基于刚柔耦合的E型多连杆K&C特性分析

景立新 吴利广 曹娇娇 李广

摘 要：通过有限元软件Hypermesh将E型多连杆后悬架中的下摆臂、上摆臂、前束拉杆、纵臂和副车架进行柔性化，分别导入到 ADMAS/Car软件中进行多体动力学建模和仿真分析，并将仿真结果与试验结果进行对比分析，分析得到不同刚柔耦合的零部件组合对前束角变化产生较大影响。

关键词：E型多连杆；ADMAS/Car；刚柔耦合

中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）01-0035-05

Abstract： The lower swing arm， the upper swing arm， the toe tie rod， the longitudinal arm and the sub-frame in the E-type multi-link rear suspension are flexed by the finite element software Hypermesh.They are imported into ADMAS/Car software for multi-body dynamics modeling and simulation analysis. The simulation results are compared with the experimental results. The analysis shows that the combination of different rigid-flexible components has a great influence on the change of toe angle.

Key Words： E type multi-link； ADMAS/Car； Rigid and flexible coupling

引言

目前，在多体系统就是刚体运动的构件和弹性变形的构件通过约束组成的完整机械动力系统[ 1]。从严格意义上讲，在实际中遇到的绝大多数工程上的问题都是多体运动问题，由于其复杂性，通常都将多体系统运动分析简化为刚体运动分析，但是由于在分析过程中将实际问题进行了简化，因此其处理结果会存在误差[2]。而近几年，随着社会经济的发展，人们开始追求物质生活，对汽车代步功能已经不再满足，而对汽车舒适性和其行驶稳定性有了进一步要求。这对底盘的舒适性和其操纵稳定性有了直接要求，因此传统的应用较好的独立悬架已经越来越不能够满足人们的要求，于是E型多连杆式的独立悬架结构的采用成为热门。因此，本文的主要目的是根据ADAMS软件建立的汽车后悬架的刚柔耦合的模型，对其不同方案的耦合模型进行分析，确定其刚柔耦合的最佳方案[3]。

1 多连杆后悬架模型分析

1.1 E型多連杆悬架结构分析

E型多连杆悬架的具体结构如图1所示，其组成有下摆臂、上摆臂、前束拉杆以及纵臂组成。

横向的连杆分别与副车架和后转向节相连接，主要功用一是调整整车四轮的定位参数；二是调整最佳的主销后倾角的位置，加大汽车后悬架的侧向刚度，很大程度上的降低路面对汽车的侧向冲击力。纵臂分别与车身和制动角总成连接，其主要功用是加大汽车后悬架的纵向刚度，很大程度上降低路面对汽车的前后方向力。

副车架是作为汽车后悬架的主要结构件，与汽车车身刚性连接，是车身与下摆臂、上摆臂和前束拉杆相连的桥梁，主要承载汽车分配到后悬架的载荷，加大了后悬架的支撑架的刚度，从而改善汽车悬架的的平顺性，也确保了车辆直线行驶的稳定性，确保汽车乘坐的舒适性。螺旋弹簧作为弹性元件其主要功用一是缓和冲击，二是承受和传递垂向力；减震器主要是对不平路面所造成的震动进行缓冲[4]。

1.2 E型多连杆后悬架K&C;特性分析

汽车悬架系统的运动学主要由悬架运动学和悬架弹性运动学（Kinematics &Compliance;，K&C;）组成。其中悬架运动学的主要研究内容是汽车车轮的定位参数和汽车悬架的垂直刚度特性在行驶过程中由于悬架弹簧变形和转向而引起的变化；而悬架弹性运动的主要研究内容是车轮的定位参数和悬架的垂直刚度特性在汽车行驶过程中由于车轮与地面之间的力和力矩而产生的变化。悬架K特性主要与汽车的乘坐舒适性相关，C特性影响汽车的操稳性。悬架K&C; 特性主要工况包含平行轮跳工况、侧倾工况、同向（反向）侧向力工况、同向（反向）回正力矩工况、纵向力工况、转向工况。相关参数主要涉及前束角变化、侧倾刚度变化、悬架侧倾中心高度等参数[5]。

汽车车轮前束角（Toe），具体是指从车的正上方看，车轮的前端所在平面和车辆从线所在平面的夹角，如图2所示。从汽车后方向前看，车轮的Toe角与汽车轮胎的侧向偏角一样大，如图3所示[6]。因此，为确保车辆能够准确的沿直线行驶，一般都会设置一定的前束角。而且为不使汽车轮胎有侧向偏角导致在行驶的过程中其轮胎磨损较大，汽车的前束角的变化不应太大。

2 E型多连杆悬架刚柔耦合模型建立

本文分析用到的后悬架形式为E型多连杆独立悬架。在汽车行驶过程中，其悬架的主要功用是作为车轮与车身的桥梁，将车轮上承受的不同方向上的力和力矩传递到汽车车身上，悬架由于承载了这些力和力矩会产生变形，通过将上摆臂、下摆臂、前束拉杆、纵臂和副车架进行柔化[7]如图4所示，并进行不同形式的组合，分别进行K&C;特性仿真分析。

将通过相关软件将上摆臂、下摆臂、前束拉杆、纵臂和副车架柔化后导入到汽车后悬架的ADAMS模型中，其模型如图5所示：

为了分析后悬架各结构件（上摆臂、下摆臂、前束拉杆、纵臂和副车架）对悬架K&C;特性的影响，本文首先对将上述所有结构件均进行柔性化，这样各零部件在仿真中均考虑了变形，更符合实际情况，分析结果也证实了全部柔性化后的模型仿真结果与试验结果吻合度很好。基于篇幅限制，以及本文主要目的是论证各结构件柔性化对悬架K&C;特性的影响，因此暂不对验证过程进行描述。

为了研究各结构件柔性化对悬架K&C;特性的影响，本文借鉴DOE（Design Of Experiment）的思想，进行试验设计见表1：

在柔性化的模型基础上，分别对各结构件（上摆臂、下摆臂、前束拉杆、纵臂和副车架）进行刚性化处理，分析对悬架K&C;特性的影响。

3 E型多连杆刚柔耦合模型对悬架K&C;特性的影响分析

本文分别从K特性和C特性方面来论证E型多连杆刚柔耦合模型对悬架K&C;特性的影响。

3.1 E型多连杆刚柔耦合模型对悬架C特性的影响分析

在同向纵向力工况下包括制动力、驱动力和滚动阻力，其中对车轮前束角影响最大的是制动力。同向纵向力工况下，刚柔耦合的后悬架对其前束角的影响如图6所示。从图中可得model_longitidunal曲线与试验曲线model_all斜率相差较大，其它曲线与试验曲线斜率相差较小，因此可以得出，在相同纵向力下有刚性纵臂的后悬架的前束角变化较小，影响悬架对应C特性以及整车横摆力矩、车辆行驶稳定性的分析精度。

同向侧向力工况下，刚柔耦合的后悬架对其前束角的影响如图7所示，从方案的仿真数据与某车型试验数据作对比发现，model_longitidunal曲线与model_all曲线斜率相差较大，其他曲线与试验曲线斜率相差较小，在相同侧向力下有刚性纵臂的后悬架的前束角变化较小，影响悬架对应C特性以及整车回正力矩变化等分析精度。

反向侧向力工况下，刚柔耦合的后悬架对其前束角的影响如图8所示，从方案的仿真数据与某车型试验数据作对比发现，model_longitidunal曲线和model_subframe曲线均与model_all曲线斜率相差较大，其他曲线与试验曲线斜率相差较小，因此可以得出，刚性纵臂和副车架的悬架会影响悬架对应C特性以及到汽车的直线行驶性能分析精度。

同向回正力矩工况下，刚柔耦合的后悬架对其前束角的影响如图9所示，从方案的仿真数据与某车型试验数据作对比发现，model_longitidunal曲线和model_subframe去向均与model_all曲线斜率相差较大，其他曲线与试验曲线斜率相差较小，因此可以得出，有刚性纵臂和副车架的悬架模型会影响轮胎接地印迹、轮胎拖距等分析精度，进而影响车辆的不足转向特性等分析精度。

图6-9中曲线数据也表明，在同向纵向力、同向侧向力、反向侧向力、同向回正力矩等工况下仿真，上摆臂、下摆臂和前束拉杆分别使用刚性体的曲线与试验数据曲线相比相差较小。

3.2 E型多连杆刚柔耦合模型对悬架K特性的影响分析

平行轮跳工况下，刚柔耦合的后悬架对其前束角的影响如图10所示，从方案的仿真数据与某车型试验数据作对比可以发现，model_longitidunal曲线与model_all曲线斜率的变化相差较大，其它方案曲线在此工况下与试验曲线斜率的变化相差不明显，因此可以得出：与柔性的后悬架相比，有刚性的纵臂的后悬架在车轮上跳后轴外侧车轮的前束角变化更大，这就使后轴在侧倾时也具有不足转向性。因此，若仿真使用刚性纵臂，则车轮转向时的不足转向特性分析精度会受到很大影响，与试验相差较大。

侧倾工况下，刚柔耦合的后悬架对其前束角的影响如图11和图12所示，从方案的仿真数据与试验数据作对比发现，model_longitidunal曲线与model_all曲线斜率的变化不同，有刚性纵臂的悬架在轮心垂向位移向上时后轮前束角变化更大，则后轮的外倾角增大，影响悬架对应K特性以及整车不足转向特性等分析精度。（外倾时前束角变化过大，会使汽车轮胎的磨损加剧，进而导致汽车轮胎的附着性能变差，而且汽车的行驶性能也会受到一定的影响，刚性的纵臂改变了车轮前束角的正常变化，影响车轮的不足转向特性破坏了汽车行驶时良好的转向性能。）

从图11和12中分析可得，上摆臂、下摆臂和前束拉杆分别刚性化的曲线在侧倾工况下与试验数据曲线相比斜率的变化不明显，对悬架K&C;特性以及整车操稳的影响可以忽略。

4 结论

通过以上对比分析，可以得出E型多連杆悬架中各结构件对悬架K&C;特性的影响，见表2：

表2中描述了各结构件是否柔性化对悬架K&C;特性的影响，表中空白的表示基本没有影响；标注★越多的，影响越大。其中：上摆臂、下摆臂、前束拉杆柔性或刚性对模型仿真而言影响不大；纵臂和副车架是否柔性化对于悬架的K&C;特性具有较大影响。主要影响车辆前束角变化，刚性的副车架和纵臂降低了车辆的转向性能、直线行驶性能以及轮胎磨损的分析精度。

因此，在进行E型多连杆后悬架K&C;仿真分析时，为使仿真数据更加准确，在仿真模型中副车架和纵臂应该使用柔性体。

参考文献：

[1]陆佑方.柔性多体系统动力学[ M].北京：高等教育出版社，1996： 1- 7.

[2]余志生.汽车理论[ M].第3版.北京：机械工业出版社，2000：103- 145.

[3]高立新，胡延平，吴红艳.基于ADAMS的刚柔耦合汽车悬架性能分析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2009，32（6）：814-817.

[4]张昊.多连杆悬架汽车动力学建模仿真分析与试验研究[D].上海交通大学，2011.

[5]孙海洋.基于整车操纵稳定性的悬架K&C; 特性指标分析研究[D]长春：吉林大学， 2012.

[6]M.米克奇，陈萌三译，汽车动力学（第二版）C卷，北京：人民交通出版社，1997，第一版.

[7]宫镇，夏长高.刚柔耦合多体车辆操纵稳定性研究[J].汽车工程，2004，26（5）：564- 567.