基于ADAMS 的汽车悬架的振动分析

万茂林，张光慧，郭明

(1. 武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070; 2. 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009)

0 引言

悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中车身位置等有关装置的总称。悬架是现代汽车的重要组成之一，悬架的性能的好坏将直接影响到汽车在行驶过程中的操纵稳定性和平顺性。同样也将影响到汽车使用者的主观评价。汽车在行驶时，由于车轮与路面之间的动载荷，会影响到车轮的附着效应，因而也会影响到汽车的安全性。当车轮在高速运转时，处于不平衡状态下，会导致车辆在行驶中产生车轮抖动、方向盘震动的现象。另外，悬架性能还会引起车身姿态发生变化(侧倾或俯仰)，也会影响到行车的安全和使乘客感到不舒适。由此可见，悬架性能对汽车的各个方面的性能很关键。

在文中将使用ADAMS 软件研究在汽车使用过程中，由于各种原因导致的车轮在高速转动中失去平衡状态对悬架系统的振动影响。其中导致车轮在高速运转过程中失去平衡的原因有以下几种：

(1) 车轮定位不当，尤其是前束和主销倾角。

(2) 轮胎和轮辋以及挡圈等因几何形状失准或密度不均匀而先天形成的重心偏离。

(3) 高速行驶中制动抱死而引起的纵向和横向滑移，会造成局部的不均匀磨损。

(4) 车轮碰撞造成的变形引起的质心位移。

(5) 维修过程的拆装改变了整体综合质心，破坏了原有的良好平衡状态。

(6) 因轮毂和轮辋定位误差使安装中心与旋转中心不重合。

1 悬架模型的建立

双横臂独立悬架是使用上、下摆臂分别将左、右车轮(或车身) 连接起来的悬架形式。上、下摆臂一般做成A 字型结构，这种悬架实际上是一种在横向平面内运动的四连杆机构。双横臂独立悬架是目前汽车上使用最广泛的独立悬架之一，主要运用于轿车、轻型客车和轻型货车的前悬架上［1］。其空间结构简图如图1 所示。

根据双横臂独立悬架的空间结构求出各个关键点的绝对坐标，并使用ADAMS 建立双横臂前独立悬架的模型，并对悬架的各个构件施加约束副，约束各个构件的相对运动，建立好的悬架模型如图2 所示。

2 悬架在自由模态下的振动分析

在进行受迫振动分析之前，对建立好的悬架模型进行自由模态下的振动分析有利于对已建立的悬架模型进行检查，看是否各个构件之间连接合理，可以很好地避免在施加激励后出现错误所引起的问题。并且通过对悬架进行自由模态下的振动分析，可以给我们一个大致的参考，对分析受迫振动分析的结果也是相当有必要的。通过对悬架自由模态下的振动分析，可以看到悬架在各阶模态下的振动频率和振动情况［2］如下：

(1) 在一阶模态下，悬架的固有频率为0.94 Hz，主要表现为底盘的振动;

(2) 在二阶模态下，悬架的固有频率为22.3 Hz，主要表现为轮胎的跳动;

(3) 在三阶模态下，悬架的固有频率为81.1 Hz，主要表现为轮胎的左右摆动，这对汽车的操纵稳定性有重大影响，是应该极力避免的。

3 悬架的受迫振动分析

当汽车车轮在高速运转中处于不平衡状态时，就相当于一个不平衡的物块绕着车轴转动，由于该不平衡的物块处于高速转动中，对车轴有一个向心力的作用，该向心力可分解为垂直方向的力和水平方向力，又由于向心力与车轮的支撑点不在同一个平面，2 个分力将分别在车轮支撑点处产生一个力矩。作用力矩的原理简图如图3、4 所示。

根据公式可知，不平衡质量作用在车轴的离心力大小为F=mw2r，其中m 为不平衡物块的质量，w 为车轮的转速，r 为不平衡物块到车轴的径向距离。力矩大小为M=mw2rd，d 为不平衡块旋转平面到车轴支撑点的垂直距离。当把离心力产生的力矩施加到悬架系统时，必须把该力矩分解为水平方向和竖直方向的力矩，分解后可得［3］：

水平方向：

Mx= mw2rdcos(wt)

竖直方向：

My= mw2rdsin(wt)

在使用ADAMS 对悬架系统进行受力振动分析后，可以得出悬架系统的振动特性曲线，如图5 所示。

通过对悬架系统的振动特性曲线的分析，可以发现，悬架振动幅值整体上随着车轮转速(即频率) 的增加而增加，但在频率为0.94 Hz、22.3 Hz 和81.1 Hz 时，发生突增，这一结果与自由模态下的振动分析所得到的悬架在各阶模态下的固有频率值相等。通过该特性曲线不难得出结论： 当车轮处于非平衡状态时，车速越高，其对悬架系统的影响越大［4］。下面通过对计算各个机构的动能的大小来分析在不同的转速下，车轮的不平衡状态对悬架各个构件的影响。悬架受力振动分析的各阶模态下的动能分别如图6、7 和8 所示。

4 结论

从动能表中，可以看出，在一阶模态即频率为0.94 Hz 下，底盘所承受的动能最大为99.44%，说明在一阶模态下底盘承受的振动最大，主要表现为竖直方向的振动。在二阶模态即频率为22.3 Hz 时，车轴所承受的动能最大达到95%，说明在二阶模态下车轴承受的振动最大，主要表现为轮胎竖直方向的振动。在三阶模态下即频率为81.1 Hz 时，车轴所承受的动能最大为91%，说明在三阶模态下车轴承受的振动最大，主要表现为轮胎在车轴轴向的摆动，这将导致方向盘抖动，对汽车的操纵稳定性有很大影响。

【1】刘惟信.汽车设计［M］.北京：清华大学出版社，2002.

【2】陈黎卿.基于ADAMS 的悬架优化及控制研究［D］. 合肥： 合肥工业大学，2005.

【3】喻凡，林逸. 汽车系统动力学［M］. 北京： 机械工业出版社，2005.

【4】戴海燕.基于ADAMS 的悬架仿真分析［J］. 实验科学与技术，2010，8(3) ：27-30.