空气弹簧前独立悬架的多体运动学仿真分析

空气弹簧前独立悬架的多体运动学仿真分析

在建筑设计过程中，虚拟样品技术用于将分散的零件设计和分析技术结合起来。在计算机上创建产品全球模型，预测产品全球性能，提高产品整体设计和产品性能。悬架的结构特点对整车操纵稳定性和平顺性的影响至关重要1模型的建立和输出建立空气悬架仿真模型的步骤如下。a.在Solidworks中建立各部件的三维模型,装配好之后再分别导入到ADAMS/Car中(在ADAMS/Car中建好硬点和实体部件,然后分别导入以parasolid格式保存的部件外形),如图1所示。b.在ADAMS/Car中,根据目标悬架中零部件间的相对运动关系,定义零部件的拓扑结构,确定零件间的连接关系和连接点的位置;测量零部件质心位置、质量和转动惯量,确定减振器的阻尼特性和弹簧的刚度特性,定义主销轴线,输入车轮的前束角和外倾角,建立该模型与试验台架之间进行数据交换的输入和输出信号器。3种空气悬架的主要参数见表1。2悬架轮跳特性悬架的运动学特性首先反映在车轮定位参数的变化趋势上。选择标准的悬架轮跳典型工况,令轮胎中心在z轴(车辆行驶时悬架的主要跳动方向)上、下跳动的范围为±100mm,可得车轮前轮前束角、前轮外倾角、主销内倾角和主销后倾角以及轮距、轮胎转角等特性参数的比较。2.1车轮震动量随车轮可车轮前束可以弥补外倾角带来的不利影响,减少轮胎的磨损。为了使轮胎磨损不因侧偏而加剧,同时也不增加滚动阻力和不影响车辆直线行驶能力,车轮在跳动过程中应该尽可能使前束保持不变或者变化很小。前悬架上跳时前轮前束值的变化范围小,下落时前束变大,后悬架则要求相反,这使得悬架具有不足转向特性,有利于改善汽车的操纵性能。由图2可以看出,车轮上、下跳动时,ZF的前束角变化趋势与外倾角基本一致,在车轮跳动量为±100mm的行程内,前束的变化范围较小;而DANA和SCANIA的前束角则相反。在3种悬架的前轮前束角随车轮跳动量变化的趋势中,DANA和SCANIA恰好和ZF的相反,主要原因是转向拉杆的不同。ZF的转向拉杆的外一点在前轴的前面,而DANA和SCANIA的则在前轴的后面。另外,虽然DANA和SCANIA的初始定位参数相同,由于SCANIA的转向杆系比DANA的要复杂一些,所以两者前束角的变化特性还是有很大差别的。2.2车轮差跳时车轮外倾角的变化汽车作曲线行驶时,车轮随车身一起倾斜,即车身外侧车轮向正的外倾角方向变化、从而降低了其侧偏性能。为保证轮胎的侧偏性能,设计要求悬架上跳时外倾角向负值变化、下落时向正值变化,使汽车行驶过程中的车轮尽可能垂直于路面。由图3可以看出,在车轮跳动量为±100mm的行程内,3者前轮外倾角的变化趋势是一致的,且DANA和SCANIA悬架在上跳行程中前轮外倾角的变化基本相同;3种悬架的变化范围均较小,分别为-0.0504°~1.0618°、-0.5633°~0.5439°、-0.7064°~0.5064°。2.3种悬架主销内倾角的变化主销后倾角的设计应保证车轮具有合适的回正力矩。一般不希望后倾角在车轮上、下运动过程中出现大的变化,以免当载荷变化时出现回正力矩过大或过小的现象,使操纵性能恶化。一般要求后倾角具有随车轮上跳而增加的趋势,这样可以抵消制动“点头”时后倾角减小的趋势。从图4来看,3种悬架主销后倾角的变化趋势相同,具有随车轮上跳而增加的趋势,且变化范围都很小,分别为2.4998°~2.5067°、2.9997°~3.0056°、2.9998°~3.0067°。由图5可知,3种主销内倾角的变化也是一致的,先减小后单调递增,变化范围分别为:7.4414°~8.5619°、5.4523°~6.5232°、5.4931°~6.7204°;DANA和SCANIA的变化曲线很接近。2.4车轮差转式变桨中的车轮车轮轮对轮距变化的要求是尽量小,以减少轮胎磨损。另外,因为轮距变化使轮胎产生侧偏角,从而产生侧向力输入,使操纵稳定性发生变化,尤其是在汽车侧倾时,两侧车轮的横向滑移方向可能相同,使轮距变化带来的侧向力不能抵消,从而使操纵稳定性变坏,因此也要求轮距变化尽量小。一般要求车轮跳动±40mm时,轮距变化为-10~10mm。车轮上跳时轮距适当增加、下跳时轮距适当减小有利于保持汽车的稳定性。在图6中,3种悬架单侧轮距随车轮跳动量变化的趋势基本一致,上跳行程轮距变化量依次增大,下跳行程则依次减小。变化范围分别为:0~12.7mm、-0.21~12.63mm、0~16.52mm。2.5车轮差轮动力图7为左侧车轮转角变化曲线,而左、右车轮转角的变化是相反的。在车轮跳动过程中,转向盘固定,由于转向拉杆的作用,左、右车轮会产生绕主销的转动,从而产生转向角。一般要求将该转角控制在一定的范围内,否则不仅影响汽车的操纵稳定性,而且会加剧轮胎的磨损。3参数刚体和弹性体运动学的比较图8~图11为ZF客车空气弹簧前独立悬架各车轮定位参数刚体和弹性体运动学分析的比较。(图中实线为刚体运动学分析,虚线为弹性体运动学分析)。由仿真可知:橡胶轴承的应用使得车轮定位参数的变化规律基本不变。4转向机构仿真考虑前悬架的空间布置情况,在不改变其他悬架参数运动学特性和保证设计简单的原则下,根据文献[7]的分析,以悬架上跳+50mm行程中前束变动量最小为目标函数,对转向拉杆断开点的位置进行优化仿真(可先用ADAMS/Insight获取该参数的变化趋势),得到基于多体运动学分析的结构参数优化设计方案。将DANA转向拉杆的内一点即转向拉杆的断开点下调12mm,而将SCANIA转向拉杆的外一点下调24mm,得到优化后的前束角变化曲线如图12、图13所示,其他特性参数曲线基本保持不变。5车轮定位参数a.仿真分析发现,ZF的空气弹簧双横臂独立悬架具有较好的