前悬架力学计算、建模及仿真分析关键词：前悬架力学计算建模仿真分析概述：本课题内容共两项：1.计算、分析或测量系列前独立悬架中前梁在静载条件下，其外力大小和方向2.针对汽车的前梁与独立悬架总成设计、开发中的实际问题，利用机械系统自动动力学仿真软件，开发汽车前悬架系统设计模块，模拟汽车的实际工况，建立力学分析模型，分析影响汽车前轮定位参数的结构因素为测量前悬架设计提供理论依据，为汽车前悬架提供最佳的结构尺寸。
1 前悬架力学计算1.1．前悬架受力分析前悬架的结构为双横臂带扭杆弹簧，且扭杆弹簧上置。
静载时分析悬架受力如下图1-1所示：图1-1 悬架受力图(1) 在轮胎中心线oo ’接地点o ’受垂直载荷Fz 和横向力Fy(2) 上摆臂在球头A 处受横向和纵向力分别为F2y 和F2z(作用力方向假设为图示方向)，在D 处受扭杆产生的扭矩m(3) 下摆臂在球头B 处受力为F1（由于扭杆上置，下摆臂为二力杆，F1的方向与下摆臂两节点的连线共线）。
由静力平衡建立方程可得：()12322**cos **y z F F h F a ωω-=- --------------------------(1-1)211*cos y y F F F ω=- ----------------------- (1-2)211*sin z z F F F ω=+ -------------------------- (1-3)233233**cos **sin z y F F m ωω-= ------------------------- (1-4)式中2 ----------------------为主销长度，由图纸尺寸可得约为264mm3 ----------------------为上摆臂长度，由图纸尺寸可得为270mm2ω----------------------为主销内倾角，由图纸尺寸可得为6.5度13,ωω--------------------为下、上摆臂角a ----------------------为车轮接地点至上摆臂球头A 中心的水平距离 h2 ----------------------为上摆臂球头A 至地面高度Fz ,Fy ------------------分别为单个车轮的垂直,横向载荷22,z y F F ------------------分别为上摆臂球头A 处的受力F1 ----------------------为下摆臂在B 处的受力 M ----------------------为上摆臂在C 处受的扭矩（1）由式1可求得下摆臂B 处所受的力F1; ()()210232**012.25*100 4.66*cos 264*cos 12 6.5y z F h F a F KN ωω--==≈---式中取 Fz=12.25KN (设整个前桥载荷为2.5吨,单轮载荷为1.25吨) Fy=0 (静载时没有横向力)121222'43.74**sin a O E a a h tg ωω=++=++0043.74(31887)* 6.5264*sin 6.5100tg mm=+-+≈378arctan12369ω=≈(取上摆臂能达到的最大角度,78mm 为轮胎上跳的最大距离,369mm 为上摆臂D 点至轮胎接地点垂直中心线的距离)（2）由式2、3 可求得上摆臂A 处所受的力F2y 和F2z;2110211*cos 4.66*cos 9.855 4.59*sin 12.25 4.66*sin 9.85511.45y y z z F F F K N F F F K Nωω=-=-=-=+=-=式中 取 Fy=0 ( 静载时没有横向力)178arctan9.855449ω=≈(取下摆臂能达到的最大角度, 78mm 为轮胎上跳的最大距离,449mm 为下摆臂C 点至轮胎接地点垂直中心线的距离)（3）扭杆所受的扭矩为m =1854.9790 (N.m)1.2. 前悬架各工况下受力计算1.2.1基本载荷的受力分析研究的前梁总成，确定前桥载荷24.5KN 为分析的基本载荷，单侧为12.25KN 。
（1）静载时:F1=-12.25*110)/{2*cos(0-7)}=-5.123 KN静载时摆臂水平 （2）在上限位置时:F1=(0-12.25*110)/{2*cos(17.378-7)}=-5.17 KN轮胎上跳距离为84.5mm,上摆臂角度为arctg （84.5/270）=17.378,下摆臂角度为arctg （84.5/382.5）=12.457（3）在下限位置时:F1=(0-12.25*110)/{2*cos(-16.7-7)}=-5.55 KN轮胎上跳距离为81mm,上摆臂角度为arctg （-81/270）=-16.7,下摆臂角度为arctg （-81/382.5）=-11.96月牙板处受力如图:图1-2 月牙板处受力图静载时上摆臂衬套处受力分析（图1-3）:图1-3 上摆臂衬套处受力图由式1-2、1-3可求得上摆臂A 处所受的力F2y 和F2z211*cos y y F F F ω=--------------------------1-2 211*sin z z F F F ω=+--------------------------1-3代入数值可得:(1)在摆臂水平时:F1=-5.123 KN F2y=(-5.123*cos0)-0=-5.123 KN F2z=12.25+(-5.123)*sin0=12.25 KN其合力为13.278==Fd KNarctan（12.25/5.123）=67.3 方向为和水平线成67.3度.(2)在上限位置时:F1=-5.17 KN,下摆臂角度为12.457F2y=(-5.123*cos12.457)-0=-5 KNF2z=12.25+(-5.123)*sin12.457=11.14 KN其合力为Fd=12.21 KNarctan(11.14/5)=.8 方向为和水平线成.8度.(3)在下限位置时: F1==-5.55 KN, 下摆臂角度为-11.96F2y=(-5.123*cos11.96)-0=-5 KNF2z=12.25+(-5.123)*sin(-11.96)=13.31 KN其合力为Fd=14.22 KNarctan(13.31/5)=69.4 方向为和水平线成69.4度.1.2.2 三种强化计算工况第一种工况: 当路面作用到车轮的垂直力达到最大时----汽车驶上路面凸起障碍或落入洼坑,车轮与路面冲击时发生的载荷。
取动载系数2.5时,单轮最大垂直力为12.25*2.5=30.625KN(1)静止时 F1=(0-30.625*110)/{2*cos(0-7)}=-12.8 KN(2)上限时 F1=(0-30.625*110)/{2*cos(17.378-7)}=-12.9 KN(3)下限时 F1=(0-30.625*110)/{2*cos(-16.7-7)}=-13.88 KN第二种工况: 当车轮上的纵向力达到最大时----汽车加速或紧急制动时,由惯性力引起的纵向载荷.车轮上的垂直作用力Z=m1*G1/2=1.4*24.5=34.3 KN最大纵向载荷为m1*G1*q=1.4*24.5*0.8=27.44 KN式中m1---前轴上的重量分配系数, 取 1.4q-----地面附着系数,取 0.8G1----静载时的前轴载荷第三种工况: 当汽车转弯时的测向力最大时-----转弯侧滑产生的最大侧滑力。
假设汽车向右侧滑,左轮离开地面的极限情况F1=(24.5*0.8*500-24.5*110)/{2*cos(-16.7-7)}=29.3 KN2. 前悬架实体模型的建立和仿真模型基本参数的确定2.1前悬架实体模型建立根据分公司提供的前悬架各零部件的二维设计图纸，利用PRO/E软件建立了悬架中个组成零件的三维实体模型，并根据总装配图进行装配。
主要的零件模型如下：图2－1 上摆臂图2－2 下摆臂图2－3 转向节图2－4 扭杆图2－5 上拉杆图2－6 下拉杆根据前悬架的总装配图纸，在PRO/E中进行装配，并生成爆炸图如图2－7、2－8所示。
图2－7 悬架总装配图图2－8 前悬架爆炸图1－前梁焊接总成，2－扭杆弹簧，3－上摆臂，4－下摆臂，5－减震器总成，6－上拉杆带球接头总成，7－下拉杆带球接头总成，8－固定支架，9－上、下摆臂球接头总成，10－转向节，11－制动盘总成2.2 ADAMS仿真模型基本参数的确定应用多体系统动力学建立机械系统仿真模型参数需求量大,精度要求高,参数准备工作量大。
根据研究工作的需要,将参数类型划分为运动学(几何定位)参数,质量参数(质量,质心与转动惯量),力学特性参数(刚度,阻尼特性)与外界参数(道路普,风力等等)。
2.2.1 运动学（几何定位）参数应用多体系统动力学建立机械系统仿真模型时，需要依据悬架的结构形式，在模型中输入悬架中各运动部件之间的安装连接位置与相对角度,车轮定位角等参数。
这些参数决定了悬架各部件的空间运动关系,如前轮上下跳动时的主销内倾角,后倾角,车轮外倾角,前束的变化等。
有了运动学参数,就可以建立悬架的运动学模型并分析其运动特性。
运动学参数,一般可以在汽车的设计图纸中查得。
如前悬架总成图就包括了分析前悬架运动特性得几乎所有参数。
应注意的是,各运动部件得相对连接位置,应在统一的整车参考坐标中测量。
在无法获得悬架总成图时,可以在掌握一些基本参数,如运动部件的几何外形参数与车轮定位角等,通过作图法获得参数。
由悬架总装配图查得的前悬架定位参数如表2－1所示。
表2－1前悬架定位参数在ADAMS软件中建立仿真模型时各零件关键点的位置对建立模型的准确性非常关键。
通过零件装配图和三维实体模型上实际测量，获得了前悬架中零件关键的位置。
表2－2是前悬架关键点的位置（由于模型左右对称，表中只列出左侧点的位置）。
表中X方向取汽车前进方向的相反方向为正，Y方向取汽车右侧为正，Z方向重力方向的相反方向为正。
表中单位为mm。
表2－2 前悬架各零件关键点位置2.2.2质量特性参数在分析汽车悬架和整车动力学时,汽车整车与悬架的各零件质量,质心,转动惯量等参数决定汽车的性能.通常情况下,质量特性参数由各运动部件的质量,质心,转动惯量等参数组成.其中,质心和转动惯量与测量时的参考坐标有关,必要时应注明参考坐标.悬架零件的质量,一般在设计图上查取.但应注意到零件与多体系统意义上的运动部件的差别.在多体系统动力学中,只要在运动过程中时刻具有相同运动轨迹,并具有特定的联系如通过各种方法固定在一起的零部件,就是一个运动部件.一个运动部件应只有一个共同的质心和转动惯量.运动部件的质心与转动惯量的参数查取,可以通过称重,计算,实验等方法获得.近年来，随着CAD技术的发展出现了确定运动部件质心，转动惯量的新方法，利用CAD实体造型软件，建立零部件的三维实体模型，之后输入材料密度等特性参数，获得质量，质心和转动惯量。