第１５卷增刊 计算机辅助工程 ２００６年９月 ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＡＩＤＥＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｓｅｐ２００６ 文章编号：１００６．０８７１（２００６）Ｓ１．０１９９．０３ 基于ＭＳＣ Ａｄａｍｓ的汽车柔性扭力梁后悬架 特性分析及操稳性仿真 舒进，赵德明 （泛亚汽车技术中心有限公司，上海２０１２０１） 摘 要：用ＭＳＣ Ａｄａｍｓ建立具有柔体扭力梁的混合整车多体模型，进行后悬架静态特性分 析和整车操稳性仿真分析，通过仿真数据与试验结果对比，说明采用柔性扭力梁模型能较 大影响悬架特性，分析结果比较接近实际情况． 关键词：ＭＳＣ Ａｄａｍｓ；柔性扭力梁；悬架特性；操稳性 中图分类号：Ｕ４６１．１；ＴＰ３９１．９ 文献标志码：Ａ Ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｎ Ｒｅａｒ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｉｔｈ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｔｗｉｓｔ Ａｘｌｅ Ｕｓｉｎｇ ＭＳＣ Ａｄａｍｓ ＳＨＵ Ｊｉｎ，ＺＨＡＯ Ｄｅｍｉｎｇ （Ｐａｎ Ａｓｉａ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｅｎｔｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｅｔ：Ａ ｆｕｌｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｕｌｔｉ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｒｅａｒ ｔｗｉｓｔ ａｘｌｅ ｉＳ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｓｉｎｇ ＭＳＣ Ａｄａｍｓ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｎ ｒｅａｒ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｉｔｈ ｆｉｅｘｉｂｌｅ ｔｗｉｓｔ ａｘｌｅ ａｎｄ ｆｕＵ ｖｅｈｉｃｌｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｒｅ ｍａｄｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔｗｉｓｔ ａｘｌｅ ｃａｎ ｉｍｐａｃｔ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＳＣ Ａｄａｍｓ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔｗｉｓｔ ａｘｌｅ；ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｈａｎｄｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ０ 引 言 结合ＭＳＣ Ａｄａｍｓ与ＭＳＣ Ｎａｓｔｒａｎ等有限元分析软 件进行车辆动力学分析是一种新的技术趋势，能为 随着ＭＳＣ Ａｄａｍｓ软件在汽车动力学分析领域 车辆产品开发提供更高精度的计算结果、更深入的 应用的不断发展，在ＭＳＣ Ａｄａｍｓ平台上构建汽车 分析结论． 动力学模型的准确度要求不断提高．考虑到汽车 通过仿真分析及试验结果对比，说明采用刚柔 悬架系统中的大量柔性元件，必须采用刚柔耦合建 联合建模能较大提高轿车悬架设计与操稳性分析 模方法以提高分析精度．对于后悬架为具有扭转 的正确性． 抗侧倾性能的扭力梁式半独立悬架，其中扭力梁的 弹性变形对整车操纵稳定性具有非常重要的作用． １ 模型建立 目前这种悬架已被较为广泛地应用于轿车后悬架 对于汽车整车动力学模型的建立，主要包括 设计中，具有结构简单、成本低的优点．为了分析 两大部分：一是悬架构建，另一个就是轮胎模型． 的准确性，必须同时考虑扭力梁纵臂与中间梁的弹 悬架将作用在轮胎上的力和力矩传递到车身， 同 性变形，采用有限元化的柔体模型．在这种背景下 时悬架中的各构件也因为这些力和力矩的作用发 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００ 计算机辅助工程 ２００６年 生变形，在建立悬架模型中，必须考虑弹性元件的 特性．连接元件弹性衬套的变形，能影响操稳性， 需要通过试验得到悬架中所有衬套的线性或非线 性刚度特性．减震器上下缓冲块特性也由试验测 量获得，并将此非线性特性通过作用力加入模型． 对于车辆在转向操纵中的侧倾性能，前悬架 变化和后悬架侧倾刚度的变化特性．图２中曲线１ 为试验曲线，２为扭力梁后桥为柔体模型的仿真曲 线，３为刚性扭力梁后桥的仿真曲线． ／ 中的横向稳定杆采用组合的梁单元建模 后悬架 中的扭力梁由于元件结构较复杂，而扭力梁相对自 ’— 。。 身的扭转变形能较大影响后悬架的侧倾刚度． ＭＳＣ Ａｄａｍｓ／Ｆｌｅｘ提供与有限元分析软件ＭＳＣ Ｎａｓｔｒａｎ之间的双向数据交换接口，因此将扭力梁 ＭＳＣ Ｎａｓｔｒａｎ有限元模态分析模型，生成ｍｎｆ中间 文件，利用ＦＬＥＸ模块用模态柔性描述物体弹性并 引人模型． 轮胎是影响整车操稳性分析的关键因素，轮 胎与路面作用变形产生的６个不同方向的力和力 矩，是导致汽车悬架变形、车身姿态变化的原因． ＭＳＣ Ａｄａｍｓ／Ｔｉｒｅ提供了多种轮胎模型，Ｆｉａｌａ，ｕＡ Ｔｉｒｅ，＇和ＰＡＣ２００２，ＦＴｉｒｅ等．根据操稳性分析的需 要，选用ｕＡｔｉｒｅ作为轮胎模型，相关参数由轮胎 额定压力下的力或力矩特性试验数据确定．与轮 胎相互作用产生相应作用力和力矩的路面模型，根 据操稳性道路试验工况需要采用平坦、摩擦系数恒 定的三维道路文件．建立的整车模型见图１． 图１ ＭＳＣＡｄａｍｓ整车模型 ２扭力梁后悬架静态特性分析 泛亚汽车技术中心拥有目前国内唯一的专门 进行悬架特性测试的Ｋ＆Ｃ试验台，Ｆ｝１ ＭＴＳ公司 生产，根据北美通用汽车公司技术要求建立，可较 高精度测量并参数化描述悬架运动和柔性变形引 起的悬架特性，从而预测悬架变形对汽车操纵稳定 性的影响．悬架特性分析通常在车轮上下跳动时 求得，本文以扭力梁后悬架特性分析为例，通过仿 真与试验结果的对比，可以更准确地验证模型，提 高分析精度，为汽车悬架设计分析提供更高可信 度，同时为整车操稳性仿真做好准备． 给后轮施加同向与反向的正弦位移，模拟车 身上下跳动和侧倾变化，进行静态特性仿真．重点 考察车轮转角，外倾角在车身上下跳动及侧倾时的 。 图２车轮转角随车轮中心跳 后悬架车轮转角随轮胎上跳发生负前束变化 使车辆具有不足转向趋势 车轮转角随轮胎跳动 变化必须在一定范围之内，过大的变化会冈轮胎侧 偏使直线行驶滚动阻力加大，磨损加剧 后悬架车 轮转角随轮胎跳动变化量见图２，刚体扭力梁引起 更大的转角变化，柔体模型接近试验曲线．后悬架 车轮外倾角随轮胎上跳变化如图３所示 车轮外倾 角随轮胎上跳而减小，使得转弯时承载较高的外侧 车轮与路面的接触情况得到改善，提高汽车极限侧 向性能．而刚体后桥车轮外倾角变化正好与实际 情况相反，转向时恶化轮胎侧偏性能，对操稳性分 析带来不利影响． ＼、 ｝ 目 ｌｒＭ｝ 图３车轮外倾角随车轮中心跳 图４为侧倾时车轮转角的变化量，它与车轮上 跳时轮胎转角变化相互关联．过度的侧倾转向等 同于过度的前束随轮胎上跳变化，将导致车轮跳动 颠簸及过度磨损．由于侧倾转向是匹配整车不足 转向量的一个比较容易调试的参数，冈此对底盘参 数调教很有帮助．车身侧倾时，柔性扭力梁使车轮 转角向负前束变化，提高车辆不足转向趋势，而刚 性后桥分析结果却带来相反的效果． 图４车轮转角随车身侧倾 图５考察车辆侧倾时外倾角变化，扭力梁后桥 具有较小的侧倾外倾效果，外倾角改变是因为车辆 侧倾时载荷转移导致轮胎变形所致，具有较好的粗 糙路面控制能力，刚性后桥却使悬架的这一优势变 维普资讯 http://www.cqvip.com
增刊 舒进，等：基于ＭＳＣ Ａｄａｍｓ的汽车柔性扭力梁后悬架特性分析及操稳性仿真 ２０１ 成劣势 图５车轮外倾角随车身侧 后悬架侧倾刚度对车辆操稳性具有非常重要 的作用．如果后悬架侧倾刚度过大，在汽车转向时 将在左右车轮Ｉ＂Ｈ－Ｊ引起较大的载荷转移，从而导致前 轮载荷转移减小，在相同侧向加速度下，后悬架产 生的侧偏角将大于前悬架，这将导致整车具有过多 转向趋势．因此为保证车辆具有一定的不足转向 趋势，后悬架的侧倾刚度应该小于前悬架，并与前 悬架侧倾刚度匹配，提供理想的整车不足转向度、 图６可见实验测得的侧倾刚度为４１５ Ｎ·ｍ／。，柔体模 型计算结果为３９４ Ｎ·ｍ／。，而刚体模型计算结果高 达２ ４１６ Ｎ·ｍ／ｏ，完全背离实际情况．通过以上悬架 静态特性分析，证明采用柔性扭力梁模型完全必 要． 州悯ｍｌｄ。ａ） 图６侧倾力矩随车身侧倾 ３整车操纵稳定性分析 悬架静态特性仿真保证了悬架建模的准确 性，在此基础上进行整车操纵稳定性分析及试验对 比．车辆车速为１００ ｋｍ／ｈ，对方向盘施加５０ｏ矩形 波信号，持续时间４ Ｓ，考察整车侧向加速度响应， 见图７．仿真结果表明，刚性扭力梁后桥带来更大 的侧向加速度，引起明显过多转向趋势，其侧向加 速度响应时间也明显大于柔性扭力梁后桥．可知 柔性扭力梁对车辆转向时的稳态及瞬态响应均有 较大影响，与试验结果较接近，其后悬架侧偏刚度 与实际侧偏刚度比较接近，与前悬架相互协调的车 轮载荷侧向分配比较合理．因此车辆悬架刚柔混 合建模能较好地贴近实际情况并对设计阶段车辆 模型改变提供较为可信的变化依据．通过优化扭 力梁结构，扭力梁与车身连接衬套的角度、刚度特 性和刚度方向，可在一定程度上调整车辆操稳性． 时ｆａｌｌｓ｝ 图７侧向加速度变化曲线 ５ 结 论 ＭＳＣ Ａｄａｍｓ作为汽车动力学分析的强大工 具，已经在业界得到共识．采用柔体模型对扭力梁 等重要功能性元件进行建模，为车辆设计阶段准确 预测悬架影响因素时的汽车操纵稳定性提供了有 效方法．通过柔体有限元模型结构参数的变化，能 在较短时间内获得最优的设计方案，具有较为广泛 的应用前景． （编辑廖粤新）
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