搜索前轮跳动对定位参数影响的仿真分析
2013-06-06 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
本文通过LMS Virtual.Lab中的多体动力学仿真模块motion,建立某小型车双横臂独立前悬架模型,并根据模拟仿真要求,施加边界条件。在前轮上下跳动50mm时,进行前轮定位参数模拟仿真,分析前轮上下跳动对各定位参数的影响。
彭晓俊 周鋐 来源:LMS
关键字:CAE LMS Virtual.Lab 多体动力学 定位参数
1 定位参数的研究意义
车轮定位参数主要是指主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束角。车轮定位参数是悬架系统诸多几何参数中最为重要的一组参数,直接影响悬架系统特性,与汽车操纵稳定性的多种评价指标都密切相关。合理的定位参数可以保证车辆的直线行驶稳定性、转向轻便性以及避免车辆跑偏和轮胎的过度磨损。
汽车在遇到障碍物或路面不平引起的颠簸运动、加减速时引起的车身纵倾运动和转弯时引起的车身侧倾运动都会产生车轮的跳动。如果车辆的悬架结构设计不当,在车轮跳动时前轮定位参数的变化量可能很大,影响车辆行驶性能,出现转向沉重、轮胎偏磨等问题。
用多体系统动力学方法分析车轮跳动对定位参数影响涉及大量的广义坐标与矢量运算以及拉格朗日方程组的求解。为节约成本、缩短开发周期,本文运用LMS Virtual.Lab中的多体动力学仿真模块motion,建立某小型车双横臂独立前悬架模型,分析前轮上下跳动对各定位参数的影响。
2 悬架模型的建立
LMS Virtual.Lab Motion基于DADS高效稳定的多体动力学求解器,并且提供了方便快捷的Suspension Creation功能,通过定义悬架系统的硬点坐标、各减振元件的参数、以及各零件之间的连接点与连接方式,悬架系统的建模就能轻松完成。
硬点的坐标是建立运动学模型的关键,根据该车双横臂独立前悬架的实际结构,以前轴中点作为坐标原点,x轴正向指向车辆前进方向,y轴正向指向车辆左侧,z轴正向指向车辆上方。表1为该悬架系统部分硬点坐标。
表1:部分硬点坐标
整个双横臂独立前悬架由上横臂、下横臂、转向节、减振元件、车轮、转向横拉杆、转向机、方向盘等组成。上横臂、下横臂与副车架之间采用球铰方式连接;上横臂、下横臂与转向节之间也采用球铰方式连接;转向节总成与车轮在车轮中心点采用圆柱副方式连接;减振器上下体之间也采用圆柱副方式连接;转向横拉杆与转向节总成和转向机都使用球铰方式连接;转向节柱与转向机之间采用万向节方式连接。双横臂独立悬架的结构是左右对称的,一侧悬架建立完毕后,直接使用镜像即可得到整个双横臂独立前悬架模型。建模结果如图1所示。
图1 双横臂独立前悬架模型
3 仿真分析
根据所建立的双横臂独立悬架模型,分析主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角以及前束角在前轮上下跳动50mm工况下的变化情况。
3.1 主销后倾角
主销后倾的作用是当汽车直线行驶偶然受外力作用而稍有偏转时,主销后倾将产生与车轮转向相反的力矩使车轮自动回正,可保证汽车直线行驶的稳定性。后倾角越大,稳定力矩越大,但后倾角不宜过大,否则在转向时会导致转向沉重。
图2为前轮上下跳动对主销后倾角的影响,在前轮上下跳动50mm的过程中,主销后倾角的最大值为3.8°,最小值为3.45°,整个过程中变化量为0.35°。
图2 前轮上下跳动对主销后倾角的影响
3.2 主销内倾角
主销内倾角对操纵稳定性主要有两方面的影响,一个是当前轮转动时车身由于内倾角的存在有抬高的倾向,从而产生前轮的回正力矩。该力矩与侧向力和车速无关,主要是在低速下起回正作用,从而保证车辆低速转向回正性能。另一个作用是减小主销横向侧偏距,从而减小转向所需的力矩,提高车辆转向轻便性。但是主销内倾角也不可过大,否则会造成转向沉重与加速轮胎磨损。因此希望在车轮跳动过程中,主销内倾角的变化量不要太大。
图3为前轮上下跳动对主销内倾角的影响,在前轮上下跳动50mm的过程中,主销内倾角的最大值为7.9°,最小值为7.08°,整个过程中变化量为0.82°。
图3 前轮上下跳动对主销内倾角的影响
3.3 前轮外倾角与前束角
前轮外倾角是使轮胎接地点向内缩以减小横向偏距,从而改进制动时的纵向力作用下的方向稳定性,也能减少转向时所需的力,使转弯更为轻松。前束角引起的侧向力与车轮外倾引起的侧倾推力相互抵消,从而避免额外的轮胎磨损和动力的消耗,需要考虑外倾角和前束角的合理匹配。同时前轮的前束角变化会引起前轮侧偏角的变化,改变车辆转向特性,对操纵稳定性不利。因此,前轮外倾角与前束角应尽可能保持小范围的变化量。
图4为前轮上下跳动对前轮外倾角与前束角的影响,在前轮上下跳动50mm的过程中,前轮外倾角的最大值为1.05°,最小值为0.22°,整个过程中变化量为0.83°;前束角的最大值为0.98°,最小值为-1.57°,整个过程中变化量为2.55°。
图4 前轮上下跳动对前轮外倾角与前束角的影响
4 结论
本文运用LMS Virtual.Lab中的多体动力学仿真模块motion,建立某小型车双横臂独立前悬架模型,分析前轮上下跳动对主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角以及前束角的影响。最终结果表明,该车型前轮上下跳动时,主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角的变化在1°以内,前轮上下跳动对这三个定位参数影响较小,满足要求,但前束角的变化大于2°,受前轮跳动影响较大,有待改进。通过本次分析为该车型前悬架系统进一步优化提供了方向。
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