钢板弹簧横置对车辆操纵稳定性影响的研究

□ 姜军平 □ 叶明瑞 □ 辛庆锋 □ 孙福禄 □ 张栋江 □ 焦 鹏

浙江吉智新能源汽车科技有限公司 杭州 311228

1 研究背景

弹簧是连接悬架和车身的一个重要元件,对车辆的舒适性和操控性能起决定性作用。一方面,弹簧可以对来自地面的冲击起缓冲作用,从而保证车辆具有良好的舒适性。另一方面,弹簧可以在车辆行驶于崎岖不平的路面时保持轮胎的贴地性,从而保证车辆具有良好的操控性。螺旋弹簧制作难度小、成本低,已成为乘用车辆的标配。

由于螺旋弹簧没有导向功能,只能承受垂向载荷,因此悬架中必须另装稳定杆作为导向机构,用于传递垂直力以外的力和力矩。当车辆转弯时,悬架两侧承受的力不一样,稳定杆对悬架两侧的力和力矩进行传递,使车身的平衡得到有效控制,从而保证车辆具有良好的侧倾特性。

笔者提出采用钢板弹簧横置来代替螺旋弹簧和稳定杆。由于钢板弹簧在悬架跳动过程中可以传递垂向的力,因此能够起到螺旋弹簧的作用。当车辆转弯,车身发生侧倾时,钢板弹簧可以通过扭转对悬架两侧的力和力矩进行传递,从而起到稳定杆的作用。由此可见,研究钢板弹簧横置,对于提高车辆操纵稳定性具有重要的意义。

2 钢板弹簧横置悬架结构

常规的麦弗逊悬架结构如图1所示,主要由副车架、下摆臂、车轮、螺旋弹簧、减振器和稳定杆组成。其中,螺旋弹簧置于悬架和车身之间,对悬架跳动过程中垂向的力起传递作用。当车辆行驶在不平路面或者当车辆转弯时,悬架两侧的跳动量不一致,稳定杆对悬架两侧的力进行传递,从而保证车辆具有良好的侧倾控制能力。

采用钢板弹簧横置的麦弗逊悬架结构如图2所示,取消下摆臂、螺旋弹簧,钢板弹簧横置后两端与摆臂支座固定在一起,从而在平行跳动过程中对垂向的力进行传递,起到螺旋弹簧的作用;在悬架反向跳动过程中,对悬架两侧的力进行传递,起到稳定杆的作用。

3 仿真模型搭建

为了研究两种弹簧布置方案对车辆操纵稳定性的影响,利用ADAMS软件分别搭建采用螺旋弹簧布置和采用钢板弹簧横置的前悬架仿真模型,分别如图3、图4所示。对钢板弹簧建模时,主要有两种方法。一种是采用ADAMS软件自带的非线性梁进行建模,另一种方法是先通过有限元软件对钢板弹簧进行柔性化处理,转换为.mnf文件,再应用ADAMS软件进行建模。这两种建模方法中,采用非线性梁建模的方法更为简便快速,因此笔者采用这一方法进行建模。

▲图1 常规麦弗逊悬架结构

▲图2 钢板弹簧横置麦弗逊悬架结构

▲图3 螺旋弹簧布置前悬架仿真模型

4 刚度仿真对比

在建立好的钢板弹簧横置前悬架仿真模型中,通过调整非线性梁的宽和高及钢板弹簧的预载力,使钢板弹簧横置前悬架和螺旋弹簧前悬架的悬架刚度、受力完全一致。分别进行平行跳动、侧倾跳动仿真,平行跳动时的前悬架刚度对比曲线如图5所示,侧倾跳动时的前悬架侧倾角刚度对比曲线如图6所示。通过对比可以看出,平行跳动过程中,钢板弹簧横置和螺旋弹簧在受垂向力作用下前悬架刚度相同。在侧倾跳动过程中,螺旋弹簧产生的前悬架侧倾角刚度为252 N·m/(°),钢板弹簧横置产生的前悬架侧倾角刚度为360 N·m/(°),钢板弹簧横置前悬架侧倾角刚度相比螺旋弹簧布置提升了42.86%。分析原因,侧倾跳动时,钢板弹簧横置前悬架不仅对垂向的力进行传递,而且对悬架两侧的力进行传递,起稳定杆的作用,而螺旋弹簧只对垂向的力进行传递,所以钢板弹簧横置前悬架侧倾角刚度比螺旋弹簧布置大。

▲图4 钢板弹簧横置前悬架仿真模型

▲图5 前悬架刚度对比曲线

▲图6 前悬架侧倾角刚度对比曲线

通过对比可以看出,在保证前悬架刚度相同的情况下,钢板弹簧横置对前悬架侧倾角刚度的贡献要比螺旋弹簧大。由于前悬架刚度与车辆舒适性息息相关,因此要保证良好的舒适性,需要前悬架刚度小一些,而前悬架刚度变小,会导致车辆侧倾角刚度变小,从而导致车辆侧倾控制变差。由研究可知,采用钢板弹簧横置,不仅可以起到螺旋弹簧的作用,而且可以起到稳定杆的作用,在保证车辆舒适性的同时,确保车辆具有良好的操控性能。

5 操纵稳定性仿真对比

利用ADAMS软件搭建前悬架采用螺旋弹簧布置和采用钢板弹簧横置的车辆模型,分别如图7、图8所示。模型中除前悬架弹簧的布置方式不同外,其它系统均相同。通过仿真,对比两种弹簧布置对车辆操纵稳定性的影响。

▲图7 螺旋弹簧布置车辆模型

▲图8 钢板弹簧横置车辆模型

进行定半径工况稳态回转仿真,转弯半径采用40 m,仿真过程中车身侧倾角、方向盘转角随侧向加速度的变化曲线分别如图9、图10所示。其中,方向盘转角梯度除以转向传动比,可以得到车辆的不足转向度。两种前悬架弹簧布置方案下车身侧倾梯度、不足转向度的对比见表1。通过对比可以看出,前悬架采用钢板弹簧横置与采用螺旋弹簧相比,车辆侧倾梯度、不足转向度均变小。其中,车辆侧倾梯度的变化率为17.4%,不足转向度的变化率为8.33%。分析原因,采用钢板弹簧横置的前悬架侧倾角刚度比采用螺旋弹簧大,则车辆侧倾比较小,进而导致转弯过程中横向的载荷转移比较小,使车辆不足转向度变小。

▲图10 方向盘转角随侧向加速度变化曲线

表1 车辆性能对比

6 结束语

笔者通过研究得出,在前悬架刚度相同的情况下,钢板弹簧横置产生的前悬架侧倾角刚度比采用螺旋弹簧大42.86%。在车辆中,前悬架采用钢板弹簧横置与采用螺旋弹簧相比,车辆侧倾梯度减小17.4%,车辆不足转向度减小8.33%。

前悬架采用钢板弹簧横置,不仅可以起到螺旋弹簧的作用,而且可以起到稳定杆的作用。用钢板弹簧横置代替车辆中的螺旋弹簧和稳定杆,能够达到车辆轻量化的目的。另一方面,采用钢板弹簧横置,可以使车辆在保证舒适性的同时具有良好的操纵稳定性。因此,钢板弹簧横置对于车辆轻量化、操纵稳定性、乘坐舒适性具有重要作用。