麦弗逊悬架减震器侧向力优化_景立新
麦弗逊悬架减震器侧向力优化_景立新 第11卷第1期2021年1月1671181520211-0071-05 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering2021Sci.Tech.Engng. 交通运输 麦弗逊悬架减震器侧向力优化 景立新 郭孔辉 卢 荡 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，长春130022 摘要由于麦弗逊悬架减振器不可防止地承受侧向力作用，其性能的好坏往往取决于侧向力大小。建立了能够综合考虑 螺旋弹簧几何形状、弹簧轴线偏置角度、弹簧座安装角度及不同载荷状态的ADAMS刚柔耦合动力学优化模型，通过建立弹簧柔性体文件，可在多体动力学软件中模拟弹簧座与弹簧之间的支撑力及支撑力矩，为优化减振器侧向力提供仿真手段，大大提高了优化效率。关键词 车辆工程 麦弗逊悬架 减振器文献标志码 柔性体 U46333； 中图法分类号 A 偏置普通圆柱螺旋弹簧的缩小圈；“S采用形侧载弹簧。 “S由于形侧载弹簧及偏置普通圆柱螺旋弹簧制造本钱高，一般企业普的缩小圈加工工艺复杂，遍采用前两种方式解决实际问题。 麦弗逊悬架减振器侧向受力原理如图1所示 。 麦弗逊悬架是一种由减震器总成、转向节总成由于结构简单、布置紧及下横臂组成的悬架形式， 凑、前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性，是轿车最常采用的前悬架形式之一。但作为导向机构，减振器上安装点受力方向与减振器轴线不重合，在实际工作中不可防止地产生侧向力作用 1 。悬架 性能的好坏很大程度取决于减振器侧向力及其引起的摩擦力的方向和幅值变化。减振器导向器处侧向力过大将造成减震器漏油甚至活塞杆早期磨损；导向器及活塞处侧向力产生的摩擦力那么降低车辆的平顺性：当车辆在良好路面上行驶时，冲击载荷缺乏以克服减振器摩擦力，减振器和弹簧无法正常工作而将路面鼓励直接传递到车身；当遇到较大的路面鼓励时又造成弹簧的弹跳，即所谓减振器发涩 2 。 3，4 解决麦弗逊悬架减振器侧向载荷目前主要有四种途径 ： 将螺旋弹簧轴线倾斜一定角度；弹簧座支撑面倾斜一定角度； 2021年10月18日收到 “863国家高技术研究开展方案 2006AA1103103资助 男，博士研究生。研究方向：汽车第一作者简介：景立新1981， 动态仿真与控制。Email：jinglixin163163com。 图1麦弗逊悬架减振器侧向力 FL为下摆臂约束力，图1中FN为轮胎接地力， FA为减振器上安装点约束力，根据平面力平衡理3个力定交于一点，FL可得到FA的大小论，由FN、和方向；FA可分解为沿弹簧轴线力FAA及垂直减振器轴向作用力FAB；FC为减振器上下套筒导向器处侧向力，是减振器漏油及活塞杆磨损的主要原因；FC和FD分别乘以各自的摩擦系数就是减振器侧向 72科学 5，6技术与工程11卷力产生的摩擦力，对车辆的平顺性影响较大。程中方便地模拟弹簧轴线与减振器轴线的夹角；建 通过在AD-立处于自由长度状态下的弹簧柔性体， AMS模型中设置弹簧下点相对上点沿弹簧轴线的 压缩量来模拟弹簧预压。 建立的弹簧柔性体文件如下 。由FC和FD的关系可知，只要把FC降低，那么减振器的摩擦力也将减低，因此以下分析只对侧优化结果对应的摩擦力也是合向力FC进行优化， 理的。 1麦弗逊悬架建模 在以往分析中，均采用在某个载荷状态下对减 振器侧向力进行优化，而实际上减振器侧向力大小 为综合考虑不同和方向在不同载荷下是不一样的， 载荷状态，可应用ADAMS/VIEW建立能够考虑以 上四种解决方案及不同轮跳位置的麦弗逊悬架 模型。 这里说明一下，之所以不采用ADAMS/CAR中 是因为在ADAMS/CAR中的麦弗逊悬架进行优化， 弹簧座支撑面倾斜角度、弹簧采用1维单元模拟， “S形侧载弹簧、弹簧预压缩及弯曲变形等都无法 考虑。 考虑到实际生产本钱问题，优化没有采用“S 形侧载弹簧及偏置普通圆柱螺旋弹簧缩小圈方案， 但所建模型同样适用于这两种方案。为模拟弹簧 弹簧做成了柔性体文轴线偏置及弹簧座倾斜角度， 件，原因如下：麦弗逊悬架中一般采用的弹簧刚度 近于线形，用柔性体代替不会出现刚度变化不大， 的差异；在弹簧两端建立耦合约束，把弹簧端部约 3/4圈一般弹簧与弹簧座接触3/4圈左右，作为支 撑圈的单元节点耦合到位于弹簧轴线上的外部节 点上，这样在ADAMS模型中给外部节点一个转角 就可模拟弹簧轴线与弹簧座平面法线的相对倾斜 角度变化；柔性体可以模拟弹簧的侧向力刚度及弯 曲刚度。 建立弹簧柔性体时，以弹簧上点为坐标系原点 麦弗逊悬架弹簧上安装点一般不会偏置，同时， ADAMS中定义柔性体方向的欧拉角是以其生成柔 性体时所在坐标系原点定义，以弹簧上点为坐标系 弹簧轴线原点便于设置弹簧的位置及空间角度， 与坐标系Z轴重合，以便于在ADAMS模型优化过图4弹簧垂直力比照图3 弹簧变形比照图2 弹簧柔性体 1期景立新，等：麦弗逊悬架减震器侧向力优化73 为了证明用柔性体模拟实际弹簧的有效性，建立了有限元模型和柔性体模型进行比照。有限元模型中，固定弹簧下端部，把上弹簧座视为刚体与通过在刚体上施加向下适当的压缩弹簧上部接触， 量及扭转角度来模拟弹簧受压后弹簧座倾斜产生的力矩，之所以向下压缩，是因为实际弹簧在空载时是有预压的，且压缩量根本能保证在弹簧座倾斜弹簧约3/4圈接触支撑。在动力学软件中对柔时， 计算结果显示两种模型垂向性体施加相同的约束， 力误差为4%，扭转力矩误差为10%，证明用柔性体模拟实际弹簧的有效性 。 mm/deg，0N·mm/deg，0N·mm/deg，此时橡胶衬以上结构整体效果近似于用圆柱副套近似为球铰， 约束减振器套筒与活塞杆；假设将衬套Z向扭转刚度那么整体效果近似于用移动副约束设置为近似刚性，减振器套筒与活塞杆。 模型中包括下摆臂、转向节、车轮组件、转向拉杆、减震器组件、弹簧，悬架硬点如表1所示。 表1 下摆臂前点下摆臂后点下摆臂外点转向拉杆内点转向拉杆外点减振器上点减振器下点轮心点弹簧上点弹簧下点 7756510705976713962019030782258783277781905由模型优化 硬点列表 3337735168708300677025539359332738555741 133661416116482342322768776293042307339 图5弹簧扭转力矩比照 为分析减振器导向器处受力，减振器结构不能为能测量减振器导以一个移动副或圆柱副来简化， 向器及活塞处侧向力，减振器由以下结构模拟图6 。 图6减振器内部结构模型 图7 麦弗逊悬架约束 除建立活塞杆与减振器套筒外，建立两个辅助B，刚体A与活塞杆用衬套相连，与减振器刚体A、 套筒用移动副相连；刚体B与活塞杆用移动副相连，与减振器套筒用衬套相连。橡胶衬套的平移刚 5 10×105N/mm，10×度设置为10×10N/mm， 图7给出麦弗逊悬架约束的几何关系。图72为下摆臂与车身衬套连接；点3为转向拉中，点1，杆与车身共速副连接；点4为转向拉杆与转向节球铰连接；点5为下摆臂与转向节球铰连接；点6为转 105N/mm，近似为刚性，扭转刚度设置为0N· 74科学技术与工程11卷 向节与车轮组件旋转副连接；点7为车轮组件与台架接触约束；点8为减振器上端与车身衬套连接；点9，10为弹簧座分别与减振器上下套筒固定副连接；点11为减振器活塞与下套筒与转向节一体自定义约束连接。 升到1000N；只考虑弹簧轴线偏置时，导向器处侧由于结构限制，在偏向力随偏置角度增大而减小， 置极限75°时侧向力最小，如图7所示，最小侧向最大侧向力为395N；同时弹簧轴线偏力为310N， 置及弹簧座倾斜角度时，导向器处侧向力随上下弹簧座倾斜角度增大而减小，由于结构限制，在上下弹簧座倾斜角度均为极限5°与减振器轴线125°时最小，如图8所示，由表2可知此时最小侧几力为73N，最大侧向力为150N；仿真结果显示下弹簧座倾斜角度对侧向力影响较上弹簧座倾斜角度稍大。具体结果见表2及图9图11 。 2 减振器侧向力优化 优化目标 选择减振器导向器处移动副约束，测量悬架轮 Y方向约束跳090mm过程中移动副局部X、 力，两个力的合力即为总的侧向力，轮跳过程中侧向力均值的最小值为优化目标。 优化变量 模型中设置3个优化变量见图8，包括用于弹定义弹簧轴线相对减振器轴线夹角变量DV_1，簧轴线与减振器上弹簧座平面法线夹角变量DV_2，弹簧轴线与减振器下弹簧座平面法线夹角变量DV_3 。 图9 弹簧轴线偏置示意图 图10 图8 优化变量定义 优化后悬架变形优化约束 由于减振器从弹簧中穿过，弹簧轴线与减振器 轴线之间的夹角受具体结构限制，减振器套筒与弹簧尺寸允许的最大夹角为°；弹簧座与弹簧轴线的夹角不能过大，否那么影响弹簧稳定性，这里采用的最大夹角为5°。 优化结果 在不考虑弹簧轴线偏置及弹簧座倾斜时，在090mm轮跳过程，导向器处侧向力由950N上 图11 结果比照 1期 表2 结果比照 景立新，等：麦弗逊悬架减震器侧向力优化75 侧向力优化效率。 最大侧 弹簧轴线偏上弹簧座与弹簧下弹簧座与弹簧最小侧置角/°0757575750 轴线倾斜角/° 005050 轴线倾斜角/° 000550 从优化结果可以看出，通过优化，减振器侧向力大大降低，不仅改善了减震器的耐久性能，车辆的平顺性能也得到了较大改善。 参 1 向力/N向力 考文献 瑄，译长春：吉林科 赖姆佩尔约翰悬架元件及底盘力学王1992学技术出版社， 2张元胤，雷雨成，王小琼螺旋弹簧悬架安装倾角分析机械设计2004；1：6163与制造， 3李明喜，柳 江，喻 江基于麦弗逊式悬架侧载弹簧的应用分析汽车凡，楼乐明麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧优化设计汽 3结论 提出了一套基于螺旋弹簧柔性体的减振器侧 2005；4：710科技，4
