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雙叉臂懸架空氣彈簧減振器總成下點(diǎn)連接形式的選取研究
2019-09-14 20:04:26· 來源：NGA集團(tuán)
摘要：文章主要對不同結(jié)構(gòu)形式的雙叉臂懸架建立了DMU模型，針對在懸架動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中滑柱總成旋轉(zhuǎn)角度差異進(jìn)行了仿真分析，并對該連接點(diǎn)使用襯套還是球銷的選取
摘要：文章主要對不同結(jié)構(gòu)形式的雙叉臂懸架建立了DMU模型，針對在懸架動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中滑柱總成旋轉(zhuǎn)角度差異進(jìn)行了仿真分析，并對該連接點(diǎn)使用襯套還是球銷的選取準(zhǔn)則進(jìn)行了闡述，為后續(xù)車型的開發(fā)提供了參考。
關(guān)鍵詞：雙叉臂；空氣彈簧；減振器；連接形式
引言
空氣彈簧是在一個(gè)密封容器中充入壓縮空氣，利用氣體可壓縮性實(shí)現(xiàn)其彈性作用?？諝鈴椈删哂休^理想的非線性彈性特性，乘坐舒適性好，配合傳感器和ECU后，根據(jù)不同路況和駕駛員主觀意愿進(jìn)行車身高度調(diào)節(jié)。一般應(yīng)用在豪華轎車或SUV上，如路虎攬勝、瑪莎拉蒂Levante、特斯拉Model X、蔚來ES8等。
配備空氣彈簧車輛的前懸架均為雙叉臂懸架，由空氣彈簧和減振器組成滑柱總成，其上端與車身連接，下端與下控制臂連接。但是在滑柱總成下端與下控制臂連接處，有的車型使用襯套連接，如圖1所示為沃爾沃XC 90的連接方式；有的車型使用球銷連接，如圖2所示為奔馳S級的連接方式。
圖1 沃爾沃XC 90前懸滑柱總成下端連接處及剖面圖
圖2 奔馳S級前懸滑柱總成下端連接處及剖面圖
本文針對不同形式的雙叉臂懸架進(jìn)行電子樣機(jī)(DMU) 運(yùn)動(dòng)分析，得到懸架運(yùn)動(dòng)過程中彈簧和減振器之間的相對旋轉(zhuǎn)角度，揭示了在滑柱總成下連接點(diǎn)處使用襯套或球銷連接的差異及其原因，并通過CAE仿真驗(yàn)證了使用球銷連接能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)空氣彈簧的目的。
一、雙叉臂懸架
目前乘用車的前懸架基本都是采用麥弗遜懸架和雙叉臂懸架。
傳統(tǒng)的麥弗遜懸架主要由彈簧和減振器構(gòu)成的滑柱總成、下控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)和穩(wěn)定桿系統(tǒng)組成。而雙叉臂懸架相比麥弗遜懸架多了一個(gè)上控制臂，不僅需要占用較大的空間，而且其定位參數(shù)較難確定，因此小型轎車的前橋出于空間和成本考慮一般不會(huì)采用此種懸架。但其具有側(cè)傾小、可調(diào)參數(shù)多、輪胎接地面積大、抓地性能優(yōu)等特點(diǎn)，因此絕大部分高性能車的前懸架均選用雙叉臂懸架。
雙叉臂懸架的下控制臂布置形式有兩種：一種為單個(gè)A形擺臂，內(nèi)側(cè)通過2個(gè)襯套與副車架連接，外側(cè)通過球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，如圖3所示的沃爾沃XC 90；另一種為2個(gè)一字臂，均是內(nèi)側(cè)通過襯套與副車架連接，外側(cè)通過球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，如圖4所示的奔馳S級。
圖3 沃爾沃XC 90雙叉臂前懸與下控制臂
圖4 奔馳S級雙叉臂前懸與下控制臂
這兩種下控制臂布置形式的區(qū)別主要體現(xiàn)在對主銷內(nèi)傾角和車輪旋轉(zhuǎn)力臂的影響上。
雙叉臂懸架的主銷上點(diǎn)為上控制外球銷點(diǎn)，主銷下點(diǎn)則不同。對于1個(gè)下控制臂來說，主銷下點(diǎn)是下控制臂的外球銷點(diǎn); 而對于2個(gè)下控制臂來說，主銷下點(diǎn)是2個(gè)下控制臂延長線的交點(diǎn)。由此可以看出，當(dāng)采用2個(gè)下控制臂布置形式時(shí)，在相同輪距的情況下可以實(shí)現(xiàn)更大的主銷內(nèi)傾角，從而提供更大的車輪回正力矩。
主銷是車輪轉(zhuǎn)向時(shí)的回轉(zhuǎn)中心，采用2個(gè)下控制臂布置形式，通過主銷下點(diǎn)的外移能夠縮短主銷與車輪中心間的距離，即減小了車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的力臂，使得轉(zhuǎn)向更加輕便。
二、DMU運(yùn)動(dòng)分析
懸架系統(tǒng)在車輛運(yùn)行過程中一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為了校核懸架系統(tǒng)在此過程中各零部件的相對位置關(guān)系，需要進(jìn)行DMU運(yùn)動(dòng)分析。
針對單個(gè)A形下控制臂的雙叉臂懸架，可以建立如圖5所示的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系。上控制臂和下控制臂均是內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)、外側(cè)球鉸；滑柱總成上下端均為U形，彈簧和減振器之間為圓柱; 轉(zhuǎn)向機(jī)相對整車坐標(biāo)系為滑動(dòng)，與轉(zhuǎn)向拉桿之間為U形，轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)之間為球鉸; 輪心與輔助塊之間為點(diǎn) 曲面，輔助塊相對整車坐標(biāo)系為Z向滑動(dòng)；穩(wěn)定桿 系統(tǒng)( 穩(wěn)定桿+穩(wěn)定桿連桿) 為隨動(dòng)系統(tǒng)，不影響 懸架運(yùn)動(dòng)軌跡，可忽略。
圖5 單個(gè)下控制臂雙叉臂懸架DMU模型
為了使機(jī)構(gòu)的位置得以確定，必須給定獨(dú)立的廣義坐標(biāo)的數(shù)目，稱為機(jī)構(gòu)的自由度，其數(shù)目常以F表示。表1為各連接點(diǎn)設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)副時(shí)具有的自由度，參考表1內(nèi)容對該系統(tǒng)進(jìn)行自由度計(jì)算：總共8個(gè)物體自由度共48，減去被各運(yùn)動(dòng)副約束的自由度46后，可得到F = 2，分別為輔助塊相對于坐標(biāo)系的Z向滑動(dòng)( 即輪跳) 和轉(zhuǎn)向齒條的橫向滑動(dòng)，符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
表1 不同運(yùn)動(dòng)副的空間自由度
記錄在懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中滑柱總成中彈簧和減振器之間的相對旋轉(zhuǎn)角度，如表2所示。
表2 單個(gè)下控制臂時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度
同理，針對2個(gè)下控制臂的雙叉臂懸架，可以建立如圖6 所示的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系。區(qū)別在于2個(gè)下控制臂均設(shè)置為內(nèi)側(cè)U 形、外側(cè)球鉸，系統(tǒng)各硬點(diǎn)位置、其他位置處運(yùn)動(dòng)副等均保持不變。仍然參考表1內(nèi)容對該系統(tǒng)進(jìn)行自由度計(jì)算：總共9個(gè)物體自由度共54，減去被各運(yùn)動(dòng)副約束的自由度52后，可得到F = 2不變，分別為輔助塊相對于坐標(biāo)系的Z向滑動(dòng)( 即輪跳) 和轉(zhuǎn)向齒條的橫向滑動(dòng)，符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
圖6 2個(gè)下控制臂雙叉臂懸架DMU模型
仍然記錄在懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中滑柱總成中彈簧和減振器之間的相對旋轉(zhuǎn)角度，如表3所示。
表3 2個(gè)下控制臂時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度
對比表2和表3的結(jié)果可以看到，2個(gè)下控制臂時(shí)滑柱總成中彈簧和減振器之間的相對旋轉(zhuǎn)角度范圍會(huì)顯著大于單個(gè)下控制臂時(shí)，從4.2 °左右( 從-1.5 ° ～ 2.7 °) 激增至18.3 ° 左右( 從-12.9 ° ～ 5.4 °) 。
有別于麥弗遜懸架中的滑柱總成，雙叉臂懸架中的滑柱總成中并不含有軸承結(jié)構(gòu)，彈簧和減振器之間無法任意進(jìn)行相對旋轉(zhuǎn)。而滑柱上端通過安裝支座與車身固聯(lián)，所以該轉(zhuǎn)角只能由滑柱總成下端連接處實(shí)現(xiàn)。
普通的螺旋彈簧在徑向上剛度足夠大，完全具備承受扭轉(zhuǎn)力矩的能力，此時(shí)通過滑柱總成下端連接點(diǎn)處的襯套變形來實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)角沒有問題。但是，空氣彈簧受本身特性的限制卻無法承受扭轉(zhuǎn)力矩?？諝鈴椈傻臍饽彝獗砻嬗赡移そM成，一旦承受扭轉(zhuǎn)力矩便容易產(chǎn)生撕裂，導(dǎo)致空氣彈簧 漏氣失效，喪失功能。此時(shí)滑柱總成下端連接點(diǎn) 處不能再使用襯套而必須使用球銷。
綜上所述，當(dāng)使用螺旋彈簧時(shí)，雙叉臂懸架無論是單個(gè)下控制臂還是2個(gè)下控制臂，滑柱總成下端連接處都可以使用襯套。而當(dāng)使用空氣彈簧時(shí)，則需視情況而定：單個(gè)下控制臂時(shí)旋轉(zhuǎn)角度很小，彈簧需要承受的扭轉(zhuǎn)力矩也很小，仍可使用襯套，如上文中的沃爾沃XC 90；2個(gè)下控制臂時(shí)旋轉(zhuǎn)角度較大，為避免彈簧承受扭轉(zhuǎn)力矩，則需在滑柱總成下端連接處使用球銷，如上文中的奔馳S級。
三、CAE仿真校核
當(dāng)確認(rèn)了使用圖7所示的球銷之后，需要通過CAE仿真分析來驗(yàn)證空氣彈簧是否只扭轉(zhuǎn)了很小的角度。在CAE模型中，輸入球銷和空氣彈簧的剛度特性，觀察在懸架動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中，繞滑柱總成的軸線方向，滑柱總成相對于車身旋轉(zhuǎn)了多少度，其中有多少由球銷旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)、多少通過空氣彈簧的自身扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。
圖7 球銷剖面圖
從表3可以看出，當(dāng)某側(cè)車輪作為內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)向時(shí)情況更惡劣，即滑柱總成轉(zhuǎn)過的角度更大。所以，針對內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向上下全行程輪跳的工況進(jìn)行CAE分析，結(jié)果如圖8所示。圖中縱坐標(biāo)為角度，橫坐標(biāo)“a－b”中的a代表輪跳百分比( “+”為上跳、“－”為下跳) ，b代表轉(zhuǎn)向百分比。
圖8 轉(zhuǎn)角分配情況
由圖8可知，在懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中，滑柱總成旋轉(zhuǎn)角度中的絕大部分都由球銷旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，空氣彈簧的扭轉(zhuǎn)角度一直維持在1°以下，在空氣彈簧可以承受的范圍內(nèi)，沒有風(fēng)險(xiǎn)。
四、結(jié)語
在相同硬點(diǎn)布置的前提下，2個(gè)下控制臂形式的雙叉臂懸架相比單個(gè)下控制臂形式，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的主銷內(nèi)傾角和更輕便的轉(zhuǎn)向。但是，滑柱總成會(huì)承擔(dān)更大的扭轉(zhuǎn)角度。
普通的螺旋彈簧可以承受扭轉(zhuǎn)力矩，但如果使用了空氣彈簧，則必須在滑柱總成下端和下控制臂連接位置處使用球銷而不能使用襯套，使得通過球銷轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)角，而空氣彈簧僅承受極小的扭矩，從而防止空氣彈簧囊皮受損而失效。
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