□ 劉保鋒

三一建筑機(jī)器人(西安)研究院有限公司 西安 710200

1 研究背景

鋼板彈簧的運(yùn)動學(xué)特性影響汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性,懸架與轉(zhuǎn)向系匹配不合理,將會導(dǎo)致整車發(fā)生運(yùn)動干涉[1-2]。鋼板彈簧運(yùn)動學(xué)特性研究的主要目的是獲取鋼板彈簧運(yùn)動軌跡中心坐標(biāo)及軌跡半徑,校核理論計(jì)算結(jié)果[3],同時修正計(jì)算機(jī)輔助工程仿真模型,最終獲得可用于懸架運(yùn)動學(xué)分析與優(yōu)化的理論計(jì)算模型和計(jì)算機(jī)輔助工程仿真模型。目前有關(guān)鋼板彈簧的運(yùn)動學(xué)研究主要集中在解析算法[3]、懸架運(yùn)動學(xué)及柔順性仿真分析[4-6],試驗(yàn)驗(yàn)證方案較少,對于多片簧鋼板彈簧與少片簧鋼板彈簧運(yùn)動軌跡理論計(jì)算結(jié)果的差異性和準(zhǔn)確性未知。

筆者通過臺架試驗(yàn)、理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)輔助工程分析方法,分別對多片簧鋼板彈簧和少片簧鋼板彈簧主片中心運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析,確定理論模型的適用性,同時修正計(jì)算機(jī)輔助工程分析模型,對轉(zhuǎn)向搖臂下球鉸點(diǎn)的布置提出合理建議。鋼板彈簧運(yùn)動學(xué)特性研究思路如圖1所示。

▲圖1 鋼板彈簧運(yùn)動學(xué)特性研究思路

2 理論計(jì)算

對鋼板彈簧進(jìn)行運(yùn)動學(xué)特征分析,最常用的方法是采用美國汽車工程協(xié)會圓弧理論。這一理論提供了鋼板彈簧中心點(diǎn)近似運(yùn)動軌跡,可以進(jìn)行二維校核計(jì)算。美國汽車工程協(xié)會圓弧理論為:鋼板彈簧第一片中心軌跡可以用以3l/4為半徑,圓心位于比主卷耳中心高r/2的圓弧來近似描述[7-8],l為鋼板彈簧的半長,r為主片中心線處卷耳半徑,如圖2所示。

▲圖2 美國汽車工程協(xié)會圓弧理論

市場上主要的鋼板彈簧類型有兩種,為多片簧和少片簧[9]。為分析美國汽車工程協(xié)會圓弧理論的適用范圍,選擇兩種多片簧鋼板彈簧和三種少片簧鋼板彈簧,對鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心坐標(biāo)和軌跡半徑進(jìn)行理論計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表1。坐標(biāo)原點(diǎn)為鋼板彈簧主卷耳中心,X軸平行于汽車縱向指向后方,Z軸垂直于地面指向上方。

表1 圓弧理論計(jì)算結(jié)果

3 試驗(yàn)

搭建鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心專用試驗(yàn)臺,如圖3所示。確?？v梁、前卷耳、吊耳板、鋼板彈簧夾板與實(shí)車位置及安裝姿態(tài)一致,在縱梁、卷耳中心、主片中心粘貼反射片,通過三維激光掃描儀獲取反射片坐標(biāo)。將鋼板彈簧安裝在試驗(yàn)臺上,檢查U形螺栓、卷耳、吊耳板處的螺栓扭矩,保證與設(shè)計(jì)值一致。將鋼板彈簧由自由狀態(tài)加載至滿載狀態(tài),重復(fù)三次,消除裝配間隙。通過作動器加載,獲取鋼板彈簧豎直載荷與位移關(guān)系曲線,擬合得出鋼板彈簧剛度。通過與設(shè)計(jì)剛度進(jìn)行對比,判斷鋼板彈簧及臺架是否符合技術(shù)條件。

確認(rèn)五種鋼板彈簧滿足技術(shù)條件后,通過作動器加載,加載順序?yàn)樽杂蔂顟B(tài)、極限位置、自由狀態(tài),加載位移見表2。分別測量鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心坐標(biāo)和軌跡半徑,測量結(jié)果見表3。

▲圖3 鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心專用試驗(yàn)臺

表2 加載位移

表3 鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡測量結(jié)果

4 理論計(jì)算與試驗(yàn)對比

將美國汽車工程協(xié)會圓弧理論計(jì)算結(jié)果與臺架試驗(yàn)所得鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心進(jìn)行對比。臺架試驗(yàn)共測試五種鋼板彈簧,每種鋼板彈簧共三件樣件,重復(fù)測量兩次。多片簧鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心對比結(jié)果如圖4所示。由圖4可以發(fā)現(xiàn),多片簧鋼板彈簧理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果偏差主要為半徑偏差。少片簧鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心對比結(jié)果如圖5所示。由圖5可以發(fā)現(xiàn),少片簧鋼板彈簧理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果偏差主要為角度偏差。

通過構(gòu)建理論模型分析角度偏差、半徑偏差導(dǎo)致的懸架系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干涉量的影響,如圖6所示。由圖6可以確定,角度偏差引起的干涉量大,半徑偏差引起的干涉量小。因此,試驗(yàn)點(diǎn)與理論計(jì)算點(diǎn)有偏差時,試驗(yàn)點(diǎn)在理論計(jì)算點(diǎn)與鋼板彈簧主片中心連線上時,導(dǎo)致的干涉量最小。

▲圖4 多片簧鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心對比

▲圖5 少片簧鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心對比

▲圖6 偏差對干涉量影響

5 圓弧理論適用范圍分析

根據(jù)理論分析結(jié)果可以確定,懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干涉量主要由鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心角度偏差引起。為了尋求少片簧鋼板彈簧與多片簧鋼板彈簧角度偏差規(guī)律,并獲得修正數(shù)值,筆者對理論計(jì)算與試驗(yàn)角度偏差結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖7所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,多片簧鋼板彈簧理論計(jì)算與試驗(yàn)角度偏差處于0°～0.3°,懸架系統(tǒng)匹配時可以直接使用美國汽車工程協(xié)會圓弧理論進(jìn)行計(jì)算;少片簧鋼板彈簧理論計(jì)算與試驗(yàn)角度偏差處于0.5°～1°,設(shè)計(jì)時需要對美國汽車工程協(xié)會圓弧理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

▲圖7 角度偏差理論計(jì)算與試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

6 仿真分析

鋼板彈簧建模時,對鋼板彈簧進(jìn)行逆向掃描,得到鋼板彈簧安裝狀態(tài)和自由狀態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù),根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立鋼板彈簧三維模型;依據(jù)自由狀態(tài)下鋼板彈簧的形狀得到控制點(diǎn)坐標(biāo),根據(jù)控制點(diǎn)坐標(biāo)在ADAMS軟件中建立鋼板彈簧模型;通過參數(shù)優(yōu)化,完成模型修正[10-11]。鋼板彈簧軌跡ADAMS軟件分析模型如圖8所示。以少片簧鋼板彈簧1為例,對美國汽車工程協(xié)會圓弧理論計(jì)算、ADAMS軟件仿真、臺架試驗(yàn)得到的鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心進(jìn)行對比,結(jié)果如圖9所示。由圖9可以發(fā)現(xiàn),ADAMS軟件仿真得到的鋼板彈簧主片運(yùn)動軌跡中心與試驗(yàn)高度符合,因此在后續(xù)車輛懸架系統(tǒng)仿真或進(jìn)行問題整改時,可以直接使用這一模型。

▲圖8 鋼板彈簧軌跡ADAMS軟件分析模型

▲圖9 少片簧鋼板彈簧1主片運(yùn)動軌跡中心對比結(jié)果

7 結(jié)束語

筆者利用臺架試驗(yàn)、美國汽車工程協(xié)會圓弧理論對兩種多片簧鋼板彈簧、三種少片簧鋼板彈簧的主片運(yùn)動軌跡中心進(jìn)行分析,結(jié)果表明,多片簧鋼板彈簧理論計(jì)算與試驗(yàn)偏差為半徑偏差,少片簧鋼板彈簧理論計(jì)算與試驗(yàn)偏差為角度偏差,角度偏差引起的干涉量大,半徑偏差引起的干涉量小。多片簧鋼板彈簧主片理論運(yùn)動軌跡中心與試驗(yàn)符合,懸架系統(tǒng)匹配時可以直接使用美國汽車工程協(xié)會圓弧理論進(jìn)行計(jì)算。少片簧鋼板彈簧主片理論運(yùn)動軌跡中心與試驗(yàn)偏差較大,設(shè)計(jì)時需要對美國汽車工程協(xié)會圓弧理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置過程中,應(yīng)保證轉(zhuǎn)向懸架干涉量最小。對于多片簧鋼板彈簧,轉(zhuǎn)向搖臂下球鉸點(diǎn)布置在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸點(diǎn)與鋼板彈簧主片理論運(yùn)動軌跡中心連線上。對于少片簧鋼板彈簧,轉(zhuǎn)向搖臂下球鉸點(diǎn)布置在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸點(diǎn)與鋼板彈簧主片理論運(yùn)動軌跡中心連線偏0.5°～1°范圍內(nèi)。

通過ADAMS軟件建模,確保仿真結(jié)果與臺架試驗(yàn)結(jié)果一致后,可對不同懸架高度及鋼板彈簧制動縱扭工況對懸架系統(tǒng)干涉的影響做進(jìn)一步分析,為設(shè)計(jì)人員分析校核提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。