汽车空气悬架的运动学仿真分析及优化设计

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空气悬架在发达国家和地区的高速客车和豪 华城市客车 上 的 使 用 率 达 到 ! 在其他车型 # #d &
$+ 也开始大量应用 * ) 安装有空气悬架的车辆 可 以
获得理想的固有频率 & 减小整车的振动噪声 & 车轮 动载荷小 & 可以获得良好的行驶平顺性 ( 操纵稳定 性和行驶安全性 ) 本文采用虚拟样机技术建立了 某大型客车的双横臂空气弹簧独立悬架的多体系 统运动学模型 & 在此基础上对悬架系统作了结构
收稿日期 ! $ # # ’## %#! %
图 =! 空气悬架的几何模型
述的空气弹簧独 立 悬 架 的 特 点 & 选择每个刚体质 ,) & !,
万方数据
中国机械工程第 ! & 卷第 ’ 期 $ # # % 年 $ 月下半月
心的笛卡尔坐标和描述刚体方位的欧拉角作为系 统的广义坐标 ! 即
6 1! 3! / " " < 2! $! ,! -#
! ! $ % M 4* ( Y % 为空气弹簧的 特 性 函 数 ! M !! 表中 ! 万方数据 %) & $%
汽车空气悬架的运动学仿真分析及优化设计 , , , 赵 ! 韩 ! 钱德猛 ! 魏 ! 映
0B- 分析项都 可 以 进 行 优 化 $ 为 了 得 到 尽 可 能 符合实际需要的 设 计 # 必须选择足够多的约束函 数 $ 但是为了加 快 优 化 进 程 # 必须消除不必要或 冗余的约束函数 # 同样也必须确定合理的约束函 数上下限 $ 从减小悬架系统的空间安装尺寸和制 造成本考虑 # 悬架上下横臂的尺寸不宜过大 ( 从整 车性能而言 # 悬 架 定 位 参 数 也 不 宜 调 整 过 大$故 直接对设计变量施加约束如下 )
代表时间量 ! 单位为 J ( =8 >! 仿真分析 悬架的运动学特性首先反映在车轮定位参数
’# ( 为了使仿真分析结果客观真实 的变化趋势上 "
根据 P 多刚体动力 学 方 ? F ? < 4待定乘子法 ! = =
)# 程为 "
和具有可信 度 ! 进 行 双 侧 车 轮 平 行 跳 动 仿 真(选 择标准的悬架轮 跳 典 型 工 况 ! 令双侧轮胎中心在 车辆行使时悬架的主要跳动方向 & 上下平行 Q 轴$ 跳动范围为 +! # #’ j! # # EE( 在 方 向 盘 上 施 加 旋转驱动 ( 计算可得车轮定位参数前轮前束角 ! 前轮外倾 角 ! 主 销 内 倾 角 ! 主 销 后 倾 角 等 特 性 $ 见图 )’ 图 & & (
表 =! 空气悬架的主要参数
主销后 主销内 车轮外 车轮前 倾角 倾角 倾角 束角 减振器 阻尼 A ! 空气弹簧 橡胶衬 套刚度
图 !! 前轮前束角随车轮跳动量的变化曲线
图 @! 主销后倾角随车轮跳动量的变化曲线
由图 ) 可以看 出 ! 在 车 轮 跳 动 量 为 j! # # EE 的行程内 ! 前轮外倾角大致在 +! 之 间! Y # e Y ) e ’# 变化趋势基本符 合 理 论 要 求 ! 保证了汽车在行驶 过程中车轮尽可能垂直于路面 ( 车轮前束角主要 是弥补外倾角带 来 的 不 利 影 响 ! 图’为前轮前束 角随车轮跳动量 的 变 化 曲 线 ! 车轮上下跳动时前 束角的变化趋势 与 外 倾 角 基 本 一 致 ! 变化的范围
刚度 ?$ & M ) $ ) 1 ?$ 1%J & % & % & % & $ ) e e e e % 1 EE& !$ $$ )$ ’$ & EE EE& # 8 ’ $ ( ( %* 8 ( % # # ## 8 * # # # ## 8 % # # # # & # # # ! ! $ % M j * ( 8 % $ # # # #
图 >! 空气悬架的虚拟样机
根据目标悬架 * 转向机构中零部件间的相对 运动关系 ! 定义零部件的拓扑结构 ! 确定重新组合 后零件间的连接 关 系 和 连 接 点 的 位 置 ! 计算或测 量重新组合后的 零 部 件 质 心 位 置 + 质量和转动惯 量! 确定减振器的阻尼特性和弹簧的刚度特性 ! 建 立该模型与试验台架进行数据交换的输入和输出 信号器 ( 橡胶轴 承 和 弹 簧 属 于 柔 性 连 接 ! 它们在 发生运动干涉的 部 件 之 间 产 生 阻 力 ! 阻止进一步 的干涉发生 ( 假定各铰链处的橡胶轴承在各个方 向上 的 刚 度 相 等 ! 在相应的位置施加轴套力 & ! 考虑到 空 气 悬 架 的 变 刚 度 特 性 ! 编辑 $ , R J N @ < = 从而完 0 [ 0B- 认可函数 反 映 刚 度 的 变 化 规 律 ! 成空气弹簧的建模 ( 空气悬架的主要几何参数和 特性参数见表 !(
!+ 计( 提高产品性能的一种新技术 * )
优化 & 得到了基于 多 体 运 动 学 分 析 的 结 构 参 数 优 化设计方案 )
!! 空气悬架的运动学仿真分析
=8 =! 建立虚拟样机模型 本文所 述 的 机 械 式 空 气 悬 架 结 构 组 成 见 图 !) 汽车设计中的 虚 拟 样 机 技 术 是 以 多 体 系 统 动 力 学 为 理 论 基 础 的 )0 [ 0B- 采 用 第 一 类 P ? X 根据本文所 F ? < 4方程建立系统 的 动 力 学 方 程 & = =
图 A! 主销内倾角随车轮跳动量的变化曲线 ! # #8 #* F T K ? <! [ ^! B0 ] c 7 ]＿ % ##B0 ] c 7 ]＿ ! g? , " * ! ＿ # ＿ " " ’ #8 # % ! [ ‘ B0 ] c 7 ]% # B0 ] c 7 ]% ! *! " #8 #* F T K ? <! [ ^! B0 ] c 7 ]＿ % )#B0 ] c 7 ]＿ $ g? , " * ! ＿ # ＿ " " % ’ [ ‘ B0 ] c 7 ]% ) B0 ] c 7 ]% ’ *! $ #8 # $ & #8 #*= ) $ #8 # !* % % #8 # ’ * #8 #*= $*
2$ /& / 6 = = 6 6 6 * $ & 4" # 4$ # *5 g# _ _ 2 M % = < = < 式中! / 为 系 统 的 动 能 矩 阵’ < 为 系 统 的 广 义 坐 标 向 量’ 5 为广义力列向量 ’ # 为拉 格 朗 日 乘 子 列 向 量’ _ 为完整约 " 束的雅可比矩阵 ’ 为非完整约束的雅可比矩阵 ( $ _