前輪跳動對定位參數(shù)影響的仿真分析

2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文通過LMS Virtual.Lab中的多體動力學仿真模塊motion,建立某小型車雙橫臂獨立前懸架模型,并根據(jù)模擬仿真要求,施加邊界條件。在前輪上下跳動50mm時,進行前輪定位參數(shù)模擬仿真,分析前輪上下跳動對各定位參數(shù)的影響。

彭曉俊周鋐來源:LMS
關鍵字:CAE LMS Virtual.Lab 多體動力學定位參數(shù)

1 定位參數(shù)的研究意義
車輪定位參數(shù)主要是指主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束角。車輪定位參數(shù)是懸架系統(tǒng)諸多幾何參數(shù)中最為重要的一組參數(shù),直接影響懸架系統(tǒng)特性,與汽車操縱穩(wěn)定性的多種評價指標都密切相關。合理的定位參數(shù)可以保證車輛的直線行駛穩(wěn)定性、轉向輕便性以及避免車輛跑偏和輪胎的過度磨損。
汽車在遇到障礙物或路面不平引起的顛簸運動、加減速時引起的車身縱傾運動和轉彎時引起的車身側傾運動都會產(chǎn)生車輪的跳動。如果車輛的懸架結構設計不當,在車輪跳動時前輪定位參數(shù)的變化量可能很大,影響車輛行駛性能,出現(xiàn)轉向沉重、輪胎偏磨等問題。
用多體系統(tǒng)動力學方法分析車輪跳動對定位參數(shù)影響涉及大量的廣義坐標與矢量運算以及拉格朗日方程組的求解。為節(jié)約成本、縮短開發(fā)周期,本文運用LMS Virtual.Lab中的多體動力學仿真模塊motion,建立某小型車雙橫臂獨立前懸架模型,分析前輪上下跳動對各定位參數(shù)的影響。
2 懸架模型的建立
LMS Virtual.Lab Motion基于DADS高效穩(wěn)定的多體動力學求解器,并且提供了方便快捷的Suspension Creation功能,通過定義懸架系統(tǒng)的硬點坐標、各減振元件的參數(shù)、以及各零件之間的連接點與連接方式,懸架系統(tǒng)的建模就能輕松完成。
硬點的坐標是建立運動學模型的關鍵,根據(jù)該車雙橫臂獨立前懸架的實際結構,以前軸中點作為坐標原點,x軸正向指向車輛前進方向,y軸正向指向車輛左側,z軸正向指向車輛上方。表1為該懸架系統(tǒng)部分硬點坐標。

表1:部分硬點坐標

前輪跳動對定位參數(shù)影響的仿真分析+有限元項目服務資料圖圖片1

整個雙橫臂獨立前懸架由上橫臂、下橫臂、轉向節(jié)、減振元件、車輪、轉向橫拉桿、轉向機、方向盤等組成。上橫臂、下橫臂與副車架之間采用球鉸方式連接;上橫臂、下橫臂與轉向節(jié)之間也采用球鉸方式連接;轉向節(jié)總成與車輪在車輪中心點采用圓柱副方式連接;減振器上下體之間也采用圓柱副方式連接;轉向橫拉桿與轉向節(jié)總成和轉向機都使用球鉸方式連接;轉向節(jié)柱與轉向機之間采用萬向節(jié)方式連接。雙橫臂獨立懸架的結構是左右對稱的,一側懸架建立完畢后,直接使用鏡像即可得到整個雙橫臂獨立前懸架模型。建模結果如圖1所示。

前輪跳動對定位參數(shù)影響的仿真分析+有限元項目服務資料圖圖片2
圖1 雙橫臂獨立前懸架模型

3 仿真分析
根據(jù)所建立的雙橫臂獨立懸架模型,分析主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角以及前束角在前輪上下跳動50mm工況下的變化情況。
3.1 主銷后傾角
主銷后傾的作用是當汽車直線行駛偶然受外力作用而稍有偏轉時,主銷后傾將產(chǎn)生與車輪轉向相反的力矩使車輪自動回正,可保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。后傾角越大,穩(wěn)定力矩越大,但后傾角不宜過大,否則在轉向時會導致轉向沉重。
圖2為前輪上下跳動對主銷后傾角的影響,在前輪上下跳動50mm的過程中,主銷后傾角的最大值為3.8°,最小值為3.45°,整個過程中變化量為0.35°。

前輪跳動對定位參數(shù)影響的仿真分析+學習資料圖片3
圖2 前輪上下跳動對主銷后傾角的影響

3.2 主銷內(nèi)傾角
主銷內(nèi)傾角對操縱穩(wěn)定性主要有兩方面的影響,一個是當前輪轉動時車身由于內(nèi)傾角的存在有抬高的傾向,從而產(chǎn)生前輪的回正力矩。該力矩與側向力和車速無關,主要是在低速下起回正作用,從而保證車輛低速轉向回正性能。另一個作用是減小主銷橫向側偏距,從而減小轉向所需的力矩,提高車輛轉向輕便性。但是主銷內(nèi)傾角也不可過大,否則會造成轉向沉重與加速輪胎磨損。因此希望在車輪跳動過程中,主銷內(nèi)傾角的變化量不要太大。
圖3為前輪上下跳動對主銷內(nèi)傾角的影響,在前輪上下跳動50mm的過程中,主銷內(nèi)傾角的最大值為7.9°,最小值為7.08°,整個過程中變化量為0.82°。

前輪跳動對定位參數(shù)影響的仿真分析+學習資料圖片4
圖3 前輪上下跳動對主銷內(nèi)傾角的影響

3.3 前輪外傾角與前束角
前輪外傾角是使輪胎接地點向內(nèi)縮以減小橫向偏距,從而改進制動時的縱向力作用下的方向穩(wěn)定性,也能減少轉向時所需的力,使轉彎更為輕松。前束角引起的側向力與車輪外傾引起的側傾推力相互抵消,從而避免額外的輪胎磨損和動力的消耗,需要考慮外傾角和前束角的合理匹配。同時前輪的前束角變化會引起前輪側偏角的變化,改變車輛轉向特性,對操縱穩(wěn)定性不利。因此,前輪外傾角與前束角應盡可能保持小范圍的變化量。
圖4為前輪上下跳動對前輪外傾角與前束角的影響,在前輪上下跳動50mm的過程中,前輪外傾角的最大值為1.05°,最小值為0.22°,整個過程中變化量為0.83°;前束角的最大值為0.98°,最小值為-1.57°,整個過程中變化量為2.55°。

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圖4 前輪上下跳動對前輪外傾角與前束角的影響

4 結論
本文運用LMS Virtual.Lab中的多體動力學仿真模塊motion,建立某小型車雙橫臂獨立前懸架模型,分析前輪上下跳動對主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角以及前束角的影響。最終結果表明,該車型前輪上下跳動時,主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角的變化在1°以內(nèi),前輪上下跳動對這三個定位參數(shù)影響較小,滿足要求,但前束角的變化大于2°,受前輪跳動影響較大,有待改進。通過本次分析為該車型前懸架系統(tǒng)進一步優(yōu)化提供了方向。

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