基于CATIA的某重卡钢板弹簧悬架运动校核

张志龙

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

前言

悬架是车辆的承载机构，主要包括弹性元件、减震器、横向稳定杆等零部件。钢板弹簧悬架是重型载货汽车常用的悬架，钢板弹簧同时起弹性元件和导向元件作用，此类悬架承载能力强，结构简单可靠，制造成本低且维修方便。在板簧悬架的设计过程中，板簧、减震器、横向稳定杆、轮胎与周围的转向拉杆、车架、车身之间的间隙校核是十分重要的一个方面，如果布置不得当，容易与周边的部件产生干涉。钢板弹簧作为一种弹性元件，在悬架跳动过程中伴随着自身的弯曲，运动较为复杂。传统板簧悬架设计时多采用二维平面绘图校核，但精确度较低，对于零部件较多的悬架系统间隙校核不够精确。近年来汽车设计人员利用三维软件进行悬架运动校核越来越普遍，数字样机模拟仿真可以再现悬架运动过程，并可以生成运动包络，可以更直观准确的进行悬架各部件之间的间隙校核。

本文借助CATIA 软件中的DMU数字样机模块，建立了钢板弹簧前悬架运动模型。根据SAE圆弧法计算出钢板弹簧中心轨迹跳动曲线，通过点线结合命令模拟前悬架的跳动情况，从而进行前悬架运动校核，为悬架设计提供参考。

1 前悬架结构及布置形式

该型重卡钢板弹簧前悬架结构如图1所示，主要由钢板弹簧、减震器、横向稳定杆及相关的支架和底座等零部件组成。钢板弹簧通过前卷耳后吊耳的方式安装在车架纵梁正下方，随前桥跳动板簧绕卷耳转动并会发生弯曲变形。板簧中间通过板簧底座、U型螺栓和前桥固连，彼此没有相对运动。减震器布置在车架外侧，上套筒安装在减震器支架上，下套筒安装在板簧底座上。悬架跳动过程中，减震器除拉伸和压缩外，还随着前桥做小幅的摆动。横向稳定杆安装在板簧底座上，稳定杆纵拉杆安装在车架内侧，稳定杆支架安装在车架纵梁外表面。

2 前悬架运动仿真模型

CATIA的DMU空间分析模块全称Digital Mock Up，即数字样机设计，可以用来模拟机构的运动情况，帮助设计者分析与机构运动的相关性能和参数。利用DMU建立运动仿真需要满足3个条件：1）确定所有零部件都与其他零部件之间具有运动副，例如：转动、滑动、铰链、齿轮转动、固定连接等。2）确定一个固定不动的零部件作为基础。3）在建立第一步的各种运动副时，选择其中一个运动副作为控制动力源，通过其他运动副作为约束方式带动所有未固定的活动零件进行运动仿真。

建立前悬架运动仿真模型时，首先对原前悬架机构进行简化，去除螺栓、螺母、衬套等小部件，只保留主要的运动零件。进行运动仿真分析的零件包括车架、板簧底座、横向稳定杆、横向稳定杆纵拉杆、减震器以及相应的稳定杆支架、减震器支架。

2.1 板簧运动模拟

图2 前悬架板簧跳动轨迹示意图

为准确模拟前悬架的运动情况，最重要的是准确模拟钢板弹簧的运动情况。板簧变形运动决定了悬架其他部件的跳动，是前悬架跳动的依据。板簧的简化有多种方法，如SAE圆弧法、三连杆法，有限元法等。本文采用美国汽车工程协会推荐的“SAE圆弧”方法来近似计算钢板弹簧的运动轨迹。该方法认为钢板弹簧跳动时，主片中心点A的运动轨迹近似为一段圆弧，该圆弧与板簧的实际运动轨迹十分接近。如图2所示，圆弧圆心O位于基线（前后卷耳中心连线）上方e/2处的平行线上，其中e为卷耳中心到主片中性层距离；圆弧的半径R为板簧有效半长的3/4。e和R可以按式（1）计算。

式中d为卷耳内径，t为卷耳处板簧厚度，L为板簧主片平直状态下左右卷耳中心距，S为U型螺栓距离，α为无效长度系数。

2.2 前轮纯转动DMU模拟

图3 前轮转向角示意图

图4 前轮纯转动形成的包络面

前桥是转向桥，前轮在随悬架上下跳动的同时还要绕主销转动。为使运动模型简单，可以先建立前桥纯转动的局部模型，仿真模拟得到前轮纯转动包络面，导入前悬架整体模型进行前悬架跳动校核。样车前桥车轮转向极限位置如图3所示，外侧车轮转角为 37.1°，内侧车轮转角为 48.1°。固定车桥，令左右车轮和车桥主销孔之间采用旋转副结合，进行运动模拟可以得到前轮转动时的包络面，如图4所示。

2.3 前悬架跳动DMU模拟

图5 前悬架运动机构模型

对该类板簧悬架系统进行模拟仿真最关键的是如何模拟弹性元件钢板板簧的变化情况。本文利用CATIA软件DMU模块中的点线命令，将事先画好的板簧中点跳动轨迹导入到该仿真模型中，如图5所示。利用点线约束命令，让板簧座中点沿板簧跳动轨迹圆弧运动，可以较为准确的模拟真实的悬架跳动情况，从而得到除钢板弹簧外的其余运动部件在车桥跳动过程中的空间包络，用来校核与周围零件的干涉情况。

该悬架运动模型选定的固定零件为车架，控制动力源为板簧底座沿板簧跳动轨迹的点线接触运动副，该运动模型一共有14个运动副，其中：

a.减震器支架和稳定杆支架和车架固连，车桥和板簧底座固连。

b.稳定杆支架和稳定杆纵拉杆、稳定杆纵拉杆和横向稳定杆、横向稳定杆和板簧底座均采用旋转副结合；

c.减震器支架和减震器、减振器和板簧底座之间采用旋转副结合，减震器上下套筒之间采用转动滑动副结合。

图6 各运动副部件示意图

建立好各个零件之间的运动副后，检查整个运动机构的自由度，当整个机构的自由度为 0（包含驱动命令）时，仿真机构可以被模拟，否则需要检查各零件之间的运动副是否有遗漏。仿真得到的该前悬架模型的上下跳极限位置如图7、图8所示。

图7 悬架上跳极限位置

图8 悬架下跳极限位置

2.4 前悬架周边零件间隙校核

利用DMU模块的扫略包络体命令，可以得到前轮稳定杆、减振器、轮胎包络，校核与车架、转向拉杆、车身、轮眉、挡泥板等周边件的间隙是否满足要求，保证车辆运动过程中不会发生干涉现象。

3 结论

本文利用CATIA软件的DMU运动仿真模块，结合SAE圆弧法计算的钢板弹簧的跳动轨迹，建立了前悬架三维运动模型，有效解决了悬架设计过程中二维平面校核方法精确度较低，无法直观观察系统空间运动情况的问题。该运动仿真模型有利于在试制样车之前及时发现可能出现的机构干涉、间隙较小等情况，为此类钢板弹簧非独立悬架车型的悬架系统机构设计、布置及校核提供了重要参考。

参考文献

[1] 刘宏新,宋微微.CATIA 数字样机∶运动仿真祥解[M].2版.北京∶机械工业出版社,2013.

[2] 郭孔辉.板簧变形运动学分析及其运用.汽车工程, 1990(2)∶715.

[3] 王望予.汽车设计[M].北京∶机械工业出版社,2006.1.

[5] 王霄峰.汽车底盘设计[M].北京∶清华大学出版社2010.4.