扭转梁式半独立悬架建模与动态特性分析Word文档格式.docx

1、TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1004-731X （2006 08-2300-03Modeling and Dynamic Character Analyzing of Twist Beam Rear Suspension on ADAMSYU Jian1, ZUO Shu-guang2, CHEN Dong-hua1, GAO Qiu-jin3（1.College of Automotive, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2.College of Automotive, Tongji University, Shangha

2、i 201804, China;3.Shanghai Volkswagen, Shanghai 201805, ChinaAbstract: Two methods of modeling the twist beam rear suspension in ADAMS were introduced. One is equivalent dynamics of milt body model, and another is flexible-rigid body model. The dynamic character of the twist beam rear suspension was

3、 analyzed through simulating the two methods, and the difference of two methods was discussed according to the results of the simulation. Also two models were testified by the experiments. The research supplied new ways of modeling, which could be used to discover the dynamic character of suspension

4、 and uneven wear of tire.Key words: Twist beam rear suspension; Simulation; dynamic characters; 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

5、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

6、; 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

7、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

8、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 K 和横梁的扭转刚度 K ; 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., 20062301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

9、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

10、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、 2 3、 4 6、 71019A 、 B 、 C E 、 FG 、 H I 、 J K 、 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 ADA

11、MS 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

12、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

13、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., 20062302b. 二阶振型（f =28.00Hz c. 三阶振型（f =53.00Hz 图 6 ADAMS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

14、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

15、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 1 2 3 4 等效模型仿真结果 （Hz 15.2 28.0 / /刚柔混合模型仿真结果（Hz 14.6 29.6 44.057.4外 倾 角 试验结果 （Hz 15.8 28.0 39.055.2等效模型仿真结果 （Hz / / / 53.0刚柔混合模型仿真结果（Hz 14.6 27.0 43.053.5前 束 角试验结果 （Hz 16.0 27.6 39.055.83 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

16、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。0 10 20 30 40 50 60 70Frequency/Hza. 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

17、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

18、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10.80.60.40.20C a m b e r /（d e g

19、 2/H z 21.61.20.80.4T o e （/d e g 2/H z （下转第 2306页 2006年 8月 系 统 仿真 学 报 Aug., 2006 2306-0.08 -0.04 0 0.04 0.08位移 x （m图 4 油气弹簧仿真示功图-80 -40 0 40 80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

20、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

21、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:1 蔡家明 . 液压减振器阻力特性的非线性模拟及分析 J. 上海汽车 , 1997, 6: 32-35.2 陈勇 , 何辉 , 白金福 . 夏利轿车液力减振器簧片的变形分析 J. 汽车技术 , 2000, 1: 19-20.3 徐芝纶 . 弹性力学 M. 北京 : 高等教育出版社 , 1990.4陆明万 , 罗学富 . 弹性理论基础 M. 北京 : 清华大学出版社 , 1990.5周长城 . 筒式减振器节流阀片

22、的分析计算与仿真 J. 北京 : 全国 博士论坛 , 2005, 1: 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;

23、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。1 洪嘉振 . 计算多体系统动力学 M. 北京 : 高等教育出版社 , 2003. 2 郑建荣 . ADAMS虚拟样机技术入门与提高 M. 北京 : 机械工业 出版社 , 2002.3 凌雯 , 余卓平 , 江浩 . ADAMS在悬架运动学何弹性运动性仿真中 的应用 J. 上海铁道大学学报 . 2000, 21（6.4 马玉坤 , 贾策 , 栾延龙 , 胡治国 . ADAMS软件以及其在汽车动力 学仿真分析中的应用 J. 重庆交通学院学报 . 2004, 23（4. 5 刘俊 , 林砺宗 , 刘小平 , 王刚 . ADAMS柔性体运动仿真分析研究 及运用 J. 现代制造工程 , 2004, （5.6佟德纯 . 工程信号处理及应用 M. 上海 : 上海交通大学出版社 , 1989.阻 力 F D （N 阻 力 F D （k N 252015105500030001000-1000-3000-5000