1、麥弗遜式螺旋彈簧懸架的剛度與阻尼特性分析第39卷第2期2011年2月同濟大學(自然科學版)JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIE)Vo1.39No.2Feb.2011文章編號:0253.374X(2011)02026605DOI:10.3969/j.issn.0253374x.2011.02.021麥弗遜式螺旋彈簧懸架的剛度與阻尼特性分析陳辛波,王斌,朱琳,馮春晟(同濟大學汽車學院,上海201804)摘要:為提高麥弗遜式獨立懸架分析與設計效率,建立懸架受力分析以及進行剛度與阻尼計算的數(shù)學模型,給出按選定的偏頻和相對阻尼比確定螺旋彈簧剛度和減震器阻尼參數(shù)的設計

2、步驟,并研制了方便實用的麥弗遜螺旋彈簧懸架系統(tǒng)剛度和阻尼參數(shù)分析與設計計算軟件.虛擬樣機試驗結(jié)果驗證了數(shù)學模型和計算軟件的正確性.關(guān)鍵詞:麥弗遜式螺旋彈簧懸架;減震器;剛度;阻尼中圖分類號:U463.33文獻標識碼:AStiffnessandDampingCharacteristicsAnalysisonMePhersonstrutSuspensionXinbo,WANGBin,ZHULin,Chunsheng(CollegeofAutomotiveStidies,T0niUniversity,Shanghai201804,China)Abstract:Toimprovetheanalysis

3、anddesignefficiencyofMcPherson-strutsuspension,amathemafica1modelofsuspensionbasedonforceanalysisanddampingcalculationwasestablished.111edesignprocedureofconfirmingparametersofcoilspringstiffnessandshockabsorberdampingbasedondesignedoffsetfrequencyandrelativedampingratiowasputforward,andasetofspecia

4、lsoftwareofstiffnessanddampingparameteranalysisanddesignforMcPherson-strutsuspensionsystemwasdesigned.,nletestresultsofvirtualprototypeverifytheaccuracyofrrthematicalmodelsandcalculatingsoftwareonstiffnessanddampingcharacteristicsanalysis.Keywords:McPhersonstrutsuspension;shockabsorber;stiffness;dam

5、ping汽車懸架作為連接車身與車輪的系統(tǒng)總成,決定著車輛的穩(wěn)定性,舒適性和安全性.麥弗遜式獨立懸架是轎車常用的懸架結(jié)構(gòu)型式之一.國內(nèi)外對它已進行了不少研究,如文獻1建立了麥弗遜式前懸架多剛體模型,并采用)AMS/Insight模塊進行影響因素分析和懸架布置的優(yōu)化;文獻2利用ADAMS軟件建立汽車虛擬樣機,研究螺旋彈簧剛度和橫向穩(wěn)定桿直徑對汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響;文獻3建立麥弗遜懸架多體動力學模型,將減振器側(cè)向力仿真結(jié)果作為側(cè)載彈簧設計目標,應用有限元方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計,并進行了試驗驗證;文獻I-4研究前麥弗遜懸架的側(cè)傾轉(zhuǎn)向,采用遺傳算法對機構(gòu)特性進行運動分析和優(yōu)化.這些研究一般都離不開ADA

6、MS軟件平臺的支撐,因而也不能給出懸架等效剛度及等效阻尼參數(shù)與懸架實際所用彈簧元件及減震器參數(shù)之間的解析關(guān)系.文獻56在機構(gòu)運動分析的基礎上,導出了分析雙橫臂懸架受力,剛度與阻尼特性的基本公式,并開發(fā)出了雙橫臂懸架系統(tǒng)剛度與阻尼參數(shù)分析軟件.然而對于麥弗遜式獨立懸架系統(tǒng)還沒有這方面的研究,筆者針對麥弗遜式獨立懸架系統(tǒng)進行導向機構(gòu)的運動和受力分析,直接導出麥弗遜式懸架系統(tǒng)有關(guān)剛度,阻尼及受力分析的解析式,并編制便捷的懸架系統(tǒng)參數(shù)分析與設計計算軟件.在ADAMS環(huán)境下建立麥弗遜式懸架模型,進行虛擬樣機試驗的結(jié)果驗證了相關(guān)公式和計算軟件的正確性.這樣,直接運用自主開發(fā)的軟件系統(tǒng),可方便準確地進行麥弗

7、遜式懸架剛度與阻尼參數(shù)的匹配計算和受力分析,從而為進_步的懸架結(jié)構(gòu)設計和分析提供理論依據(jù).1麥弗遜式螺旋彈簧懸架運動分析麥弗遜獨立懸架右懸架部分由下擺臂,轉(zhuǎn)向節(jié)收稿IEf期:20091109基金項目;上海市科委項目(06DZ12214);科技部國際合作項目(2oo9DFB801oo)第一作者:陳辛波(1962一),男,教授,博士生導師,工學博士,主要研究方向為汽車傳動與控制,電動汽車等.E-mail:Austin_l163 第2期陳辛波,等:麥弗遜式螺旋彈簧懸架的剛度與阻尼特性分析總成(包括減振器下體,輪轂軸,制動底板等),轉(zhuǎn)向橫拉桿,減振器上體,轉(zhuǎn)向器齒條,車輪總成,車身共7個剛體組成.將麥

8、弗遜懸架進行合理簡化,如圖l所示.其中為下擺臂,螺旋彈簧HG通過與減震器連接.肋為減震器,其一端E固定支承于車架,另一端O與轉(zhuǎn)向節(jié)OCB固定,B點通過球鉸與下橫臂AB連接.桿件AB長Z,ED長ls,BC長c,CG長,AE長c,a.表示AE與水平方向的夾角;E點坐標(E,Y);螺旋彈簧上端固定點H點坐標(X,Y);C點到輪胎中心點F的距離zt,輪胎半徑PF為;ab,a分別表示BC與OC延長線的夾角,C_G與OC的夾角;,為減震器和螺旋彈簧與垂直方向的夾角;為下臂AB與水平方向的夾角;盧為主銷內(nèi)傾角;口為CF與CE垂直方向的夾角.圖1麥弗遜螺旋彈簧獨立懸架結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1Structuredia

9、gramofmcPhersonstrutsuspension建立固結(jié)于C點的相對坐標系C1y.其中y1沿CE方向,則Fcosflo廠一sinflolsinP._J'Yllc._J1.1角由機構(gòu)位移分析,得2tan-A+/A2-B2-C2(1)式中:A=1lsinelesina;B:1lsineleCOSa.;C=Ibsinab.微分式(1)可得d/de,d2/de.1.2減震器長度k及相對滑動速度lec=,/(cgee)+(ycYE)(2)V=1sin(叩一.】fI)一Ibcos('7一J9oab)dflo/de(3)其中,fEC與水平方向的夾角為一tan()(4)1.3車輪外

10、傾角車輪外傾角是指轉(zhuǎn)向輪在安裝時,其輪胎中心平面不是垂直于地面,而是向外傾斜一個微小的角度.它可以避免汽車重載時車輪產(chǎn)生負外傾即內(nèi)傾,同時也與拱形路面相適應.由于車輪外傾使輪胎接地點向內(nèi)縮,縮小了主銷偏移距,從而使轉(zhuǎn)向輕便并改善制動的方向穩(wěn)定性.車輪外傾角為a=f一o(5)1.4主銷內(nèi)傾角主銷BE連線的內(nèi)傾角為盧=tan一(YEYB)/(B一日)(6)1.5其他參數(shù)計算根據(jù)圖1,可直接由如下矢量和計算C點位置坐標(c,YG):cs.inseJ+L-cl.bssin(.fl+o+.;=l1cos-l.bsin(,.flo+a.b,)1(7)jJ.,uH.,同理可得G點坐標(XG,Y),輪心F點坐

11、標(,Y),車輪接地點P點坐標(P,Y).彈簧長度L為L=1VH=/(HXG).+(YHYG)(8)設逆時針方向為正方向,彈簧力的方向角為k=tg(G一H)/(YHYG)(9)2麥弗遜式螺旋彈簧懸架受力分析靜載時,車輪接地點受到地面對車輪的作用力F=mg,其中m為1/4車輛總負載.在車輛行駛過程中,螺旋彈簧受彈簧力F=k.(Zeo),其中.為彈簧剛度系數(shù),為彈簧受力后的實際長度,o為同濟大學(自然科學版)第39卷彈簧原長度.由圖2得F他=a懸架受力分析式中,lo為上橫臂螺旋彈簧零變形(FP=0)時彈簧(10)的初始長度?l0=l一(Fedye/d)/(kQ)(13)令q=sin/?kGcosf

12、lkYG容易求得(c_Q+Qdldyp+Q一fd2ypdyp).(14)可見,當螺旋彈簧剛度k.一定時,懸架剛度與螺旋彈簧剛度k.及懸架機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在明顯的非線性關(guān)系.從中可解得螺旋彈簧剛度為b減震器簡化圖圖2麥弗遜螺旋彈簧懸架受力分析與減震器簡化圖Fig.2DiagramofMePhersonstrutsuspensionandshockabsorber3懸架剛度與彈簧剛度間的解析關(guān)系懸架系統(tǒng)剛度直接影響汽車平順性.汽車的固有頻率是衡量汽車平順性的重要參數(shù),它由懸架剛度和懸架彈簧支承的質(zhì)量(簧載質(zhì)量)所決定.當懸架剛度一定時,簧載質(zhì)量越大,懸架垂直變形也愈大,而固有頻率越低.空車時的固

13、有頻率要比滿載時高.簧載質(zhì)量變化范圍大,固有頻率變化范圍也大.為了使空載和滿載固有頻率保持一定或很小變化,有時需要把懸架剛度做成可變或可調(diào)的.設單輪懸架剛度為k,N?m,單輪簧載質(zhì)量為,kg,f為懸架固有頻率,則kP=(2nf)m(11)設螺旋彈簧剛度為.,N?m,螺旋彈簧變形所產(chǎn)生的力為F,N,則按螺旋彈簧的不同安裝位置可分別建立k與k之間的函數(shù)關(guān)系.根據(jù)功能原理,得k.(1一lo)(sinflkXGCOSkYa)r1r),一dy./dek.=()qdypdQ+FPd2YP0Q(15)4懸架阻尼特性與減震器阻尼參數(shù)的解析關(guān)系懸架系統(tǒng)彈性元件受沖擊將產(chǎn)生振動.為改善汽車行駛平順性,衰減車身自由

14、振動和抑制車身,車輪的共振以減小車身的垂直振動加速度和車輪的振幅(減小車輪對地面壓力的變化,防止車輪跳離地面),在懸架中與彈性元件并聯(lián)安裝減振器.減振器利用其自身的油液流動阻力來消耗振動能量,以迅速衰減車身振動.按汽車平順性要求,懸架平衡位置垂向阻尼系數(shù)CP由下式確定:CP=4nfmCo(16)式中,C.為相對阻尼比,可取0.250.50.按功能原理,求得C與減震器阻尼系數(shù)C的關(guān)系為CV=CP(dyP/de)=CP.(17)式中,V為車輪跟動速度.代人相關(guān)參數(shù),得廣CP=Clllsin(一)一lbcos('7一L2,盧.一a)dfl0/del/(dyP/de)(18)5虛擬樣機驗證5.

15、1設計步驟及軟件研制軟件設計的目的是將麥弗遜懸架繁復的設計過第2期陳辛波,等:麥弗遜式螺旋彈簧懸架的剛度與阻尼特性分析程可視化,實現(xiàn)依據(jù)用戶輸入的相應初始參數(shù)來進行麥弗遜式螺旋彈簧懸架的模擬運行,給出橫臂和連桿軌跡跟蹤圖,懸架中各力與關(guān)系圖示,懸架剛度k與關(guān)系圖示,CP與關(guān)系圖,并最后輸出基于初始參數(shù)的平衡點各參數(shù)數(shù)值.從而清晰地了解設計過程中各個參量對麥弗遜懸架性能的影響,進而方便調(diào)整,達到簡化設計過程,提高設計效率的目的.設計步驟如下:按人體工程學和汽車平順性要求,選取合適的偏頻和相對阻尼比.按式(11),式(16)分別計算懸架平衡位置時的k,C以及C.由式(14)計算k隨懸架上下跳動的變

16、化.在懸架平衡位置,將F=mg代人式(15),確定,進而由式(13)計算.按式(2)(4)計算f嬲,隨懸架上下跳動的變動范圍及.,進而確定減震器阻尼力F=CV.按式(18)計算懸架阻尼系數(shù)C隨懸架上下跳動的變化.按式(12)計算懸架不同位置時地面對車輪的反力.按式(5),式(6)求車輪外傾角,主銷內(nèi)傾角.用VB軟件編制簡明實用的參數(shù)化計算軟件,其運行界面如圖3所示.壹弗避式螺旋彈簧患架分析V10Fb,F'r0一l;li1_l蘆-L一i一!一一一l一一l;卜i卜lF一lrllil一I圖3麥弗遜式螺旋彈簧懸架分析軟件結(jié)果輸出界面Fig.3Outputinterfaceofanalysiss

17、oftwareonMcPhersonstrutsuspension5.2基于ADAMS的虛擬樣機試驗驗證在ADAMS環(huán)境下,建立如圖4所示麥弗遜式懸架仿真模型,驗證懸架剛度和阻尼特性等參數(shù)隨車輪上下跳動而變化的規(guī)律是否與上述軟件計算結(jié)果一致.5.2.1懸架剛度驗證同理,對懸架剛度進行虛擬仿真和理論曲線繪制,測量值與計算值重合,如圖5所示.證明懸架剛度計算仿真正確.圖4添加驅(qū)動和約束后的模型Fig.4Modelwithdrivingandrestrictions圖5懸架剛度驗證曲線Fig.5StiffnessvalidationcurveofMcPhersonstrutsuspension5.2

18、.2懸架阻尼驗證由于式(17)中C為常數(shù),而圖6和圖7顯示的減震器相對運動速度和車輪跳動速度(即),其理論計算與ADs仿真完全一致,因此式(18)無誤.6結(jié)語建立了汽車麥弗遜式懸架系統(tǒng)受力分析和剛度,阻尼計算的數(shù)學模型.給出了按選定偏頻和相對阻尼比確定螺旋彈簧剛度和減震器阻尼參數(shù)的設計步驟.研制了麥弗遜式螺旋彈簧懸架系統(tǒng)剛度和阻尼參數(shù)分析軟件,為此類獨立懸架系統(tǒng)提供了簡明實用的仿真分析與設計工具.270同濟大學(自然科學版)第39卷圖6減震器運動相對速度曲線Fig.6Relativemovingspeedcurveofshockabsorber毒蟊主:j!霸斛鞠.l期雕-磷刊QI墅l嚼嚼囊囊刪

19、刊矧刪rj膏I|嘲-.枷.三/一1*./:/,一,/l,/t.1.|一i1.h_Il=i!小呻jl1Yr一廣一廣肓.一tJ啪衛(wèi)1l'PI?I一jIJ:",rJl17_j腳_-_參型fI.黔.:圖7車輪跳動速度曲線Fig.7Jumpingspeedcurveofwheel參考文獻:1湯靖,高翔,陸丹.基于ADAMS的麥弗遜前懸架優(yōu)化研究J計算機輔助工程,2004,3(1):28.?下期文章摘要預報?TANGJing,GA0Xiang,LUDan.TheoptimizeddesighofmacphersonsuspensionbasedonadamsI-J puterAidedE

20、ngineering,2004,3(1):28.2褚志剛,鄧兆祥,王攀,等.基于虛擬樣機的汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性改進研究I-J.系統(tǒng)仿真,2006,18(1):106.CHUZhigang,DENGZhaoxiang,WANGPan,eta1.ImprovementofstablesteeringcharacteristicofvehiclebasedonvirtualprototypeJ.JournalofSystemSimulation,2006,18(1):106.3柳江,喻凡,樓樂明.麥弗遜懸架側(cè)載螺旋彈簧優(yōu)化設計J.汽車工程,2006,28(8):743.LIUJiang,YUFan,LO

21、ULeming.OptimizationdesignofsideloadcoilspringsformacPhersonsuspensionI-J.AutomotiveEngineering,2o06,28(8):743.r4HoseinHabibi,KouroshH.Shirazi,MohammadShishesaz.RoIJsteerminimizationofMcPhersonstrutsuspensionsystemusinggeneticalgorithmmethodJ.MechanismandMachineTheory,2008,43:57.5陳辛波,王偉,萬鋼.雙橫臂扭桿彈簧懸架系統(tǒng)剛度與阻尼特性分析的新方法J.機械工程,2009,42(9):103.CHENXinb0,WANGWei,WANGang.Newmethodforanalyzingrigidityanddampingcharacteristicsofd