悬架K - C特性在底盘性能分析中的研究-

1、表3主成分分析结果参考文献学位论文.长春:吉林大学,2002.工业大学自然科学学报,2000,30(1.4Crolla D A,Chen D C.Vehicle Handling Assessment Using aCombined Subjective-Objective Approach.SAE TECHNICAL PAPER SERIES,980226.5汽车操纵稳定性试验方法.中华人民共和国国家标准,GB/T6323.16-94.6ISO 79751985Road vehicles Braking in a turn Openloop test procedure.7ISO 13674

2、-12003Road vehicles Test method for the quantification of on-centre handling.8ISO 79751985Road vehicles Braking in a turn Openloop test procedure.(责任编辑帘青修改稿收到日期为2009年12月17日。主成分特征值i贡献率/%累计贡献率/%0.2221.23199.530悬架K&C 特性在底盘性能分析中的研究*管欣逄淑一詹军(吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室【摘要】归纳出影响车辆转向特性的各种因素,并用悬架K&C 参数定量化;提出车辆

3、在常用车速直线行驶时期其前束角和外倾角应尽量为零,以保证轮胎磨损尽量小,并建立了行驶时前束角及外倾角的表达式;将各向力作用下的变形统一为悬架及轮胎刚度,并分析了各种刚度的意义;通过悬架K&C 特性计算出动力学参数,建立了研究操纵稳定性及底盘电控的虚拟车辆,并在Carsim 和ADAMS 软件中实现。主题词:悬架K&C 特性不足/过度转向特性轮胎磨损中图分类号:U463.33文献标识码:A 文章编号:1000-3703(201002-0004-04Research of Suspension Kinematics and Compliance onVehicle Chassis

4、Performance AnalysisGuan Xin,Pang Shuyi,Zhan Jun(State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation,Jilin University 【Abstract 】Many factors which influence vehicle steering characteristic are summed up and quantified withsuspension K&C parameters;it is proposed in the paper that vehicle toe-

5、in and camber shall be maintained at zero as much as possible when the vehicle drives in a straight line at regular speed,so as to minimize tire wear,the expression of toe-in and camber during driving are also established;the deformation under the effect of vectors are united to suspension and tire

6、rigidity,the significance of different rigidities are analyzed;dynamic parameters are calculated with suspension K&C characteristic,and vehicle handling stability and virtual vehicle with electrically-controlled chassis are established and represented in Carsim and ADAMS software.Key words :Susp

7、ension,K&C characteristic,Understeer/oversteer,Tire wear1前言悬架K&C 特性对操纵性中处于核心地位的不足/过度转向特性、直线行驶时的轮胎磨损有重要影响,同时可反映出悬架和轮胎刚度及迟滞特性。本文从以上这几点分析悬架K&C 特性对底盘性能的觹基金项目:“863”国家高技术研究发展计划项目(2006AA110102。影响,论述了用悬架K&C 特性计算得到的车辆参数建立基于总成特性的虚拟车辆方法。2不足/过度转向特性汽车操纵性可以分为线性区域、非线性区域及极限操稳区域3个阶段。线性区域是研究非线性区域及极限操稳

8、区域的基础1。车辆转向特性如图1所示,车速极低时,前后轮中心面的垂向交点即为车辆转向中心M 0;当车速及侧向加速度增加时,车辆转向中心变为M ,转动半径=l /(-f +r 。图1车辆转向特性的几何描述稳态转弯半径一部分由阿克曼转向几何决定,另一部分由前后轴等效侧偏角决定。等效侧偏角不仅包含轮胎侧偏角、悬架和转向系统变形转角,还包含由于轮胎外倾侧向力产生的等效侧偏角1。各部分对转向特性的影响用不足转向梯度表示,其单位为(°/g 2。通过横摆力矩平衡得到轮胎侧偏角,进而得到轮胎的不足转向梯度,当轮胎侧偏刚度相等时,轮胎的不足转向梯度由前后轴载荷分配产生:K UT =m 2L (b C

9、f -aC r(1式中,m 为整车质量;L 为轴距;a 、b 为前后轴距质心距离;C 为轮胎侧偏刚度,下标f 、r 分别表示前、后,下同。轮胎受到侧向力时,由于侧向力转角坠/坠F y 的作用,其等效转向梯度为:K FY _S =m坠f 坠Fyb L -坠f 坠F y aL!"(2侧向力作用下外倾角产生的附加转角同样对转向特性有影响,侧向力外倾等效转向梯度为:K FY _C =m 坠f 坠F y C f C f b L -坠r 坠F y C r C f aL!"(3由于侧向力作用时存在气胎拖距t ,回正力矩引起附加转向及外倾角变化,回正力矩等效转向梯度分别为:K MZ _S

10、=m (坠f Z b t f -坠r Z at r(4K MZ _C =m (坠f Z C f f b t f -坠r Z C r r at r(5转向系统刚度对转向特性的影响如下:K S =mbt fG 2S LK SC(6其中,G S 为角传动比,但由于不同车速下转向助力不同,K SC 为变化值,需要根据助力特性计算。在单轨模型基础上,分析3自由度车辆模型由于侧倾转向及侧倾外倾对不足/过度转向的影响车体侧倾角与侧向加速度比值,即侧倾角梯度为:K =m s e y(K sf +K sr ·TK 2/2+(K auxf +K auxr -m s ge y(7式中,m s 为簧载质量;

11、K s 为悬架垂直刚度;TK 为轮距;K aux 为悬架辅助侧倾刚度;e y 为质心到侧倾轴线距离。利用侧倾角梯度及悬架的侧倾转向系数坠/坠,得到侧倾转向梯度为:K RS =(坠f 坠-坠r 坠K (8由于侧倾时轮胎外倾角发生变化,外倾侧向力产生的等效侧偏角对转向特性梯度的贡献为:K RC =(坠f 坠C f C f -坠r 坠C rC rK (9通过以上分析,得到轴荷分布、轴距、轮胎侧偏刚度及外倾刚度、侧倾转向、侧倾外倾、侧向力转向、侧向力外倾、回正力矩转向、回正力矩外倾、气胎拖距、转向系统刚度等对车辆不足/过度转向的影响。某A 级车的具体车辆参数如表1所列。质心距侧倾轴线距离为441.7m

12、m ,质心高度为551.3mm,轮胎侧偏刚度为876N/(°,外倾刚度为50N/(°,气胎拖距取25mm ,根据公式(1公式(9得到表2所列数据。由表2可知,前、后悬架产生的不足转向梯度为正值。即该车外倾角变化引起的不足转向较悬架变形转角小,而载荷分配引起的不足转向较大。针对单轨模型及3DOF 侧倾模型,综合分析了悬架K&C 特性中各部分对不足/过度转向特性的贡献。需要注意的是车轮转动时外倾角变化较大,在动力学仿真时需要考虑该因素的影响。3直线行驶轮胎磨损悬架K&C 特性应与悬架初始定位共同保证轮l M 0l fffrr M不足转向过多转向中性转向胎磨损尽量

13、小,而车辆绝大多数情况是直线行驶,因此要求行驶前束角和外倾角尽量为零,以保证轮胎磨损最小35。表1车辆参数表2各因素不足转向梯度(°/g车辆静态测量的初始前束角和外倾角并非行驶时的前束角及外倾角,由于车辆驱动方式不同,因此需要根据常用车速时的纵向力转角及纵向力外倾角计算行驶前束角及外倾角,而车辆载荷状态变化引起的轮跳产生的前束角和外倾角也需要考虑,外倾角和前束角并非仅由几何关系决定。车辆在匀速行驶时,驱动力F需要克服风阻F W 和轮胎滚阻F T。i为前轮驱动力与总驱动力比值,前轮驱动时i=1,后轮驱动时i=0,纵向力分布如图2所示。前、后悬架受到的纵向力分别为:F f=iF-F Tf

14、=i(F W+F Tf+F Tr-F TfF r=(1-iF-F Tr=(1-i(F W+F Tf+F Tr-F Tr(10图2车辆行驶中的纵向力分布车辆行驶中的前束角R并非四轮定位时测得的前束角,而是由初始前束角R0、纵向力前束角系数坠坠F x、侧向力及回正力矩转角系数坠坠F y和坠坠M z决定。当载荷变化时,R还受轮跳产生的转角系数和悬架刚度影响:R=R0+坠坠F xF x+坠坠F yF y+坠坠M zM z+坠坠S·坠坠F z·F z(11行驶外倾角C可以表示为:C=C0+坠坠F xF x+坠坠F yF y+坠坠M zM z+坠坠S·坠S坠F z·

15、F z(12子午线轮胎滚阻系数经验公式为:f=f0+f1(u a+f2(u a4(13空气阻力F w与风阻系数C x、空气密度、正对面积S及车速V的关系式如下:F w=C x2S·V2(14以前轮驱动国产某A级车辆为例,该车i=1、前悬架初始前束角为0.2°、后悬架初始前束角初始外倾角均为0。根据公式(10公式(14得到前束角及外倾角随车速变化情况如图3实线所示,可知随车速增加,前轮驱动车辆前悬架定位参数变化较大,后悬架受到的纵向力较前悬架小,悬架定位参数基本不变。当载荷变化时,以左侧坐入驾驶员为例,分析其对前束角及外倾角的影响。根据载荷分布,计算前悬架左右两侧前束角及外倾

16、角随车速变化情况,图3中虚线所示为前悬架左侧前束角、外倾角变化曲线,点划线为前悬架右侧前束角、外倾角变化曲线。(a前束角变化(b外倾角变化图3载荷变化对悬架定位的影响由图3可知,车速不同导致行驶前束角和外倾车辆参数前悬架后悬架悬架侧倾角刚度/N·m·(°-1979632水平方向与质心距离/mm11031532侧倾中心高度/mm75.5157侧倾转向/(°·(°-10.096-0.064侧向力转向/(°·N-1 2.1×10-5 5.3×10-5侧向力外倾/(°·N-1 1.6

17、×10-4 2.8×10-4回正力矩转向/(°·(N·m-1 3.8×10-3 1.1×10-3回正力矩外倾/(°·(N·m-14×10-4 3.4×10-4纵向力转角/(°·N-1 2.7×10-41×10-4纵向力外倾系数/(°·N-18.2×10-5 4.8×10-5综合梯度 2.92iFF Tf F TrF w(1-iF050100150车速/km·h-10.5-0.5-1.0前

18、悬架前束角/(°0501001500.40.2-0.2-0.4前悬架外倾角/(°车速/km·h-1角均发生变化;载荷变化能明显影响前轮定位;驾驶员进入车内后较之空载,左侧悬架定位参数的变化大于右侧悬架。因此,悬架初始前束角及外倾角需要根据车速及载荷等不同工况进行合理匹配。4悬架和轮胎刚度及迟滞特性悬架K&C特性中,包含较多各向力作用下的悬架及轮胎变形,本文统一描述为悬架和轮胎刚度。悬架及轮胎6向刚度分别为垂直刚度、纵向刚度、侧向刚度、绕X轴的侧翻刚度、绕Y轴的扭转刚度、绕Z轴的扭转刚度。悬架垂直刚度是车辆平顺性匹配的一项重要内容,垂直刚度的匹配需要考虑前、

19、后轴刚度比及轮荷的影响,垂直刚度在车辆侧倾时产生等效的侧倾力矩,在匹配横向稳定杆刚度时需要考虑悬架垂直刚度的影响。悬架纵向及侧向刚度主要由橡胶衬套引起。悬架纵向刚度应尽量小,使车轮受到的纵向冲击通过橡胶衬套得到尽量大的缓冲,提高车辆的纵向力冲击性能;悬架侧向刚度应尽量大,避免侧向力作用下的悬架侧向变形,因为过大的悬架侧向变形将导致侧偏角和侧向力滞后。悬架纵向及侧向刚度对橡胶衬套的要求相反,因此橡胶衬套刚度需要权衡两方面效果。另外,悬架3个方向的扭转刚度在悬架精细建模时也需要考虑。通过K&C试验,同样能测得轮胎6向刚度。由于轮胎各向刚度由结构、胎压、载荷等决定,在轮胎模型中作为模型描述参

20、数,如SWIFT模型3及轮轴模型6均需要轮胎6向刚度。迟滞特性主要由橡胶衬套的粘弹性产生,在橡胶衬套应力-应变图中加载和卸载曲线不同,加载和卸载曲线之间的面积代表了主要以热能形式耗散的能量,对降低振动及冲击有一定作用。5构建虚拟车辆在研究操纵稳定性及底盘电控特性时,车辆动力学模型一般使用基于总成特性的动力学软件,如ADAMS概念悬架、Carsim及Ve-dyna,其悬架模型的绝大部分参数都可以直接从悬架K&C试验数据中得到。本文利用悬架K&C特性,提出了基于总成特性建模的车辆模型方法。在测得轮距、轴距的基础上,通过载荷分布计算出质心位置;通过惯量及质心高度测试,得到整车及簧上质

21、量的各向惯量。利用轮心或轮胎接地点随轮跳的运动关系,计算出悬架的侧倾中心及纵倾中心高度和位置。通过悬架K&C特性得到的悬架刚度、轮胎刚度以及辅助侧倾刚度,可以将弹簧、轮胎以及横向稳定装置的力学特性加入虚拟车辆中。转向系统中可直接测得转向传动比,利用转向几何特性分析出主销相对于车轮的角度及位置定位关系,通过转向几何数据计算出主销内倾角及主销后倾角初值、轮心到主销轴线的距离以及主销穿地点距离轮胎印迹中心距离7。最后加入轮胎侧偏特性、减振器阻尼特性及其他参量,可以构建出虚拟车辆的静止状态,如图4所示。悬架K&C特性作为附加量可修正动态时车轮的运动姿态。通过模型进一步细化,可以计算悬架

22、发生形变时的侧倾中心及纵倾中心8。为方便处理K&C原始数据及建立虚拟车辆,所开发的悬架K&C后处理软件能够直接处理MTS、ABD悬架试验台的K&C原始数据,生成Carsim、ADAMS概念悬架所需要的车辆动力学参数及parsfile及scf文件,同时可以根据用户需要定制悬架K&C报告9。图4利用K&C特性构建的虚拟车辆6结束语本文将各因素对车辆不足/过度转向特性的影响定量化,提出了对直线行驶轮胎磨损的悬架要求,分析出悬架刚度和轮胎刚度对底盘性能的影响。将悬架K&C特性与底盘性能有机联系,综合悬架K&C特性计算出的参数,建立起用于研究操纵稳

23、定性及底盘电控的虚拟车辆,并已在Carsim、ADAMS 软件中实现。参考文献1John C.Dixon,Tires,Suspension and Handling.Warren-dale:SAE,1996:361377.2Bundorf,Leffert.The Cornering Compliance Concept for Description of Vehicle Directional Control Properties./SAE Paper,1976:760713.主销轴线前轴侧倾中心俯仰中心后轴侧倾中心质心侧倾轴线1前言汽车转向传动机构的传统设计方法分为两种,一种是采用作图法分

24、析转向特性,该方法的缺点是每做一种方案都需要花费大量时间,而且由于各前轮定位参数等的存在,导致作图本身会有大量的近似计算;另一种方法是确定传动机构后进行数学推导计算,根据计算流程编制设计计算程序,该方法的缺点是转向系的数学推导计算本身极其繁杂,而且又要求设计工程师能进行计算机编程,另外编制的计算软件只是针对特定的机构,如更改机构又需要重新进行数学推导并编程。鉴于以上两种设计方法的特点,本文提出采用Pro/E的机构运动仿真模块对双前轴转向系的传动Pro/E机构运动仿真模块在双前轴转向传动机构匹配设计中的应用尹华清1,2杨庆丽2(1.西安石油大学;2.陕西重型汽车有限责任公司【摘要】介绍了应用Pr

25、o/E机构运动仿真模块进行运动仿真的工作流程。通过应用Pro/E机构运动仿真模块对双前轴转向传动机构进行匹配设计的实例,论述了商用车双前轴转向传动机构的设计理论要求、初步的传动机构实体建模方法以及转角特性分析方法、理论模型与实体模型的转角特性数据处理与分析,以及实体模型的优化设计方法,并简要介绍了转向传动机构与悬架系统的运动干涉分析方法。主题词:双前轴转向系统传动机构设计中图分类号:U463.4文献标识码:A文章编号:1000-3703(201002-0008-04 Application of Pro/E Motion Simulation Module in Dual-front Axle

26、Steering Linkage match DesignYin Huaqing1,2Yang Qingli2(1.Xi'an Shiyou University;2.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.,Ltd【Abstract】This paper briefly described the operating flow of motion simulation with Pro/E mechanism motion simulation module.It takes Pro/E mechanism motion simulation module in the match design of dual front-axle steering linkage as an example to expound the theoretical design requirement of dual front-axle steering linkage of commercial vehicle,primary solid modelling method of steering linkage a well as steering angle characteristic analysis m