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懸架襯套剛度對硬點(diǎn)載荷的影響規(guī)律研究

2013-08-22 07:34:46白坤海
制造業(yè)自動化 2013年1期
關(guān)鍵詞:連接點(diǎn)襯套懸架

白坤海

(淄博職業(yè)學(xué)院 教務(wù)科研處,淄博 255314)

0 引言

汽車懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)連接處越來越多地使用了橡膠襯套,研究表明,由這些襯套的非線性剛度對汽車的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性、制動性和NVH等均有顯著影響,這些方面吸引了越來越多的專家學(xué)者的關(guān)注。研究涵蓋了橡膠襯套非線性剛度模擬、橡膠襯套對懸架操控性的靈敏度分析、襯套對汽車NVH的影響等眾多方面。國外汽車公司在橡膠襯套選型、剛度匹配等方面有著完善的流程和規(guī)范。近年來,國內(nèi)汽車公司在該領(lǐng)域也有著長足的進(jìn)步,正在形成或已初步建立自己的標(biāo)準(zhǔn)體系。

另一方面,汽車在行駛過程中,橡膠襯套又起到載荷傳遞作用,如果把汽車看成一個多體系統(tǒng)的話,顯然橡膠襯套剛度的變化必然會導(dǎo)致該系統(tǒng)中各連接點(diǎn)載荷的變化,而載荷的變化會影響到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其耐久性。

一般來說,動力學(xué)分析工程師關(guān)注的焦點(diǎn)是懸架K&C和整車操縱穩(wěn)定性和平順性;在載荷明確的前提下,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或耐久性分析工程師關(guān)注的是結(jié)構(gòu)本身的完整性。由于專業(yè)分工的原因,橡膠襯套對懸架硬點(diǎn)載荷的影響經(jīng)常會被設(shè)計(或CAE分析)人員所忽視。

一般來說,在懸架設(shè)計初期,襯套剛度經(jīng)常不確定,在設(shè)計過程及后期調(diào)校過程中,還會經(jīng)常改變襯套的剛度。分析人員又難以把握襯套剛度對所計算載荷的影響程度,導(dǎo)致載荷計算結(jié)果的精確度難以保證。

由此可見,開展這方面的研究工作,特別是找到不同懸架形式的襯套剛度參數(shù)對載荷的影響關(guān)系是非常必要的。

1 問題描述

以MacPherson形式前懸架系統(tǒng)為例,其構(gòu)成主要包括:車架、懸架、車輪、制動和轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)。

本文研究對象為下控制臂,示意圖如圖1所示。該控制臂通過兩個連接襯套(圖中標(biāo)記1、2位置)與副車架連接,為描述方便,1點(diǎn)和2點(diǎn)分別稱為控制臂前點(diǎn)和后點(diǎn);另一端通過球銷(在圖中標(biāo)記3的位置)與轉(zhuǎn)向節(jié)連接。

當(dāng)車輛經(jīng)過不規(guī)則路面時,地面載荷通過襯套傳遞到車架上,同時襯套也會發(fā)生平移及扭轉(zhuǎn)變形,分別在圖1中1、2位置產(chǎn)生6個方向的載荷[1]。同時,控制臂在3點(diǎn)位置受到3個方向載荷作用(因球銷連接,無扭矩產(chǎn)生。

控制臂在3個連接點(diǎn)及慣性載荷作用下,將產(chǎn)生應(yīng)力和變形。在控制臂設(shè)計過程中,通常用多體動力學(xué)方法計算出各連接點(diǎn)的載荷,之后采用有限元分析軟件,計算出控制臂的應(yīng)力分布,以驗證其是否滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

本文研究采用Adams軟件,重點(diǎn)分析控制臂連接襯套剛度對其連接點(diǎn)載荷的影響規(guī)律,為強(qiáng)度分析提供依據(jù)。

圖1 控制臂結(jié)構(gòu)示意圖

2 懸架連接襯套剛度

在設(shè)計階段,懸架連接襯套剛度獲取方法通常有以下三種。

1)同平臺車型沿用襯套剛度數(shù)據(jù)的借鑒;

2)獲取Benchmark樣車襯套剛度試驗數(shù)據(jù);

3)有限元仿真。

前兩種方法取決于汽車設(shè)計公司數(shù)據(jù)庫的積累和試驗?zāi)芰?,這里不再贅述。隨著有限元技術(shù)應(yīng)用日益廣泛,近年來,采用有限元方法模擬橡膠襯套剛度的應(yīng)用越來越多。

通常對于橡膠類材料,不用楊氏模量和泊松比表示應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,而用應(yīng)變能來表達(dá)其本構(gòu)關(guān)系,此函數(shù)形式及其所包含的參數(shù)需要由試驗確定。橡膠本構(gòu)關(guān)系中應(yīng)變能函數(shù)形式包含:Arruda-Boyce、Marlow、Mooney-Rivlin、Neo-Hookean、Ogden、Polynomial、Reduced Polynomial、Van der Waals、Yeoh等多種形式[2]。

在具備橡膠材料試驗參數(shù)的條件下,雖然可以采用適當(dāng)?shù)哪P陀嬎愠鲆r套的剛度結(jié)果。但是,由于技術(shù)和設(shè)備的原因,一般的襯套供應(yīng)商和汽車企業(yè)很難獲取這些材料數(shù)據(jù)。如果在已知某(些)方向剛度特性時,可以計算模擬得出其它方向剛度,通常可以用在橡膠襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計或者試驗曲線不完備的情況下[3]。圖2結(jié)果顯示的是根據(jù)某方向襯套剛度的設(shè)計值,應(yīng)用Mooney-Rivlin模型模擬其他方向的剛度結(jié)果,結(jié)果表明二者有很好的一致性。

圖2 橡膠襯套剛度對比曲線

3 懸架連接襯套剛度對連接點(diǎn)載荷的影響分析

如圖3所示為某車型前懸架模型,控制臂為研究對象,進(jìn)行如下分析。以控制臂后連接點(diǎn)襯套作為參考基準(zhǔn),分別改變前點(diǎn)x、y和z向平動剛度,計算得到控制臂3個連接點(diǎn)載荷,并進(jìn)行對比分析。前點(diǎn)和后點(diǎn)的剛度比值依次為:1/5、1/4、1/3、1/2、1、2、3、4、5。分析工況包括:制動(brake)、駐車啟動(Standing start)、轉(zhuǎn)向(Corner)和垂直起跳(Bump)。

圖3 前懸架系統(tǒng)動力學(xué)模型

結(jié)合Adams分析,可以很容易得到改變各方向剛度對不同工況連接點(diǎn)載荷的影響規(guī)律[4],圖4僅給出了改變控制臂前點(diǎn)x向剛度對制動工況連接點(diǎn)載荷的影響曲線。

圖4 Brake工況控制臂連接點(diǎn)載荷

表1 襯套剛度等對懸架載荷的影響程度匯總

計算結(jié)果表明,無論是改變控制臂連接襯套剛度,還是改變上限位緩沖塊參數(shù),對控制臂連接點(diǎn)輸出載荷均有不同程度的影響,為了便于比較,影響程度的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。表中顏色標(biāo)記表示參數(shù)改變對載荷有影響,影響的程度用有顏色方格的數(shù)量表示,如1個顏色方格代表有很小的影響,而5個顏色方格代表有很大的影響。

根據(jù)表1的統(tǒng)計結(jié)果可知:

1)改變控制臂連接點(diǎn)x向剛度對所有工況的x向載荷影響顯著、對y向和z向載荷影響較??;

2)改變控制臂連接點(diǎn)y向和z向剛度,對控制臂連接點(diǎn)載荷影響較小。

除此之外,如圖4(a)所示,控制臂前后點(diǎn)載荷變化遵循一定的規(guī)律,在不同的剛度比下,其載荷變化規(guī)律是相反的,而且二者的代數(shù)和接近恒定,原因如下:

應(yīng)用Adams進(jìn)行硬點(diǎn)載荷計算時遵循達(dá)朗伯原理[1],以圖1所示的控制臂作為研究對象,有如下關(guān)系成立:

改變控制臂前后連接襯套剛度,不會影響懸架結(jié)構(gòu)本身的變化,因而,球銷(3點(diǎn))載荷和慣性載荷變化很小,可以忽略不計。因此,可以粗略判斷1、2點(diǎn)x向載荷的和保持不變,如圖4(a)所示。

4 結(jié)論

以MaPherson懸架為例、研究了控制臂襯套剛度對連接點(diǎn)載荷的影響規(guī)律,結(jié)果表明,x向剛度對x向載荷影響顯著,其它情況影響較小。由于懸架結(jié)構(gòu)形式的多樣性和差異性,本分析結(jié)論不具備通用性,但分析方法對其他形式的懸架系統(tǒng)依然有效。

[1] 雷雨成,李峰.橡膠襯套剛度對懸架系統(tǒng)影響的研究[J].上海汽車,2006(11).

[2] 趙振東,雷雨成,袁學(xué)明.汽車懸架橡膠襯套剛度的優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2006(2).

[3] Dae-Un Sung,Gi-Seob Jeong and Sang-Gun Joo.An Integrated Approach to the Development of Suspension Rubber Bushings[J].SAE.:2006-01-1623.

[4] 胡培龍,上官文斌.汽車懸架橡膠襯套靜剛度設(shè)計方法[J].機(jī)械設(shè)計,2011(3).

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