麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧优化设计(翻译)

麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧优化设计J.LIU1,D.J.ZHUANG1,F.YU1andL.M.LOU21)StateKeyLaboratoryofVibration,ShockandNoise,InstituteofAutomotiveEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China2)ChinaSpringFactory291,YunchuanRd.,Shanghai200071,China(Received23February2006;Revised20October2006)摘要：侧向抗力不可避免地存在于一个麦弗逊式前独立悬架系统,它容易穿过阻尼杆的一端,降低汽车驾驶时悬架系统内摩擦阻尼器性能。新的侧载螺旋弹簧代替了传统的中心线弹簧，多体动力学与有限元分析相结合的方法,已被证明可以对其进行有效的优化设计。因此,以某轿车为例,建立了麦弗逊悬架多体动力学模型,将减振器侧向力仿真结果作为侧载弹簧设计目标,应用有限元方法进行结构优化设计,并进行了试验验证。研究结果表明,采用优化设计的侧载螺旋弹簧后可显著降低悬架侧载,为悬架系统及其元件的优化提供了一种参考方法。关键词:多体系统动力学、优化设计、麦弗逊式前独立悬架、侧载螺旋弹簧1、介绍麦弗逊悬架因其结构紧凑、成本低而在轿车中得到广泛应用，然而，侧向分力FQ不可避免地存在着阻尼杆的顶部。如图1所示，该侧负荷可能增加阻尼器内阻尼杆的摩擦，导致零件的一端失效，此外，当轿车麦弗逊式前独立悬架的工作在一个平坦的路段时，由路面激励振幅转化而为的车体垂直振动，因不能克服内在的摩擦而停止工作。因此，为了优化悬架系统阻尼器零部件和提高悬架系统的行驶平顺性，减少了FQ是非常重要的。传统解决方法是将弹簧斜置。然而由于悬架布置空间有限,制约了弹簧斜置角,部分麦弗逊悬架的减振器侧载无法消除。最近,一些汽车制造商采取了由Muhr和Schnaubelt(1989)研制的新型中心线弹簧来代替常规弹簧,使弹簧的力线角偏离弹簧压在两个平行层面。通过设计适当的曲率,使弹簧本身可以抵消侧向负荷,所以它被命名为“侧载螺旋弹簧”。然而，实现从侧载螺旋弹簧自变形机制直接定义刚度弹簧的结构参数是很困难的，但仍在实践中。这个设计通常是依据试验数据,因此需要更快捷、更经济的方法。另外,传统的优化设计强调部分代替系统之间的相互作用,而部分部件和系统之间和系统的总体特征可以极大地影响的一种产品。因此,优化麦弗逊式前独立悬架的应该首先从系统分析，一些研究人员已经做了很多贡献。1994年,Muhr和Schnaubelt通过降低了麦弗逊式前独立悬架的侧向力改进了侧载螺旋弹簧(WünscheandMuhr,1994)。他们基于物理模型与实验结果的研究,车身加速度和阻尼的改善证明侧载螺旋弹簧在驾驶舒适性中起到的效果。然而,他们的研究对象只是一个存在侧载螺旋弹簧,研究目的是确定的侧向负荷性能特征,而如何设计侧载螺旋弹簧从来没提到。1996年,SatoshiSuzuki、SyujiKamiya和ToshiyukiImaizumi介绍了侧载螺旋弹簧的有限元模型,分析了结构参数的影响(Suzuki等,1996),包括的自由螺旋,侧载螺旋弹簧的特点,探讨了设置位置的安排,弹簧阻尼器的侧倾角,最大限度地降低弹簧座侧向力。并进行大量的有限元模型验证,但他们性能特点和设计方法的研究仍局限于分析中。2000年,ToshiyukiImaizumi和TakashiGotoh通过采用机械动力实验和有限元分析软件相结合的方法分析摩擦阻尼器(Gotoh和Imaizumi,2000年)。在他们的论文中,首先，建立侧载螺旋弹簧有限元模型和弹簧位置来研究位于侧载螺旋弹簧的反应力线的弹簧末端线圈角度和阀座角度比的影响。然后通过有限元分析软件与机械动力新设计方法的相结合。最后,通过比较边负载弹簧力轴和悬架摩擦弹簧，分析新设计与传统的优势。然而,设计过程并不完全清楚,还需要对一部分设计过程进行改进,特别是对于设计现有的麦弗逊式前独立悬架侧向负载弹簧，在梯状弹簧的较上与较下位之间寻找最好的工作点来预测理想的力线意味着重复模拟对照每一种工况的工作点,显然可以采取一种更简单的方法。如何确定初始弹簧弯曲和如何实施参数研究,特别是弹簧弯曲中心线都没有提及。侧载螺旋弹簧的中线到底是什么?文章并没有为侧载螺旋弹簧的曲率提供了正确的描述。在悬架优化中,比较的标准是悬架的摩擦是不是被麦弗逊式默认模板的ADAMS/CAR模块支持。可能需要建立一个全新的模型,利用ADAMS/CAR模块或甚至是可以花费很多时间的ADAMS/View模块。摘要本文以一个现有的轿车为例,提出了一种更简单、更详细的设计方法来优化支撑麦弗逊悬架的侧载螺旋弹簧，减少侧向荷载的阻尼杆。这个设计流程图如图2所示。首先,在ADAMS软件环境下建立悬架多体动力学模型,进行仿真分析,将减振器受力情况作为侧载弹簧的设计目标。然后,在ANSYS下进行侧载弹簧有限元建模和仿真,将仿真结果与设计目标进行比较,若侧向力与减振器上支点的侧向分力相同且保持原有的悬架垂向刚度,则认为模型参数最优;否则,修改参数重新进行建模与仿真,直到获得最优解。根据优化的设计参数试制侧载弹簧,并进行台架试验,验证了有限元模型的正确性。最后,将有限元模型导入多体动力学模型中,建立刚柔耦合模型并进行仿真,进一步验证优化设计的合理性。2、悬架系统的仿真以现有的轿车为例,具体阐述了多体动力学模型建立麦弗逊式前悬挂系统利用ADAMS/CAR软件,如图3。建模过程中考虑了减振器到车身、控制臂到副车架和副车架到车身3处橡胶衬套的非线性特性。图3前悬架系统模型在此模型的基础上,在ADAMS软件环境中对所建悬架系统进行车轮同向跳动仿真分析,车轮行程,得到减振器上支点处的受力及转矩,变化曲线如图4所示。从图中可以看出,随着工作行程的增加,纵向分力近似为零;侧向分力与垂向分力都成非线性变化,但垂向力变化较为明显,这主要是由于减振器接触限位橡胶块的缘故。由于与的作用使得在平面内也呈现明显的非线性。图4减振器上支点受力及转矩图5力和力矩根据力及力矩平衡作用线的模拟,计算出所需优化目标的弹簧力,侧载螺旋弹簧的设计参数。如图5所示,弹簧结构参数优化设计前要确定期望的侧载弹簧力作用线,以此作为优化目标。将和简化,可得到作用于点处的主矢和主矩，与大小相同并相互平行,满足(1)在式(1)中，为减振器上支点相对于主矢作用点的位矢。当点沿着作用线移动，式(1)只在有且只有发生改变时成立。当垂直于,它也垂直的和平面,则有(2)在式(2)中,很明显的,单位矢量方向由其所在向量的和方向决定,它的数值是由他们的商决定。力和扭矩的仿真结果可由图4表明,因此点可以准确地计算。由于力平行于力,理想的弹簧力线与弹簧力摩擦阻尼器具有相同的方向,并且通过,它可以写成,(3)或者另一种形式,(4)令式(4)中的与,可得到在弹簧上座和底座平面上的作用点坐标,如图5所示,横坐标为弹簧压缩高度,纵坐标分别为弹簧力作用点的、坐标值。连接相同下弹簧上座和底座平面的弹簧力作用点坐标,即可获得该弹簧压缩高度下的侧载弹簧期望的力作用线。设计的侧载弹簧既要保证垂向分力与原弹簧一致,以确保原有的悬架系统特性,又要产生与减振器上支点侧向力相同的侧向分力,以抵消悬架的侧载,这也是侧载弹簧的优化设计目标。图6弹簧力作用点坐标曲线3、结构设计和验证原有的圆柱形弹簧主要结构参数包括中间直径、自由长度、数量,弹簧总高度,斜度和线直径,这些可以确定弹簧竖向刚度。至于侧负荷设计,另一个是至关重要的是影响弹簧力明显偏差的弹簧曲率参数。3.1．估算中心线初始值侧载螺旋弹簧的简单曲率中心线更容易研究和扩展到弹簧复杂的曲率。假设弹簧中心线非常小，弹簧压缩时曲率、侧向位移可以忽略不计。当弹簧从其自由的高度压缩到工作高度,则是中间直径,如图7。图7侧载螺旋弹簧的结构参数在线性范围,为。因此(5)垂直力构成相应内部和外部方面的平行力,总垂向力仍是,但它的螺旋弹簧作用线位移为(6)根据式(6),位移与曲率按比例协调,弹簧的自由长度和面积没有关联。当曲率为零,螺旋弹簧上转移作用线消失。至于侧负荷曲率的变化,弹簧座的底部位移有是，部分高度是,如果弹簧经过中心的位置，侧载螺旋弹簧处于初始状态时，那么。然而,弹簧的力量可以抵消了阀座顶部表面位移，如图6，因此新的位移.因此侧载螺旋弹簧弯曲到高度时，(7)假设,则有。与式(6)同理.在式(7),除了工作结构参数、，工作高度、力作用角之外，顶部的位移也可从仿真结果图5显示出来。然而,上述的分析和计算进行线性假设并没有指望在环状位移和变形。不考虑线圈的无效影响,这样的理论计算精度很局限。因此,式(7)只提供一个侧载螺旋弹簧弯曲有限元模型初始值的拟和分析，用来模拟曲率中心线优化。3.2.有限单元仿真和验证在3.1节里,很明显,从上到下的曲率变化越大,弹簧力越倾斜。除此之外,曲率值越大,通常会导致底座、弹簧顶部或底部更大地偏置弹簧力分布的距离。通过调整弹簧负荷和中线结构参数改变功能,建立的有限元模型,如图8所示。图8有限元模型压缩弹簧力线可从仿真结果如图9所示,在不同颜色的线代表力量在不同的时间线,即在不同的压缩的高度。可以看出,这个力线的表示和传统平面,如图9和,几乎保持垂直和水平的变化非常小,而在角度倾斜的一个显著增加与压缩平面，压缩到工作的高度，是修改侧载螺旋弹簧参数的比较理想的力线，这些都是由不断进行优化设计获得的。图9弹簧力线分布多次仿真分析的结果证明,对于侧载变化近似为线性的侧载弹簧,采用二次函数y=a0+a1x+a2x2可较好地表示中心线方程。建立的有限元模型如图6所示,有效圈簧丝螺旋线通过中径沿弹簧中心线的扫略形成,闭合端簧丝螺旋线则利用指数函数生成。为真实模拟压缩过程中的接触情况,有限元模型中增加了刚性的弹簧上座和底座。对所建有限元模型进行求解。通过不断修改中心线方程系数a0、a1和a2,并相应调整线径、中径等结构参数,使侧载弹簧的侧向力和垂向力的有限元仿真结果与设计目标相符合。优化后的侧载弹簧结构参数见表1优化设计的侧载弹簧经加工制造,在弹簧性能试验机ZwickZ050(如图10)上进行试验,其弹簧作用力的试验数据与有限元仿真结果对比曲线如图11所示。从图中可以看出,有限元仿真结果与试验测试数据吻合得较好,从而验证了有限元模型的正确性。图10弹簧ZwickZ050模型试验台图7弹簧力试验与仿真结果比较4、侧载螺旋弹簧的仿真与设计将侧载弹簧有限元模型转换成中性文件导入到ADAMS中,建立刚柔耦合的多体系统模型并进行动力学仿真计算,以检验优化设计的侧载弹簧对悬架系统的作用效果。图12具有侧载弹簧的减振器上支点受力图12所示为仿真获得的减振器上支点受力曲线,与图4相比可以看出,垂向力Fz与原悬架模型垂向力基本一致,保证了悬架垂向刚度不变的设计目标;侧向力Fy则显著降低,在整个弹簧压缩行程中接近于零,有效地解决了麦弗逊式悬架侧载引起的减振器偏磨和内摩擦问题。5、结论对侧载螺旋弹簧结构参数进行的优化设计,获得了期望的悬架系统垂向及侧向力特性,既有效地降低了麦弗逊悬架的侧载,又保持了原悬架