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1、CAE技术在板簧式悬架设计中的应用2010年 01 月 11 日 MSC 1 概述我公司最新开发的微车中都采用纵置板簧式后悬架，由于板簧式悬架刚度具有明显的非线性特点，板簧的参数和运动轨迹等因素对悬架性能影响很大，以及现有的板簧检测方式与实车安装差别很大等因素使板簧式悬架的设计产生了较大的困难。由于计算机硬件和建模软件解算能力的实质性改善，CAE 技术为复杂机械系统的机构设计、分析，以及优化提供了有力支持。本文利用多体动力学分析软件MSC ADAMS，建立了长安汽车公司某车型板簧式后悬架动态特性仿真模型，并利用软件提供的强大的动力学分析以及参数化建模功能，进行了模型的工程应用探讨，为板簧式悬架
2、的布置和设计提供了有力支持。2 板簧式悬架的设计难点最新开发的微车都采用的是纵置对称钢板弹簧式后悬架，图 1 是某车型的板簧式悬架运动行程的设计图，以往按照图中设计值进行板簧式悬架的布置时，经常发现样车的运动行程与设计值差别很大，悬架的K&C 特性也与设计值出入很大，排除制造误差的因素，经分析认为存在如下设计难点：图 1 某板簧式悬架运动行程设计图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -（1）板簧式悬架刚度具有明显的非线性，特别是图1 中空载到满载段刚度曲线最为明显，这与每片板簧的特性参数以及运动过程中的受力情况有关，设计时进行了简化处理；（2）板簧前后吊耳的初
3、始安装角度，以及运动过程中的吊耳夹角变化对板簧的刚度有较大的影响，通过常规计算方法计算量较大，设计时也进行了简化处理；（3）板簧的检测方法与实车安装状态有较大不同。图2 所示检测时板簧前后吊耳处于同一水平面并沿水平方向滑动，而实车安装时板簧前后吊耳有较大的高度差，而且后吊耳除了绕自身衬套旋转外还要绕连接板上轴衬套进行旋转，造成板簧刚度与悬架刚度差别较大。图 2 板簧垂向刚度测试方法（4）由于板簧式悬架的刚度非线性特点以及大承载量的特点，会造成使用CATIA 软件进行轮胎包络和DMU 检查的结果过于粗糙和误差大的问题，发生部件干涉问题。基于上述问题造成了板簧式悬架设计时，由于悬架刚性差别大造成设
4、计状态和满载时轮胎包络、悬架运动行程、缓冲块间隙等与样车相差大的问题，采用传统的计算方法会出现计算量大、计算复杂的问题，因此本文采用MSC ADAMS 软件进行板簧式悬架的模拟分析。3 板簧式悬架的建模3.1 板簧建模方法简介（1）有限元模态法该方法是用有限元的方法计算钢板弹簧的模态，然后将计算的模态结果通过数据转换，变成 MSC ADAMS 可以读的 MNF 文件，主簧和副簧之间的约束利用MSC ADAMS 中提供的 Impact 接触力来实现。（2）离散 BEAM 梁法名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -该方法是利用 MSC ADAMS 软件中的离散体(
5、Discreet Flexible Link)概念，建立钢板弹簧模型（图 3）。其主要思想就是把每片钢板弹簧离散化，每一小块均视为一个刚体，但块与块连接处用B E AM 梁来连接，B E A M 梁的刚度、阻尼矩阵由 MSC ADAMS 软件根据钢板弹簧的截面形状及材质自动计算得出，对于各片钢板弹簧之间的接触由MSC ADAMS 中提供的接触力来定义。这种方法需要各片钢板弹簧的几何形状来确定无质量的梁的参数，如截面积、惯性矩、阻尼比等。如果要得到足够精度的计算结果，那么需要将各片钢板弹簧离散足够多的段，但会导致计算工作量的大大增加。（3）等效中性面法等效中性面法的原理是：所有主簧可以简化为在某
6、个等效中性面的单片主簧，即沿板簧厚度方向中间层组成的近似曲面，再将中性面按厚度基本相似原则分成若干等强度直线段，利用MSC ADAMS 中的 BEAM 单元模拟这些等强度直线段，每段间以 Flexible(柔性)方式连接小刚体过渡；按板簧中性面上各段真实质量特性设定对应 BEAM 单元质量参数；副簧的建模可以单独划分若干段，每段的长度应和其对应的主簧分段长度接近；对于各片钢板弹簧之间的接触由MSC ADAMS 软件提供的接触力来定义。3.2 建立悬架动态特性仿真模型本文采用离散 BEAM 梁法建立了板簧的动态分析模型（图3），最后形成的后悬架模型中有 135 个物体（不包含地面）、35 个运动
7、约束，系统的总自由度数为 664。图 3 板簧动态特性仿真模型4 工程中的应用探讨在已有模型的基础上可进行多种工况的动态仿真分析，实现对板簧式悬架的动态性能的快速、准确的预测，根据这几年的工程设计的需要进行了如下内容的探索研究，为 CAE 技术在板簧式悬架设计中的应用提供借鉴作用。4.1 悬架部件的受力分析利用建立的 ADAMS 模型可以输出任意部件在不同工况下的6 方向受力情况，结合有限元分析软件，为底盘零部件强度和塑性变形量分析提供了方便，该内容在各种参考资料中都有详细的介绍，在此不进行详细叙述。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -4.2 板簧测试方法与
8、安装方式下刚度变化的研究上文提到现有的板簧刚度测试方式（图 2）与实际板簧的安装方式有很大的不同，通过计算很难找出板簧刚度与悬架刚度的对应关系，通过对仿真模型的修改和分析，可以十分方便、较准确地模拟出两者的特性变化曲线，进而找出两者对应关系。图 4 是某车型板簧试验测试方式和实车安装方式得出的力与板簧变形量的对比图，从图中可明显看出实车中板簧刚度要小于测试得出的数值，而且随着板簧后吊耳夹角的变大，板簧刚度变小趋势越明显，这是造成板簧式悬架满载时缓冲块间隙比设计值小很多的主要原因之一，缓冲块频繁的撞击也导致了整车性能与设计预想有很大的差别。图 4 某板簧测试方式和实际安装方式力与变形量曲线比较4
9、.3 轮胎包络和 DMU 检查中的应用在以往车型轮胎包络分析和DMU 检查时，都是采用CATIA 软件进行刚体运动学分析。由于板簧式悬架的刚度非线性特点以及大承载量的特点会造成上述方法得出的分析结果过于粗糙、误差大的问题，同时针对有横向加速度时的侧倾这种工况的轮胎包络将无法准确分析，为此建立虚拟仿真模型进行动态仿真分析为此项问题的解决提供了方便。我公司在最新开发的几款微车中借助CAE 分析手段，成功地得出了后轮在不同工况下的轮胎包络，同时通过仿真得出的不同侧倾角下的侧倾轴线和不同横向加速度下的横向位移，为后悬架部件的DMU 检查提供了有力支持，并在如下方面进行了应用：（1）后吊耳与支架的干涉；
10、（2）换装不同轮胎时轮胎包络检查；（3）后轮与大梁的擦刮的解决方案。表 1 是某车型轮胎与大梁间隙检查的结果，其中负值代表干涉量大小。表 1 后轮与大梁擦刮解决方案及分析结果名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -4.4 板簧式悬架动态特性虚拟仿真（1）板簧运动行程的校核利用 MSC ADAMS 软件的悬架运动学分析功能，可以十分方便地得出板簧的运动行程曲线以及悬架刚度（图 5 实线和虚线），通过与设计曲线对比方便找出设计存在的问题和原因。如我公司在进行某款车的开发时提出了几种不同的板簧刚度方案，通过建立板簧模型模拟分析发现，部分方案满载时板簧弧高偏小导致了缓冲
11、块接触的问题，并得到了试验证明。（2）轮心运动轨迹的校核为防止出现过渡转向，板簧式悬架前后方向轮心运动轨迹最好能具有图6 中 set1曲线特性，避免出现set2 曲线特性，可通过调整板簧前后吊耳的高差来实现。图 5 板簧运动行程及刚度值变化曲线图 6 轮心运动轨迹对比图（3）板簧连接板摆角的运动校核名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -板簧应进行连接板摆角的运动校核，摆角在尽量避免负值的前提下，摆角越小越好，一般空载 角在 10-15 度为宜，满载时 r 角在 14-30 度为宜（图 7），通过悬架的平行和反向跳动分析可十分方便得出该角度的变化值。（4）减振器
12、行程校核对减振器的最小和最大行程的设计每个公司都有一个设计规范值，通过对模型的平行跳动分析可确定减振器在悬架设计行程内的最大最小行程值，为工程化设计确定提供较为精确的设计值。图 7 吊耳摆角示意图图 8 三种悬架方案下的前束角对比曲线（5）悬架动力学性能的分析及优化MSC ADAMS 软件可进行双侧车轮平行跳动、异向跳动以及单侧车轮跳动等工况，得到车轮外倾角、前束角以及车轮侧向滑移量变化的仿真结果，通过对仿真结果的分析，及结构参数进一步优化，可实现悬架性能的优化，该内容在各种参考资料中都有详细的介绍。图 8 是我公司在进行某车型板簧设计时，三种悬架方案对应的前束角变化曲线，从中可以判断各种方案
13、间的优劣，为方案的制定提供参考依据。5 结束语（1）通过对仿真结果与样车的对比验证分析可知，利用ADAMS 软件所建立的板簧式悬架的动态特性仿真模型相对传统方法更加精确和可行。（2）由于 ADAMS 模型具有良好的参数化功能，为板簧式悬架进行多种设计方案的对比和优化提供了便利。（3）在已有模型的基础上可进行多种工况的动态仿真分析，实现对板簧式悬架的动态性能的快速、准确的预测，对CAE 技术在板簧式悬架的设计和布置中的应用进行了有益的探索，适合工程设计的需要。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -