双横臂独立悬架导向机构硬点匹配设计

第 10期 2010年 10月 机械设计与制造 Machinery Design & Manufacture 65 文章编号：1001—3997(2010)10—0065—03 双横臂独立悬架导向机构硬点匹配设计 ：l= 杨 波 左曙光 覃 霍 韩 乐 (’同济大学 汽车学院，上海 200092)( 上海燃料电池汽车动力系统有限公司，上海 201804) The design of hard points of the double wishbone suspension system YANG BoI,ZUO Shu-guang ，QIN Huo ，HAN Le 1 College of Automotive Engineering of Tonal University，Shanghai 200092，China) ( Shanghai Fuel Cell Vehicle P0we~rain Co．，Ltd，Shanghai 201804，China) ●⋯ ‘●⋯ ●⋯ ●⋯ ‘ ÷ 【摘 要】介绍了根据整车参数，在满足悬架性能的基础上，匹配设计悬架导向机构硬点的方法。以 ÷ ÷国内一款正在研发的电动小车为例，计算了与小车相匹配的双横臂独立悬架导向机构硬点位置坐标，在 ； ；ADAMS／CAR下建立了小车悬架模型，仿真结果表明初次匹配的悬架导向机构基本合理；并通过ADAMS／ ： ：INSIGHT，对悬架定位参数的影响因子进行了分析，重新匹配计算了硬点坐标，仿真验证重新匹配的机构 更能满足设计要求。研究结果为悬架设计的研究提供了参考。 ÷ ÷ 关键词：悬架导向机构；匹配；硬点；影响因子 ； ÷ [Abstract】Introducing 0 method to matching hard points on the guidance organization of double； ；wishbone suspension system，hased on vehicf。parameter，with requirements for suspension pe咖rmoJ~e： ： ；fulfilled．By applying ^ method to electr cal vehicle,the hard points ofguidance 0rganizati0 are calculat一： ed，and the double wishbone suspension model WCl$built with ADAMS／CARAccording to simulation re一÷ ? ‘ ÷suhs，the ￡matching。rganizati。n mee￡s the requirements of the design fundamentally．Through the÷ ；ADAMS／INSIGHT，doing。deeper research on the influence fact。 ￡。alignment paramete ，and the new hard p。 n拈are calc lated the几．The sec。nd matching。rganizati。n。btains better PeoCor，ncmce．The inves g 一： tion provides art important referencefor the suspension design． ， ? ÷ Key words：Suspension guide organization；Matching；Hard point；Influence factor ÷ 中图分类号：TH122，TP391 文献标识码：A 1引言 的整车，就会有牛寺定的悬架导向机构与其相匹配。本文硬点的设计 汽车悬架是汽车的一个重要组成部分，其运动特性决定了整 和电动小车悬架模型的建立是建立在悬架形式和阻尼、刚度已定的 车的性能。悬架的运动特性是指当车轮上、下跳动时，前轮定位参 基础上的。在汽车研发设计过程中，悬架形式的选取、硬点位置的设 数、轮距的变化规律，这一规律是由悬架的导向机构决定的。因此 计和刚度、阻尼的匹配是交互进行的，本文主要针对的是悬架导向 悬架的导向机构直接影响着汽车行驶平顺性、制动性和操纵稳定 机构砭点匹配设计，是整个悬架设计中的一部分。 性，以及轮胎的使用寿命。目前国内悬架自主研发的过程大多是 3匹配设计过程 借鉴国外同级别车型的逆向设计过程，通过文献的查阅，正向设 3．1硬点设计 计的研究尚有所欠缺。本文所要介绍的是如何根据整车参数，在 3 ．1．1横向平面设计计算 选定悬架形式的前提下，设计与整车相匹配的悬架导向机构。以 导向机构横向平面投影 ，如图 1所示。坐标原点为车轮轴线 国内某款小车的开发为例，设计了与小车相匹配的双横臂独立悬 与车辆纵轴线交点 ，X轴指向车辆前进方向，Y轴指向驾驶员的 架导向机构的硬点位置坐标，并在ADAMS／CAR下建模仿真，结 左侧 ，Z轴通过车轴中心指向上方。根据小车悬架的空间布置可 果表明悬架特性基本合理；通过 ADAMs仃NsIGHT分析了导向机 以大致确定下摆臂外支点坐标值 A( 一 10，一600，一95)，再根据几何 构结构参数对前轮定位参数的影响，对以后硬点的匹配设计提供 关系确定 B ,C、D、M点的坐标。 一疋州 勺。 横向平面上、下摆臂的定位角不同，侧倾中心的位置也不 2匹配设计要点 同，根据设计时对侧倾中心位置的要求来设计上、下摆臂BC、AD 悬架导向机构硬点设计满足的要求：在当车轮上下跳动时，车 在横向平面内的布置。图 1中主销内倾角为J8，车轮外倾角 轮定位参数的变化量保持在合理的范围内，主要表现为：悬架上下 为 ，轮距 ，轮胎半径r，轮胎接地点K坐标为(一T／2，一r)，侧倾中 跳动时，车轮定位参数变化小；制动时，悬架有抗“点头”作用。为了 心RC坐标为(0，RCH—r)，车轮中心w(o，一T／2，0)。 满足这些要求，不同车身结构形式、整车质心高度、不同轴距、轮距 上、下摆臂的运动瞬时中心IC是Bc和AD连线的交点，Ic ★来稿 日期：2009—12—09 ★基金项目：国家863计划电动汽车重大专项资助(2005AA501000) 66 杨 波等：双横臂独立悬架导向机构硬点匹配设计 第 l0期 在点 Rc和点 K连线的延长线上，点 IC距点 K的水平距离为 fvsaI~：而S(／~-(T／2)／(1--FOU·camber) (1) 式中：ro c c 6er～前轮外倾角与底盘侧倾角的比值。横向平面 运动瞬心 1C的位置坐标： T篓2R CH r_+7T．(RCH (2) l‘ ：一 ‘ c+r，‘( 一r) 那么，上摆臂定位角 ：02=arctan e j ( ) 下摆臂定位角0 ：0 =Ⅱrctct~lf,alC-~5A} (4) 另外，研究表明，上摆臂长度 LBc．球销中心距 与下摆臂 长度 。的比值对车轮外倾角的影响很大。 垃 {口 (5) 一 般c 、c：的取值范围为0．6-1n。根据悬架机构的布置空间 可以初步确定上、下球销中心距离，则其它长度可以由式5计算。 B点坐标可由式(6)确定：f 。i“ (6) -~；sA+『{ ‘~os／3 同理，可以得到C、D、M点的坐标。 图 1导向机构横向平面投影 3．1．2纵向平面设计计算 导向机构在纵向平面内投影，如图2所示，为了使悬架具有 一 定的抗点头效果，上摆轴 应向后倾斜某一角度。先假设上 摆轴的定位角 0 ，再由纵倾中心确定下摆轴的定位角0，。其中6 为主销后倾角， 为前轮前束， 为上、下摆轴瞬时运动中心。抗 点头率的公式 ： 叩=旦 x100％ (7) 式中：d=sava·length；e一 瞬时中心 IC高度；h一 整车质量质心高 度；s一 制动力分配系数 ；L～ 轴距。 设计中田一般取(50％一70％)f31o瞬时中心IC和接地点 连 线的水平角度 西：tanq5=e ()1 8 同时 ，c与点 C连线的水平角度 ： z，c c=tan04。( m— f) (9) 联合式(9)、(10)、(11)即可求得纵向瞬时中心 ，c和点 C的 坐标值。 点 C和点D连线与地面垂线的夹角为主销后倾角 ，点 D 与，c的连线的水平角度为03则D点位置可由下式求得： f c--XD ’ 、 (10) 【 ，c-2D=tanO3‘( ，r— D) 将上下摆轴的长度￡ 、Lc．H作为设计参数输入，那么根据 C、 D点的坐标和上下摆轴定位角 、 ，可以求出其他硬点坐标。E 点坐标可由式(13)确定： c ， 2。cos0 (11) lZE c+lE ／2 ~in04 ⋯ 同理，可以求出 F、G、H点的坐标。 图2导向机构纵向平面投影 3．1I3水平面设计计算 导向机构在水平面内的投影，如图3所示，摆动轴线EF、GH 与纵轴线的夹角 、 ，这个角度对主销后倾角的影响很大。在设计 时应当把 、 取为正值 (轴线前段远离车辆总轴线家夹角为正)， 并且05<06。选择—组 、 角度后，就可以计算其他硬点坐标，因为 E、F、G、H的 、z坐标值已经求出，这里只需要计算y坐标即可。 图3导向机构水平面投影 E点 y坐标： yc+tan06·( c) (12) 同理，可以得到F、G、H点的坐标的Y坐标。 根据悬架导向机构的三个投影面，得到的硬点几何关系式， 式中的未知量有些是整车参数、机构参数；有些是需要初始定义 的参数。该小车悬架导向机构的设计参数，如表 l所示。 表 1硬点匹配设计参数表 设计参数名称 轴距L(rain) 轮距 mm) 主销内倾角口(degree) 主销后倾角6(degree) 车轮外倾角度 a(degree) 底盘侧倾角度(degree) 轮胎静力半径 r(mm) 上摆轴长度L (mm) 下摆臂摆轴长度L (mm) 车辆抗点头率∞ 1贝0倾中心高度RCH(mm) 整车质量中心高度 h(Illm) 上、下球销中心距离L ([nFil) 车辆制动力分配系数 车轮中心距转向节点的距离，J (1111／1) 上下球销距离与下摆臂长度之比c 上摆臂长度与下摆臂长度之比c 上摆轴与水平线的夹角 (degree) 下摆轴与纵轴线的夹角0~(degtee) 上摆轴与纵轴线的夹角 0~(degree) 根据几何关系式，利用 MATLAB编程可以计算出悬架导向 机构各硬点的坐标值。 3_2建模仿真 由于小车悬架的刚度、阻尼已经匹配设计过了，根据设计的 寸．． m 4姗m 加珈 m No．1O 0ct．2010 机械 设 计 与制造 67 导向机构硬点坐标值，在 ADAMS~AR中建立运动模型，如图 4 所示，进行双侧车轮平行跳动仿真，跳动的范围选择，分析车轮外 倾角、主销内倾角、主销后倾角、前轮前束的变化情况。 ● 图4双横臂独立悬架模型 如图 5所示，车轮上下跳动时，主销内倾角的变化范围小， 而且比较平缓；主销后倾角的变化比较大。 牛托 E明萤，m 羊托 E功茸／m 图5主销内倾角和主销后 图6前轮外倾角和前轮前 倾角变化曲线 束变化曲线 前轮车轮外倾角变化范围稍微有点大，但是曲线平滑，对汽 车操纵稳定性的影响不是很大；为了确保车辆 良好的直行稳定 性 ，前轮前束波动范围尽量小，如图6所示，变化比较大。 3．3影响因子识别 总体上来说，这个初步匹配的小车悬架导向机构整体上还 是比较合理的，肯定不可能完全到达设计要求，其中前轮前束和 主销后倾角变化范围有点偏大。这就需要修改设计参数，重新匹 配导向机构硬点坐标。在修改之前引入影响因子概念，目的是了 解导向机构的设计参数对车轮定位参数的影响情况，找出影响较 大的设计参数。悬架导向机构的设计参数，包括整车、悬架结构参 数和性能参数，在这些参数中有些是可以进行修改的，比如说上 下摆臂比值，摆臂、摆轴定位角。把这些可以更改的、可能对定位 参数有影响的参数提取出来，称之为影响因子。根据小车的悬架 布置空间，可以确定这些影响因子的变化范围，利用 ADAM~ INSIGHT分析这些因子对定位参数的影响，其结果，如表 2所示。 表2影响因子对悬架定位参数的影响情况 如表2所示，可以看出有些影响因子对定位参数的影响变 化很大，有些几乎没有。 为了更直观地反映这种影响程度，将影响因子整理成下面 的文字表，更便于硬点匹配的时候参考，如表 3所示。 表 3悬架设计因子对定位参数的影响程度表 参考影响表，考虑到初次匹配的悬架主销后倾角、前轮前束 变化范围太大，所以进行如下改动 减小上摆臂摆动轴线在纵向 平面内的倾斜角，设 O4=3．5。；增大上摆臂与下摆臂的摆臂长度的 比值，设 c2=0．9；减小上下球销中心距，设 L =250ram。重新匹配 计算硬点位置坐标值，仿真结果与初次匹配的结果相比，得到车 轮定位参数变化曲线对比图。 车轮跳动量／mm 图7主销内倾角变化对比图 车轮跳动量／mm 图 8主销后倾角变化对比图 图9前轮外倾角变化对比图 图 10前轮前束变化对比图 如图7—1O所示，与初次匹配的小车悬架导向机构相比，车 轮跳动时，前轮前束、主销后倾角的变化明显减小，范围都控制在 1度左右，这使得车辆性能更加稳定，与实际的设计相符。主销内 倾角和主销后倾角的变化范围也稍有减小。 4结论 (1)根据整车参数和悬架形式 ，在满足悬架设计要求的前提 下，利用导向机构的几何关系式，初步匹配设计各硬点的位置坐 标，仿真结果表明，基本合理，但个别定位参数变化有点大；通过 对影响因子的分析，重新设计硬点位置，仿真结果表明重新匹配 的机构能更好地满足设计要求。 (2)通过以电动小车的悬架导向机构硬点坐标设计为例 ，说 明本文提出的双横臂独立悬架导向机构硬点匹配设计是可行的。 在汽车的自主研发设计过程中，可以参考这种方法进行悬架的正 向设计。 参考文献 1宋传学，蔡章林．基于 ADAMS／CAR的双横臂独立悬架建模与仿真．吉 林大学学报(32学版)，2004，34(4)：554～558 2张洪欣，汽车设计．北京：机械工业出版社，1998 3余志生．汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2002 4黄虎，刘新田，金孟，袁佳．前双横臂独立悬架运动对车轮定位参数的影 响．上海技术大学学报，2008，22(1)：1~3 5WilliamF．Milliken，DouglasLMilliken，RaceCarVehicieDynamics，I 985 6ADAMSReferenceManualVersion2007rl，MechanicalDynamics，Inc2007 7 Hazem Ali Attia．Dynamic modeling of the double wishbone motor-vehicle suspension system．EuropeanJournal ofMechanics，2002(21)：167—174