浅谈汽车悬架连接件动力学建模

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浅谈汽车悬架连接件动力学建模

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汽车悬架的纽带——连接件

汽车悬架是整车性能的核心系统，决定了车辆的舒适性及平顺性，而悬架连接件又是悬架零部件间的纽带，没有连接，悬架将是一盘散沙。

不同形式的悬架连接关系各不相同，典型的悬架连接件包括：螺栓、球铰以及衬套。本文以Adams软件为例，介绍不同连接件的动力学建模方式以及常见建模问题的解决方案。

图1 典型连接方式

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螺栓

螺栓是强约束的刚性连接，能够完全约束两个物体间的六个自由度，典型的螺栓受力形式包括剪切与拉伸。

图2 螺栓典型受力

通常，Adams中用固定副（Fixed Joint）来表达这类约束六个自由度的连接方式，用户只需选择铰链类型为fixed，指定固定副所在的位置及其连接的两个部件即可创建一个固定副，如下图所示。

图3 创建固定副

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球铰

球铰是麦弗逊悬架下摆臂与转向节的典型连接方式，能够约束三个平动自由度同时释放三个转动自由度。典型的球铰结构组成包括：球碗、球座、防尘罩、球销以及卡环。

图4 球铰结构示意图

在Adams软件中通常用同样名为球铰的运动副（Spherical Joint）来模拟真实的球铰连接，用户只需选择铰链类型为spherical，指定球铰所在的位置及其连接的两个部件即可创建一个球铰，如下图所示。

图5 创建球铰

理想化的球铰连接不考虑实际球碗运动过程中产生的摩擦力，Adams软件支持用户在球铰副中添加静态或动态摩擦力。这种精细化的球铰建模方式下，球碗半径、摩擦系数以及预载等用户定义的参数都将影响摩擦力的计算。

图6 带摩擦球铰

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衬套

衬套是各类悬架中最常见的连接方式，影响汽车的操稳性与舒适性。衬套六个方向都通过一定大小的刚度约束其自由度，既不完全释放又不完全固定。

图7 汽车衬套分布示意图

在Adams软件中用名Bushing的力元来模拟衬套连接。与前面二者不同的是，衬套作为弹性元件，其方向性及各方向刚度的定义对衬套特性的模拟至关重要。

图8 创建衬套

其中，衬套的安装方向应根据实际悬架中的方向来定义，对于开口衬套更要留意径向刚度的差异性。衬套刚度一般用*.bus文件来定义，软件通过拟合*.bus文件中离散的数据点生成衬套的刚度曲线。

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建模案例浅析

在实际建模过程中，系统复杂程度不一，选择合适的建模方式会让建模过程更高效。另外，由于分析问题角度的差异性，灵活运用不同的运动副合理地表现连接件的性能也十分重要。通过下面的案例可以体会“合适”与“合理”建模的妙处。

衬套方向的定义

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Adams软件中开放了多种衬套方向的定义方式，根据不同的衬套结构以及安装方向来选择恰当的方式建模会让建模更加轻松快捷，下表三种方式供大家参考。

表1 衬套建模定向方式推荐表

螺栓组问题

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实际结构中，由于存在一定面积的结合面，螺栓连接常常以螺栓组的形式出现，例如四连杆悬架刀锋臂与车轮支架的连接。

图9 常见螺栓组示意图

此时，用一个简单的固定副仍然可以表现其运动学特性，但无法真实表达螺栓组的力学特性。遇到这种问题，不妨用刚度适当的力元来代替，下图分别展示了固定副连接和力元模拟螺栓的受力差异。

图10 两种螺栓组建模差异对比

小小的连接，大大的智慧，连接赋予悬架独特的魅力，让我们的汽车能够舒适稳定地行驶。说到这里，大家是否也对悬架的连接产生了兴趣呢？上汽荣威RX5 MAX，全新智联网硬核SUV，传统麦弗逊前悬与经典四连杆后悬碰撞出舒适的驾驶体验，戳图了解。

参考资料

1乘用车底盘球铰链开发—董鹏

2汽车球铰摩擦力矩特性的数值分析与实验研究——张志斌

3轿车悬架橡胶衬套结构特点分析——余振

来源：GSAuto0001