謝小健

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，深圳 518122）

ADAMS-VIEW在汽車轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析中的應(yīng)用

謝小健

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，深圳 518122）

以某中型載貨車為例，應(yīng)用ADAMS分析軟件的VIEW模塊，通過建立轉(zhuǎn)向-前懸掛系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，找出干涉的原因，提出有效的解決方法，從而解決底盤設(shè)計(jì)中存在的干涉問題。

ADAMS；汽車；轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)分析；應(yīng)用

CLC NO.:U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-166-04

前言

ADAMS即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，它能分析二維、三維、開環(huán)或閉環(huán)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)問題。ADAMS/VIEW模塊是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊，它是以用戶為中心的將簡(jiǎn)化的圖標(biāo)、菜單、鼠標(biāo)點(diǎn)取操縱與交互式圖形建模、仿真計(jì)算、動(dòng)畫顯示、曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等完美的集成在一起的交互式圖形環(huán)境。

在進(jìn)行汽車底盤設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止運(yùn)動(dòng)干涉，需要對(duì)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核。需要進(jìn)行的工作主要包括：轉(zhuǎn)向輪跳動(dòng)圖；傳動(dòng)軸跳動(dòng)圖；轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置與懸架的干涉轉(zhuǎn)向校核圖；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間隙校核圖；駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)校核圖；換擋操縱機(jī)構(gòu)校核圖等。目前一般綜合運(yùn)用二維和三維分析的方法來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核。但有時(shí)運(yùn)用二維和三維分析方法校核，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，準(zhǔn)確性差，很難達(dá)到理想結(jié)果。

轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)的建模方法主要包括解析法與多體動(dòng)力學(xué)分析法。解析法包括平面解析幾何法與空間解析幾何法兩類。由于懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，因此利用解析法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)不便于綜合考慮二者的相互作用。多體系統(tǒng)多力學(xué)分析法在汽車、航天、機(jī)器人等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣的多體軟件是ADAMS，ADAMS是虛擬樣機(jī)領(lǐng)域非常優(yōu)秀的軟件，它能根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)建造仿真虛擬樣機(jī)，在物理樣機(jī)建造之前分析出系統(tǒng)的工作性能，并能方便地改進(jìn)和優(yōu)化。

本文以某中型載貨車為例，應(yīng)用ADAMS分析軟件的VIEW模塊，通過建立轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，找出干涉的原因，提出有效的解決方法，從而解決底盤設(shè)計(jì)中存在的干涉問題。

1、轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及液壓助力系統(tǒng)構(gòu)成。由方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、方向機(jī)、轉(zhuǎn)向垂臂、轉(zhuǎn)向直拉桿以及轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)一起構(gòu)成機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向軸通過扭桿與循環(huán)球螺桿連接,并驅(qū)動(dòng)循環(huán)球螺母，將方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。螺母表面有齒槽，齒槽與轉(zhuǎn)向垂臂上的齒扇連接，驅(qū)動(dòng)垂臂轉(zhuǎn)動(dòng)，垂臂通過轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

載貨汽車前懸架一般都是縱置鋼板彈簧的非獨(dú)立懸架，其左、右前輪通過轉(zhuǎn)向節(jié)和主銷安裝在一根工字梁整體式前軸上，該前軸通過鋼板彈簧安裝在車架上。如圖1所示，是轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。其中，方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、方向機(jī)等在圖中并未羅列出來。

圖1 轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2、研究對(duì)象

在汽車的行駛過程中，在車輛跳動(dòng)極限和轉(zhuǎn)向極限范圍內(nèi)，懸架運(yùn)動(dòng)件之間不能產(chǎn)生干涉，且保持一定的間隙，以保證汽車行駛的安全性及操縱穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)向-前懸架運(yùn)動(dòng)校核主要是分析懸架在上跳左轉(zhuǎn)極限、上跳右轉(zhuǎn)極限、下跳左轉(zhuǎn)極限、下跳右轉(zhuǎn)極限四個(gè)狀態(tài)下，懸架各運(yùn)動(dòng)件的干涉情況。

樣車經(jīng)過路試發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向沉重，方向盤不能打到位。通過分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向時(shí)，前懸架的減振器下安裝座跟梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿發(fā)生干涉。

3、建立轉(zhuǎn)向-前懸架運(yùn)動(dòng)分析模型

由于減振器下安裝座是鋼板彈簧總成底端那片板簧的一端。這片板簧很短且大部分是固定在工字梁上，所以變形量很小。分析時(shí)，先理想假定減振器下安裝座位置相對(duì)于工字梁在垂直方向上是不變的。并且轉(zhuǎn)向橋是通過U型螺栓固定在板簧中間段上的，因此不考慮輪跳產(chǎn)生的影響，只對(duì)轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向極限的分析。這樣，建立轉(zhuǎn)向-前懸架運(yùn)動(dòng)分析模型就簡(jiǎn)單多了。

首先，把轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)零部件導(dǎo)入到ADAMS-VIEW中，導(dǎo)入時(shí)不要進(jìn)行移位。設(shè)置重力方向沿Z軸向下，這樣模型坐標(biāo)系就跟數(shù)模上的一樣，坐標(biāo)系原點(diǎn)為整車坐標(biāo)原點(diǎn)。車架上翼面為XY平面，車輛縱向?qū)ΨQ面為XZ平面，通過前輪輪心連線并且與XY平面垂直的平面為YZ平面；同時(shí)車輛后退方向?yàn)閄軸正方向，Y軸正方向指向駕駛員左側(cè)，Z軸正方向垂直向上。

通過CAD（三維）軟件獲得模型所用的坐標(biāo)值，建立依附于相應(yīng)零部件的marker點(diǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)各個(gè)零部件之間的傳動(dòng)關(guān)系添加運(yùn)動(dòng)副連接。其連接關(guān)系如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)零部件連接關(guān)系

這里，為了簡(jiǎn)化模型，減少不必要的約束和部件，把轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、梯形臂和梯形機(jī)構(gòu)處的球銷歸入到左輪轂；把轉(zhuǎn)向節(jié)、梯形臂和梯形機(jī)構(gòu)處的球銷歸入到右輪轂；把工字梁歸入到前懸架總成去。表1所列的正是簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)零部件連接關(guān)系。整個(gè)轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)共8個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，3個(gè)旋轉(zhuǎn)副，3個(gè)固定副，4個(gè)球副。

由此可計(jì)算轉(zhuǎn)向-前懸架模型自由度為：

轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)模型共有3個(gè)自由度，自由度校驗(yàn)合格，即左右車輪的1個(gè)轉(zhuǎn)向自由度和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。轉(zhuǎn)向-前懸架模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)模型

4、轉(zhuǎn)向-前懸架系統(tǒng)仿真分析

通過該車型設(shè)計(jì)任務(wù)書可知，該車型左側(cè)內(nèi)前轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角為31°，外前轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角為37°。將此轉(zhuǎn)向極限理論值，通過轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)向垂臂轉(zhuǎn)動(dòng)的極限值。設(shè)定仿真時(shí)間為5s，從而，在轉(zhuǎn)向垂臂和ground的轉(zhuǎn)動(dòng)副施加驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：STEP ( time, 0, 0, 1, 37.5237d ) +STEP (time,1,0,2,-70.1903d)+STEP(time,2,0,3,70.1903d)+STEP(time, 3,0,4,-70.1903d)+STEP( time, 4,0,5,70.1903d)。分析時(shí)，取順時(shí)針為正。在該驅(qū)動(dòng)函數(shù)作用下，左側(cè)內(nèi)前轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角為31°，外前轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角為37°。圖3所示為左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖3 左、右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化關(guān)系

從圖3可以得出左、右轉(zhuǎn)向時(shí)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，如表2所示。

表2 左、右轉(zhuǎn)向時(shí)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角

從表2可看出，左、右轉(zhuǎn)向時(shí)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角是存在差異的，也就是說內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系是不符合阿克曼原理的，有一定的偏差。此車型的轉(zhuǎn)向梯形不能完全滿足阿克曼原理，實(shí)際的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角曲線是介于阿克曼曲線和平行轉(zhuǎn)向曲線之間的。目前汽車上普遍采用轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向過程中，無法保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系無法始終滿足阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系，只是在常用小轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)比較接近。其實(shí)，現(xiàn)代汽車內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角并不完全符合阿克曼關(guān)系式。這是篇外話，本文不作詳細(xì)討論。

仿真結(jié)束后，測(cè)量前懸架的左、右減振器下安裝座與梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿的碰撞力以及它們間的間隙如圖4、5所示。

圖4 左、右安裝座與橫拉桿的碰撞力

圖5 左、右安裝座與橫拉桿的間隙

從圖4、5可以得出左、右安裝座與橫拉桿的碰撞力和最小間隙，如表3所示。

表3 左、右安裝座與橫拉桿的碰撞力和最小間隙

從表3可以看出，前懸架的左、右減振器下安裝座與梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿并未發(fā)生碰撞（干涉），但是它們之間的最小間隙非常小，在1mm左右。1mm左右的間隙量是在假定減振器下安裝座位置相對(duì)于工字梁在垂直方向上是不變的情況下分析出來的。實(shí)際上汽車發(fā)生輪跳運(yùn)動(dòng)時(shí)，板簧懸架也會(huì)跟著變形，因此減振器下安裝座垂直位置是會(huì)變的。尤其是在滿載情況下，變形最大。再加上制造誤差，1mm左右的間隙根本不管用，干涉也就很自然的事了。在理想假定減振器下安裝座位置相對(duì)于工字梁在垂直方向上是不變的情況下，這里的最小間隙量一般要求在5mm以上。

汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與懸架系統(tǒng)之間的運(yùn)動(dòng)干涉將引起行駛中車輪擺振和輪胎異常磨損、制動(dòng)時(shí)的干涉跑偏、以及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性變差等，重型車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)為后置整體式梯形結(jié)構(gòu)，懸架為縱置鋼板彈簧懸架系統(tǒng)，干涉問題尤為突出。

5、干涉問題分析處理

由于整車布置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)型式和懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制，有時(shí)不可能完全消除其干涉量，只有盡可能地將其干涉量減小。這可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)向彎臂與縱拉桿相連的鉸接點(diǎn)或縱拉桿與轉(zhuǎn)向垂臂鉸接點(diǎn)的位置以及轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)和板簧懸架的相對(duì)位置得以實(shí)現(xiàn)。

這里有兩種處理方案，一是把減振器下安裝座往汽車前進(jìn)方向移動(dòng)一定距離；二是把轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿下移一定距離。前者主要受減振器下安裝座和工字梁的空間位置的限制，后者主要受整車最小離地間隙和轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的布置的限制。對(duì)這兩種處理方案本文將一一分析，并分析這兩種方案的可行性。

5.1 改變減振器下安裝座位置

圖6 左、右安裝座與工字梁間隙

實(shí)施此方案之前，減振器下安裝座距工字梁最小間隙為47.12mm，現(xiàn)減振器下安裝座往汽車前進(jìn)方向移動(dòng)20mm，此時(shí)，減振器下安裝座距工字梁最小間隙為27.12mm，如圖6所示。其余參數(shù)保持和原來一樣。

仿真結(jié)束后，測(cè)量前懸架左、右減振器下安裝座與梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿的間隙如圖7所示。

圖7 左、右安裝座與橫拉桿的間隙

從圖7可以得出左、右安裝座與橫拉桿的最小間隙，如表4所示。

表4 左、右安裝座與橫拉桿的最小間隙

從表4可以看出，效果不明顯：減振器下安裝座往汽車前進(jìn)方向移動(dòng)20mm，最小間隙只增加1mm左右。此時(shí)，左、右減振器下安裝座與工字梁間隙已非常有限，這方案不太可取。

5.2 改變轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿位置

現(xiàn)把轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿垂直下移5mm，這時(shí)橫拉桿的離地距離大于最小離地距離，且符合國(guó)家最小離地間隙的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。不過此方案，要對(duì)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新調(diào)校，以免改變內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。仿真結(jié)束后，測(cè)量前懸架的左、右減振器下安裝座與梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿的間隙如圖8所示。

圖8 左、右安裝座與橫拉桿的間隙

從圖8可以得出左、右安裝座與橫拉桿的最小間隙，如表5所示。

表5 左、右安裝座與橫拉桿的最小間隙

從表5可以看出，前懸架的左、右減振器下安裝座與梯形機(jī)構(gòu)的橫拉桿的最小間隙都在5mm在上，達(dá)到預(yù)期的效果。這種方案不會(huì)產(chǎn)生其他問題，相對(duì)于第一種方案來說，是比較理想的。

6、結(jié)論

本文針對(duì)某中型載貨汽車，因轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)干涉，造成車輛轉(zhuǎn)向沉重，方向盤不能打到位的問題，借助ADAMS軟件的VIEW模塊，使問題徹底解決，試驗(yàn)驗(yàn)證效果良好，消除了車輛行駛安全隱患。該文采用的方法和結(jié)論對(duì)類似設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。另外，除了本文介紹的VIEW模塊，ADAMS的CAR、INSIGHT和CHASSIS等專業(yè)模塊在汽車領(lǐng)域應(yīng)用非常多。

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The ADAMS-VIEW Application In The Kinematic Analysis Of Steering-front Suspension System

Xie Xiaojian
（BYD Auto Industry Company Limited, Shenzhen 518118）

Taking a medium trucks for example, utilizing the VIEW module of ADAMS software, by means of the establishment of steering-front suspension system simulation model, the kinematic characteristics of steering-front suspension system was simulated and analyzed, the cause of the interference was found out, the effective solution was put forward, thereby the problems of interference in the design of the chassis was solved.

ADAMS; car; steering-front suspension system; kinematic analysis; application

U463.4

A

1671-7988 (2017)08-166-04

謝小健（1987-），男，本科，就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司。從事汽車底盤產(chǎn)品開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.056