搜索前輪跳動對定位參數影響的仿真分析
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,進行前輪定位參數模擬仿真,分析前輪上下跳動對各定位參數的影響。
彭曉俊 周鋐 來源:LMS
關鍵字:CAE LMS Virtual.Lab 多體動力學 定位參數
1 定位參數的研究意義
車輪定位參數主要是指主銷后傾角、主銷內傾角、車輪外傾角和前束角。車輪定位參數是懸架系統諸多幾何參數中最為重要的一組參數,直接影響懸架系統特性,與汽車操縱穩定性的多種評價指標都密切相關。合理的定位參數可以保證車輛的直線行駛穩定性、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的變化量可能很大,影響車輛行駛性能,出現轉向沉重、輪胎偏磨等問題。
用多體系統動力學方法分析車輪跳動對定位參數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。為節約成本、縮短開發周期,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的影響。
2 懸架模型的建立
LMS Virtual.Lab Motion基于DADS高效穩定的多體動力學求解器,并且提供了方便快捷的Suspension Creation功能,通過定義懸架系統的硬點坐標、各減振元件的參數、以及各零件之間的連接點與連接方式,懸架系統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為該懸架系統部分硬點坐標。
表1:部分硬點坐標
整個雙橫臂獨立前懸架由上橫臂、下橫臂、轉向節、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、下橫臂與轉向節之間也采用球鉸方式連接;轉向節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總成和轉向機都使用球鉸方式連接;轉向節柱與轉向機之間采用萬向節方式連接。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。
圖1 雙橫臂獨立前懸架模型
3 仿真分析
根據所建立的雙橫臂獨立懸架模型,分析主銷后傾角、主銷內傾角、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定性。后傾角越大,穩定力矩越大,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°。
圖2 前輪上下跳動對主銷后傾角的影響
3.2 主銷內傾角
主銷內傾角對操縱穩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傾角的存在有抬高的傾向,從而產生前輪的回正力矩。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,主銷內傾角的變化量不要太大。
圖3為前輪上下跳動對主銷內傾角的影響,在前輪上下跳動50mm的過程中,主銷內傾角的最大值為7.9°,最小值為7.08°,整個過程中變化量為0.82°。
圖3 前輪上下跳動對主銷內傾角的影響
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°。
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、主銷內傾角、前輪外傾角的變化在1°以內,前輪上下跳動對這三個定位參數影響較小,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進一步優化提供了方向。
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