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

利用空間解析幾何方法,建立了考慮導(dǎo)向桿件、彈性元件和阻尼元件的空間結(jié)構(gòu)、空間姿態(tài)和空間尺寸的具有三維空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向輪的雙橫臂扭桿彈簧懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,研究該懸架的空間結(jié)構(gòu)非線性阻尼和非線性剛度特性。分析結(jié)果表明:該懸架系統(tǒng)的等效阻尼和等效剛度具有明顯的空間結(jié)構(gòu)非線性特征。

減少四輪驅(qū)動電動汽車關(guān)鍵零部件的種類,簡化整車結(jié)構(gòu),是降低其批量化制造成本的有效途徑。為此,在對懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上,提出雙橫臂懸架-扭桿彈簧-電動輪模塊化設(shè)計概念和一種零前束變化非轉(zhuǎn)向輪雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了前后懸架-電動輪模塊的通用化,并成功應(yīng)用于國內(nèi)第一臺線控轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動燃料電池微型汽車“春暉三號”底盤系統(tǒng)的開發(fā)。

以eq1031輕型貨車為例,對扭桿彈簧雙橫臂獨(dú)立懸架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性分析,簡述了保證雙橫臂獨(dú)立懸架上線裝配姿態(tài)正確的工序過程和控制措施。

根據(jù)fsae大賽規(guī)則,采用設(shè)定基準(zhǔn)目標(biāo)的方法確定整車的軸距、前后輪距、質(zhì)心位置等重要參數(shù),完成雙橫臂懸架主要參數(shù)、懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計。利用catia對懸架各部分零件進(jìn)行三維建模和裝配,運(yùn)用ansya對前懸立柱、搖臂進(jìn)行強(qiáng)度校核。分析結(jié)果顯示:設(shè)計的零件滿足材料的強(qiáng)度要求。裝配完成后的賽車實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明:設(shè)計出的雙橫臂懸架系統(tǒng)具有較好的平順性,設(shè)計方法合理,可為車輛懸架系統(tǒng)的理論計算和輕量化設(shè)計提供參考。

采用復(fù)數(shù)法分析了雙橫臂扭桿懸架的運(yùn)動特性,并建立了整套設(shè)計計算方法,其中包括主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角、輪距、懸架中心和側(cè)傾中心以及懸架剛度等參數(shù)隨車輪載荷變化的關(guān)系特性。

為了設(shè)計一種以舒適性為導(dǎo)向的車輛懸架結(jié)構(gòu),基于無源系統(tǒng)理論和lmi線性矩陣不等式方法,設(shè)計了正實(shí)魯棒控制器,以車身加速度均方根值為乘坐舒適性指標(biāo),將求解懸架結(jié)構(gòu)的問題歸結(jié)為求解正實(shí)魯棒控制器的問題,利用遺傳算法結(jié)合lmi算法解bmi雙線性矩陣不等式求解該問題,然后將得到的正實(shí)阻抗傳遞函數(shù)用彈簧、阻尼、慣容器(inerter-spring-damper,isd)物理實(shí)現(xiàn)出來。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)被動懸架相比,綜合出來的isd懸架能夠顯著改善車輛的乘坐舒適性和行駛安全性。

針對某車型扭桿式雙橫臂獨(dú)立懸架前輪距加寬的要求,提出了改型設(shè)計的幾種方案,并根據(jù)輪距和定位參數(shù)隨輪跳變化的曲線趨勢確定了最優(yōu)方案。建立了扭桿式雙橫臂獨(dú)立懸架虛擬樣機(jī)模型,通過對比靜態(tài)平衡位置時定位參數(shù)的理論值與仿真值,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。通過分析5種運(yùn)動特性曲線變化趨勢可知,前束角變化最為靈敏,從而可確定上下擺臂各加長40mm、轉(zhuǎn)向器長度不變、轉(zhuǎn)向拉桿每側(cè)加長40mm的方案為最優(yōu)。

上置扭桿式雙橫臂獨(dú)立懸架是較復(fù)雜的一種懸架形式,分析其運(yùn)動特性對汽車的輪胎偏磨和整車性能都有重要的參考價值。利用adams/car軟件建立了虛擬樣機(jī)模型,通過對比靜態(tài)平衡位置時定位參數(shù)的理論值與仿真值,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。設(shè)置輪跳合理的范圍,進(jìn)行同向跳動仿真,得到5項(xiàng)運(yùn)動特性變化曲線。分析曲線的變化趨勢,得到輪距變化超出一般的要求區(qū)間,可能導(dǎo)致輪胎磨損嚴(yán)重,以及直線行駛能力變差等結(jié)論。

該文研究得到了拉索-阻尼器-彈簧系統(tǒng)的復(fù)特征頻率方程。在阻尼器和彈簧安裝點(diǎn)距拉索錨固點(diǎn)長度與拉索長度之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1的假設(shè)條件下,得到了拉索-阻尼器-彈簧系統(tǒng)模態(tài)阻尼比的近似解析解,該近似解析解與數(shù)值計算得到的精確解對比吻合良好。當(dāng)彈簧和阻尼器處于同一側(cè)時將會減小拉索所能獲得的最大模態(tài)阻尼值,而當(dāng)阻尼器與彈簧在拉索兩端時彈簧對阻尼的影響幾乎可以忽略。當(dāng)阻尼器仍處于拉索錨固點(diǎn)附近而彈簧位置向中間移動時由阻尼器引起的頻率變化量仍是小量的條件下,得到了結(jié)合數(shù)值頻率解的拉索-阻尼器-彈簧系統(tǒng)模態(tài)阻尼比近似解析式。此時拉索所能獲得最大模態(tài)阻尼比、對應(yīng)的最優(yōu)阻尼系數(shù)、無量綱頻率與彈簧位置、剛度之間存在明確的變化關(guān)系。該文研究成果對于拉索端部同時附加橡膠減振器和阻尼器、附加阻尼器的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)減振設(shè)計具有重要的參考價值。

綜合國內(nèi)外資料，探討了雙精管扭桿懸架設(shè)計中廣泛應(yīng)用的國截面直扭桿的設(shè)計方法和雙向筒式減振器參數(shù)的初步確定，并用于某輕型客車前懸架的改進(jìn)設(shè)計，獲得了滿意的結(jié)果.

綜合國內(nèi)外資料,探討了雙橫臂扭桿懸架設(shè)計廣泛應(yīng)用的圓截面直扭桿的設(shè)計方法和雙向筒式減振器的參數(shù)的初步確定,并用于某輕型客車前懸架的改進(jìn)設(shè)計,獲得了滿意的結(jié)果。

針對某越野車雙橫臂前懸架,采用有限轉(zhuǎn)動張量法,結(jié)合空間解析幾何理論知識,推導(dǎo)車輪定位參數(shù)隨車輪跳動量的變化規(guī)律,并與adams仿真結(jié)果、實(shí)車設(shè)計基準(zhǔn)值進(jìn)行對比,據(jù)此驗(yàn)證所建模型的正確性。利用matlab軟件,根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算車輪等位參數(shù)的變化情況,在對計算結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,針對前輪前束角和輪距的變化范圍不滿足設(shè)計要求的問題,借助adams/insight模塊對懸架硬點(diǎn)位置進(jìn)行靈敏度分析,并以此為根據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)響應(yīng)面法擬合,最后根據(jù)擬合函數(shù)匹配硬點(diǎn)位置。優(yōu)化分析結(jié)果表明:懸架的運(yùn)動學(xué)性能滿足設(shè)計要求,驗(yàn)證了此次優(yōu)化設(shè)計的有效性。

采用虛擬樣機(jī)技術(shù),借助于adams軟件這個操作平臺,針對某商務(wù)車前懸架建立了多體動力學(xué)模型,并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析,從中獲得了隨車輪上下跳動的懸架車輪定位參數(shù)的變化規(guī)律,這為汽車懸架系統(tǒng)開發(fā)提供了一種有效的手段。

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的基礎(chǔ)上,導(dǎo)出了精確分析懸架受力、剛度和阻尼特性的基本公式,給出了按選定的偏頻和相對阻尼比確定扭桿剛度和減震器阻尼參數(shù)的設(shè)計步驟.以此為理論基礎(chǔ),開發(fā)出了簡明實(shí)用的雙橫臂扭桿懸架系統(tǒng)剛度和阻尼參數(shù)非線性分析與設(shè)計軟件.

利用catia軟件對懸架系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模,并利用hypermesh軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析和剛、強(qiáng)度分析,同時結(jié)合對未來輕量化材料的探討,尋找雙橫臂懸架輕量化設(shè)計方法。

根據(jù)某汽車雙橫臂前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù),應(yīng)用adams/car建立該懸架虛擬樣機(jī)模型,并對懸架系統(tǒng)進(jìn)行車輪跳動仿真分析,模擬車輪跳動對雙橫臂懸架前輪定位參數(shù)的影響,得出相應(yīng)參數(shù)的變化規(guī)律曲線.根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)參數(shù)的設(shè)計要求,對該懸架的部分硬點(diǎn)位置及懸架特性參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使懸架的綜合性能達(dá)到最佳.結(jié)果表明,所做的優(yōu)化設(shè)計有效,改善了懸架系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)特性.

利用adams/car模塊建立大學(xué)生方程式賽車(fsae)雙橫臂獨(dú)立懸架仿真模型;對模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真,對表征懸架運(yùn)動學(xué)性能的參數(shù)進(jìn)行分析以確定優(yōu)化目標(biāo);利用adams/insight模塊通過設(shè)定設(shè)計變量、綜合目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計;根據(jù)優(yōu)化結(jié)果修改懸架的運(yùn)動學(xué)仿真模型,再次進(jìn)行仿真分析,并比較優(yōu)化前和優(yōu)化后懸架的綜合性能;仿真結(jié)果表明,優(yōu)化后的懸架綜合性能得到明顯提高,證明了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法的有效性和正確性。

針對雙橫臂獨(dú)立扭桿彈簧懸架的特點(diǎn),運(yùn)用多體動力學(xué)的理論建立了某商務(wù)車獨(dú)立懸架的運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)模型和仿真模型,基于遺傳算法開發(fā)了多目標(biāo)的優(yōu)化程序,通過adams/solver和外部程序的接口文件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸。將優(yōu)化前仿真結(jié)果與優(yōu)化后得到的仿真結(jié)果進(jìn)行了性能對比,結(jié)果表明,優(yōu)化后的仿真結(jié)果有效地改善了懸架的性能。該方法和傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法相比,優(yōu)點(diǎn)在于能提高精度和效率。

建立了某五軸載貨汽車雙扭桿雙橫臂懸架有限元模型,對各零部件之間連接關(guān)系進(jìn)行模擬,在此基礎(chǔ)上,對模型靜態(tài)剛度和強(qiáng)度特性進(jìn)行分析。計算結(jié)果與理論解和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了該類型懸架有限元模型的正確性。

采用虛功原理、有限張量和矢量代數(shù)法計算雙橫臂扭桿懸架的剛度,應(yīng)用adams軟件驗(yàn)證數(shù)學(xué)方法計算的可行性?；陔S機(jī)振動的方法分析輪胎動載荷、懸架動行程和舒適性3個性能指標(biāo),對扭桿設(shè)計的基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,減小實(shí)際行車中的懸架位移和撞擊限位塊頻率,測試效果明顯,為總布置設(shè)計提供精確的設(shè)計參數(shù)。

汽車轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車的重要部件,對整車行駛動力學(xué)(如操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等)有舉足輕重的影響。利用adams/view對雙橫臂式獨(dú)立懸架進(jìn)行建模仿真,研究分析汽車運(yùn)動中懸架隨車輪跳動時定位參教的變化規(guī)律,進(jìn)而對其參數(shù)的變化進(jìn)行動力學(xué)分析總結(jié)懸架對汽車轉(zhuǎn)向的影響。

為提高fsae賽車的操縱穩(wěn)定性,利用adams/car建立fsae賽車雙橫臂前懸架仿真模型,通過雙輪同向跳動仿真試驗(yàn),分析影響懸架性能的參數(shù)值及其變化情況;利用adams/insight對該懸架進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果修改部分硬點(diǎn)的坐標(biāo)值;再次進(jìn)行雙輪同向跳動仿真試驗(yàn),優(yōu)化前后的結(jié)果對比表明:優(yōu)化后,懸架的整體性能得到較大提高,有助于整車操縱穩(wěn)定性的改善。