两级变刚度复式板簧建模及仿真研究

2021-09-10王海艳申东月WangWeiWangHaiyanShenDongyue

北京汽车 2021年4期

王伟，王海艳，申东月Wang Wei，Wang Haiyan，Shen Dongyue

两级变刚度复式板簧建模及仿真研究

王伟，王海艳，申东月
Wang Wei，Wang Haiyan，Shen Dongyue

（一汽解放商用车开发院轻型车开发部，吉林长春 130011）

两级变刚度复式板簧结构复杂，是悬架系统建模仿真的难点。基于离散梁建模原理及特点，以7+9两级变刚度复式板簧为例，应用MATLAB进行参数可视化计算并创建建模输入文件，在ADAMS/Car中分别完成7片主簧和9片副簧的动力学模型创建及刚度特性分析。利用自创的离散梁装配法，在ADAMS/View中完成主、副板簧动力学模型装配，并对装配后模型的可行性进行仿真验证。结果表明：基于 MATLAB和ADAMS的离散梁装配法实现了两级变刚度复式板簧建模，并且可行、高效，为创建复杂板簧动力学模型提供了参考。

两级变刚度复式板簧；MATLAB；ADAMS；离散梁装配法；仿真验证

0 引言

两级变刚度复式板簧由主钢板弹簧和副钢板弹簧构成，如图1所示，其广泛应用于载货汽车后悬架系统，该形式板簧具有片数多、结构复杂、刚度非线性、接触非线性等特点，对其进行动力学精确建模及运动特性分析难度较大。

图1 两级变刚度复式板簧

目前，板簧的主要建模方法有SAE（Society of Automotive Engineers，美国汽车工程师学会）三连杆法、有限元法和离散梁法等。其中，SAE三连杆法是基于三连杆理论简化模型的建模方法，不能准确模拟板簧侧向刚度，模型自由度少，不能很好模拟实际板簧的运动学特性[1]；有限元法是将ANSYS等有限元分析软件生成的 MNF文件导入ADAMS中进行建模的方法，对导入的 MNF文件需要进行移动、施加约束、设置属性等操作，过程繁琐，同时外部导入的 MNF文件可能丢失部分模态信息[2]；离散梁法是基于离散理论形成的一种简化建模方法，方法成熟，所建立的模型刚度特性准确，适用于多片簧、少片簧、渐变刚度板簧模型的建立，是目前使用最多的建模方法[3]。

以离散梁建模原理及特点为基础，应用 MATLAB对图1复式板簧进行参数可视化计算及创建建模输入文件，在ADAMS/Car中分别创建主、副板簧的动力学模型，利用自创的离散梁装配法，在ADAMS/View中进行主、副板簧动力学模型装配及仿真验证。

1 主、副板簧动力学模型

文献[4-5]对离散梁建模方法的原理、流程及ADAMS/Car中板簧建模器、板簧参数编辑器的应用进行详细介绍，以此为参考，针对某载货汽车后悬架系统，分别进行主、副板簧的动力学模型创建及刚度特性分析，如图2所示。

图2 某载货车后悬架系统

图2中板簧与后桥的安装类型为Overslung（桥上布置），板簧采用上卷耳，材料为55Cr MnA，弹性模量为200 GPa，剪切模量为79 GPa，材料密度为7.86 g·cm-3，阻尼率为0.1。

1.1 建模辅助程序

板簧建模过程中，在参数编辑器中设置板簧建模输入文件，即给定板簧结构参数、间隙、离散体数量、Impact函数参数、轴参数、衬套力学特性参数、板簧各片中心轮廓线坐标、吊耳质量参数等，在应用以上参数计算方法基础上[6]，为进一步提高建模效率，应用 MATLAB软件开发了板簧建模辅助程序[7]，如图3所示。

图3 板簧建模辅助程序

将主簧规格尺寸、自由及设计状态弧高、硬点位置、吊耳长度等数据加载到图3（a）所示的程序中，程序自动计算主簧各片自由状态下的中心轮廓线，并可视化显示，便于对计算数据进行实时校对。

图3（b）所示程序会根据主、副板簧间的结构关系，副簧规格尺寸及自由弧高等参数，创建副簧虚拟硬点，这为利用离散梁法进行副簧动力学模型创建提供可能。

最终，建模辅助程序以.txt文件格式输出了主（7片）、副（9片）板簧的建模输入文件，如图4所示。

图4 主（7片）、副（9片）板簧建模输入文件

1.2 主、副板簧动力学模型

在ADAMS/Car 板簧建模器中，加载图4（a）所示的主簧参数文件，创建ADAMS 7片主簧动力学模型，如图5所示；加载图4（b）所示的副簧参数文件，创建ADAMS 9片副簧动力学模型，如图6所示。

图5 ADAMS 7片主簧动力学模型

图6 ADAMS 9片副簧动力学模型

1.3 主、副板簧刚度特性分析

从ADAMS/Car切换至ADAMS/View仿真试验环境中，模拟板簧台架试验，对板簧施加相关运动副，并在主、副板簧最末片的中心刚体处分别施加激励=STEP（time，0，0，25，15 000/25 000）+STEP（time，25，0，50，-15 000/-25 000），对于主、副板簧，在25 s时，分别施加载荷至15 000 N、25 000 N，然后进行卸载，在50 s时，卸载完成。得到主、副板簧动力学模型仿真输出曲线，如图7所示。

图7 板簧仿真刚度曲线

仿真得到主簧刚度为210 N/mm，副簧刚度为432 N/mm，实物中主簧刚度为214 N/mm，副簧刚度为440 N/mm，误差均控制在±2%以内，说明利用离散梁法建立的主、副弹簧动力学模型满足准确性要求。

1.4 模型装配

实际中副簧没有衬套、吊耳及卷耳结构，在装配前需要对副簧动力学模型进行特殊处理，在ADAMS/View中删除衬套安装件、吊耳及卷耳等部件，同时与大地进行fixed约束的连接关系也会自动删除；在大地中删除副簧虚拟硬点及结构框数据，在Design Variables（设计变量）中删除left/right_leaf_origin（左右簧片原始点）以外的全部设计变量。更改后的9片副簧动力学模型如图8所示。