基于ADAMS的混合动力城市客车钢板弹簧动力学建模及分析

2015-06-12 01:57刘高君张铁柱张洪信张鲁邹史津竹

机械制造 2015年2期

□ 刘高君 □ 张铁柱 □ 张洪信 □ 张鲁邹 □ 史津竹

青岛大学机电工程学院山东青岛 266071

钢板弹簧除了作为弹性元件外，还可起导向和传递侧向、纵向力和力矩的作用。对于钢板弹簧的正确建模，长期以来都是动力学仿真技术的一个难点，建立钢板弹簧模型质量的好坏，对整车的建模和仿真分析都有重要的影响［1-4］。在整车仿真中，特别是对钢板弹簧等效模型处理时，都需要求解出钢板弹簧的垂向刚度。目前，为得到钢板弹簧垂向的刚度，大多是将钢板弹簧等效为矩形截面梁，首先建立钢板弹簧自由状态下的模型，然后对钢板弹簧进行有限元分析。因为钢板弹簧实际工作中存在复杂的非线性状态以及接触摩擦情况，所以这种方法比较复杂，耗时较长［5］。本文介绍了一种基于ADAMS的钢板弹簧动力学建模及刚度求解方法，可以快速地建立符合实际受力情况的钢板弹簧模型，并求解出其垂向刚度，经过前悬架试验台仿真，证明此方法不仅高效而且合理、准确。

1 ADAMS/CAR中钢板弹簧动力学的建模方法

1.1 建立钢板弹簧模型的方法

离散化方法：由于每片钢板弹簧都是连续柔体，故可以将每一片钢板弹簧看作是多个集中质量单元所构成的，每个质量单元可看作一个刚体，同片相邻的两个集中质量单元之间用无质量的梁连接起来，对于之间的接触，用ADAMS中自带的接触力来定义。

模态法：将有限元技术与多体系统动力学相结合，用有限元的方法计算钢板弹簧的模态，然后将计算的模态结果通过数据转换，变成ADAMS可以读取的MNF文件［6-7］，建立刚柔耦合的钢板弹簧分析模型，此方法较离散化方法具有更高的精度。

简化方法：即三连杆理论，用衬套将三段梁连接，然后在中间梁与轴连接处添加固定副,在前后梁与车架连接处添加衬套连接，以此模拟钢板弹簧最典型的工作状况。

1.2 钢板弹簧模型的建立

以某型混合动力城市客车的前钢板弹簧为研究对象，钢板弹簧片数为4片，矩形断面结构，板簧材料为60CrMnBA，弹性模量为205 GPa，剪切模量为79 GPa，泊松比为0.3，抗拉强度为1 250 MPa，摩擦因数取0.2，其它参数见表1。

表1 钢板弹簧的基本参数

在ADAMS 2013版本中，整个建模流程基于CAR模块同一用户界面。建模流程为：启动ADAMS/CAR，并选择 Template Builder，通过 File—New建立新的Template，Major Role 选择 Leaf_spring。通过 Build—Hardpoint—New建立硬点Leaf_to_fame和shackle_to_frame。通过 Build—Leaf Spring—New建立新的 Leaf Spring，弹出图1对话框。

单击Leaf Spring Editor，弹出如图2所示的对话框。在此对话框中修改自由状态下钢板弹簧的各个参数，包括 General、Leaves、Axle、Shackle、Geometry、Eyebooks、Bushings、Clips。其中：General 包括钢板弹簧片数、摩擦因数、影响系数等的设置；Leaves包括是否有副簧、钢板弹簧长度、弧高、厚度等的设置；Axle包括车轴安装高度、车轴安装位置等的设置；Shackle包括吊耳的尺寸、质量、位置等的设置；Geometry包括硬点front leaf eye bushing和shackle to frame的设置；Eyehooks包括卷耳半径以及形状等的设置；Bushing包括衬套的刚度和阻尼的设置。依次对钢板弹簧所有参数进行修改，最终创建新的钢板弹簧ltf文件，完成多片钢板弹簧模型的建立，如图3所示。

▲图1 Create Leaf Spring对话框

▲图2 Leaf Spring Editor对话框

▲图4 钢板弹簧仿真之前的模型

▲图3 钢板弹簧模型

2 钢板弹簧刚度的仿真分析

采用有限元分析对钢板弹簧进行非线性分析，求解钢板弹簧垂向刚度的方法比较复杂，且耗时比较长，而基于ADAMS方法，在建好钢板弹簧的模型之后即可快速求解钢板弹簧的垂向刚度。将建好的钢板弹簧模型从ADAMS/CAR模块导入到ADAMS/VIEW模块中，删除右侧钢板弹簧，只需保留左侧的钢板弹簧进行刚度仿真分析，然后删除钢板弹簧中的吊耳、轴套等与求解钢板弹簧垂向刚度无关的结构，最终建好的钢板弹簧仿真模型如图4所示。为了模拟钢板弹簧的真实受力情况，在钢板弹簧两端添加了两个与大地相连的旋转副，并在钢板弹簧的中间位置加载一个随时间变化的荷载力，其函数表达式为Function=1 000 time。最后设置钢板弹簧的仿真时间为10 s，开始仿真。

仿真结束后进入Adams-PostProcessor模块，绘制钢板弹簧受力-位移曲线，最终钢板弹簧的仿真结果如图5所示。

从图5中可以明显看出，钢板弹簧的刚度曲线被分为两段。第一段为钢板弹簧的预紧，即给钢板弹簧一个比较小的力就可以使钢板弹簧产生较大的位移。第二阶段为钢板弹簧的正常受力与位移的曲线。截取第二段中间一段直线来计算钢板弹簧的刚度，由图5得钢板弹簧受力为2 000 N时，其位移是49 mm；钢板弹簧受力为8 000 N时，其位移是57 mm。故求得钢板弹簧刚度为：

与采用有限元方法求解钢板弹簧刚度曲线相比，此方法简单、高效，节省了大量的时间，但是不如有限元方法求解的精度高。

3 前悬架的分析

ADAMS/CAR是一种基于模板的建模和仿真工具，只需在模板中输入必要的数据，就可以快速建造包括车身、悬架、传动系统、动力系统、制动系统等在内的高精度的整车虚拟样机，并进行仿真［8］。此外，ADAMS/CAR提供了强大的悬架分析功能，能够通过车轮的径向跳动来分析车轮的前束角、外倾角、悬架刚度的变化，通过在轮胎接地点施加侧向力和回正力矩，测量前束角和车轮侧偏角的变化等［9］。根据某型混合动力城市客车前悬架参数，建立非独立悬架的前悬架模型，如图6所示。