工程车辆双横臂式独立悬架断开式转向桥优化设计.pdf

机械研究与应用 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 设计与制造 工程车辆双横臂式独立悬架断开式转 向桥优化设计 董文亮 甘 肃畜牧 工程职 业技术 学院 车辆工程 系 甘肃 武威7 3 3 0 0 6 摘要 以某型超 宽 超重型工程车辆为研 究对象 应 用 A D A MS仿真软件 建立 了该工程 车辆 前悬 架及 转 向系统虚拟 样机模型 以轮 胎上下跳极 限位 时的主销 转角为优 化 目标 对转向桥 断开点进 行 D O E分析 通过计 算 实例 使转向车轮实际转角接近理论转角 转向梯形机构有较大的传动角 给出了求解双横臂式独立悬架转向梯形 断开点以及转向梯形的设计 计算方法 关键 词 双横臂 式独 立悬架 断 开式转 向桥 优化设计 中图分类号 T H 1 2 2 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 2 0 5 0 0 7 5 0 2 The op t im iz a t io n o f t he do ub le wis h bo ne s us p e ns ion a nd s t e e r ing s y s t e m in m in ing v e h icl e s Do n g W e n lia n g S ch o o l of v e h i cl e e n g ie e r in g G a n s u p o l y t e ch n i c co ll e g e o f a n i m a l h u s b a n d r y e n g i n e e r i n g Wu w e i G a n s u 7 3 3 0 0 6 C h i n a Ab s t r a ct I n t h is a r t icle t h e f r o n t s u s p e n s io n a n d s t e e r in g s y s t e m v ir t u a l p r o t o t y p e is b u ilt f o r t h e min in g v e h icle s w it h AD AMS T o min imiz e t h e a n g le o f k in g p in w h e n t h e t ir e s g o u p wa r d a n d d o w n w a r d t h e r e is a d e s ig n o f e x p e r ime n t a b o u t t h e b r e a k o ff p o in t b e t w e e n t h e lin k s Ba s e d o n t h e min in g v e h icle s it p r o v e s t h a t t h e o p t imiz a t io n o f d o u b le wis h b o n e s u s p e n s io n a n d s t e e r in g s y s t e m is u s e f u 1 T h e a ct u a l a n g le o f t h e t ir e is mu ch clo s e r t o t h e a n g le co mp u t e d b y a ck e r ma n f o r mu la Ke y wo r d s d o u b le wis h b o n e s u s p e n s io n b r e a k o ff p o in t o p t imiz a t io n 1 引 言 在轿车和越野汽车上 悬架是车架 或承载式车 身 与车桥 或车轮 之 间的一切传力 连接装 置的总 称 其功用是传递在车轮和车架之间的力和力矩 并 且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力 并衰减 由此引起的震动 以保证汽车能平顺地行驶 一般 由 弹性元件 减震器和导向机构等组成 前悬架大都采 用独立悬架 双横臂式独立悬架是采用较多的一种悬 架 由于独立悬架的左右车轮运动相互独立 因此必 须采用断开式转向梯形结构 J 独立悬架车辆当转 向梯形断开点位置选择不当时 转 向杆系与悬架导向 机构运动不协调 汽车在行驶过程 中就会出现前轮摆 振 跑偏等现象 破坏操纵稳定性 加剧 轮胎磨损 J 因此转向梯形断开点位置的确定是独立悬架和转 向 梯形设计的关键 问题之一 笔者 以不等长双横臂为 研究对 象 应 用 A D A MS仿 真软件 建立虚 拟样机模 型 对转向系断开点进行优化 2 双横臂式独立悬架 独立悬架的结构可分为烛式 麦弗逊式 连杆式 等多种 其 中烛式和麦克弗逊式形状相似 两者都是 将螺旋弹簧与减振器组合在一起 但因结构不同又有 很大区别 双横臂式独立悬架 是一种车轮在汽车横 向平面 内摆动的独立悬架 这种独立悬架被广泛应用于汽车 前轮 双横臂式独立悬架 按上 下是否 等长 又分为 等长双横臂式和不等长双横臂式两种 不等长式上 下各有一个不等长摇臂 共 同吸收横 向力 因此横 向 刚度大 并且通过合理 的布置 可使轮距和前轮的定 位参数在可接受的限定范围内变化 这就克服了等长 式双横臂悬架轮胎磨损严重的弊端 路面的适应力 好 轮胎接地面大 贴地性好 等长双横臂式悬架在 车轮上下跳动时 能保持主销倾角不变 但轮距变化 大 与单横臂类似 造成轮胎磨损严重现在 已经很 少使用 对于不等长双横臂式独立悬架 只要选择适 当的横臂长度 合理 的布置 就可使轮距及前轮定位 参数均在可接受的限定范围内 这种结构有利于减少 轮胎磨损 提高汽车行驶平顺性和方向稳定性 保证 汽车具有 良好的行驶性 3 转 向桥 优化设计 问题分析 悬架和转向系统布置 的好坏对汽车平顺性 和操 稳性起着决定作用 作为悬架转向系统的桥梁 转向 系断开点的布置一直是行业 内的关注热点 为此 在 设计时对转 向梯形断开点需提出以下两点要求 1 转 向梯形需保证汽车在转弯行驶时 车轮做 纯滚动而不滑移 必须使两转 向前轮轴线的延长线与 后轴轴线延长线交 于一点 这点称之 为瞬时转 向中 心 此时 转向内外轮转角应满足如下关系 J co t co 己 为转 向外轮转角 为转 向内轮转角 K 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 3 作者简介 董文亮 1 9 8 5 男 甘肃定西人 助理工程师 主要从事汽车制造与维修及汽车 电器等方面的教研工作 7 5 设计与制造 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 杌械研究与应用 为两主销 中心线延 长线到地 面交 点 的距 离 为轴 距 这是设计转 向梯形时 正确处理内 外轮转角关系 的理论依据 转向梯形机构 的主要功能是实现汽车 转向时内 外轮理想的转角关系 但现有汽车转向梯形 的设计不能完全吻合理想曲线 只能尽可能贴近 2 汽车转向梯形 和前悬架运动 干涉使车轮绕 主销旋转 改变车轮前束值 断开点位 置直接决定 了 前束随车轮跳动量 的变化特性 j 汽车转 向梯形 和 悬架干涉引起的附加转角主要体现在 一方面转向车 轮依靠前悬架导向杆系来保证车轮与车身的相对 运 动关系 另一方面 转向机 和转 向车轮之间的传动杆 也使得车轮与车身有一定的相对运动关系 这两种 运动关系是两套独立机构实现的 因此要做到完全一 致是不可能的 这种不一致就造成车身侧倾和垂直位 移时运动干涉引起转 向轮的附加转角而改变车轮前 束值 因此需合理确定转向梯形断开点 改善车轮前 束角随车轮跳动行程的变化特性 4 悬架转 向系统数值模型 4 1 理论模型的建立 双横臂悬架转 向系统如图 1 所示 右侧双横臂及 转 向拉杆未画出 左右侧沿 0 0 轴对称 图中车轮绕 C D轴做定轴转动 A B轴 为主销 A F和 B G各为上下 横臂 C E为转 向节臂 E H为转 向横 拉杆 I H J为转 盘 在 C点处为固定副约束 4 E 日 t 处为球副约 束 F G 处为铰链约束 车 左侧 D 图 l理论模 型 假定转盘 I H J不动 即车辆未作转向动作 当上 下横臂 A F和 B G分别绕 F G点转动时 因存在横拉 杆 E H作用 使得 车轮绕 主销 A B产生 一个转角 在轮胎高频上下振动时 该转角 i f r 也作往复变化 该 现象称之为轮胎 的摆振 摆振现象的存在 大大降低 了轮胎使用寿命 对车辆的操作带来很大的困难 因 此 转角 即成为建立数值模型的优化 目标 4 2虚拟样机模型的建立 机械动力学仿真软件 A D A M S中的 V I E W 及 I N S I G H T模 块 是 MS C与 A U D I B MW R E N U A L T和 V O L V O等公司合作开发 的整车设计 软件 整合 了汽 车设计开发方面的经验 能够帮助工程师尽快建立高 精度的悬架系统 转 向系统在 内的参数化虚拟样机模 76 型 图 2是在理论模型基础上 应用 A D A M S V ie w 建立的前悬及转向拉杆 的虚拟样机模型 图 2中 轮 胎模型支撑于试验台上 试验 台只能进行垂 向运动 通过施加相关运动动作使轮胎上下跳 轮胎与试验 台之间被施加了平面约束 轮胎只能在试验 台上方运 动 这样较为真实的仿真了轮胎运动 图 2 虚拟样机模 型 4 3定 义 目标 函数 及变量 为减轻轮胎 的磨损 选择主销转角的绝对值作为 目标 函数 通过断开点 的优化分析 使得主销在车轮 上下跳时的转角最小 最大限度 的减少轮胎摆振 角 以图 3为 目标 函数 曲线 其横 坐标 为轮胎跳动位移 向上为正 纵坐标 为悬架转 向干涉时轮 胎转角 可见 最大的干涉量约为 4 5 干涉角较大轮胎磨损 越严重 在 A D A MS V ie w中 分别将图 1中断开点 的坐标定义为 D V 一 1 D V 2 D V 一 3 优化的 目 标函数选取最小值 约束条件选取转 向拉杆问的传动 角 使之小于 4 0 这使得传递效率更高 拉杆 的做功 更 为有效 m o d e l 1 F U N G T1 0 N M E A 1 V A RI A B L E C L A S S 2 图 3目标 函数 曲线 5 仿真 结果 定义仿真时间和步长 优化后的主销转角如 图 4 所示 图4中 横坐标为轮胎跳动量 纵坐标 为主销 转角 b e f o r e 曲线 为优化前 主销转角 a f t e r 曲线 为优化后主销转角 可见优化后 主销转角最大值 由 4 5 减小至 1 5 4 6 结论 笔者以不等长双横臂为研究对象 应用 A D A M S 仿真软件建立虚拟样机模型 对转向系断开点进行优 下转第 8 2页 设计与制造 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 机械 研究 与应用 6 模具修改得到液压拉伸模具因液压拉伸 只需凸模 下模的口模和压边圈 如图 2 3 a 所示 将上述各模具组件修改后的液压拉伸模具装配图 凸 模 凹模及压边圈如图 2 3 b c d e 所示 5 结论 具有空间曲面特征 的重载汽车螺旋底制动器壳 件 的仿真设计 具有较大难度 研究结果表明该零件 底部通过数学公式建立扫描 曲线 将 P r o E的实体造 型和曲面造型功能两者巧妙地结合运用 成功地实现 了有空间曲面特征的制动器壳件三维实体造型 再 由此通过 P r 0 E和 D y n a f o r m各 自的优势快速 产生液压成形仿真的形面模型 实 现仿真快速建模 并设置合理参数进行仿真 成功后用 P r o E快速生成 液压成形模具 实现设 计一 仿真数字化 为今 后此类 型的制动器外壳件液压成形生产提供了技术指导 参考文献 1 李涛 郎利辉 周贤宾 先进板材液压 成形 技术及其进展 J 塑性工程学报 2 0 0 6 1 3 3 3 0 3 4 2 李涛 郎利 辉 安冬 洋 等 航 空铝 合金复 杂构 件充液 柔性成 形过程及质量控制研究 J 中国机械工程 2 0 0 6 1 7 8 1 1 3 张土宏 尚彦 凌 郎利 辉 等 用动态 显式有 限元法对 板材 成形 进行计算机模拟 J 塑性工程学报 2 0 0 1 8 1 1 9 2 4 4 郎利辉 李涛 周 贤宾 先进充液 柔性成形技 术及 关键 参数 研究f J 中国机械 程 2 0 0 6 1 7 1 9 2 2 5 王保华 唐景林 李群 薄板 充液拉深法兰起皱 失稳 研究 J 锻压技术 2 0 0 3 2 1 8 2 0 6 刘建光 王忠金 宋辉 板材软模 成形数值模拟研究 现状 1 Ilj 材料科学与工艺 2 0 0 8 3 4 3 0 4 3 4 7 郭玉琴 板 料 冲压 仿真 技术 及 其 发展 J 机 床 液 压 2 0 0 7 1 1 1 5 8 1 6 1 8 刘 张 大伟 基于 P r o E和 A d a m s的共轭 凸轮设计 仿 真 J 机械研究与应用 2 0 1 1 1 6 0 6 3 9 王秀凤 郎利 辉 板料成形 C A E设 计及应用一 基 于 DY N A F O RM M 北京 航空航天大学 出版社 2 0 1 0 1 O 宁涛 余强 P r o E机 械设计教 程 M 北京 清华 大学 出 版社 2 0 0 6 1 1 阮锋 黄珍媛 刘 伟强 P r o E N G I N E E R 2 0 0 1 模 具 没汁与制 造实用教材 M 北京 机械工业 出版社 2 0 0 3 1 2 陈剑 鹤 冲压