衬套刚度对悬架C特性及瞬态操纵稳定性的灵敏度研究

２０13年第11期1前言悬架C特性是指轮胎受到地面的侧向力、纵向力、回正力矩作用时，由于衬套的弹性变形产生的车轮定位参数随这些力或力矩的变化规律[1~3]。现代汽车悬架采用大量的衬套，而悬架C特性对整车的操纵稳定性有非常重要的影响，因此研究悬架C特性和整车操纵稳定性与衬套间的关系十分必要[4]。本文以广汽公司开发某车型为研究对象，基于Isight分析软件，并与ADAMS和MATLAB软件联合仿真，分析其后悬架衬套对C特性及瞬态操纵稳定性的影响。2仿真模型所分析的后悬架为一四连杆悬架，如图1所示。主要分析图1中的纵臂衬套1，下控制臂衬套2、3，上控制臂衬套4、5，前束调节杆衬套6、7对悬架C特性和整车操纵稳定性的影响。图1悬架模型表1是经过试验测得的衬套各向刚度数值，其中KX、KY分别是衬套的两个径向刚度，KZ是衬套轴向刚度；TX、TY分别是绕两个径向的扭转刚度，TZ是绕轴向的扭转刚度。1354276衬套刚度对悬架C特性及瞬态操纵稳定性的灵敏度研究【摘要】基于Isight软件并与ADAMS和MATLAB软件联合仿真，研究衬套刚度对悬架C特性和整车瞬态操纵稳定性的影响。改变传统的反复修改衬套刚度而进行研究的方式，实现仿真的多工况分析和批处理，得出在不同加载工况下悬架的柔性特性指标与衬套刚度之间的关系，阐明了衬套刚度对瞬态响应指标影响的内在规律。同时提出了评价衬套对悬架柔性特性和整车瞬态扫频响应影响大小的灵敏度指标。主题词：衬套刚度悬架特性瞬态操纵稳定性灵敏度分析中图分类号：U463.33文献标识码：A文章编号：１０００－３７０３（２０13）11－００33－０6SensitivityStudyofBushingStiffnessAffectingSuspensionComplianceCharacteristicsandTransientHandlingStabilityGaoJin，YangXiujian（KunmingUniversityofScienceandTechnology）【Ａｂｓｔｒａｃｔ】BasedonsoftwareIsightandco-simulationwithADAMSandMATLAB,westudiedtheeffectofbushingstiffnessonsuspensioncompliancecharacteristicandvehicletransienthandlingstability.Weproceededwithmulti-operatingmodesimulationanalysisandbatchprocessinginsteadoftheconventionalresearchmodeofmodifyingbushingstiffnessrepeatedly,whichderivedthecorrelationbetweenflexiblecharacteristicindexandbushingstiffnessindifferentloadingconditions,demonstratingtheinherentlawofbusingstiffnessaffectingtransientresponseindex.Inaddition,weproposedthesensitivityindextoassesstheeffectofbusingonsuspensionflexiblecharacteristicandvehicletransientsweepfrequencyresponse.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Bushingstiffness，Suspensioncharacteristic，Transienthandlingstability，Sensitivityanalysis高晋杨秀建（昆明理工大学）·基础研究·33——汽车技术表1后悬架衬套刚度数值为了验证所建模型的精度，分析之前做了悬架K&C试验，并将试验结果与仿真结果进行对比分析。图2是侧向力工况下前束角、轮距的变化。可以看出，仿真和试验分析结果具有很好的关联度。对悬架的其它工况进行对比分析，结果均达到满意精度。（a）前束角（b）轮距图2侧向力工况C特性分析工作通过Isight、ADAMS和MATLAB软件联合仿真实现。Isight软件是核心，通过它来驱动ADAMS仿真，得到悬架的C特性，然后利用MAT鄄LAB计算得到需要的性能指标，从而实现参数研究和计算的批处理，完成单独利用ADAMS难以完成的大容量计算。仿真采用并行计算模式，分析工况包括同向侧向力、反向侧向力、纵向力、同向回正力矩、反向回正力矩工况以及瞬态扫频分析。3同向侧向力工况同向侧向力用于模拟车辆转弯或受到侧向力作用时的情况，主要分析前束角、外倾角和轮距的变化。转弯时，一般要求后悬的外侧车轮在侧向力作用时为正前束、内侧车轮为负前束；为了提高车轮的附着力，减少轮胎偏磨，外轮需要内倾，内轮需要外倾，轮距变化尽量小[5]。由图3可知，后下控制臂、后前束调节杆衬套的X方向的径向刚度对前束侧向柔性变化梯度最为敏感[6]。后下控制臂衬套径向刚度增大，前束侧向柔性变化梯度数值减小，曲线的曲率减小，表示灵敏度值变小。后前束调节杆衬套径向刚度增大，前束侧向柔性变化梯度数值增大，曲线的曲率减小，同样表示灵敏度值变小。由图3还可看出，随着刚度的变化，前束变化梯度的符号发生改变，说明衬套刚度误差较大时前束角的变化方向会与设计目标不一致。后前束调节杆衬套、后下控制臂衬套分别位于轮胎接地点的前后，因此在受到侧向力作用时，两个衬套刚度对前束变化梯度的影响有相反的趋势。图3同向侧向力作用下前束变化梯度由图4可知，后上控制臂衬套X径向刚度对侧向力外倾柔性变化梯度最为敏感。外倾柔性变化梯度数值随衬套的径向刚度增大而增大，而其对外倾柔性变化梯度敏感度数值逐渐减小。图4同向侧向力作用下外倾变化梯度由图5可知，后上控制臂衬套X径向刚度减小后，轮距柔性变化梯度数值减小。图5同向侧向力作用下轮距变化梯度根据求得的悬架C特性与衬套刚度的关系，可通过3个参数来定量评估衬套刚度对悬架性能指标的影响，其分别是衬套刚度增大50%、减小20%时悬架性能指标相对于衬套刚度为原始值时悬架性能指标变化率以及指标在衬套刚度为原始值时的变化衬套拉伸刚度/kN·mm-1扭转刚度/N·m·（°）-1KXKYKZTXTYTZ10.330.50.2331214140.7101013414140.71010156990.1101017-2000-1000010002000侧向力/kN0.20.10-0.1-0.2前束角/（°）试验仿真-2000-1000010002000侧向力/kN4.03.00.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4轮距/mm试验仿真0.06250.251416刚度比例因子0.120.080.040-0.04-0.08-0.12-0.16-0.18前束变化梯度/（°）·kN-1后纵臂衬套Z轴向刚度后前束调节杆X径向刚度后下控制管臂X径向刚度后上控制管臂X径向刚度0.06250.251416刚度比例因子-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7外倾变化梯度/（°）·kN-1后前束调节杆衬套X径向后下控制臂衬套X径向后上控制臂衬套X径向0.06250.251416刚度比例因子-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0轮距变化梯度/mm·kN-1后前束调节杆衬套X径向后下控制臂衬套X径向后上控制臂衬套X径向·基础研究·34——２０13年第11期率（即悬架C特性随衬套刚度变化曲线在原点时求导得到的曲率)。表2和表3分别为后前束调节杆衬套、后下控制臂衬套径向刚度对悬架C特性的灵敏度数值。表2后前束调节杆衬套X径向灵敏度数值表3后下控制臂衬套X径向灵敏度数值4反向侧向力工况对于后悬架而言，由于不考虑转向系统刚度的影响，同向侧向力和反向侧向力作用时，悬架的柔性C特性差异并不大。然而，对于前悬架，反向侧向力工况可以消除转向系统刚度的影响，此时只考虑悬架的柔性特性。与同向侧向力工况相同，在反向侧向力工况下，后前束调节杆衬套和后下控制臂衬套径向刚度对前束角变化梯度敏感度仍最大（图6），后前束调节杆衬套径向刚度增大，侧向力作用下前束柔性变化梯度数值增大，同时曲线的曲率减小，灵敏度值变小。图6反向侧向力作用下前束变化梯度从图7可以看出后上控制臂衬套X径向刚度对侧向力外倾柔性变化梯度最为敏感，图中3种衬套X径向刚度对外倾变化梯度的影响趋势与同向侧向力工况时相同。图7反向侧向力作用下外倾变化梯度从图8可以看出后上控制臂衬套对轮距变化梯度影响最大，3个衬套方向对轮距变化梯度影响趋势与同向侧向力工况基本相同。图8反向侧向力作用下轮距变化梯度5同向回正力矩从图9可以看出增大后纵臂衬套轴向刚度对前束变化梯度最为敏感；在刚度减小的情况下，下控制臂衬套径向刚度对前束变化梯度更为敏感。图9同向回正力矩作用下前束变化梯度6反向回正力矩对于后悬架而言，不存在转向系统刚度的影响，因此和同向回正力矩工况差别不大。图10是反向回正力矩作用下前束变化梯度的变化趋势。0.06250.251416刚度比例因子-0.06-0.08-0.10-0.12-0.14-0.16-0.18-0.20前束变化梯度/（°）·（kN·m）-1后纵臂衬套X径向后纵臂衬套Z轴向后前束调节杆衬套X径向后下控制臂X径向性能指标前束角/（°）·kN-1外倾角/（°）·kN-1轴距/mm·kN-1-0.0314-0.29690.0429-0.0406-0.30530.0916-0.0173-0.2842-0.0314性能指标变化率/%(刚度-20%)29.3702.819113.600性能指标变化率/%(刚度+50%)44.84.3173.3原点曲率0.037070.03372-0.19610刚度原始值刚度-20%刚度+50%性能指标前束角/（°）·kN-1外倾角/（°）·kN-1轴距/mm·kN-1-0.0314-0.29690.0429-0.0247-0.30050.0144-0.0407-0.29200.0829性能指标变化率/%（刚度-20%）21.141.1966.40性能指标变化率/%（刚度+50%）29.661.6793.26刚度原始值刚度-20%刚度+50%-0.02590.01380.1112原点曲率0.06250.251416刚度比例因子0.120.080.040-0.04-0.08-0.12-0.16-0.18前束变化梯度/（°）·kN-1后纵臂衬套Y径向后纵臂衬套Z轴向后前束调节杆衬套X径向后下控制臂衬套X径向0.06250.251416刚度比例因子外倾变化梯度/（°）·kN-10-0.2-0.4-0.6-0.8后前束调节杆衬套X径向后下控制臂衬套X径向后上控制臂衬套X径向0.06250.251416刚度比例因子-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0轮距变化梯度/mm·kN-1后前束调节杆衬套X径向后下控制臂衬套X径向后上控制臂衬套X径向·基础研究·35——汽车技术图10反向回正力矩作用下前束变化梯度7纵向力工况车辆制动时，后轴荷减小，悬架处于同向轮跳的拉伸行程，前束角减小。因此，制动力作用时前束角的变化应使前束角增大来补偿由于悬架运动特性减小的前束角，即通过C特性来补偿K特性，以增加后轴的稳定性。同时，从设计目标的稳定性来说，纵向力作用下，前束角变化应尽量小。车辆通过凸块时，为了提高车辆的平顺性，减小纵向冲击，轴距变化应具有退让性。同时考虑到轮胎的磨损，轴距变化不应过大，以减小轮胎的环磨。从图11可知，后纵臂衬套X径向刚度增大，前束变化梯度数值减小，曲线曲率减小，敏感度降低；后下控制臂衬套X径向刚度增加，前束变化梯度数值增大，曲线曲率减小，敏感度降低。图11纵向力作用下前束变化梯度从图12可以看出，后纵臂衬套X径向刚度增加，轴距变化梯度数值减小。图12纵向力作用下轴距变化梯度8衬套刚度对正弦扫频瞬态操纵稳定性的灵敏度分析对仿真模型进行