单纵臂式与扭力梁式悬架特性分析

DOI：CNKI:42-1658/N.20110225.1015.020 网络出版时间：2011-2-25 10:15:26 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1658.N.20110225.1015.201101.86_020.html第39卷 第1期 2011年 1月 华 中 科 技 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) J. H uazhong Univ. of Sci. & Tech. ( Natur al Science Edition) Vol. 39 No. 1 Jan. 2011 收稿日期 2010207221. 作者简介 管 欣( 19612) ,男, 教授, E2mail: hsguan@ vip. sina. com. 基金项目 国家高技术研究发展计划资助项目 ( 2008AA11A123) ; 吉林省科学厅科技发展计划重点资助项目 ( 20086006) . 单纵臂式与扭力梁式悬架特性分析 管 欣1 史建鹏1, 2 杨得军1 詹 军1 ( 1 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室, 吉林 长春 130025; 2 东风汽车公司技术中心, 湖北 武汉 430056) 摘要 应用 CAE仿真技术和道路实车试验验证的方法,系统分析了单纵臂式与扭力梁式悬架的刚度特性和 匹配后对整车性能的影响,揭示了 2 种悬架的主要区别: 汽车在中高速度行驶时, 扭力梁式悬架的质心垂直加 速度小于单纵臂式悬架车型,具有良好的乘坐舒适性; 单纵臂式悬架的汽车侧倾角与侧向加速度小于扭力梁 式悬架车型,具有良好的操纵稳定性. 在理论研究的基础上, 探索出了 3 项整车匹配单纵臂式与扭力梁式悬架 的原则,为乘用车悬架系统的选型和匹配提供了理论依据和设计方法. 关键词 乘用车; 单纵臂式悬架; 扭力梁式悬架; 刚度; 操纵稳定性; 乘坐舒适性 中图分类号 U463. 33 文献标志码 A 文章编号 167124512( 2011) 0120086204 Analysis of the trailing arm and torsion beam suspensions characteristics Guan X in 1 S hi J ianp eng 1, 2 Yang Dej un1 Zhan Jun1 ( 1 State Key Labor ator y of Automobile Dynamic Simulation, Jilin Univ ersity , Changchun 130025, China; 2 T echnical Center, Dongfeng M otor Corpo ration, Wuhan 430056, China) Abstract CAE ( computer aided eng ineering ) simulat ion technolo gy and test in the pro ving g round method w as applied to analysis the t railing arm suspension and the to rsion beam suspensions systemat2 ic via the st iffness char acterist ics and af fect the passenger car performance af ter matching suspension. From the study, it reveals the main dif ferent betw een the tw o suspensions. Comparison w ith center of the vehicle mass vert ical accelerat ion analysis demonst rates much improved ride comfort of the tor sion beam suspension over the t railing arm suspension. T he vehicle assembled the t railing arm suspension has bet ter handling behav io r than the torsion beam suspension, for the smaller ro ll ang le and low er lateral acceleration. On the basis of the theory study, three suspension matching principles w ere ex2 plor ed, w hich also pr ovide theor et ical basis and design methods for the passenger car best match of suspension sy stem . Key words passenger car; the t railing arm suspensions; the to rsion beam suspensions; stif fness; handling behavior ; r ide comfort 单纵臂式和扭力梁式悬架具有布置车身时车 轮跳动的占用空间小、质量轻和成本低等优势,因 此被广泛地应用到 B 级左右的乘用车上 [ 122] . 单 纵臂式悬架属于车轮在汽车纵向平面内可以摆动 的悬架结构型式, 这类悬架一般通过加装控制随 动转向的橡胶悬置块提高车辆操纵特性,采用的 车型有 Cit roen公司的 Elysee 等.扭力梁式悬架 也属于车轮在汽车纵向平面内可以摆动的悬架结 构型式,但摆动行程没有单纵臂式悬架的大,其左 右 2纵臂之间焊接有 U 型管型梁[ 3] ,与车身连接 应用不同的衬套, 其弹性动力学特性不同[ 425] , 同 时具有横向稳定的功能, 该类悬架应用车型有:桑 塔纳[ 6] 、标志 307和卡罗拉等.目前对单纵臂式与 扭力梁式悬架的研究主要是以各自结构特性为目 标的分析.在单纵臂式悬架特性的研究中,通常是 考虑单纵臂悬架在乘用车中的随动转向特性[ 7] , 而在整车性能匹配方面研究较少; 在扭力梁式悬 架特性的研究中, 同样缺少系统性的整车匹配[ 8] 和结构分析. 本文应用 CAE 仿真技术和道路实 车试验验证的方法, 对单纵臂式和扭力梁式悬架 的刚度特性和匹配后对整车性能的影响进行了系 统性分析,从而揭示了 2种悬架的主要区别, 并探 索出了 3项整车匹配单纵臂式与扭力梁式悬架的 原则. 1 刚度特性对比 汽车在不平路面行驶和转向时,悬架传递着 车身和车轮受到的各种力和力矩, 悬架的线刚度 (弯曲刚度)或扭转刚度是决定车辆行驶性能的重 要参数. 影响扭力梁刚度的因素很多, 结构焊接方式、 梁、车轮及车身连接位置和匹配衬套均会使扭力 梁产生刚度的变化. 扭力梁必须具有足够的扭转 刚度以承受轿车转弯时的横向载荷, 同时应具有 合适的线刚度以满足车轮翻越障碍时的乘坐舒适 性.一般而言, 扭力梁式悬架中间横梁采用 U 型 断面.图 1为扭力梁扭转刚度和弯曲刚度的 CAE 结构有限元模型. 表 1 为不同车型扭力梁的扭转 刚度和弯曲刚度变形量的对比,其中: A 型车为整 体式不带横向稳定杆结构的扭力梁的车型; B 型 车为 U 型截面梁开口方向水平向前的车型; C 型 车为 U 型截面梁开口方向垂直向下的车型.带横 向稳定杆结构的扭力梁的车型为 D 型车, 其扭转 刚度变形量为 10. 5 mm. 图 1 扭力梁刚度 CAE 结构有限元模型 表 1 扭力梁弯曲刚度与扭转刚度变形量对比 车型 弯曲刚度变形量/ mm 扭转刚度变形量/ mm A 2. 46 17. 60 B 2. 38 8. 21 C 2. 78 20. 15 表 1表明: U 型截面梁开口方向和横向稳定 杆对扭力梁的扭转刚度影响很大, 而对弯曲刚度 影响较小;由刚度和变形量在力的作用下成反比 可知, B型车的扭转刚度最大; C 型车扭力梁的扭 转刚度最小,为 B 型车的 59%. 而 D 型车的扭转 刚度为 B型车的 21. 8 % . 横向稳定杆能有效提 高扭力梁的扭转刚度.在扭力梁的设计开发中,可 以根据改变开口方向和横向稳定杆的结构来改善 其刚度特性. 单纵臂式悬架也主要用于轿车的后轴, 当汽 车转弯车身承受较大的侧向力时, 通过与车身连 接的 4个楔形橡胶悬置块的变形, 使后轴车轮产 生与前轮相应方向的随动转向. 通过这种/轴转 向0效应, 保证汽车转向时的横摆与侧向运动稳定 性.根据纵臂的结构、材料、工艺和安置位置的不 同, 单纵臂式悬架刚度值也是不一样的, 其刚度 CAE 分析模型见图 2. 图 2 单纵臂式悬架刚度 CAE 分析模型 扭力梁式悬架和单纵臂式悬架的刚度对比如 表 2所示. 表 2 表明: 在纵向及同点加载的模式 下,扭力梁式悬架的弯曲刚度比单纵臂式悬架大 76. 6%, 说明扭力梁式悬架车型抵抗路面不平冲 击能力很强;在横向及同点加载的模式下,扭力梁 式悬架的扭转刚度比单纵臂式悬架大13. 6%, 说 明扭力梁式悬架车型抵抗横向运动的能力较强. 而在垂直方向及同点加载的模式下, 扭力梁式悬 架的刚度为 0. 123 7 kN/ mm 比单纵臂式悬架刚 度 2. 940 kN/ mm 小 95. 8% ,说明扭力梁式悬架 的车型后排座椅的乘坐舒适性也很好. 表 2 扭力梁式悬架和单纵臂式悬架的刚度对比 加载 方向 单纵臂式 悬架刚度/ ( kN # mm- 1 ) 扭力梁式 悬架刚度/ ( kN # mm- 1 ) 变化 率/ % 纵向 20. 400 87. 330 0 76. 6 横向 6. 520 7. 548 0 13. 6 2 2种悬架匹配后的整车性能分析 根据上述研究结果, 在同一车型上匹配扭力 梁式悬架和单纵臂式悬架,研究其对整车的乘坐 舒适性和操纵稳定性的影响. 匹配单纵臂式悬架 的车型为方案 1, 同时为了比较扭力梁刚度对整 #87#第 1 期 管欣, 等: 单纵臂式与扭力梁式悬架特性分析 车的影响,分别研究了匹配刚度较大扭力梁式悬 架的车型(方案 2)和匹配刚度较小扭力梁式悬架 的车型(方案 3) . 2. 1 对乘坐舒适性的影响 根据国家标准[ 9] , 由汽车的动力学数学模 型[ 10211] , 建立多体动力学模型,在设定车速( v )分 别为 40, 50, ,, 100 km/ h下进行动力学仿真,对 比 2种悬架车型的整车质心、车身地板、前悬架、 后悬架、转向盘、驾驶员座椅处和左侧后排座椅处 的振动加速度[ 12] .整车质心和驾驶员座椅处的加 权加速度均方根值( A z , A j )具体如图 3 和图 4所 示.可知, 匹配扭力梁式悬架车型的整车乘坐舒适 性比单纵臂式悬架车型的好. 图 3 整车质心处加速度特性曲线 图 4 驾驶员座椅处加权加速度均方根曲线 图 3表明: v= 40, 50 km/ h时, 扭力梁式悬架 的车型比单纵臂式悬架的车型振动加速度约大 7. 9%和 1. 5% ; v = 60, 70, 80, 90, 100 km / h 时, 扭力梁的振动加速度均小于单纵臂式的,降低量 分别约为 1. 4%, 3. 7% , 7. 7%, 6. 3%和 5. 1% ;尤 其是 80 km/ h 属于汽车中偏高速行驶速度,其乘 坐舒适性的提升,能较好地改善汽车的品质. 对于 扭力梁而言,刚度大的车型, v = 40~ 70 km/ h时, 振动加速度较大, 最大增长量为 1. 55% ; v = 80, 90, 100 km/ h时,振动加速度降低,最大降低量为 80 km / h时的 2. 45% . 因此, 对于强调中低速行 驶速度乘坐品质的车型,可以匹配刚度较低的扭 力梁;而对于强调中高速行驶速度乘坐品质的车 型,可以匹配刚度较大的扭力梁. 图 4表明: v= 40 km/ h 时,扭力梁式悬架车 型比单纵臂式悬架车型的振动加速度大约 7. 9% 和 3. 1% ; v= 60, 70, 80, 90, 100 km/ h 时, 扭力梁 的振动加速度均小于单纵臂式的, 降低量分别约 为 1. 7% , 4. 4% , 8. 1%, 6. 8% 和 3. 3% ; v = 80 km / h时,扭力梁的振动加速度小于单纵臂式悬 架的车型,有助于提升乘坐舒适性,因而能较好地 改善汽车的品质. v = 40, 50, 60, 70 km/ h时, 方案 2的振动加速度比方案 1 的大, 增长量分别为 0. 03%, 0. 20% , 1. 50%和 1. 10% ; v = 80, 90, 100 km / h时,方案 2的振动加速度比方案 1的低.因 此,可以得出扭力梁弯曲刚度增大有助于提升汽 车的中低速行驶速度乘坐的品质, 但不利于改善 汽车中高速行驶速度乘坐的品质. 2. 2 对操纵稳定性的影响 稳态转向特性是评价汽车操纵稳定性的重要 指标之一.根据汽车的最低稳定行驶车速,按照试 验标准[ 13]要求的转向半径和建立的 CAE 模型, 分析得到单纵臂式悬架的车型和扭力梁式悬架的 车型的侧向加速度 ay 和车身侧倾角 U的关系式: 对于单纵臂式悬架车型(方案 1) ,有 ay = - 0. 001 6U2 + 0. 44U; (1) 对于扭力梁式悬架车型(方案 2, 3) ,有 ay = - 0. 010 2U 2 + 0. 18U. (2) 单纵臂式悬架车型(方案 1)的前后轴侧偏角 之差(不足转向度) $A与侧向加速度ay 的关系式 为 $A= - 1. 6a 3 y + 0. 85a 2 y + 1. 8ay ; (3) 对于方案 2, 有 $A= 2. 3a3y + 0. 65a2y + 1. 5ay ; (4) 对于方案 3, 有 $A= 3. 9a 3 y - 2. 5a 2 y + 2. 15ay . (5) 通过分析式(1)和( 2)可以得出: 单纵臂式悬 架的车型车身侧倾角与侧向加速度要小于扭力梁 式悬架的车型;在 0. 65 g 侧向加速度的情况下, 方案 1 ~ 3 的车身侧倾角分别为 2. 8b, 3. 0b和 3. 1b,单纵臂式悬架的车型比扭力梁式悬架的车 型的车身侧倾角减小约 7. 3% . 式(3)~ (5)表明: 3种方案车型均可以满足 汽车不足转向的要求, 其中在 0. 2 g 侧向加速度 下,对应的不足转向度: 方案 1为 0. 199bs2 / m ,方 案 2为 0. 197bs 2 / m ,方案 3为 0. 19bs2 / m. 3 道路实车试验验证 根据前面的理论分析, 按照国家标准[ 13] , 在 良好的铺装路面上, 驾驶员操纵测试车辆以 4 km / h沿半径为 15 m 圆周行驶, 待安装于汽车纵 向对称面上的车速传感器在半圈内都能对准地面 15 m圆周时,固定转向盘不动,停车并开始记录, #88# 华 中 科 技 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 39 卷 然后汽车起步, 缓缓连续而均匀地加速(纵向加速 度不超过 0. 025g , g 为重力加速度) , 直至汽车的 侧向加速度达到 0. 65g为止, 记录整个过程.对 3 种方案的车型进行了实车道路试验, 并根据国家 标准[ 14] 对中性转向点的侧向加速度和不足转向 度等参数进行分析, 将试验值与仿真值进行了对 比研究,具体数据见表 3. 表 3 试验与仿真值对比 方案 $A/ ( (b) s2 # m- 1 ) U/ (b) 方案 1 仿真值 0. 199 2. 80试验值 0. 200 3. 10 方案 2 仿真值 0. 197 3. 00试验值 0. 170 3. 12 方案 3 仿真值 0. 190 3. 10试验值 0. 160 3. 20 表 3表明: 方案 1 的不足转向度试验值比仿 真值大 0. 5% ,车身侧倾角大 10. 7%;方案 2的不 足转向度试验值比仿真值小 13. 7% ,车身侧倾角 大 4. 0% ;方案 3 的不足转向度试验值比仿真值 小 15. 8%,车身侧倾角大 3. 2%;两者不足转向度 的误差值在 0. 03bs2 / m 之内,车身侧倾角误差在 0. 3b以内,误差值均在 18% 之内, 说明了针对单 纵臂式悬架和扭力梁式悬架的对比理论分析方法 的合理性. 根据仿真和道路实车试验, 得出单纵臂式和 扭力梁式悬架匹配整车的 3项原则. a. 扭力梁式悬架的弯曲和扭转刚度比单纵 臂式悬架刚度值大. 对于扭力梁而言,开口方向和 是否带横向稳定杆对其扭转刚度的影响很大, 对 弯曲刚度影响较小, 开口方向水平向前结构的扭 转刚度最大.因此,在设计中通过改变扭力梁的开 口方向和增减横向稳定杆的刚度, 可以设计满足 需求的扭力梁式悬架的刚度值. b. 对于中偏高速度行驶的汽车, 扭力梁式悬 架车型的乘坐舒适性的优于单纵臂式悬架车型, 扭力梁式悬架能较好地改善汽车的品质.因此,采 用扭力梁式悬架的车型整体乘坐舒适性比单纵臂 式悬架的车型好.对于扭力梁,刚度增大有助于提 升汽车的中低速行驶速度乘坐的品质, 但不利于 汽车中高速行驶速度乘坐的品质. c. 单纵臂式悬架的车型车身侧倾角与侧向 加速度要小于扭力梁式悬架的车型, 说明采用单 纵臂式悬架的车型, 更有利于提升其操纵稳定性, 因此,单纵臂式悬架更多地用于运动型车辆. 参 考 文 献 [ 1] Mun K J, K im T J, K im Y S. 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