基于CATIA的麦弗逊悬架运动仿真分析

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麦弗逊式悬架是当今世界用的最广泛的轿车前悬挂之- ，它主要由螺旋弹簧、减震器、i角形下摆臂等组成，绝大部分车型还会加上横向稳定杆。该悬架的螺旋弹簧套在减震器上，减震器可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右偏移的现象，限制弹簧只能作上下方向的振动 1。CATIA是法国某公司的产品开发旗舰解决方案。作为PI M协同解决方案的-个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项 目前阶段 、具体的设计、分析 、模拟 、组装到维护在内的全部T业设计流程。CATIA软件巾的拈 DMU(Digital Mockup)通过自动化的命令和可视化的文件，使用户可以大大提高： 作效率¤助于其他电子样机产品的集成，使技术人员对样机的审核及仿真成为可能 2。在 CATIA软件的DMU拈中，可以获得运动部件的包络体，即运动部件的最大运动范同 3。

2带转向系统悬架虚拟样机模型以某车型的前悬架 (麦克弗逊式独立悬架、断丌式转向梯形)为例，用 CATIA建立其虚拟样机模型。由j二独 悬架和转向系统是比较复杂的空间机构，主销的内倾和后倾、摆臂转轴的倾斜布置给运动分析带来了很大困难 ，单靠平面简化进行汁算得钊的资料十分有限，误差较大。CATIA的运动分析拈中蕴涵了空间解析几何的数学原理，通过建立几何模型、定义运动学模型，采用运动仿真、运动轨迹、参数曲线等--此直观输出形式，就可以初步分析机构的运动特I生，得出量化的结果。为了获得形象、直观、全面的物体几何信息，需要建立以下零件的数学模型，包括：前减震器总成、前下摆臂组件、转向器总成、稳定杆、稳定杆连杆、前轮、转向节、转向横拉杆等。带转向系统的悬架虚拟样机模型，如图 1所示。

图 l带转向系统的悬架虚拟样机模型Fig.1 Suspension Virtual ProtolYpe MM el with Steering System3定义运动学模型并确定初始位置按常规思路，应该是先按悬架硬点把前悬架各部件的初始传置确定下来，再定义运动学模型。悬律系统巾弹性元件如橡胶衬套等)用理想化的运动副代替，在运动仿真时不考虑弹性件的变形，这种悬挂被称为运动学悬架 运动学模型定义的关键是弄来稿日期：2012-09-16作者简介：席思文，(1984-)，男，江西人，硕 I ，主器研究方向：汽乍悬架设计第7期 席思文：基于 CATIA的麦弗逊悬架运动仿真分析 115清零件的运动关系，从而在相应的关节处设置合适的运动副。对于麦克弗逊式独立悬架，主要运动副定义，如表 l所示。

表 1运动学模型定义Tab.1 Kinematic Model Definition定义完成后 ，整个机构有两个 自由度，说明与实际相符 ，这两个 自由度分别对应转向系统的运动和悬架车轮的跳动。

4悬架运动分析4.1主销内倾角主销内倾角有使车轮自动回正的作用。主销内倾角产生主销内倾距，通过内倾距的变化来改善汽车操纵稳定性。主销内倾有利于主销横向偏移距的减小，从而减少转向时驾驶员加在方向盘的力，使转向操纵轻便 ，同时也可减少从转向轮传到方向盘上的冲击力。内倾角不宜过大，否则转向时，在车轮绕主销转动的过程中，轮胎与路面之间产生较大的滑动，增加轮胎与路面间摩擦阻力，这不仅使转向沉重，而且加速轮胎的磨损 5。-般情况下，希望在车轮的跳动过程中，主销内倾角的变化量不要太大，仿真分析结果 ，如图2所示。

图2主销内倾角随车轮跳动量变化关系曲线Fig.2 Kingpin Inclination Angle Variation Cure with the Wheel Motion主销内倾角初始值为8.85。，在图2中可以看出车轮上跳时其角度变化为 0.71。，车轮下跳时其角度变化为 1.65。。满足设计要求 ，汽车有较好的回正和稳定性能。

4.2主销后倾角主销后倾角对汽车操纵稳定性的影响是通过主销后倾距来实现的，后倾距与轮胎侧向力产生回正力矩，进而反馈为驾驶人员的路感。主销后倾角与主销相对轮心的偏置距-起，应保证足够的侧向力回正力矩，回正力矩与侧向力成正比，使汽车处于不足转向，有利于改善汽车的稳定转向性。-般主销后倾角越大，主销后倾拖距也越大，则回正力矩的力臂越大，因此回正力矩也就越大，提高了汽车的干扰敏感性。后倾拖距主要是在汽车高速运动时起回正作用，但是回正力矩不宜过大，否则在转向时为了克服此力矩，驾驶员必须在方向盘上施加较大的力。-般要求后倾角具有随车轮上跳而增加的趋势，这样可以抵消制动点头时后倾角减小的趋势，仿真分析结果，如图 3所示。

萎7.5H 7·06.5七 1 J -，/ ， / ， - ---- - - - - 1 - U.U 25.U 5U.U 75.U luU.U车轮跳动量(mm)图 3主销后倾角随车轮跳动量变化关系曲线Fig.3 Kingpin Caster Angle Variation Cure with the Wheel Motion主销后倾角初始值为 7.53。，由图 3可知车轮上跳时，该角度变化为 1.77。；下跳时，该角度变化为 0.72。，其变化范围较小 ，符合设计要求，使前轮有沿直线行驶的趋势，也不会产生过大的转向阻力，从而提高了汽车操纵稳定性和转向轻便性。

4.3轮距车轮跳动时，车轮绕瞬时中心摆动，左右轮之间的距离必然产生变化。轮距的变化-方面影响汽车的操纵稳定性，另-方面，由于轮胎的横向滑移，导致轮胎的磨损，降低了轮胎的使用寿命，所以设计时应尽量控制轮距变化量。仿真分析结果，如图4所示。

宫昌 ： I.' 、、图4轮距随车轮跳动量变化关系曲线Fig.4 Track Variation Cure with the Wheel Motion为了减小轮胎与地面的侧向滑移，减小轮胎磨损，希望轮距变化量要校轮距初始值为 1547mm，从图4可知车轮上跳时轮距变化量为 12mil，车轮下跳时轮距变化量为 8mm，轮距变化范围小，符合设计要求。

4.4轮胎包络轮胎包络的确定对车身工程师设计前轮罩、地板等零件十分重要。

4.4.1轮胎模型仿真分析时用的轮胎规格为 235/55 R17。在 GB7063-201 1中有如下规定：(1)如果汽车是两轮驱动，汽车制造厂应把汽车设计成至少有-种型式的防滑链适用于该车驱动轮的-种型式的车轮和轮胎。汽车制造厂应详细说明适合该车的防滑链、轮胎和驱动轮的组合。(2)如果汽车是四轮驱动，包括那些-个驱动轴可以手动或 自动分离的汽车，汽车制造厂应在至少-个不能分离的驱动轴上，把汽车设计成至少有-种型式的防滑链适用于该车驱动轮的-种型式的车轮和轮胎。汽车制造厂应详细说明适合该车的防滑链 、轮胎和驱动轮组合和安装防滑链的驱动轮 。

与麦弗逊式前悬架连接的车轮为驱动轮 ，轮胎模型除考虑型号外，还需要考虑防滑链的应用策略及尺寸。在GB 7063-201 1O 5 O 5 O 5 O 5 O 0 9 9 8 8 7 7 6 - P) 州