基于双横臂式悬架系统的第三弹簧装置运动力学分析

倪小坚

基于双横臂式悬架系统的第三弹簧装置运动力学分析

倪小坚

（梧州职业学院 机械与电气工程学院，广西 梧州 535000）

由于双横臂独立悬架结构并不能完全解决垂直与侧倾线刚度解耦结构的问题，操纵稳定性与平顺性之间的切换空间就非常有限。为了能够增加高性能车的操纵稳定性，改善汽车在制动点头以及加速后仰时的俯仰变化幅度，论文主要对某款高性能车的双横臂式悬架系统加装第三根弹簧装置进行设计，并应用ADAMS/Car进行动力学仿真分析，验证增加第三弹簧对汽车的纵倾刚度与侧倾刚度之间的影响关系，为悬架动力学分析研究提供参考。

第三弹簧装置；运动力学分析；ADAMS/Car；双横臂式悬架系统

双横臂悬架系统具备出色的运动性能，通常安装在高性能赛车或跑车上，但通常双横臂悬架系统往往不能解决悬架的垂直线刚度和侧倾角刚度结构的解耦问题。当汽车在制动以及加速过程中，会产生一个使驾驶员向前倾与后仰的过程，过大的俯仰变化不仅影响汽车的操纵性能也降低了驾驶员的驾驶体验[1]。当行驶过较差路况时，会产生颠簸，这时不仅需要一个较低的适乘频率来控制颠簸，还需要保持更高的乘坐频率，以保持汽车底板远离地面的空气动力负荷或高坡。增加第三个弹簧是一个解决方案，除了每个车轮上的行驶弹簧外，还可以添加一个附加弹簧，该弹簧增加整体悬架的整体刚度，但不影响单个车轮颠簸，也能够改善汽车的俯仰变化率。第三弹簧只在车身纵倾运动时才被压缩，在车身侧倾运动时不起作用，这样在调节汽车的纵倾刚度时，就不会影响侧倾刚度，实现了汽车纵倾刚度与侧倾刚度的解耦。为了提高整车的操纵稳定性，使某款高性能汽车悬架在运动过程中实现线刚度和角刚度的解耦，对某款高性能汽车双横臂式悬架系统进行设计优化，增加第三弹簧的开发与研究。

本论文先对某款高性能赛车基于第三弹簧结构悬架进行参数化设计，根据仿真结果曲线对汽车的弹簧刚度进行匹配，其次运用 ADAMS/Car 多体动力学仿真软件对此悬架系统进行仿真优化，验证第三弹簧所起的作用。

1 双横臂独立悬架系统刚度计算

双横臂悬架系统中弹簧对悬架的线性刚度对侧倾角刚度起到了直接的影响作用[2]。第三弹簧装置则在原有的双减震器弹簧面直接增加整车的线性刚度，以此实现悬架刚度的提升，通过以下公式对悬架系统进行刚度计算。

前轴单侧悬架乘适刚度为

式中，RF为前轴单侧悬架乘适刚度；F为前悬架偏频；smlf为前轴单侧簧载质量。

后轴单侧悬架乘适刚度为

式中，RR为后轴单侧悬架乘适刚度；R为后悬架偏频；smlf为后轴单侧簧载质量。

前悬架车轮中心刚度为

式中，WF为前悬架轮胎中心刚度；T为轮胎刚度。

后悬架车轮中心刚度为

式中，WR为后悬架轮胎中心刚度。

前悬架弹簧刚度为

式中，SF为前悬架弹簧刚度；f为前悬架传递比。

后悬架弹簧刚度为

式中，SR为后悬架弹簧刚度；r为后悬架传递比。

2 悬架系统虚拟样机参数的获取与创建

（1）整车参数。根据某汽车参数，表1是该车的整车基本参数和设计参数。

表1 整车基本参数

（2）悬架建模。对于高性能车而言，硬点坐标是指每个零部件的连接点，例如车架焊接吊耳与悬架杆件的连接点。空间位置坐标以及相关参数都是悬架系统建立模型十分关键的要素。本文主要通过三维软件建立悬架装配模型。

3 转向机悬架子系统模板的建立

转向系统由方向盘、转向柱、中间轴、万向节、转向外壳和转向齿轮齿条的零部件组成[3]。在建模过程中，对零部件进行约束，共有五种运动副，采用固定副的有齿轮外壳与车架连接处，恒速副的有中间轴与转向轴，移动副的有齿条与齿条外壳连接处，旋转副的有齿轮与齿条外壳连接处和方向盘与中间轴；圆柱副的有中间轴与转向轴。而建立悬架子系统硬点坐标则通过建模软件测量悬架三维模型，建立高性能车前悬架的子系统模板。

4 悬架动力学仿真优化

4.1 悬架动力学仿真虚拟样机创建

ADAMS/Car中可以基于模板直接进行建模，在ADAMS/Car多体动力学仿真软件中创建悬架虚拟样机模型需要在软件中输入硬点坐标[4]。硬点坐标可以在三维装配模型中测量获得。图1是根据设计建立的汽车前悬架虚拟样机模型。

图1 汽车前悬架虚拟样机模型安装第三弹簧

4.2 悬架动力学仿真参数设置

在ADAMS/Car里面可以进行的悬架仿真主要有双轮同向跳动仿真，即左右车轮同时遇到障碍物时同时上跳或者下跳的工况，以及双车轮反向跳动仿真，即车轮在过弯时候侧倾或者单轮遇到障碍物时轮胎的单侧跳动工况。汽车车轮定位前悬架参数的选取范围：外倾角–3°～0°，后倾角2°～8°，内倾角2°～8°，前束角–2°～2°。

4.3 悬架动力学仿真与优化

4.3.1车轮同向跳动仿真分析

使用ADAMS/Car软件对悬架系统使用双轮同向跳仿真分析，从图2可以看出双横臂独立悬架独立弹簧与第三根弹簧在随轮跳发生的位移变化。独立弹簧与第三根弹簧在双轮同跳仿真中，弹簧的变化趋势一致，都在跟随轮胎的上跳而压缩弹簧行程。通过仿真数据显示，第三弹簧在同向轮跳的过程中主要起到增加线性刚度的作用。

图2 同向轮跳与弹簧压缩量的关系

而在反向轮跳仿真分析中，从图3的仿真数据来看，双横臂独立悬架主要提供的是反侧倾力，弹簧的弹性位移为对称分布。第三弹簧在反向轮跳的过程中也有稍微变化，但是并未受到侧倾力的影响，弹簧长度均匀保持在350 mm左右。

图3 前悬加装三弹悬架弹簧的伸缩长度变化

可以看出，从同向仿真结果与反向仿真结果来看，增加第三弹簧带来的整车影响是增加了悬架的垂直线刚度，而对于悬架的侧倾刚度并没有产生影响。主要原因是当第三弹簧通过摇臂连杆与左右独立悬架进行连接，当同向轮跳时，两侧悬架通过摇臂直接带动第三弹簧在同向发生弹簧的位移变化，从而使第三弹簧增加了悬架的垂直线刚度。当车轮反向跳动时，独立悬架对应的左右弹簧位移变化是相对运动，连接在左右弹簧之间的第三弹簧的摇臂动作为旋转而没有发生位移，所以对于悬架的侧倾线刚度并产生任何影响。

4.3.2制动过程仿真分析

对装有第三弹簧的整车进行只改变第三弹簧刚度参数的制动仿真试验，由于制动减速度很大程度上受轮胎模型的影响[5]。在仿真参数中除了第三根弹簧的刚度需要修改之外，其余车上参数都设置为默认值（性能车的两根主弹簧刚度和为58.3 N/mm），仿真结果对比如图4、图5所示。

图5 制动时不同刚度第三弹簧位移变化

根据以上仿真结果得出以下分析情况：

（1）从图4的仿真结果可以看出某高性能汽车在制动时产生的制动点头角度为1.78°，在制动极限时的点头角度为0.518°；仿真结果表明加装第三弹簧能够有效减小汽车在紧急制动情况下的点头角度。

（2）图5为制动时不同刚度的第三弹簧发生的位移变化，综合上图可以看出，对于悬架增加第三弹簧在制动过程中的抑制点头起到了一定作用。

4.3.3直线加速仿真分析

整车在直线加速时仿真情况如图6所示，在后处理曲线中主要查看的是后悬架的车身后仰角度，从仿真曲线中可以看出，增加第三弹簧的悬架系统车身后仰角度在加速度峰值时要比无第三弹簧悬架系统的角度变化小。图中虚线为未增加第三弹簧的悬架系统，实线为增加第三弹簧的悬架系统。从直线加速的仿真曲线上来看，增加第三弹簧可以有效改善汽车在急加速时车身的抬头效果。

图6 第三弹簧刚度对加速抬头角度的影响

5 结论

综上分析可以得出，同向轮跳仿真时时第三弹簧起到增加线刚度的作用，在角度变化时起到主要的影响作用，在遇到紧急制动的过程中，第三弹簧便起到了较大的作用，因为其刚度越大，车身动挠度越小，车身在制动时向前倾斜的角度越小，可以很好地克服制动点头的现象。同时在比较特殊的工况下第三弹簧也可以分担一部分车重，增加总体的悬架刚度，在直线加速过程中使后悬架弹簧的压缩长度的变化减小，使车身受加速度影响的变化姿态恢复更快，提高高性能车的响应时间。在增加第三弹簧之后，抗加速抬头的效果也非常明显，因此第三弹簧装置有利于提高高性能车的操控性稳定性，为悬架动力学分析研究提供参考。

[1] 张利鹏,段嘉瑶,苏泰,等.电动轮驱动汽车空间稳定性底盘协同控制[J].机械工程学报,2022,58(10):209- 221.

[2] 武冬梅,高宁,刘盛鸿,等.基于ADAMS/CAR的FSAE赛车解耦悬架设计和仿真研究[J].武汉理工大学学报,2020,42(6):77-84.

[3] 邵非,李传昌,徐华源.大学生方程式赛车转向梯形设计与优化[J].上海工程技术大学学报,2018,32(1):58- 63.

[4] 刘君程,姜家如,宋绍文,等.基于Adams/car板簧工具箱的钢板弹簧建模及仿真[J].汽车实用技术,2021,46 (4):95-97.

[5] 刘凯华,王庆,李强.装有互联双横臂独立悬架的方程式赛车仿真分析[J].浙江科技学院学报,2019,31(3): 239-246,252.

Kinematic Mechanics Analysis of the Third Spring Device Based on Double Wishbone Suspension System

NI Xiaojian

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuzhou Vocational College, Wuzhou 535000, China )

Because the double wishbone independent suspension structure can not completely solve the problem of vertical and roll line stiffness decoupling structure, the switching space between handling stability and ride comfort is very limited. In order to increase the handling stability of the high-performance vehicle and improve the pitch change range of the vehicle when braking and accelerating, this paper mainly designs the double wishbone suspension system of a high-performance vehicle equipped with a third spring device, and applies ADAMS/Car to conduct dynamic simulation analysis to verify the influence of adding the third spring on the trim stiffness and roll stiffness of the vehicle. It provides a reference for suspension dynamics analysis.

The third spring device; Kinematic mechanics analysis; ADAMS/Car;Double wishbone suspension system

U463.33

A

1671-7988(2023)03-70-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.013

倪小坚（1993—），男，工程师，研究方向为汽车设计与制造，E-mail:916986008@qq.com。

2022年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2022KY1497）。