汽车的轨道跟踪精度 驾驶员操作负 担 翻车危险性 侧滑危险性以及驾驶员路感等因素 至今仍在不断完善 4 4 5 53 1 1 4 本文研究内容与意义 本文研究的目的是结合中气轿车的实际 对其前后多连杆悬架系统的性能进 行分析 并确定适当的操纵稳定性客观评价体系 就多种底盘参数对整车操纵稳 定性的影响 做出定量的评价 本文的研究成果 将对中气轿车的后续的开发 调校工作提供理论依据和导向指引 具体说来 本文研究的内容包括 1 利用a d a m s c a r 软件 建立中气轿车前后多连杆悬架模型 并对其 k c 运动学与柔性 特性进行分析 2 研究国内外操纵动力学的客观评价体系与试验方法 并结合中气轿车的实 际 确定合适的客观评价体系 3 利用c a r s i m 软件 建立中气轿车整车动力学模型 并利用选定的评价指 标 对其操纵稳定性进行分析 4 研究不同的底盘参数设置对整车操纵稳定性的影响 做出定量的分析 这 些参数分为l o 方面 轴荷分配 侧倾刚度分配 减振器阻尼系数 减振器压缩 回弹阻尼分配 转向系统的柔度 车轮静态束角 动态侧倾转向 动态侧向力顺从转向 车轮静态外倾角 动态侧倾外倾 4 硕士学位论文 第2 章前后悬架系统建模与仿真分析 本文研究的是中气轿车的采用的前后多连杆悬架系统 前悬架是四连杆式的 独立悬架 由上下各两根摆臂组成 图2 1 后悬架也采用四连杆式的独立悬架 由一根纵臂 一根上摆臂和两根下摆臂组成 故也称拖臂四连杆 图2 1 前后悬 架都带有横向稳定杆 这样的悬架形式有如下优点 图2 1 中气轿车前悬架示意图 图2 2 中气轿车后悬架示意图 1 前悬虚拟主销的设计 使主销轴线到轮心偏置距减小 进而使绕主销的惯 性力矩减小 能够实现精确的车轮定位 有利于在不同路面条件下平顺转向 2 前悬上摆臂高位安装 降低了不良路面的影响 各铰接点受力较好 保证 了最佳的稳定性和乘坐舒适性 3 后悬纵臂可以抵抗纵向力 控制制动点头和加速俯仰 改善悬架受力 在 转弯时可以控制束角 产生适度的随动转向 改善操纵稳定性 4 后悬侧向力可由上下三个横臂抵抗 其中前后两个下臂控制前束 上臂及 下臂控制外倾 能很好的控制车轮定位 5 减振器和螺旋弹簧分开布置 实现车内地板较低且平坦的理想设计 增大 了行李箱的空间 同时消除了两部件间的摩擦 降低了减振器侧向力 改善了操 纵稳定性与乘坐舒适性 2 1前后悬架系统建模 中气轿车的前后悬架建模采用了多体系统动力学软件a d a m s 中的c a r 模 块 a d a m s 是业界公认权威的整车设计软件包 工程师可以利用它快速建造高 精度的整车虚拟样机并进行仿真 该软件采用质心笛卡尔坐标和广义欧拉角作为 广义坐标 利用拉格朗日乘子法建立系统运动方程 通过变阶 变步长积分算法 求解稀疏耦合的非线性微分代数方程 适于模拟特征值变化范围大的刚性系统 或者通过坐标分离算法来求解独立坐标的微分方程 适于模拟特征值经历突变的 系统或高频系统 进行动力学分析 5 5 56 1 中气轿车多连杆悬架系统k c 特性分析与操纵稳定悱评价研究 2 1 1 结构简化与约束定义 由于中气轿车前后悬架系统的形式较为特殊 无法利用分析软件中预设的模 板 因此需要自行建立模板来分析其性能 建模之前 首先应对悬架系统进行结 构简化 定义约束 如图2 3 图2 4 图中的零件列表及约束描述如表2 1 表2 2 所示 图2 3 前悬架结构简化图 表2 1 前悬架零件及约束定义表 硕士学位论文 图2 4 后悬架结构简化图 表2 2 后悬架零件及约束定义表 前悬架单侧共有构件1 1 个 不包含副车架 其自由度为 1 1 6 一 3 4 5 4 4 4 5 4 4 5 1 即为车轮的上下跳动 后悬架单侧共有构件7 个 不包含副车架 其自由度为 7 6 一 6 2 3 4 3 一 4 4 一4 1 即为车轮的上下跳动 中气轿车多连杆悬架系统k c 特性分析与操纵稳定性评价研究 2 1 2 模型参数的定义 在建立了各部件的拓扑关系后 就可以定义悬架系统的具体参数进行 对于 本文的研究内容来说 定义的参数可以分为三类 5 7 1 几何定位参数 2 力学特性参数 3 质量特性参数 质量 质心等 2 1 2 1几何定位参数的定义 几何定位参数定义各部件的相对连接位置 主要包括前悬架系统的几何参数 即 硬点 h a r dp o i n t 和整车的部分几何参数 本文定义a d a m s 中的全局坐标 系x y z 为 x 轴正方向为车辆前进的反方向 y 轴正方向指向车辆右侧 z 轴正方向垂直向上 根据中气的设计数据 前后悬架的硬点坐标如附录a 所示 2 1 2 2力学特性参数的定义 力学特性参数包括弹簧刚度 减振器阻尼 橡胶衬套特性等 根据初步设计 中气轿车前后悬架采用线性弹簧 刚度见表2 4 减振器的数据来自对标车的试验结果 为了方便文后对减振器影响的探讨 利用双线性模型插值方法分别对压缩 回弹行程数据进行拟合 djl c c c l f i 1 i d 尺 j c 一 v o h c 尉 图2 5 减振器特性双线性模型 如图2 5 所示 该模型采用6 个变量 v o c c c c 西 v o r c 础 c 励描述 减振器特性 具体表达式见公式 2 1 变量意义及减振器拟合数据见表2 3 该 减振器处理方法也经常被用于类似的研究中 58 1 硕士学位论文 f d2 c c l v d c a v d v o c c c f l o c f d c d b c 鼬 d v o r c 尉v o r o v d c c r v d o 2 1 d r 表2 3 双线性模型参数表及拟合结果参数 拟合的结果及原始数据对比如图2 6 图2 7 所示 可见双线性模型拟合效果 很好 具有较高的精度 r 一 之 j r 雹 速度 m 鹏 速度 m 肭 图2 6 前减振器特性曲线拟合效果图图2 7 后减振器特性曲线拟合效果图 在实际的悬架系统中 各个部件之间的约束通常不是刚性的 诸多铰链中都 装有橡胶衬套 起到减振 缓冲及满足柔度特性的作用 从而影响到悬架的性能 为了更好的模拟悬架系统的实际运动和受力情况 建模中加入了对各铰接点的衬 套的定义 如附录b 所示 2 1 2 3其他仿真参数的定义 质量特性参数及其他仿真参数的定义见表2 4 9 中气轿车多连杆悬架系统k c 特性分析与操纵稳定性评价研究 表2 4 悬架系统特性参数定义表 架模型的建立 寸模型的分析及各参数的定义 建立的中气轿车前后多连杆悬架模 图2 9 架a d a m s 模型装配图图2 9 后悬架a d a m s 模型装配图 e 能评价指标 芑影响汽车操纵稳定性 行驶平顺性的重要因素 除基本的性能如 倾刚度 阻尼特性等 主要由弹簧刚度 减振器阻尼等决定 之外 要研究就是k c 特性 k i n e m a t i c s c o m p l i a n c e 览c 特性包括运动学与柔度两个方面 运动学特性研究因弹簧发生 仑相对于车身的运动下 悬架的导向机构对这种相对运动的引导和 苌度特性则是由了i 悬架部件和橡胶衬套本身具有弹性 导致车轮的 硕士学位论文 定位参数在轮胎与地面间的力或力矩作用下使发生改变 这些变化对汽车的操纵 稳定性会产生很大影响 因此 有必要开展悬架k c 特性的研究 并由此指导 现代汽车悬架的开发设计 提高汽车的行驶稳定性 悬架的k c 特性研究已成 为汽车悬架研究开发中的重大课题 5 9 6 0 1 k c 特性的评价指标包括 车轮跳动 车身侧倾时 车轮的束角 车轮外倾 角 轮距 轴距等参数的变化 及纵向刚度 纵向力转向 侧向刚度 侧向力顺 从转向 回正力矩转向等柔度特性 2 2 1 车轮外倾角 c a m b e r f 眙 f 却 0 l 叫 f t o 删 卜57 o 图2 1 0 车轮外倾角对侧向力的影响 外倾推力 峥i j 车轮外倾角是车轮平面与车辆坐标轴的垂直轴的交角 轮胎与路面之间有相 对的倾角存在时 路面会对车轮作用有外倾推力 c a m b e rt h r u s t 该力与侧偏角 产生的侧向力汇合而成为车辆转向所需的侧向力 因此车轮外倾角是影响轮胎在 不同侧向力作用下 路面附着能力的主要因素 为了改善操控性及轮胎的磨损 特性 应对静态外倾角的大小与运动学倾角的变化率进行优化 这是悬架设计中 最重要的方面之一 5 l 理想的悬架设计应保持任意时刻轮胎都与地面垂直 以保证最大的接触面积 来最大化轮胎的潜能 但是 当汽车转弯行驶时 车身侧倾后会造成车轮随车身 一起倾斜 导致外侧车轮 即轮荷大的一侧车轮 相对于地面的外倾角向正外倾的 方向变化 引起车轮在同样侧偏角下传递侧向力的能力降低 因此 为了补偿这 种不利的影响 在悬架设计时常常将车轮外倾角设计成当车轮上跳时减小 车轮 下落时增加 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 从而提高轮胎的侧偏特性 8 对于这种变化 不同的悬架结构有较大的差 异 一般上跳时 对车身的外倾角变化为一2 5 0 5 0 研所较为适宜 l 在采用独立悬架时 为了提高轮胎的侧偏性能 静态车轮外倾角有时会设计 为负值 6 2 1 量 一 中气轿车多连杆悬架系统k c 特件分析 j 操纵稳定性评价研究 2 2 2 车轮束角 t o e 图2 1 1 车轮束角的定义i 6 5 车轮的束角是汽车纵向中心平面与车轮中心平面和地面的交线之问的夹角 定义车轮的前部靠近汽车纵向中心平面时束角为正值 前束 t o e i n 反之为负值 后束 t o e o u t 尽管束角为0 时 轮胎的磨损与动力损耗是最少的 车轮外倾 角为o 但有时 束角的存在却有其优势 总体来说 前束会增加直线行驶时的 稳定性 后束则会增加过渡期的响应速度 理想的转向系统中 束角不随车轮跳动而变化 但转向动作一般是在伴有单 独的悬架运动情况下由转向转接杆系移动实现的 因此这种运动很可能引起转向 动作 即跳动转向 b u m ps t e e r 例 跳动转向对车辆的直线稳定性 车辆的稳态响 应 不足转向 过多转向 特性有很大的影响 它的变化是悬架几何中另一个重要 的方面 通常希望这类变化很小 乘用车的前轮上跳时的束角多设计成零至弱后束的变化 设计值取在零附近 是为了控制直行时由路面凹凸引起的束角变化 确保良好的直线稳定性 后束的 变化是为了使车辆获得弱不足转向特性 但有些车辆也会取弱前束变化 以增加 制动时的方向稳定性或是以防止不足转向度过大 对于后轮 作为不足转向特性 的辅助手段 上跳时多设计成弱正前束变化或基本无变化 1 事实上 正因为车 轮束角的变化会对车辆性能产生明显影响 英国的p r o d r i v e 6 6 6 7 1 与韩国的 h y u n d a i 6 8 7 0 j 都在研发主动束角控制系统以提升车辆性能 对于被动悬架来说 束角变化的较理想设汁特征值为 车轮上跳时 前轮0 o 5 0 5 0 m 朋 后轮0 0 3 0 5 0 m 聊 最近发展趋势多取0 2 2 3 轮足巨 t r a c k 轴足巨 w h e e l b a s e 轮距和轴距的变化分别代表了车轮跳动时轮胎接地点的侧向与纵向位移 这 种位移将使轮胎与路面产生摩擦 s c r u b 减少轮胎寿命 除此以外 轮距变化将 使车辆在崎岖路面行驶时车轮印迹将不再是一条直线 变化黾明显时 轮胎上会 产牛侧向速度分量 它同纵向速度合成后 会改变轮胎的侧偏角 进而从横向影 响到车辆的性能 64 l 通常希望其变化量越小越好 乘用车的轮距 轴距的变化控 坝二t 学位论文 制在一5 5 5 0 坍m 单轮 范围内即可满足要求 2 2 4 顺从转向 悬架导向杆系各元件在各种力 力矩作用下会发生变形 引起车轮发生变形 顺从转向角 6 7 1 7 2 1 它的大小取决于侧向力墨 纵向力疋和回正力矩m z 分 别用 笳 嵋 笳 曝 掷 撕z 来表示 一般说来 汽车在受制动力 驱动力 及其它外力作用时 从不破坏汽车直 线行驶稳定性角度看 最好好不具有顺从转向性能 但在特定的条件下 当前轮 或后轮具有前柬或后束特性时 顺从转向特性会增加车辆的稳定性 1 1 正因为 6 是改变车辆转向特性的有效手段之一 汽车设计时常通过在悬架导向机构铰接处 加装弹性橡胶衬套 来获得需要的特性 以补偿悬架运动学的局限性 6 f 卜 r a 书 h 煳厂 磁 f l i o 耐 l 蟊 l 啪譬 t o 婶h 7 l 婿 i 州 i l 巡 一 咛一 盯一 f 辩 i 口硝一 o u t t c 培 一 毒l l i 图2 1 2 顺从转向原理图 图2 1 3 典型车辆的顺从转向特性曲线 9 1 侧向力顺从转向与回正力矩顺从转向对车辆的稳态响应特性影响较大 特别 是对前悬架 乘用车的 筋 嵋 通常为 前轮一o 2 0 0 9 8 0 后轮0 0 1 0 9 8 0 纵向力顺从转向分二种情况 其一为制动时在轮胎接地中心作用的纵向力使 束角变化 其二为驱动力及发动机制动时在轮心上的作用力使束角变化 1 1 乘用 车的 笳 峨 一般为 一0 3 o 3 9 8 0 2 2 5 纵向刚度 使车轮轮心相对车体在前后方向移动单位距离所必需的水平力称为悬架纵向 刚度 悬架系统的纵向刚度影响行驶稳定性 这是因为车轮在通过凸凹路面时 车轮具有产生前后方向振动的特性 左 右轮的振动及振动差异对行驶稳定性产 生影响 因此 行驶稳定性能良好的悬架系统能很好地隔绝车轮的振动 使其难 以传递到车体 系统的动刚度越低 振动绝缘性越好 悬架系统的刚度是由橡胶 衬套的特性及其构成零件的刚度综合决定的 前 后悬架系统的动刚度与前 后 中气轿车多连杆悬架系统k c 特性分析与操纵稳定性评价研究 静刚度有密切的关系 1 1 纵向柔度一般为 2 5 研聊 9 8 0 2 2 6 侧向刚度 悬架侧向刚度指使车轮中心相对车体横向移动单位距离所需的侧向力 悬架 系统的侧向力是由车轮输入的 即从接地点输入的力与该点变形量的关系 一般 侧向刚度越大 操纵稳定性越好 从乘坐舒适性出发 又希望侧向刚度低些 i 一般侧向柔度为 o 3 2 聊聊 9 8 0 2 3悬架k c 特性分析 仿真工况采用车轮跳动与外力加载两种类型 分别观察中气轿车前后悬架 k c 特性的变化 2 3 1 悬架运动学特性分析 r j 媛 肇 工 瓠 辑 料 垂直轮跳 m m 图2 1 4 前后轮束角随轮跳变化曲线图2 1 5 前后轮外倾角随轮跳变化曲线 通过图2 1 4 中气轿车前悬架束角在车轮上跳时出现前束 下跳时出现后束 使车辆趋于不足转向 后悬架束角随车轮上跳基本不变 随车轮下跳虽然出现前 束 但比较微弱 0 0 5 呖d 聊m 整体来说变化范围合理 中气轿车的前后轮的外倾角变化趋势相同 见图2 1 5 均在车轮上跳时内倾 有利于提高车辆转弯时的附着力 提供较好侧向力支持 增加操纵稳定性 由于 后轮非转向轮 没有转向几何的补偿 故后轮倾角的变化趋势稍大 总体的变化 趋势在较合理的范围内 有利于防止轮胎发生过度磨损 从轴距变化来看 见图2 1 6 后悬架对轴距变化的控制优于前轮 前轮下跳 时的轴距变化合理 上跳时变化略大于合理范围 但不严重 整体来说变化范围 较合理 从轮距变化来看 见图2 1 7 中气轿车前后悬架对上跳时轮距的变化控制较 好 下跳时的变化稍大 但由于车轮下跳时车轮载荷小于上跳时载荷 对轮胎寿 命的影响较轻 因此处于可以接受的范围内 圜厶 制正已隐刖庙轮跳变化曲线 图2 1 7 前后轮距随轮跳变化曲线 2 3 2 悬架柔度特性分析 2 3 2 1 侧向力加载工况 竺竺二2 鼍 可以看出 在侧向力作用下前轮出现后束 后轮出现前束 车辆 篓竺竺三j 竺篓宁 满足操纵稳定性的要求 后轮侧向力顺从转向度丢美釜孬言 轮跳动转向度较小 对整车稳态特性改善不大的弥补 一一 一心 川u 吉姥三羹誓量前篓竺竽角的随侧向力变化改变较少 较为合理 后轮侧向力外倾 度较前轮偏大 但仍在较合理的范围内 见图2 1 9 1 川限 南至兰掣竺皇垄竺用时 前后车轮滑移量虽然趋势相反 但都在非常小的范围 内 有利于提高车辆的侧向力稳定性 见图2 2 0 图2 1 8 前后轮侧向力顺从转向特性曲线 图2 1 9 前后轮外倾角随侧向力变化曲线 2 3 2 2 纵向力加载工况 斑列竺竺 2 三2 可以 看出 中气轿车前后轮纵向力顺从转向趋势相同 均在车轮 受到制动力时出现增大的后束角 有利于提高制动时的稳定性 卜m 中气轿车多连杆悬架系统k c 特性分析与操纵稳定性评价研究 前后车轮的纵向力外倾特性则虽然变化趋势相反 但都控制在较小的范围内 1 嚣裟黯 b x a r c t a n b x 图3 4 魔术公式 正弦余弦形式效果图 巧l 图中轮胎模型参数的意义 7 6 b刚度因子 展宽或收缩x 的范围 c形状因子 决定曲线的形状特性 d 峰值因子 决定曲线的最大值 可展宽或收缩y 的范围 b c d 平移刚度 表示曲线的初始斜率 e曲率因子 决定曲线最大值附近的形状 瓯原点水平偏移 s 原点垂直偏移 表3 1 魔术公式 输入输出变量表 轮胎模型中的b c d e 等因子都是 f 的函数 这些函数在计算中引入了 大量无量纲参数口池 此外 为了便于用户检查重要的全局参数改变产生的影响 魔术公式 还设置有一套缩放因子a 这些因子的默认值都为1 关于口潴与a 的 具体定义可参考文献 7 5 本文利用o p t i m u m t 软件对轮胎数据进行拟合 o p t i m u m t 是专业的轮胎数 据拟合 分析 可视化软件 在汽车领域应用广泛 拟合结果如图3 5 3 8 所示 拟合值见表3 2 具体表达式可参照附录c 侧偏角 s a o 图3 5 侧向力与侧偏角拟合曲线 硕士学位论文 g柚 z l 一 o 芝 k 口 枷 4 己 山o 器 z l 一 巴 弋 一 侧偏角 s a 图3 6 回正力矩与侧偏角拟合曲线 倾角 i a 图3 7 侧向力与车轮倾角拟合曲线 滑移率 s r 一 图3 8 纵向力与滑移率拟合曲线 中气轿车多连杆悬架系统k c 特性分析与操纵稳定性评价研究 z l 一 0 2 m 也o o 皂 o 二 5 0 z 至 k 铀 1 1 图3 9 侧向力 侧偏角与车轮倾角关系曲线扩展 一 歹 7 f t n o 22 一一n 一 鞠 l z 5 山 j o 侧偏角 s a 图3 1 0 回正力矩与侧偏角关系曲线扩展 滑移率 s r 一 图3 1 1 纵向力与滑移率关系曲线扩展 2 4 硕士学位论文 表3 2 魔术公式 拟合参数总表 基本参数 缩放因子纵向力参数 侧向力参数回正力矩参数 r 0 f z 0 l f z 0 l c x l m u x l e x l k x l h x l v x l c y l m u y l e y l k y l h y l v y l g a y l t r l r e s l g a z 0 3 2 6 9 5p c x l 1 1 1 6 9 5 4 7 2 0 0p d x l一0 7 3 6 7 3 6 p c ylo 3 6 2 9 3 3 2 p d y l1 8 3 5 2 2 2 q b z l 1 1 7 8 3 0 8 q b z 2 1 9 9 3 4 3 3 p d x 2 o 0 5 4 0 9 l7 9p d y 20 2 9 9 5 7 5 q b z 3 1 4 1 6 81 4 p e x l 0 7 6 4 9 8 6 8p d y 31 0 7 5 9 1 6 q b z 4 7 8 2 7 1 3 2 p e x 2 1 3 9 6 4 2 4 p e y l 0 8 0 0 0 2 6 8 q b z 5 1 0 6 6 0 1 5 p