双叉臂汽车前悬刚度分析与优化

2022-01-14庞中华樊利芳赵亚利

现代制造技术与装备 2021年12期

庞中华樊利芳赵亚利

（中原科技学院，郑州 450000）

汽车作为人们日常生活出行的必须工具，其稳定性和舒适性等性能指标逐渐提高。汽车性能指标中行驶的平顺性是一个很重要的因素。平顺性指在汽车行驶的过程中乘车人员对汽车颠簸的具体感受。它对汽车上的零件会产生明显的疲劳损坏，并降低零件的使用年限。由于车辆震荡而产生的噪声，还可能会大大降低旅客的舒适度，从而对汽车动力学性能、制动稳定性和操控的稳定性造成影响[1]。

1 汽车悬架特性及参数确定

独立悬架体系，即两端车轴独立于悬架，其4个车轮都分别独立地连接到一个车架下面。当一辆汽车一侧的4个车轮因为地面凹凸不平影响而自然地发生跳动时，另一侧的4个车轮不会因跳动而受到影响，从而保持了车辆的相对稳定性以及驾驶的舒适性，其中的关键部件是由上A臂和下A臂组成的独立前悬结构，如图1所示。

图1中的独立前悬架上A臂3和独立前桥下A臂5组成了独立前悬架，灵活度比刚性悬架高，且振动幅度大，因此研究由臂组成的前悬架以及在此基础上产生的相关悬架特性尤为重要。主要研究参数为前轮的定位角、车轮的偏离角、导向杆系及转向杆系的运动协调性等，而这些参数大多为影响操纵稳定性的重要因素。汽车行驶的平顺性与汽车四轮定位息息相关，其前束角和主销倾角（主要包括主销内倾角和主销外倾角）是影响四轮定位的一些因素，其中前束变化范围的大小对该性能影响较大[2]。

图1 悬架结构

前束角是汽车纵向中心平面与车轮中心平面和地面的交线之间的夹角（与后束相对），能使汽车在制动过程中稳定行驶。良好的直线行驶性能可以通过前束的弹性运动变化来实现。在一定行驶稳定性要求的情况下，前束角有着固定的变化范围约束，但它的实际变化范围越小，汽车行驶稳定性能越好。悬架的特性主要表现在线刚度和角刚度方面[3]。

截取汽车的运动过程中的某一节点，将其看做静止状态，轮胎上的地面法向反作用力为FZ´，其大小为为悬挂质量重力，Gu为非悬挂质量重力。在轮胎上加上一个向上的微元力∆FZ，由此引起车轮在垂直方向的微元位移∆St和弹簧沿其中心线方向的微元位移∆Ss，则弹簧力也相应增加了∆Q：

式中：KS为弹簧刚度。

由此可得：

式中：m为弹簧中心至横臂铰接点的距离；n为横臂长。

另外，根据力矩平衡有：

整个悬架的线刚度Kl为：

当车厢出现小侧倾角dΦr时，等效弹簧的变形量为故车厢受到的弹性恢复力偶矩为：

式中：K1´为一侧悬架的线刚度；B为轮距。

悬架侧倾角刚度KΦr为：

参考车型主要参数如表1所示。

表1 参考车型主要参数

2 悬架特性仿真结果分析

2.1 仿真分析

通过UG/NX软件进行几何和物理建模，并对部件间施加约束，最后得到虚拟的汽车前悬架模型。借助ADAMS有限元分析软件对前桥刚度仿真分析，并添加硬点数据，显示前悬架结构如图2所示[4]。

图2 双叉臂前独立悬架模型

改变整车轮子的半径、轮胎质量、重心高度、刚度、簧上质量和轴距等数据。设置其跳动步数为40，上跳动行程为40，下跳动行程为-40，直接得出仿真结果如图3所示。在软件中打开“page_Kingpin_inclination_angle”，双叉臂前悬架主销内倾角曲线如图4所示，打开“page_caster_angel”，主销外倾角曲线如图5所示。由此得出仿真分析结果如表2所示。