麦弗逊前悬架系统硬点载荷提取技术研究.docx

麦弗逊前悬架系统硬点载荷提取技术研究张泽俊（1.重庆理工大学；2.汽车零部件及其检测技术教育部重点实验室，重庆 400054）摘要:在考虑舒适性橡胶衬套六个方向非线性刚度的基础上，建立了麦弗逊前悬架系统的数学模型。基于多刚体系统动力学基本理论和牛顿第三定律，建立了悬架系统摆臂和转向节的静平衡方程，给出了悬架系统中各硬点载荷计算的方法。以某车麦弗逊前悬挂系统为例，采用本文提出的载荷提取方法，在典型工况下，计算出该麦弗逊悬架系统各硬点出载荷。利用成熟多体动力学软件ADAMS，建立该悬架系统模型，在相同工况下，提取悬架系统各硬点载荷，以此验证本文提出的方法计算出的载荷的准确性。关键词：麦弗逊悬架；橡胶衬套；硬点；载荷提取中国法分类号：TH142；文献标志：0前言悬架是车架或车身与车轮之间的所有传力连接部件的总称，它将路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所形成的力矩传到车架或车身上，以保证汽车正常行驶[1]。摆臂作为麦弗逊悬架系统中导向和传力部件[2]，通过球铰接或橡胶衬套将车轮转向节和车身弹性连接在一起，作用于车轮上的各种力和力矩通过车轮—转向节—球铰（或衬套）—摆臂—衬套，这条路径传递到车身[3]。在这些力作用下，衬套发生变形产生作用于摆臂上力而使摆臂运动，进而保证车轮按照一定的轨迹运动。为保证汽车行驶的安全性和操稳性，悬架系统摆臂应用足够的强度、刚度和使用寿命。所以在汽车设计初期，对摆臂等悬架系统中其它部件进行强度、刚度以及耐久性分析是不可或缺的[4,5,6]，在相应的分析中，悬架系统硬点处载荷值是必不可少的输入条件。然而，由于悬架系统中部件较多且装配很复杂，欲通过试验的方法获取悬架系统硬点处载荷显得异常困难。又考虑到，在这些刚度，强度及耐久性分析中一般视为静态或准静态。再者，现在提取悬架系统硬点载荷多在多体动力学软件ADAMS中完成，但该过程比较繁琐，延长了产品的开发周期。基于此，本文以麦弗逊悬架为例，在考虑了舒适性橡胶衬套非线性刚度特性的基础上，建立了麦弗逊悬架系统的数学模型，提出了一种新的针对该悬架类型硬点载荷提取的方法。1 麦弗逊前悬架系统建模麦弗逊前悬架系统建模如图1所示。模型包括转向横拉杆，弹簧与减震器，摆臂，转向节与车轮。摆臂的一端分别通过橡胶衬套A、B（衬套未画出）与车身连接，另外一端通过球铰C与转向节相连接；车轮与转向节之间处理为刚性连接，即将二者视为一个刚性体；弹簧与减震器上端通过球铰D与车身相连，下端通过球铰G与转向节相连；转向横拉杆内侧通过球铰F与转向器相连，外侧通过球铰E与转向节相连[7]。A、B：摆臂前后衬套安装点；C：摆臂外侧与转向节球铰安装中心点；F、E：转向横拉杆在转向器与转向节球铰安装中心；D、G：弹簧与减震器在车身和转向节球铰安装中心；I：车轮中心；H：车轮与地面接地点。图1 麦弗逊前悬架系统模型简图Graph 1Macpherson front suspension system model diagram悬架系统中各硬点位置均是在整车坐标系Og-xgygzg下描述。地面作用于车轮上的载荷以及各硬点处的载荷均在整车坐标Og-xgygzg下描述。摆臂前后衬套A、B安装方位角及衬套的刚度分别在局部坐标系OA-uAvAwA与OB-uBvBwB下描述。将衬套简化为在其局部坐标各方向具有线刚度和扭转刚度的元件，并用三段的分段线性曲线来描述。建立的模型假设悬架系统中各部件均为刚体，且不考虑所有的阻尼及摩擦力[8,9]。2 麦弗逊前悬架系统硬点载荷计算方程的建立2.1 摆臂静平衡方程2.1.1 摆臂前后衬套受力计算在车轮与地面接地点H处外载荷作用下，摆臂绕整车坐标Og-xgygzg的轴xg，yg，zg转αa，βa，γa角度达到新的空间位置，衬套安装中心点达到新的空间位置，安装中心点新坐标的计算为：（1）式中，A*，B*为衬套安装中心新空间位置坐标；C*为摆臂外侧与转向节球铰安装中心点新空间位置坐标；A0，B0为衬套安装中心初始位置坐标；C0为摆臂外侧与转向节球铰安装中心点初始位置坐标；Ta（αa，βa，γa）为摆臂初始位置转动到新的空间位置的方向余弦矩阵。将C点视为参考点，A、B视为待求点，则衬套A、B安装中心新位置坐标计算公式为：（2）衬套A、B在整车坐标系Og-xgygzg下的总位移为： （3）（4）式中，ΔUAg，ΔUAg，ΔφAg，ΔφBg分别为衬套A、B在汽车整备质量下的预平动位移和预转动位移。预位移的计算方法见第3节。在整车坐标Og-xgygzg下，衬套A、B因弹性变形产生的力FA,FB与力矩MA,MB分别为： (5)(6)上式中，KtA，KrA与KtB，KrB分别为衬套A、B在整车坐标Og-xgygzg下的平动刚度和扭转刚度；KtA= QTAktA QA, KrA=