定位參數(shù)的意義
運(yùn)用LMS 中的多體動(dòng)力學(xué)仿真模塊motion，建立某小型車雙橫臂獨(dú)立前懸架模型，并根據(jù)模擬仿真要求，施加邊界條件，在前輪上下跳動(dòng)50mm 時(shí)，進(jìn)行前輪定位參數(shù)模擬仿真，分析前輪上下跳動(dòng)對(duì)各定位參數(shù)的影響。
車輪定位參數(shù)主要是指主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束角。車輪定位參數(shù)是懸架系統(tǒng)諸多幾何參數(shù)中最為重要的一組參數(shù),直接影響懸架系統(tǒng)特性,與汽車操縱穩(wěn)定性的多種評(píng)價(jià)指標(biāo)都密切相關(guān)。合理的定位參數(shù)可以保證車輛的直線行駛穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性以及避免車輛跑偏和輪胎的過度磨損。
汽車在遇到障礙物或路面不平引起的顛簸運(yùn)動(dòng)、加減速時(shí)引起的車身縱傾運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎時(shí)引起的車身側(cè)傾運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生車輪的跳動(dòng)。如果車輛的懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，在車輪跳動(dòng)時(shí)前輪定位參數(shù)的變化量可能很大，影響車輛行駛性能，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重、輪胎偏磨等問題。
圖1 雙橫臂獨(dú)立前懸架模型
用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法分析車輪跳動(dòng)對(duì)定位參數(shù)的影響，涉及大量的廣義坐標(biāo)與矢量運(yùn)算以及拉格朗日方程組的求解。為節(jié)約成本、縮短開發(fā)周期，運(yùn)用LMS 中的多體動(dòng)力學(xué)仿真模塊motion，建立某小型車雙橫臂獨(dú)立前懸架模型，分析前輪上下跳動(dòng)對(duì)各定位參數(shù)的影響。
懸架模型的建立
LMS Motion是基于DADS高效穩(wěn)定的多體動(dòng)力學(xué)求解器，并且提供了方便快捷的Suspension Creation功能，通過定義懸架系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)、各減振元件的參數(shù)以及各零件之間的連接點(diǎn)與連接方式，懸架系統(tǒng)的建模就能輕松完成。
硬點(diǎn)的坐標(biāo)是建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的關(guān)鍵，根據(jù)該車雙橫臂獨(dú)立前懸架的實(shí)際結(jié)構(gòu)，以前軸中點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸正向指向車輛前進(jìn)方向，y軸正向指向車輛左側(cè)，z軸正向指向車輛上方。該懸架系統(tǒng)部分硬點(diǎn)坐標(biāo)見表所示。
圖2 前輪上下跳動(dòng)對(duì)主銷后傾角的影響
整個(gè)雙橫臂獨(dú)立前懸架由上橫臂、下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振元件、車輪、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向機(jī)和方向盤等組成。上橫臂、下橫臂與副車架之間采用球鉸方式連接；上橫臂、下橫臂與轉(zhuǎn)向節(jié)之間也采用球鉸方式連接；轉(zhuǎn)向節(jié)總成與車輪在車輪中心點(diǎn)采用圓柱副方式連接；減振器上下體之間也采用圓柱副方式連接；轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)總成以及轉(zhuǎn)向機(jī)都使用球鉸方式連接；轉(zhuǎn)向節(jié)柱與轉(zhuǎn)向機(jī)之間采用萬向節(jié)方式連接。雙橫臂獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱的，一側(cè)懸架建立完畢后，直接使用鏡像即可得到整個(gè)雙橫臂獨(dú)立前懸架模型。建模結(jié)果見圖1。
仿真分析
根據(jù)所建立的雙橫臂獨(dú)立懸架模型，分析主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角以及前束角在前輪上下跳動(dòng)50mm工況下的變化情況。
1.主銷后傾角
主銷后傾的作用是當(dāng)汽車直線行駛偶然受外力作用而稍有偏轉(zhuǎn)時(shí),主銷后傾將產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)向相反的力矩使車輪自動(dòng)回正，可保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。后傾角越大,穩(wěn)定力矩越大,但后傾角不宜過大,否則在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。
圖3 前輪上下跳動(dòng)對(duì)主銷內(nèi)傾角的影響
圖2為前輪上下跳動(dòng)對(duì)主銷后傾角的影響，在前輪上下跳動(dòng)50mm的過程中，主銷后傾角的最大值為3.8°，最小值為3.45°，整個(gè)過程中變化量為0.35°。
2.主銷內(nèi)傾角
主銷內(nèi)傾角對(duì)操縱穩(wěn)定性主要有兩方面的影響，一個(gè)是當(dāng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)車身由于內(nèi)傾角的存在有抬高的傾向，從而產(chǎn)生前輪的回正力矩。該力矩與側(cè)向力和車速無關(guān)，主要是在低速下起回正作用，從而保證車輛低速轉(zhuǎn)向回正性能。另一個(gè)作用是減小主銷橫向側(cè)偏距，從而減小轉(zhuǎn)向所需的力矩，提高車輛轉(zhuǎn)向輕便性。但是主銷內(nèi)傾角也不可過大，否則會(huì)造成轉(zhuǎn)向沉重與加速輪胎磨損。因此希望在車輪跳動(dòng)過程中，主銷內(nèi)傾角的變化量不要太大。
圖4 前輪上下跳動(dòng)對(duì)前輪外傾角與前束角的影響
圖3為前輪上下跳動(dòng)對(duì)主銷內(nèi)傾角的影響，在前輪上下跳動(dòng)50mm的過程中，主銷內(nèi)傾角的最大值為7.9°，最小值為7.08°，整個(gè)過程中變化量為0.82°。
部分硬點(diǎn)坐標(biāo)
3.前輪外傾角與前束角
前輪外傾角是使輪胎接地點(diǎn)向內(nèi)縮以減小橫向偏距，從而改進(jìn)制動(dòng)時(shí)的縱向力作用下的方向穩(wěn)定性，也能減少轉(zhuǎn)向時(shí)所需的力，使轉(zhuǎn)彎更為輕松。前束角引起的側(cè)向力與車輪外傾引起的側(cè)傾推力相互抵消，從而避免額外的輪胎磨損和動(dòng)力的消耗，需要考慮外傾角和前束角的合理匹配。同時(shí)前輪的前束角變化會(huì)引起前輪側(cè)偏角的變化，改變車輛轉(zhuǎn)向特性，對(duì)操縱穩(wěn)定性不利。因此，前輪外傾角與前束角應(yīng)盡可能保持小范圍的變化量。
圖5 預(yù)測(cè)有限元模型大小
圖4為前輪上下跳動(dòng)對(duì)前輪外傾角與前束角的影響，在前輪上下跳動(dòng)50mm的過程中，前輪外傾角的最大值為1.05°，最小值為0.22°，整個(gè)過程中變化量為0.83°；前束角的最大值為0.98°，最小值為-1.57°，整個(gè)過程中變化量為2.55°。
結(jié)論
本文運(yùn)用LMS 中的多體動(dòng)力學(xué)仿真模塊motion，建立某小型車雙橫臂獨(dú)立前懸架模型，分析前輪上下跳動(dòng)對(duì)主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角以及前束角的影響。最終結(jié)果表明，該車型前輪上下跳動(dòng)時(shí)，主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角及前輪外傾角的變化在1°以內(nèi)，前輪上下跳動(dòng)對(duì)這三個(gè)定位參數(shù)影響較小，滿足要求，但前束角的變化大于2°，受前輪跳動(dòng)影響較大，有待改進(jìn)。本次分析為該車型前懸架系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化提供了方向。
（轉(zhuǎn)載）
