1、1麦弗逊前独立悬架汽车的操纵稳定性研究作者：张俊伟 学号：0802020407摘要20 世纪 80 年代以来，汽车作为极其重要的交通工具，在交通运输领域和人民日常生活中的地位日益突出。国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性的要求越来越高。汽车悬架系统是影响车辆动态特性最为关键的子系统，其中由悬架所决定的汽车车轮定位参数对整车操纵动特性有着直接的影响。悬架的运动学/动力学仿真分析在汽车悬架系统的设计和开发中占有重要的地位。由于汽车悬架系统是一个复杂的多体系统，其构件之间的运动关系十分复杂，这就给通过传统的计算方法分析悬架的各种特性带来许多的困难。本论文以机
2、械 CAD 设计、虚拟样机仿真技术为前题。提出运用虚拟样机仿真软件ADAMS 里的 CAR 模块分析并进行优化汽车悬架的设计方法。首先，根据悬架各部件之间的相对运动关系和各部件的参数在 ADAMSCAR 中建立某轿车的麦弗逊前悬架的三维 CAD 模型，再加上路面激励，分析悬架参数在汽车行驶中的变化规律。然后利用 ADAMSJnsight 对建立的悬架模型进行结构优化，得到悬架系统结构的优化解。在上述基础上建立了包括前后悬架、发动机、转向系、前后轮胎等在内的整车虚拟样机仿真模型，并根据我国现行整车操纵稳定性试验标准 GB/T6323.1.94GB/T6323.6-94 的要求，编写了用于整车操纵
3、稳定性仿真分析的驱动控制文件(DriverControl Files，缩写为DCF)和驱动控制数据文件(DriverControl Da 切 Rles，缩写为 DCD)，进行了转向盘转角阶跃输入试验、转向回正试验、稳态回转试验、蛇行试验和转向轻便性试验等整车操纵稳定性试验仿真分析，并参照 GB/T113047-9l汽车操纵稳定性指标限值与评价方法对该轿车的操纵稳定性进行了评价计分。关键词：汽车悬架，建模，ADAMS ，操纵稳定性2ABSTRACTSince 1980s，the status of automobile has been becoming more and mole outsta
4、nding in transportation field and peoples daily livesThe competition of national and intemational automobile markets has become drastic unprecedented，and consumersdemand for safety,handling stability and ride comfort is becoming higher and higherAutomobile suspension system is the most pivotal subsy
5、stem that affecting vehicles dynamic performances，and the automobile wheel alignment parameters that decided by suspension has a direct effect to vehicles dynamic handling stabilityTherefore，the kinematic/dynamic simulation analyses of suspension plays a very important role in suspensions design and
6、 exploitationAs suspension system is a complex multi-body system，the movement relation between parts is very complicated，which brings much difficulty for analyzing suspensions performances by traditional calculating methodsBased on mechanical CADdesign and virtual pmtotyping simulation technology, t
7、his paper suggested adesign method for analyzing and optimizing vehicle suspension by using virtual prototyping softwareADAMS/CARFirst，build the threedimensional CAD model of a cars front Macpherson suspension according to the relative movement relations and parameters of all parts and analyze the s
8、uspension parametersvariation rule during driving after adding road actuationThen optimize the suspension structure and get an optimized result for the uspension system by usingADAMS/InsightBased 0n the above，the author built the vehicle virtual prototyping simulating model including the front and r
9、ear suspensions，the powertrain，the steering system， the front and leartires，wrote the driver control files(abbreviationdco and driver control data files(abbreviationdcd)for vehicle handling stability simulation analyzing according to the requirements of the current standards GB/T63231-94-GB/T63236-9
10、4 of onr nations for vehicle controllability and stability test,carried out simulation and analyses for vehicle handling stability such as steering wheel angle step input test,leturnability test，steady static circular test，pylon course slalom test and steering efforts test，and evaluated the cars han
11、dling stability performance by scoring according to GB/T 13047-913Key words：Automobile suspension，modeling，ADAMS，handling stability0.引言汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过汽车转向系给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。汽车操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定汽车高速行驶安全的一个主要指标。随着高速公路的不断发展，汽车以 lOOkm/h 甚至更高车速行驶的情况越来越常见
12、。因此，汽车操纵稳定性日益受到重视，是现代汽车的重要使用性能之一。1.研究对象1.1 汽车悬架的介绍悬架是车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。汽车悬架的作用除了缓冲和吸收来自车轮的振动之外，还要在汽车行驶过程中传递车轮与路面之间的驱动力和制动力，在汽车转向时，悬架还要承受来自车身的侧向力，并在汽车起步和制动时能够抑制车身的俯仰振动。提高汽车的行驶稳定性相安全性。根据现代汽车对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式和振动控制方法随时在更新和完善。悬架的结构形式很多，分类方法也不尽相同。按导向机构的形式，可分为独立悬架和非独立悬架两大类。如果按控制力进行分类，则可分为被动悬架、半主动悬架和主动
13、悬架三种基本类型。三种悬架的简化模型如图 1.1 所示，其中 1 一传感器、2 一可调减振器、3 一执行器。41.1.1 被动悬架被动悬架概念是在 1934 年壶 Olley 提出的。它通常是指：结构上必包括弹和阻尼器(减振器 )的系统。简化模型如图 1.1(a)所示，其中，弹簧主要用来支承簧上质量的静载药，而减振器主要用詈控制响应特性。传统的被动悬架虽然结构简单、造价低廉且不消耗外部能源，但因为其参数固定，所以具有较大的局限性。主要表现在：悬架参数固定，不能随路矿改变，只能针对某种特定工况，进行参数优设计；而且悬架元件仅对局部的相对运动做出响应，故限制了悬架参数的取值范围。1.1.2 主动悬
14、架主动控制悬架的最初装置是由 AP 公司基于气液悬架发展的一静机械系统。主动控制悬架简化模型如图 1.1(b)所示，主动悬架通常包括三部分：传感器、控制器以及执行机构，并由它们与汽车系统组成闭环控制系统。其中控制器是整个系统的信怠处理和管理中心，它接受来函各个传感器的信号，依据特定的数据处理方法和控制规律，决定并控制执行机构的动作，从而达到改变车身的运动状态、满足隔振减振要求的目的。主动悬架一般采用闭环控制。所谓闭环控制就是说输出量反过来又对系统的控制作用有直接影响的控制，也就是说对弹簧刚度和减振阻尼的控制结果，还必须有反馈系统把信息传递给电脑，再由电脑进行分析和修正，以达到最佳的控制效果。由
15、于主动悬架的诸多优点，所以它在现代汽车上得到广泛的应用。1.1.3 半主动悬架半主动悬架的研究工作始予 1973 年由 D。A Crosby 和 DC。Kamopp 首先提出。半主动悬架的简化模型如图 1.1(c)所示，由可变特性的弹簧和减振器组成。其基本工作原理是5根据簧上质量相对车轮的速度响应和加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。半主动悬架在产生力的方面近似于被动悬架，但是半主动悬架的阻尼系数或刚度系数是可交的。通常以改变减振器的阻尼力为主，将阻尼分为两和三级，由人工选择或根据传感器信号自动确定阻尼级。1984 年日产公司研制出一种声纳式半主动悬
16、架，它能通过声纳装置预测前方路面信息，及时调整悬架减振器的三种状态。另外，D ACrosby 等人又提出了阻尼连续可调的半主动悬架系统。2.研究方法2.1 麦弗逊式独立前悬架的结构分析以某轿车的麦弗逊式前独立悬架为例进行虚拟样机建模和仿真分析，经简化所得到的运动学模型如图 2-1 所示。该麦弗逊式前独立悬架主要由三角臀总成、转向节总成、螺旋弹簧、减振器等组成。各刚体之间的连接关系如下：三角臂的一端通过转动铰与车架相连(其中一个转动铰为虚约束，车架相对于地面不动) ，另一端通过球铰与转向节总成下端相连：车轮与轮轴之间用固定铰相连：轮轴与转向节总成之闻用转动铰相连；减振器内外籁之闻通过圆柱铰相连；
17、减振器外筒与转向节总成之间通过固定铰相连；减振器内筒与车架之阃通过万向节铰链相连；螺旋弹簧套在筒式减振器的外筒上，其上端与车身相连，下端固定在减振器外筒上；转向横拉杆一端通过球铰与转向节总成相连，另一端通过万向节铰链与转向器齿条相连；运动分析时，不考虑转向系的影响，转向器齿条与齿条罩之间没有相对运动，相当于齿条通过固定铰与车架相连。当车轮上下跳动时，转向节总成沿摆动的主销轴线 AD 转动。因此，该悬架在变形时，主销的定位角和轮距都有些变化。然而，如果适当地调整导向机构的布置，可以使车轮定位参数的变化极小。6图 2-1 麦弗逊前悬架结构示意图式中，A 为三角臂与转向节连接的球铰中心点；D 为减振
18、器与车架的铰接点；B、C 分别是轮轴内外端点。与双横臂式悬架相比，麦弗逊式悬架的优点是：结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上横臂。给发动机及转向系统的布置带来方便；与烛式悬架相比，它的滑柱受到的侧向力又有了较大的改善。麦弗逊式悬架多用在前置前驱(FF) 轿车(如保时捷 911、国产奥迪、桑塔纳、夏利、富康等 )和微型汽车上(如吉林1010、长安 SC6331)。虽然麦弗逊式悬架并不是技术含量最高的悬架，但它仍是一种经久耐用的独立悬架，具有很强的道路适应能力。2.2 麦弗逊式前独立悬架的虚拟样机建模建模所需的有关空间点坐标数据由生产厂家提供，具体数据如表
19、21 所示。满载时静态前轮定位参数为：前轮前束 1-3mm(0052-01570)；主销后倾角2 50320；主销内倾角 10115：车轮外倾角 01。7对该前悬架实体模型进行分析后，对其进行合理的结构简化，根据各部件硬点坐标、质量参数、转动惯景参数以及螺旋弹簧刚度和减振器阻尼特性参数在 ADAMSCAR 中依次建立各部件，并在各部件之阎添加约束副和力元，得到该麦弗逊式前独立悬架虚拟样机的模板模型，再在标准模式下由模板模型建立其子系统，最后将悬架子系统和测试台(Test-rig)组装在一起得到悬架总成系统虚拟样机模型如图 23 所示。简化后的前悬架总成系统各约束副类型和数目如表 2-2 所示。
20、前悬架总成共有 13 个刚体，17 个约束副，其总的自由度数为：DOF=13x644 2445433x6=4 这 4 个自由度分别是左右车轮的上下跳动和绕主销的转动。823 悬架总成系统仿真分析ADAMSCAR 提供了强大的悬架系统分析功能，可进行双轮同向激振(ParallelwheelTravel)、双轮反向激振 (OppositeWheelTravel)、单轮激振(SingleWheelTravel)、转向试验(Steering) 、静载试验(Static Load)等试验仿真分析。ADAMSCAR 的后处理文件中所包括的曲线几乎涵盏了所有常用的悬架特性。(1)双轮同向跳动仿真分析按满载时
21、悬架所承受的簧载质量要求，将测试台架上下激振位移设置为 50mm，使左右车轮同步上下跳动来进行-5050mm 的常见工况仿真分析。分析车轮在上下跳动过程中车轮定位参数及其它悬架特性随车轮跳动行程的变化规律，从而预估评价悬架系统的性能，并提出改进策略。前束角当车辆在行驶过程中，过大的前束角变化，将会影响车辆的直线行驶稳定性，同时增大轮胎与地面间的滚动阻力，加剧轮胎的磨损。所以前束角的设计原则是车轮跳动时，其变化范围越小越好。该悬架系统虚拟样机模型处于静平衡位置时，前束角为 0。图 24 是前轮前束角随车轮跳动杼程的变化曲线。由图可以看出，车轮在上下跳动 50mm 的过程中，前束角的变化范围为-0
22、.30.62，相对于静平衡时的变化量为为-0.3O.62。车轮在上跳过程中，前束角的变化范围比理想值(理想值为 0.50 以内) 略大。主销后倾角主销后倾角能形成回正的稳定力矩，同时还有抑止制动时点头的作用。但主销后倾角也不宜过大，否则会造成转向沉重。图 2-5 为车轮跳动时主销后倾角的变化曲线。可以看出，主销后倾角的变化范围为 2813 31 ，相对于静平衡位景时(静平衡时为3 01)的变化量为-0 2 O3 ，变动量为 05 ，符合变化量小的设计要求。9主销内倾角主销内倾能使主销偏距减小，从而可减少转向时驾驶员加在方向盘上的力，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。在车
23、轮跳动时，若主销内倾角变化过大，将会使转向沉重，加速轮胎磨损。实际设计时，大致范围为：713。图 26 为主销内倾角随车轮跳动的变化魄线。由图可以看出，主销内倾角的变化范围为9 1 1089，相对于静平衡位置时( 静平衡时为 1026 )的变化量为-1 160 63。车轮上跳 50 胁时内倾角变化量为 0 63，满足设计要求。虽然下跳50mm 时变化量为 116 ，但下跳出现的概率较小，对性能影响不大。10前轮外倾角除主销后倾角和内倾角两个角度保证车辆直线行驶的稳定性外，前轮外倾角也具有定位作用。如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时，车桥将因承载变形。而可能出现车轮内倾。这将加速汽车轮
24、胎的偏磨。另外，路面对车轮的垂直反作用力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向轮毂外端的小轴承，加重了外端小轴承及轮毅紧固螺母的负荷，降低它们的使用寿命。因此，为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴承的负荷，安装车轮时预先使车轮有一定的外倾角，以防止车轮内倾。同时车轮有了外倾角角也可以与拱形路面相适应。但是外倾角也不宣过大，否则也会使轮胎产生偏磨损。为防止车轮出现过大的不足转向或过渡转向趋势。一般希望车轮在上下跳动 50mm 的范围内，外倾角的变化在 1以内。图27 为外倾角随车轮跳动的变化规律曲线。由图可以看出，外倾角的变化范围为0 33125，相对于平衡位置时( 平衡位霞时为 0.5)的变动量为-0.170 75 ，总的变动量为 092 ，很好的满足了设计要求。轮距变化量
