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1、前悬架力学计算、建模及仿真分析关键词：前悬架力学计算 建模 仿真分析概述：本课题内容共两项：1. 计算、分析或测量系列前独立悬架中前梁在静载条件下，其外力大小和方向2. 针对汽车的前梁与独立悬架总成设计、开发中的实际问题，利用机械系统自动动力学仿真软件，开发汽车前悬架系统设计模块，模拟汽车的实际工况，建立力学分析模型，分析影响汽车前轮定位参数的结构因素为测量前悬架设计提供理论依据，为汽车前悬架提供最佳的结构尺寸。1 前悬架力学计算1.1前悬架受力分析前悬架的结构为双横臂带扭杆弹簧，且扭杆弹簧上置。静载时分析悬架受力如下图 1-1 所示： 图 1-1 悬架受力图(1) 在轮胎中心线 oo接地点
2、o受垂直载荷 Fz 和横向力 Fy(2) 上摆臂在球头 A 处受横向和纵向力分别为 F2y 和 F2z(作用力方向假设为图示方向) ，在 D 处受扭杆产生的扭矩 m(3) 下摆臂在球头 B 处受力为 F1（由于扭杆上置，下摆臂为二力杆，F1 的方向与下摆臂两节点的连线共线） 。由静力平衡建立方程可得：-(1-1) 12322*cos*yzFFhal- (1-2)1y- (1-3)2*sinzz- (1-4)33233co*sinz yFFml l式中-为主销长度，由图纸尺寸可得约为 264mm2l-为上摆臂长度，由图纸尺寸可得为 270mm3l-为主销内倾角，由图纸尺寸可得为 6.5度2-为下
3、、上摆臂角13,a -为车轮接地点至上摆臂球头 A中心的水平距离h2 -为上摆臂球头 A至地面高度Fz ,Fy-分别为单个车轮的垂直,横向载荷-分别为上摆臂球头 A处的受力2,zyFF1 -为下摆臂在 B处的受力M -为上摆臂在 C处受的扭矩（1）由式 1可求得下摆臂 B处所受的力 F1;2 03*12.5*4.6cos64cos.yzFhaKNl式中取 Fz=12.25KN (设整个前桥载荷为 2.5吨,单轮载荷为 1.25吨)Fy=0 (静载时没有横向力)12122 3.7*sinaOEahtgl0043.7(8)6.54si6.51t m03arctn129(取上摆臂能达到的最大角度,7
4、8mm 为轮胎上跳的最大距离,369mm 为上摆臂 D点至轮胎接地点垂直中心线的距离)（2）由式 2、3 可求得上摆臂 A处所受的力 F2y和 F2z;0112*cos4.6*cos9.854.9in2in15yyzFFKN式中 取 Fy=0 ( 静载时没有横向力)0178arct9.54(取下摆臂能达到的最大角度, 78mm为轮胎上跳的最大距离,449mm 为下摆臂 C点至轮胎接地点垂直中心线的距离)（3）扭杆所受的扭矩为 m=1854.9790 (N.m) 1.2. 前悬架各工况下受力计算1.2.1 基本载荷的受力分析研究的前梁总成，确定前桥载荷 24.5KN为分析的基本载荷，单侧为 12
5、.25KN。（1）静载时: F1=(0-12.25*110)/2*cos(0-7)=-5.123 KN静载时摆臂水平（2）在上限位置时:F1=(0-12.25*110)/2*cos(17.378-7)=-5.17 KN轮胎上跳距离为 84.5mm,上摆臂角度为 arctg（84.5/270）=17.378,下摆臂角度为 arctg（84.5/382.5）=12.457（3）在下限位置时:F1=(0-12.25*110)/2*cos(-16.7-7)=-5.55 KN轮胎上跳距离为 81mm,上摆臂角度为 arctg（-81/270）=-16.7,下摆臂角度为arctg（-81/382.5）=-
6、11.96月牙板处受力如图:图 1-2 月牙板处受力图静载时上摆臂衬套处受力分析（图 1-3）:图 1-3 上摆臂衬套处受力图由式 1-2、1-3 可求得上摆臂 A处所受的力 F2y和 F2z-1-2211*cosyyFF-1-3inz代入数值可得:(1)在摆臂水平时:F1=-5.123 KNF2y=(-5.123*cos0)-0=-5.123 KNF2z=12.25+(-5.123)*sin0=12.25 KN其合力为 22(5.13)(.5)13.78FdKNarctan（12.25/5.123）=67.3 方向为和水平线成 67.3度.(2) 在上限位置时:F1=-5.17 KN,下摆臂
7、角度为 12.457F2y=(-5.123*cos12.457)-0=-5 KNF2z=12.25+(-5.123)*sin12.457=11.14 KN其合力为 Fd=12.21 KNarctan(11.14/5)=.8 方向为和水平线成.8 度.(3) 在下限位置时: F1=-5.55 KN, 下摆臂角度为-11.96F2y=(-5.123*cos11.96)-0=-5 KNF2z=12.25+(-5.123)*sin(-11.96)=13.31 KN其合力为 Fd=14.22 KNarctan(13.31/5)=69.4 方向为和水平线成 69.4度.1.2.2 三种强化计算工况第一种工
8、况: 当路面作用到车轮的垂直力达到最大时-汽车驶上路面凸起障碍或落入洼坑,车轮与路面冲击时发生的载荷。取动载系数 2.5时,单轮最大垂直力为 12.25*2.5=30.625KN(1)静止时 F1=(0-30.625*110)/2*cos(0-7)=-12.8 KN(2)上限时 F1=(0-30.625*110)/2*cos(17.378-7)=-12.9 KN(3)下限时 F1=(0-30.625*110)/2*cos(-16.7-7)=-13.88 KN第二种工况: 当车轮上的纵向力达到最大时-汽车加速或紧急制动时,由惯性力引起的纵向载荷. 车轮上的垂直作用力 Z=m1*G1/2=1.4*
9、24.5=34.3 KN最大纵向载荷为 m1*G1*q=1.4*24.5*0.8=27.44 KN式中 m1-前轴上的重量分配系数, 取 1.4q-地面附着系数,取 0.8G1-静载时的前轴载荷第三种工况: 当汽车转弯时的测向力最大时-转弯侧滑产生的最大侧滑力。假设汽车向右侧滑,左轮离开地面的极限情况F1=(24.5*0.8*500-24.5*110)/2*cos(-16.7-7)=29.3 KN2. 前悬架实体模型的建立和仿真模型基本参数的确定2.1 前悬架实体模型建立根据分公司提供的前悬架各零部件的二维设计图纸，利用 PRO/E软件建立了悬架中个组成零件的三维实体模型，并根据总装配图进行装
10、配。主要的零件模型如下：图 21 上摆臂 图 22 下摆臂图 23 转向节 图 24 扭杆 图 25 上拉杆 图 26 下拉杆根据前悬架的总装配图纸，在 PRO/E中进行装配，并生成爆炸图如图27、28 所示。图 27 悬架总装配图图 28 前悬架爆炸图1前梁焊接总成，2扭杆弹簧，3上摆臂，4下摆臂，5减震器总成，6上拉杆带球接头总成，7下拉杆带球接头总成，8固定支架，9上、下摆臂球接头总成，10转向节，11制动盘总成2.2 ADAMS 仿真模型基本参数的确定应用多体系统动力学建立机械系统仿真模型参数需求量大,精度要求高,参数准备工作量大。根据研究工作的需要,将参数类型划分为运动学(几何定位)
11、参数,质量参数(质量,质心与转动惯量),力学特性参数(刚度,阻尼特性)与外界参数(道路普,风力等等)。2.2.1 运动学（几何定位）参数应用多体系统动力学建立机械系统仿真模型时，需要依据悬架的结构形式，在模型中输入悬架中各运动部件之间的安装连接位置与相对角度,车轮定位角等参数。这些参数决定了悬架各部件的空间运动关系,如前轮上下跳动时的主销内倾角,后倾角,车轮外倾角,前束的变化等。有了运动学参数,就可以建立悬架的运动学模型并分析其运动特性。运动学参数,一般可以在汽车的设计图纸中查得。如前悬架总成图就包括了分析前悬架运动特性得几乎所有参数。应注意的是,各运动部件得相对连接位置,应在统一的整车参考坐
12、标中测量。在无法获得悬架总成图时,可以在掌握一些基本参数,如运动部件的几何外形参数与车轮定位角等,通过作图法获得参数。由悬架总装配图查得的前悬架定位参数如表 21 所示。表 21 前悬架定位参数主销内倾角 07车轮滚动半径 359mm主销后倾角 3前轮轮距 1725mm车轮外倾角 01内轮最大转角 045.6前轮前束 2.5mm（0.221 ）0外轮最大转角 37在 ADAMS软件中建立仿真模型时各零件关键点的位置对建立模型的准确性非常关键。通过零件装配图和三维实体模型上实际测量，获得了前悬架中零件关键的位置。表 22 是前悬架关键点的位置（由于模型左右对称，表中只列出左侧点的位置）。表中 X
13、方向取汽车前进方向的相反方向为正，Y 方向取汽车右侧为正，Z 方向重力方向的相反方向为正。表中单位为 mm。表 22 前悬架各零件关键点位置序号 硬点项目 定义 loc_x loc_y loc_z1 hpl_wheel_center 车轮中心位置 0.0 -885.087 102.42 hpl_lca_inner 下摆臂内端点位置 0.0 -401 0.03 hpl_lca_outer 下摆臂外端点位置 -10.3 -782.256 0.04 hpl_damper_lwr 减震器下安装位置 96.5 -586.0 0.05 hpl_damper_upp 减震器上安装位置 96.5 -541.0
14、 3406 hpl_knuckle 转向节中心位置 0.0 -831.638 100.0627 hpl_uca_inner 上摆臂内端点位置 0.0 -481.0 28 hpl_uca_outer 上摆臂外端点位置 0.0 -751.0 29 hpl_tierod_inner 转向拉杆内端位置 -136.5 -425 158.37210 hpl_tierod_outer 转向拉杆外端位置 -136.5 -814.573 158.37211 hpl_pull_lwr_inner 下拉杆内端点位置 -48.5 -701.0 -10.012 hpl_pull_lwr_outer 下拉杆外端点位置 -398.202 -403.808 -5.013 hpl_pull_upp_inner 上拉杆内端点位置 -31.0 -701.0 271.014 hpl_pull_upp_outer 上拉杆外端点位置 -399.447 -482.712 266.01215 hpl_torsion_bar_end 扭杆弹簧后端
