扭转梁式半独立悬架建模与动态特性分析Word文档格式.docx

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TP391.9文献标识码:

A文章编号:

1004-731X（200608-2300-03

ModelingandDynamicCharacterAnalyzingofTwistBeamRearSuspensiononADAMS

YUJian1,ZUOShu-guang2,CHENDong-hua1,GAOQiu-jin3

（1.CollegeofAutomotive,TongjiUniversity,Shanghai201804,China;

2.CollegeofAutomotive,TongjiUniversity,Shanghai201804,China;

3.ShanghaiVolkswagen,Shanghai201805,China

Abstract:

TwomethodsofmodelingthetwistbeamrearsuspensioninADAMSwereintroduced.Oneisequivalentdynamicsofmiltbodymodel,andanotherisflexible-rigidbodymodel.Thedynamiccharacterofthetwistbeamrearsuspensionwasanalyzedthroughsimulatingthetwomethods,andthedifferenceoftwomethodswasdiscussedaccordingtotheresultsofthesimulation.Alsotwomodelsweretestifiedbytheexperiments.Theresearchsuppliednewwaysofmodeling,whichcouldbeusedtodiscoverthedynamiccharacterofsuspensionandunevenwearoftire.

Keywords:

Twistbeamrearsuspension;

Simulation;

dynamiccharacters;

ADAMS

引言悬架特性是影响汽车操纵稳定性和平顺性等行驶性能非常显著的因素。

特别是在高速行驶时,由于悬架动态特性会引起的车轮定位参数的变化,这种变化对汽车的操纵稳定性和轮胎不均匀磨损都能产生很大的影响。

为了深入分析扭杆梁式半独立悬架车轮定位参数的动态变化特性,需要建立一种能反映悬架特性的可参数化的动力学模型。

本文基于ADAMS环境分别建立了某一典型悬架的等效动力学模型,和利用模态中性文件（MNF建立的刚柔混合悬架动力学模型,并对两种模型进行了以定位参数变化为目标的悬架动力学仿真分析。

同时还通过试验对上述建模方法的可行性进行了验证,为进一步开展整车动力学分析和轮胎不均匀磨损研究提供了有效的建模途径。

1扭转梁式半独立悬架建模研究

本文所研究的悬架是在轿车上常见的一种后悬架,即扭转梁式半独立悬架（以下简称扭转梁悬架。

目前对悬架特性

收稿日期:

2005-06-17修回日期:

2005-12-15

基金项目:

2005年度国家自然科学基金（50575163作者简介:

虞健（1981-,男,上海人,硕士生,研究方向为汽车振动与噪声控制;

左曙光（1968-,男,湖南益阳人,教授,研究方向为汽车振动与噪声控制;

陈栋华（1979-,男,河南平顶山人,博士生,研究方向为汽车振动与噪声控制;

高秋金（1964-,

男,江西人,高级工程师,研究方向为汽车底盘结构设计。

的研究中基本上是针对前悬架的（尤其是麦克弗逊式悬架,关于后悬架的研究基本没有,原因是前悬架的多刚体结构在ADAMS中较易实现建模,而一般的后悬架结构简单,若只是把它作为刚体对待,就无法反映其动态特性。

本文是以扭转梁车桥的等效刚度力学模型（以下简称车桥刚度模型为基础,建立了扭转梁悬架的等效动力学模型（以下简称悬架等效模型。

此模型较好地反映了扭转梁悬架的垂向刚度,更为突出的是,它亦反映了扭转梁悬架的侧偏刚度和侧倾刚度,为扭杆梁悬架的悬架动力学分析提供了必要的基础。

1.1扭转梁式车桥等效刚度力学模型的建立

建立车桥刚度模型的方法是:

首先建立扭转梁后桥精确的有限元模型,然后借助计算机辅助分析技术对其进行静态的载荷-变形分析和动态的模态分析;

之后,根据扭转梁车桥的受力变形特性确定其各个部分的等效刚度参数,并根据结构材料特性确定其等效惯性参数。

通过我们对汽车在实际行驶中的轮胎磨损形式的分析并参考了相关资料后可以得出:

车轮定位参数中对轮胎不均匀磨损影响最大的就是外倾角和前束角。

同时对扭转梁后桥进行受力分析后,对其动态特性有较明显影响的刚度参数主要有4个,它们分别是2个扭转刚度:

纵摆臂的扭转刚度Kβ和横梁的扭转刚度KФ;

和2个弯曲刚度:

纵摆臂水平面内的弯曲刚度KY和垂直面内的弯曲刚度KZ。

其中2个扭转刚度对外倾角和前束角产生影响,纵摆臂在垂直面内的弯曲刚度对外倾角产生影响,纵

2006年8月虞

健,等:

扭转梁式半独立悬架建模与动态特性分析Aug.,2006

2301·

摆臂在水平面内弯曲刚度对前束角产生影响。

正是基于这样的分析,我们将1所示的扭转梁车桥等效处理为图2所示的等效刚度模型（所示为二分之一模型,并可由此得到后桥各个部分的等效刚度参数、等效惯性参数和结构参数等。

图1扭转梁车桥的实物有限元结构模型

图2扭转梁后桥（二分之一的等效刚度模型

1.2扭转梁式半独立悬架等效动力学模型的建立

根据建立的车桥刚度模型,可将扭转梁式半独立悬架进行等效[1],示意图如图3所示,符号说明见表1。

整个悬架等效模型包括:

后桥横梁、后桥左右摆臂、左右减振器的上下部分、左右螺旋弹簧的上下部分、左右等效螺旋弹簧的上下部分以及车身共12个物体。

整个模型的自由度数为6,即后桥左右摆臂在水平面内和垂直面内的摆动自由度,以及绕其轴线的转动自由度。

由此可知,此悬架等效模型不仅反映了扭转梁悬架的垂向刚度,还反映了侧偏刚度和侧倾刚度,这是以往模型所不具备的。

该模型也必须考虑其他橡胶

表1悬架等效模型特性描述表

编号1、23、46、710~19A、B、CE、F

G、HI、JK、L描述

转动

运动副

万向节铰链

球铰

扭转弹簧

螺旋弹簧

减振器

力偶

图3悬架等效模型简化示意图

图4在ADAMS中建立的悬架等效模型

衬套等弹性元件的作用,在ADAMS软件中建模时,将与减振器和螺旋弹簧连接处的橡胶件用力元Bushing模拟,与车身相连橡胶衬套弹性用力元Bushing模拟。

接着就可以根据此模型在ADAMS软件中建立扭转梁悬架的虚拟样机模型[2-4]。

1.3扭转梁式悬架的柔性体—刚体模型建模

ADAMS作为著名的机械系统动力学分析软件也提供了柔性体模块,运用该模块可以实现柔性体运动仿真分析,更真实的模拟机构的动态特性。

本文采用的建立扭转梁悬架柔性体刚体混合模型（以下简称悬架柔刚模型的方法是:

将已建立的扭转梁后桥的有限元模型用ADAMS/Flex生成MNF文件;

再将MNF文件导入ADAMS/View中,并与其他的部件之间施加

约束和作用力等[5]。

以下就是在ADAMS/View中建立的悬架柔刚混合模型（车桥与其他部件间的连接与前一种方法一致。

图5在ADAMS中建立的悬架柔刚混合模型

2扭转梁式悬架动态特性仿真及试验研究

本节将利用ADAMS对悬架等效模型动态特性进行仿真分析,主要包括:

悬架的各阶频率及其振型,同时针对轮胎外倾角、前束角等定位参数的变化规律进行了悬架动力学分析。

设定车身固定不动,首先分析其各阶固有频率和振型。

分析结果如表2,各阶振型见图6。

由此可知,一阶模态是车轮型振动,准确反映悬架的垂向动力学特性;

二阶和三阶模态反映悬架的侧向动力学特性,可以较好的模拟悬架的侧偏刚度和侧倾刚度的动态特性,为分析车辆的操稳性提高了手段。

表2悬架等效模型各阶固有频率和振型表述阶数

固有频率振型表述

一阶15.20Hz车轮垂向振动二阶28.00Hz车轮在垂直面内摆动三阶53.00Hz车轮在侧向上摆动

a.一阶振型（f=15.20Hz

2006年8月系

统仿真学报Aug.,2006

2302

b.二阶振型（f=28.00Hz

c.三阶振型（f=53.00Hz图6ADAMS中悬架等效模型各阶振型图

为了更加深入地获得扭杆梁悬架的动力学特性,利用上述模型做进一步的仿真分析。

对轮胎施加0-100Hz的慢速正弦扫频位移激励信号,同时测取前束角和外倾角的变化情况。

由于激励信号属于准稳态平稳信号,故可以对测得的信号进行傅立叶变换得到自功率谱密度函数,以分析其频域特性[6]。

同时,为了验证仿真模型的有效性和仿真结果的正确性,在IST四通道振动试验台上进行了相同工况的试验研究。

由分析结果可知,刚柔混合模型的仿真结果和试验结果在峰值频率的位置上具有较高的一致性;

而等效模型则只在关键频率位置上与试验结果具有较高的一致性,而且其峰值频率的个数较为单一,具体见表3。

需要说明的是,无论是混合模型的仿真结果还是等效模型的仿真结果在幅值上与试验结果均有明显的差异,多体动力学动态仿真高频计算的收敛性本身存在的问题可能造成一定的求解计算难度。

综上所述,仿真结果和试验结果具有较高的一致性,证明上述建模方法是可行的和有效的。

表3仿真结果与试验结果峰值频率对比分析

峰值频率分布情况1234等效模型仿真结果（Hz15.228.0//

刚柔混合模型仿真结果（Hz14.629.644.057.4

外倾角试验结果（Hz15.828.039.055.2

等效模型仿真结果（Hz///53.0

刚柔混合模型仿真结果（Hz14.627.043.053.5

前束角

试验结果（Hz16.027.639.055.8

3两种模型仿真结果的对比分析

为了比较两种不同建模方法,我们进一步分别对其进行仿真分析,得到的结果如图7所示（图中实线表示悬架柔刚混合模型,点线表示悬架等效模型。

不难看出,利用两种方法所建立的模型机既有共同点也存在着差异,以下就对两种模型的仿真结果进行对比分析,探寻两种方法各自的特点。

010203040506070

Frequency/Hz

a.外倾角频域分析比较

b.前束角频域分析比较

图7外倾角和前束角的两种不同模型仿真结果对比图

（1悬架等效模型外倾角和前束角的峰值频率也出现在悬架柔刚混合模型外倾角和前束角的峰值频率中（外倾角都在27Hz左右,前束角都在55Hz左右。

（2对于悬架等效模型,前束角和外倾角都只有唯一的峰值频率;

对于悬架柔刚混合模型,外倾角、前束角均有4个共有峰值频率,分别为f1=14Hz左右、f2=30Hz左右、f3=44Hz左右,以及f4=57Hz左右。

（3悬架等效模型和悬架柔刚模型在相同峰值频率位置处,其幅值大小存在着较大差异。

通过以上的分析,可以得到以下的结论:

（1通过实验的验证,证明利用两种方法所建立的模型都能真实反映扭转梁式半独立悬架运动学特性的变化,对其进行仿真所产生的结果都是准确且可信的。

虽然两者的结果存在的一定的差异,但考虑到悬架等效模型在进行等效时对模型进行了简化,因此两者还是有相当大的共性的。

此外,刚柔混合模型更加接近于实际模型,但是等效模型由于更能

突出各个等效刚度对悬架动态特性的影响,其在特定的研究

分析中可以有较好的应用。

（2悬架等效模型隔离了扭转梁后桥各部分刚度之间的相互耦合关系,故用此模型仿真得到的结果中各参数的峰值

频率较为单一,因此也更能反映各参数对悬架动态特性的影响。

其优点在于,由于模型都是刚体结构,可以进行参数化建模,通过仿真分析（如参数的灵敏度分析能确定较为明确的对车轮定位参数变化影响较大的刚度参数,从而进行优化并提出相应的改进措施,是研究轮胎不均匀磨损的非常有用的工具。

缺点是:

等效计算较为复杂,需通过大量实验测得相应参数。

（3悬架柔刚混合模型的建立较为方便,且较为全面和

10.80.60.40.2

0Camber/（deg2/Hz

21.61.20.80.4

Toe（/deg2/Hz

（下转第2306页

2006年8月系统仿

真学报Aug.,2006·

2306

-0.08-0.0400.040.08

位移x（m

图4油气弹簧仿真示功图

-80-4004080

位移x（mm图5油气弹簧示功图

由试验测得的油气弹簧的阻力随位置和速度变化曲线,可知,油气弹簧的阻力随位移和速度的变化曲线与仿真分析结果吻合的。

说明所采用的仿真分析模型和方法是正确的。

7结论

通过对油气弹簧阻力特性仿真与试验,可知:

（1利用弯曲变形系数Gr法,不仅可以对节流阀片的

弯曲变形量进行精确的分析计算,而且还可以对用来对油气弹簧阻力特性仿真分析。

（2利用弯曲变形量与节流缝隙增量之间的关系,可得到节流缝隙增量与速度之间的关系方程,通过该方程,可得到在任意给定速度下节流缝隙增量的大小,为油气弹簧特性计算机仿真分析提供了有效的理论依据。

（3油气弹簧的阻力是由缝隙节流和气室压差所决定的。

气室在油气悬架中,相当于一个非线性弹簧。

在计算阻力时不仅考虑缝隙节流阻尼力,还要考虑气室压差随位置和速度的变化。

（4在相同速度下情况下,如果节流缝隙不同,则缝隙增量和总节流缝隙不同,油气弹簧阻尼力也不同。

因此,节流缝隙对油气弹簧阻力特性影响很大。

（5对油气弹簧进行仿真分析时,要对油气弹簧的复原和压缩行程建立分段仿真数学模型。

仿真和试验结果相吻合,说明所采用的仿真分析模型和方法是正确的,对油气弹

簧设计和特性分析都具有一定参考价值。

参考文献:

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250-255.

（上接第2302页

真实的反映了扭转梁后桥作为柔性体造成的扭转梁悬架固有频率特性,但其最大的不足是无法进行参数化建模,不具备优化分析的条件,无法进行更深入的研究。

这种模型建立简便,测量参数精确,可用于对改进后的扭转梁悬架等效模型的验证。

4结论

本文主要针对轿车扭转梁式半独立悬架,分别建立了基于扭转梁式后桥等效刚度的悬架等效模型和基于扭转梁式后桥柔性体模型的刚柔混合悬架模型,并利用ADAMS软件对这两种模型进行了固有频率和振型的分析,以及定位参数变化的悬架动力学分析;

同时,通过相对应的试验验证了这两个模型的有效性和可行性。

在此基础之上,还分析对比了两种不同建模方法的特点。

与以往的模型相比,这两种悬架

模型可以真实反映扭转梁本身的动力学变化特性,这是以往的动态模型所不能实现的,为进一步研究悬架的动态特性与汽车的操纵稳定性和轮胎不均匀磨损等提供了有效的研究基础。

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阻力FD（N

阻力FD（kN

25201510

5

500030001000-1000-3000

-5000