2004年11月
农业机械学报
第35卷第6期
夏长高
【摘要】 利用柔性多体动力学方法建立了基于ADAM S 软件平台的麦弗逊式独立悬架动力学仿真分析模型。利用该模型对某车辆前麦弗逊式独立悬架的运动学特性进行了仿真和试验对比分析。结果表明：悬架构件的柔性对悬架运动中车轮定位参数的变化有明显的影响，与实测值相比，采用多柔体模型对悬架运动特性参数进行仿真计算的精度比采用多刚体模型的精度高得多。柔性多体悬架动力学仿真模型，为车辆设计阶段准确预测计及悬架影响因素时的汽车操纵稳定性提供了有效方法。 关键词：车辆 悬架 多体动力学 特性中图分类号:U 463.33
文献标识码:A
Study on Character istic of M cPherson Fron t Suspen sion
X ia Changgao (J iang su U n iversity )
Abstract
U sing the m ethod of flex ib le m u lti 2body dynam ics ,th is article estab lished a dynam ically analytical m odel fo r a M cPherson indep enden t su sp en si on based on ADAM S softw are p latfo rm .T he si m u lati on and testing study of the k inem atical characteristic of a M cPherson fron t indep enden t su sp en si on fixed in a typ ical veh icle w ere carried ou t by the m odel
.T he resu lts show ed that the flex ib ility of the su sp en si on p art had app aren t effects on the changes of w heel alignm en t p aram eters in the m o ti on of the su sp en si on .Com p ared w ith the testing data ,the si m u lating p recisi on of k inem atical characteristic p aram eters of the su sp en si on from the flex ib le m u lti 2body m odel w as m o re accu rate than that from the rigid m u lti 2body m odel
.Key words V eh icles ,Su sp en si on ,M u lti 2body dynam ics ,Characteristic
收稿日期:20030513
3江苏大学高级人才专项基金资助项目(项目编号:04JD G 009)
夏长高 江苏大学汽车与交通工程学院 副教授 博士,212013 镇江市
引言
悬架是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的传力连接装置，并且缓和由不平路面传给车架(或承载式车身)的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车能够平稳地行驶。麦弗逊式独立悬架是发动机前置前驱动车辆常采用的悬架结构型式之一。在车辆行驶中，由于路面不平或车轮垂直载荷变化，悬架导向杆系的运动及变形，车轮定位参数随之发生变化，从而导致轮胎侧偏特性改变；在汽车曲线行驶时悬架上的车身将发生侧倾，引起汽车侧倾转向和变形转向。因此，悬架系统的运动学和
动力学特性分析是研究整车操纵稳定性的基础。由于麦弗逊式独立悬架是比较复杂的空间机构，过去
常用简化条件下的图解法和多刚体动力学方法进行分析计算，所得的结果误差较大。近年来，柔性多体动力学的发展及多体动力学分析软件的出现，为复杂机械系统动力学分析提供了可靠的手段[1,2]。美国M D I 公司开发的ADAM S 软件是世界上具有权威性的、使用范围最广的机械系统动力学分析软件[3]。使用ADAM S 软件，可以建立包括机电液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，本文将在应用ADAM S 软件基础上，建立麦弗逊式独立悬架动力学仿真分析模型，并
对悬架的运动特性进行全面分析。
1 仿真分析模型的建立
基于ADAM S 软件，可建立某汽车麦弗逊式独立悬架动力学分析模型，如图1所示。图2为系统的拓扑构型。模型由横摆臂B 2、转向节及滑柱桶B 3、滑柱B 4(减震器活塞杆)、副车架B 1、转向横拉杆B 5、
轮毂芯轴B 7、驱动轴B 8、万向节球形壳B 9、横拉杆与转向器连接件B 6、滑柱与车身连接件B 0、万向节球形壳与差速器连接件B 10、横向稳定器左右稳定杆B 11和B 14、左右支杆B 12和B 15等组成
。
图1 麦弗逊式独立悬架动力学分析模型
F ig .1 D ynam ics analysis model fo r
rs232和ttlM cPherson su spen
si on
图2 麦弗逊式独立悬架系统的拓扑构型
F ig .2 Topo logical structu re fo r M cPherson
su spen si on system
横摆臂内端通过橡胶衬套(bu sh ing )与副车架连接，在运动学分析中，该连接处理为转动铰链H 2，外端通过球铰链H 3与转向节及滑柱桶相连；转向
节及滑柱桶通过圆柱铰链H 4与滑柱(减震器活塞杆)连接，且两者之间作用有减震器E 1和减震弹簧力，转向节及滑柱桶还通过转动铰链H 8与轮毂芯轴连接；滑柱(减震器活塞杆)通过橡胶衬套与副车架连接，在运动学分析中，该连接处理为万向节铰链H 5；转向横拉杆外端通过球铰链H 6与转向节及滑
柱桶相连，内端通过等速万向节铰链H 7与转向器连接件连接；驱动轴的两端分别通过等速万向节铰链H 9和H 10与轮毂芯轴和万向节球形壳连接；万向节球形壳与差速器连接件之间用平动铰链H 11连接；副车架通过橡胶衬套与车身连接，在运动学分析中，两者固定连接H 1。横向稳定器中将稳定杆分
为左右两部分。左右稳定杆之间通过转动铰链H 15
连接，且连接一扭转弹簧阻尼器E 2；支杆一端以等速万向节铰链H 13和H 16与稳定杆连接，另一端通过球铰链H 14和H 18与悬架连接，左右稳定杆通过球铰链H 12和H 17与副车架连接。模型中各构件的几何位置参数、质量参数通过CAD 实体模型直接传到ADAM S 中，由ADAM S 自动计算出。橡胶衬套的弹性特性由试验测得数据输入。
由于作用于车轮上各方向力和力矩都是经过横摆臂以及弹性元件传递到车架(或承载式车身)，在这些力和力矩的作用下，横摆臂将会发生变形，引起车轮定位参数和汽车行驶方向的变化。因此，在模型中横摆臂应作为柔性体处理，将柔性体的变形视为模态的线性叠加，横摆臂的模态振型可通过有限元分析或试验模态分析得到。对于图1中的横摆臂，其主要构件包括衬套、控制臂、下盖板和球节等。根据该车横摆臂各构件图纸，应用U n igrap h ics 软件建立其三维实体数模，将数模输出到AN SYS 有限元分析软件中，进行几何模型的离散化、材料特性定义等有限元模型处理和计算分析。图3
为该车悬架横摆臂有限元模态分析模型。
图3 麦弗逊式独立悬架横摆臂有限元模态分析模型
F ig .3 F in ite elem en t mode analysis model fo r
M cPherson supen si on con tro l arm
在进行有限元模型模态分析后，借助于AN SYS 软件提供的ADAM S 数据接口，生成ADAM S F lex 可接受的中性文件(M N F 文件)。由
于模态的阶数对分析的时间和结果文件的大小有较大的影响，因此，应合理确定模态截取阶数。本文根据横摆臂变形的计算与实测对比，选取除前6阶刚性模态以外的10阶模态就足以满足悬架多体系统动力学仿真的要求。表1给出了某汽车麦弗逊式前悬架横摆臂前10阶模态分析结果。
利用ADAM S F lex 模块，将横摆臂有限元分析得到的模态结果读入ADAM S 中，通过模态的线性叠加将横摆臂的变形融入到多体系统的运动学、动力学仿真中。
2 悬架运动特性分析
研究悬架的运动特性通常采用车轮跳动分析方
2农 业 机 械 学 报2004年
表1 某汽车麦弗逊式前悬架横摆臂模态分析结果
手机天线弹片Tab
.1 F i n ite ele m en t m ode ana lysis results of M cPherson suspen sion con trol ar m 模态阶数12345678910频率 H z
80516
122419
214310
261717
304514
329919
电力测量347118
347816
348718
负压病房360118
法[4]，即通过使某一侧车轮或两侧车轮沿垂直方向
跳动，计算分析由此引起的车轮定位参数、轮距、车轮转角的变化规律。车轮的跳动量以满载为基准，对本研究的车辆，当缓冲块压缩一半时，车轮上跳位移为7518mm ，车轮下跳位移为8014mm 。
图4为左右车轮同向跳动时该车前悬架车轮外倾角与车轮跳动位移之间的关系曲线。图中多刚体仿真曲线表示各构件作为刚体，各运动副为刚性连接情况下仿真计算结果，多柔体仿真曲线为考虑横摆臂柔性以及橡胶衬套弹性时仿真计算结果。车轮外倾角的变化会引起外倾侧向力的改变，从而引起轮胎侧偏角的改变，因此，悬架的车轮外倾角的变化会影响到汽车的操纵稳定性。若外倾角为正值，外倾角的作用使轮胎的侧偏角绝对值和转向盘力矩增加，而负外倾角将会提高所能承受的侧偏力。因此，车轮外倾角的变化不宜太大，其范围为±3°，在常用车轮跳动范围内，外倾角的变化量应小于±1° 。
图4 前轮外倾角变化曲线
F ig .4 F ron t w heel cam ber angle change
从图4可以看出，仿真计算与实测结果曲线变化趋势相同，该车车轮外倾角随弹簧压缩行程的增大而减少，考虑构件柔性的计算结果与实测数据更为接近。在常用车轮跳动范围(±40mm )内，前轮外倾角的平均变化率实测值为31° m ，采用多柔体模型仿真计算值为3317° m ，而采用多刚体模型仿真计算值则达3719° m 。
图5为左右车轮同向跳动时该车前悬架车轮前束角与车轮跳动位移之间的关系曲线。车轮前束角的变化会引起轮胎侧偏角的变化，从而影响到汽车的操纵稳定性。前轮的前束角及其变化减少前轮的侧偏角。因此，从提高汽车的操纵性能角度出发，前轮前束角宜取负值，使用中前束角应向减小的方向变化。从图5可以看出，在±20mm 车轮跳动范围
内，该车前轮前束角平均变化率实测值为6153° m ,
考虑构件柔性时前轮前束角平均变化率计算值为6151° m ，采用多刚体模型仿真计算值为610° m
。
图5 前轮前束角变化曲线
F ig .5 F ron t w heel ride toe 2in angle change
为了模拟悬架侧倾特性，采用悬架左右车轮反向跳动分析方法，即一侧悬架弹簧压缩，另一侧悬架弹簧伸张，且变形量相同。
图6为左右车轮反向跳动时该车前悬架车轮外倾角与车厢侧倾角之间的关系曲线。车厢侧倾时车轮外倾角的变化与悬架型式有关。对于麦弗逊式独立悬架，车轮倾斜方向与地面侧向力的方向相反，有增
大侧偏角绝对值的效应，有利于车辆操纵性。当汽车在不平路面上直线行驶时，车轮上下跳动，由于侧倾外倾的缘故，车轮外倾角不断变化，产生相应的外倾侧向力变化，从而影响到汽车直线行驶稳定性。因此，侧倾外倾角的设置要兼顾到汽车的转向操作性能与直线行驶稳定性两方面
。
图6 前轮外倾角变化量与车厢侧倾角关系曲线
F ig .6 R elati on sh i p betw een cam ber and ro ll angle
从图6可以看出，在车厢侧倾角±2°范围内，该车车轮外倾角随车厢侧倾角的增大而增大，前轮外倾角的平均变化率实测值为01626，考虑构件柔性时前轮外倾角的平均变化率计算值为0157，而用多刚体模型仿真计算值为0179，与实测值相比，相对
3
第6期夏长高：麦弗逊式独立悬架运动特性
pmoled误差达2611%。
菌瓶
图7为左右车轮反向跳动时该车前轮转向角变化量随车厢侧倾角变化的关系曲线。从图中可以看出，该车前轮转向角变化量随车厢侧倾角的增大而减小，且内侧车轮的变化比外侧车轮的变化大，总的效果使前束减少，增加了不足转向量
。
图7 前轮转向角变化量与车厢侧倾角关系曲线
F ig .7 R elati on sh i p betw een steer angle and ro ll angle
由图7可以看出，在车厢侧倾角±2°范围内，前轮转向角的平均变化率实测值为01115，采用多柔
体模型仿真计算值为01104，而采用多刚体模型仿
真计算值为0114，与实测值相比，相对误差达2017%。
3 结束语
采用多柔体模型对悬架运动特性参数进行仿真计算的精度比采用多刚体模型的精度高得多，且各参数的变化趋势与实测曲线一致。与实测值相比，多柔体模型仿真计算值的误差在10%以内；而采用多刚体模型仿真计算值的误差在20%以上。因此，要准确预测悬架运动特性，应采用多柔体仿真分析模型。
从汽车操纵性要求出发，悬架的设计应使车辆转向侧倾时或车轮上跳时前轮的外倾角增大，下落时前
轮的外倾角减小；使车辆转向侧倾时或车轮上下跳动时附加车轮转角，对前悬架，上跳减小、下落增加，以扩大汽车前后侧偏角差值，增加车辆不足转向趋势。为了达到以上要求，可以采用上述参数化的多柔体模型，在仿真中不断调整参变量，使车轮定位参数的变化规律和变化范围满足规定要求。
参
考
文献
1 陆佑方.柔性多体系统动力学.北京：高等教育出版社,1996.
2 孙世基.机械系统刚柔耦合动力分析及仿真.北京：人民交通出版社,1999.3 ADAM S T heo ry Sem inar .M echan ical D ynam ics ,Inc .,2001.4 余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社,1990.
4农 业 机 械 学 报2004年
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