某轿车悬架系统的载荷仿真分析*

冯金芝，刘 乐，郑松林

(上海理工大学机械工程学院，上海 200093)

前言

耐久性评价是汽车产品开发设计阶段的重要环节，实车道路载荷谱的采集是汽车耐久性评价不可缺少的一部分［1］。进行载荷谱采集需要全面了解悬架系统的受力状况，而悬架系统是一个复杂的多体系统，运用传统的计算方法分析悬架的各种特性非常困难。而多体系统动力学为解决汽车悬架的分析设计和控制等问题提供了有力的工具［2－5］。

本文中以某型轿车为研究对象，首先通过UG软件建模，获取悬架系统中各零件的质量特性和几何特性参数。通过静刚度试验得出悬架系统力学特性参数;运用多体系统动力学的理论和方法搭建该后悬架的动力学模型。将采集的某试车场比利时路面不平度信号编辑形成RPC3文件，通过试验台对车轮施加比利时路面激励输入，对悬架系统进行动态仿真计算，并结合已有的实车道路试验数据，包括后桥垂向振动加速度和悬架行程信号，对模型进行验证和调整。然后基于精确的悬架动力学模型，对悬架系统主要部件的受力状况进行动态仿真分析，确定悬架系统各部件的载荷形式及其作用点，为载荷谱采集方案的制定提供参考。

1 悬架多体动力学模型的建立

1.1 悬架结构分析

通过UG建立后悬架的三维实体模型，如图1所示。其中，参考坐标系规定为:X轴指向汽车行驶的正前方，Y轴指向汽车的左侧，Z轴垂直指向上方。悬架零部件中，除弹簧、减振器和衬套等弹性元件外，其余零部件全部视为刚体。整个后悬架零件整合为:节臂、前横臂、后横臂、纵臂、后桥、横向稳定杆和减振器。

1.2 建模参数分析

建立多体系统动力学仿真模型需要3类参数:质量特性参数、几何定位参数和力学特性参数［6］。本文中悬架系统各零部件的质量特性参数和几何定位参数通过UG模型获得。车轮的初始定位参数为:后轮前束角0.17°，后轮外倾角－1.0°。力学特性参数包括减振器阻尼特性、弹簧弹性特性和衬套的刚度特性等，参数的准确性对汽车操纵性和平顺性的仿真计算具有决定性影响［7］。该悬架系统的弹簧刚度为K=23.235N/mm。另外，为更好地模拟前悬架系统的实际运动和受力情况，建立更加精细的动力学模型，建模中还考虑前后横臂和纵臂两端的衬套刚度，部分衬套刚度的试验特性曲线如图2～图7所示。

1.3 后悬架模型的建立

根据各零部件之间的实际连接情况，定义模型中各零部件之间的约束，建立悬架多体系统动力学模型，其拓扑结构如图8所示。其中，□表示构件，○表示运动副。

1.4 路面模型的建立

对某试车场采集的比利时路面道路不平度信号进行编辑，以获得左右车轮的时间历程激励输入。将实际采集的ASC格式的路谱文件经nCode/Glyphworks转换为RPC3文件格式，转换过程如图9所示。左、右车轮的比利时路面激励输入分别如图10和图11所示。

2 悬架系统动力学模型验证

悬架系统的相关参数如表1所示。

表1 悬架相关参数

对悬架系统进行车速为20km/h的比利时路面激励下的动态仿真计算得到后桥垂向振动加速度时间历程如图12所示，道路试验测取的加速度信号如图13所示，然后对后桥垂向加速度时间历程信号进行频谱分析，得到后桥垂向加速度功率谱密度信号如图14所示。同样方法可得悬架动行程仿真时间历程，道路试验时间历程和功率谱信号，分别如图15～图17所示。

比较图12和图13可以看出，仿真计算和道路试验测取的后桥垂向加速度大小在同一范围内;由图14看出，仿真计算得到的后桥垂向加速度功率谱密度的峰值与道路试验结果很接近，峰值频率均为14Hz左右。对比图15、图16和图17可以看出，仿真计算得到的悬架动行程时间历程和功率谱密度结果与道路试验结果很接近。上述分析表明该刚柔耦合的悬架动力学模型具有较高精度。

3 悬架系统载荷仿真与分析

基于上述精确悬架动力学模型进行车速为20km/h时比利时路面激励工况下的动态仿真，通过在ADAMS/Car中提出请求，由解算器求出的前横臂与纵臂的拉压力、前横臂车轮端与车身端两端的弯矩以及弹簧剪切力等悬架主要受力部件的载荷时间历程分别如图18～图22所示。

对比图18和图19可知，纵臂比横臂承受的拉压力更大。根据图20和图21可以看出，前横臂车轮端弯矩大于车身端的弯矩。从图22看出，汽车行驶时弹簧所承受的剪切力很大，这与弹簧实际使用中最易发生断裂的事实相符。综合悬架各主要部件载荷的仿真计算结果，确定了悬架系统主要承载部件的载荷形式，如表2所示，该分析结论可以为悬架系统载荷谱采集方案的制定提供参考。

表2 悬架系统各部件主要载荷形式

4 结论

(1)建立刚柔耦合的后悬架动力学模型，并通过试验台对车轮施加比利时路面激励输入，结合道路试验采集的后桥垂向振动加速度和悬架动行程信号对模型进行验证和调整;基于此模型，可以获得不同道路谱输入下的悬架系统各部分的载荷响应。

(2)通过动态仿真分析确定悬架系统主要承载部件的载荷形式，为道路谱采集测点的选取提供参考依据。

［1］ 成永刚，郑松林，冯金芝，等．轿车悬架耐久性试验载荷谱的优化研究［J］．汽车工程，2009，31(5):467 －470．

［2］ 王其东，秦炜华，等．基于多体模型的汽车底盘分级式综合控制仿真研究［J］．汽车工程，2010，32(8):693 －698．

［3］ 管欣，吴振昕，等．用于汽车动力学实时仿真的悬架建模方法的研究［J］．汽车工程，2007，29(5):433 －436．

［4］ Rajeswari K，Lakshmi P．Simulation of Suspension System with Intelligent Active Force Control［C］．Advances in Recent Technologies in Communication and Computing(ARTCom)，2010 International Conference on．16 －17 Oct．2010:271 －277．

［5］ Nishimura K，Perkins N C．Suspension Dynamics and Design Optimization of a High Speed Railway Vehicle［C］．Proceedings of the 2004 ASME/IEEE Joint，8 －8 April，2004．

［6］ 车华军．基于刚柔耦合模型的轿车仿真分析及试验研究［J］．汽车工程，2009，31(8):694 －697．

［7］ Pratheepa B．Modeling and Simulation of Automobile Suspension System［C］．Frontiers in Automobile and Mechanical Engineering(FAME)，2010:377 －382．