某车型麦弗逊悬架KC特性分析

2018-07-26黄喆张天宇赵志军吴岩

汽车实用技术 2018年13期

黄喆，张天宇，赵志军，吴岩

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

前言

目前，国内很多新车型的开发都是在成熟已成熟的底盘上根据需要进行调整来达到开发的要求。在底盘开发过程中，悬架的K&C特性与底盘的性能直接相关。其中K代表英文Kinermatics，指悬架的运动学特性，也就是不考虑力和质量的运动只跟悬架连杆有关的车轮运动，是车轮上下跳动过程中体现出来的特性；C代表英文Compliance，指悬架的弹性运动学特性，也就是在外力作用下引起的零部件（弹簧、橡胶衬套等）变形，是在某一固定轮跳下，某种或多种外力作用下的悬架参数变化特性[1]。对K&C特性的理论研究，国内虽然起步比较晚，但是各大高校和车企也进行了系统性的深入研究，建立了整套的试验方法和试验数据库。

本文结合某轿车的开发，对该车前麦弗逊悬架在ADAMS中的建模进行说明介绍，并将该悬架K&C仿真分析、K&C台架试验得到的数据进行对比分析验证。利用K&C分析指导悬架设计，评估操作稳定性。

1 麦弗逊悬架模型建立

本次模型的建立使用的是MSC.ADAMS 2013。根据所得到的硬点数据，衬套刚度试验数据，横向稳定杆刚度数据，车轮定位参数，设计状态轴荷等信息，以数模参数为基础对前悬架模型进行建模和标定。

1.1 悬架系统的简化

图1 麦弗逊悬架运动学关系图

在建立悬架模型前，必须先对悬架系统进行合理的简化。从汽车动力学的角度出发，对所建模型做出如下简化和假设：前悬架为一个多刚体系统，系统在每个缸体的各个方向的惯性力均为零，由于某些铰链在一些方向的力的约束真值比较小，对整车动力学的影响可以忽略不计，也假设为零，减震器简化为线性弹簧和阻尼，各运动副内的摩擦力忽略不计，轮胎简化为刚性体[2]。简化后的运动学关系如图1所示。

1.2 系统坐标系的确立

在建立多体模型时，坐标系的选择对建立样机模型的力学方程难易度起到很大的作用[3]。因此选择模型坐标系与ISO坐标系一致，如图2所示。

图2 ISO坐标系说明

该模型的原点为两侧车轮接地印迹中心点连线的中点。以地面为XY平面，汽车中心对称面为XZ平面，通过前轮轮心连线，垂直XY、XZ两平面的面为YZ平面，取垂直向上为Z轴正向，车身右侧为Y轴正向，以车前进方向的反方向为X轴正向。

1.3 模型关键点获取

硬点是各零件之间连接处的关键几何定位点，确定硬点就是在子系统坐标系中给出零件之间连接点的几何位置。模型关键硬点的空间位置坐标和相关系数是建立运动学模型的关键，从零部件装配图上可以得到硬点的坐标值。模型的硬点如表1所示。

表1 模型的硬点坐标

1.4 仿真模型的建立

计算或测量整合零件的质量、质心位置及绕质心坐标系三个坐标轴的转动惯量，将这些动力学参数填写到对应的对话框中。然后在硬点的基础上创建零件的几何模型，并定义各零件间的运动确定约束类型。通过约束将各零件连接起来，从而构成子系统结构模型。最后将建好的子系统模型组装成悬架系统模型，完成ADAMS/CAR模型下的建模过程[4]。麦弗逊悬架的运动学仿真模型如图3所示。

图3 麦弗逊悬架仿真模型

2 前悬架动运动学特性分析

悬架的K特性即悬架的运动学特性，指的是车轮在跳动过程中车轮定位参数的变化[5]。主要包括双轮同向轮跳工况、侧倾（带稳定杆）工况、侧倾（不带稳定杆）工况、转向运动工况。在建立模型的基础上，运用仿真软件对这些工况进行仿真，并与试验数据进行对比分析。

2.1 平行轮跳试验

平行轮跳工况主要是对应车辆加减速或者爬坡等工况由于载荷前后转移而引起的悬架车轮左右两侧同时跳起或者下落时引起的悬架参数变化，是车辆正常行驶中最普遍的工况之一[6]。平行轮跳试验主要评价数据有：行驶刚度、轮胎径向刚度、悬架刚度、前束角梯度、外倾角梯度、主销后倾角梯度、轮心纵向位移梯度、轮心侧向位移梯度以及抗点头/下蹲等九个主要参数。平行轮跳的仿真试验对比结果如表 2所示。

表2 平行轮跳的仿真试验对比结果

2.2 侧倾工况试验

侧倾工况主要对应的是车辆转弯时车身侧倾的工况。装有横向稳定杆的车辆侧倾时会产生附加的侧倾力矩。侧倾试验的主要评价数据为：侧倾角刚度、轮心处侧倾角刚度、行驶刚度、悬架刚度、前束角梯度、外倾角梯度、主销后倾角梯度、轮心纵向位移梯度、轮心侧向位移梯度。由于侧倾工况主要由车身侧倾角引起。故该试验中主动因素为车身侧倾角，取各参数相对于车身侧倾角的梯度值。侧倾工况仿真试验对比结果如表3所示。