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汽车双横臂式独立悬架机构运动特性分析

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汽车双横臂式独立悬架机构运动特性分析

收稿日期2001204229作者简介王其东1964,男,安徽阜南人,博士生,合肥工业大学副教授赵韩1957,男,安徽滁州人,丹麦奥尔堡大学博士,合肥工业大学教授,博士生导师4卷第6期合肥工业大学学报自然科学版VOL24NO62001年12月FHVOFTYD2001汽车双横臂式独立悬架机构运动特性分析王其东1,赵韩1,李岩1,祝少春21合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥2300092北京汽车摩托车集团福田公司,北京100083摘要文章运用多体动力学中坐标转换原理,引入欧拉参数,通过建立关键点的约束方程,导出了主销后倾角、内倾角、车轮外倾角、前轮前束、轮距等参数随车轮上下跳动的变化规律,提出了一种分析双横臂独立悬架运动规律的新方法。应用所开发的软件,针对不同车型进行了双横臂独立悬架运动规律仿真。仿真结果与实验结果吻合较好。关键词独立悬架运动学汽车中图分类号U463402文献标识码A文章编号10032506020010621066206KOFWTNGQLI1LHH30009,CH2OTO00083,CHBYPOFINUTSOFPOINTSFORMUASWWWUPNISAMMOOFWTSUISPUTFORWTOTKUWASENBYUTHEUWENQUWTSUKAU引言汽车独立悬架的运动特性指的是当汽车车轮上下跳动时车轮和车身之间有垂直方向上的相对运动时,前轮定位参数、轮距、侧倾中心高度等参数相应的变化规律。这一规律是由悬架的导向机构所决定的,它直接影响到汽车的使用性能,特别是操纵稳定性、舒适性、转向轻便性和轮胎的使用寿命。进行独立悬架运动特性研究是合理地选择独立悬架导向机构几何尺寸参数的重要前提。双横臂机构是目前独立悬架中使用最广泛的导向机构之一1,2。由于双横臂独立悬架是一种比较复杂的空间机构,其运动直观性差,进行运动学分析困难较大,本文给出了一种解决方法。1双横臂独立悬架分析参数的确定11参数的选取1前轮定位参数主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角及车轮前束量的值对汽车的使用性能,特别是操纵稳定性影响很大。双横臂机构必须保证前轮定位参数的变化规律有利于改善车辆的操纵稳定性,充分发挥车辆的运载能力和保证高速行驶的安全3。2轮距的变化是轮胎磨损的主要原因之一,车轮上下跳动时,双横臂机构应保证轮距不会有明显的变化。3侧倾中心的位置,可通过侧倾中心离地面的高度评价。它对汽车的使用性能,特别是行驶平顺性和操纵稳定性有很大影响。因此将前轮定位参数、轮距、侧倾中心高度作为要分析的参数。计算上述各参数,必须首先确定合适的坐标系。12坐标系的建立图1所示为双横臂独立悬架的空间拓扑结构。图1双横臂独立悬架空间拓扑结构简图整体坐标系的选取与整车设计所选取的坐标系相一致,局部坐标系固连在下摆臂上X1Y1Z1的坐标原点O1A1取在下摆臂安装轴线上并使坐标原点O1A1与主销下球头销C的连线垂直于下摆臂安装轴线,其坐标轴X1,Y1,Z1初始位置分别平行于整体坐标系的X,Y,Z轴。局部坐标系固连在上摆臂上X2Y2Z2的坐标原点O2A2取在上摆臂安装轴线上并使坐标原点O2A2与主销上球头销F的连线垂直于上摆臂安装轴线DE,其坐标轴X2,Y2,Z2初始位置分别平行于整体坐标系的X,Y,Z轴。在图1中,A1下摆臂摆动中心A下摆臂摆动安装点C转向节下球头销中心B下摆臂摆动安装点L1下摆臂摆动轴线D上摆臂摆动安装点A2上摆臂摆动中心E上摆臂摆动安装点F转向节上球头销中心L2上摆臂摆动轴线M转向梯形断开点N转向节臂球销中心G轮胎中心H轮胎接地点P主销轴线与转向臂节轴线的交点。13参数的确定汽车悬架导向特性的优劣反映在车轮上下跳动时上述几个参数的变化上,在车轮正常跳动行程内,这些参数应保持在合理的范围内。参考图1并结合汽车理论和汽车设计知识,当车轮处于任一位置时,各参数可通过如下公式计算。主销后倾角ACXFXCZFZ1主销内倾角BCYFYCZFZ2车轮外倾角CPZGZPYGY3车轮前束量22RPXGXPYGY412轮距的变化HHHYHY05侧倾中心高度CZA1ZCYA1YA1ZFZA2ZFYA2YA2YCZA1ZCYA1YA1YA2ZFZA2ZFYA2Y期王其东,等汽车双横臂式独立悬架机构运动特性分析CZA1ZCYA1YA1YA1ZHZHYA1ZFZZFYA2YA2YCZA1ZCYA1YA1YZFZA2ZFYA2YCZA1ZCYA1YHY6具体推导过程略以上公式中带下标的大写英文字母代表悬架机构中各关键点坐标值参见图1,下同。2各点坐标的确定由式1~式6可以看出,要确定独立悬架的运动特性,必须先计算A1、A2、M、C、F、P、G、H、的坐标值。当车轮上下跳动时,下摆臂和上摆臂分别绕摆动轴线L1、L2上下摆动。现计算当下摆臂摆动每一个应一个车轮位置时,悬架中几个关键点的整体坐标。A1、A2两点在悬架运动过程中位置保持不变,其整体坐标可分别通过A点与B点,D点与E点的坐标及C点与F点的坐标求得,分别表示为A1A1XA1YA1Z,A2A2XA2YA2ZM点在悬架运动过程中位置保持不变,其整体坐标可由设计图纸确定,表示为MMXMYMZC、F、P点的初始位置即悬架平衡位置的整体坐标可由设计图纸确定,分别表示为C0C0XC0YC0Z,F0F0XF0YF0Z,P0P0XP0YP0Z假设别是下摆臂和上摆臂在XY平面内的投影角俯视图投影角别是下摆臂和上摆臂在XZ平面内的投影角侧视图投影角,其数值可分别通过A点、B点、D点和E点的坐标确定,为了使计算程序通用,按右手定则规定,投影角绕坐标轴正向旋转时符号为正,反向旋转时为负。轴线L1的方向余弦4为U1U1XU1YU1ZTCOCOL2的方向余弦为U2U2XU2YU2ZTCOCO1C点坐标的计算若为C点与A1在整体坐标系下位置矢量,点在局部坐标系下的位置矢量,由空间点图2坐标变换示意图的位置及坐标变换关系5,6得CCXCYCZT7A2121212其中,A为坐标转换矩阵欧拉参数COS,U1XU1Y,U1Z坐标变换关系参见图2所示,图2中坐标系和C、A1点同图1。22F点坐标的计算设下摆臂摆动角度为上摆臂摆动角度为若为F点与A2在整体坐标系下的位置矢量,点在局部坐标系下的位置向量。则表示为A′CXFYFZFT88601合肥工业大学学报自然科学版第24卷欧拉参数为COS,U2X,U2Y,U2Z,将它们代入坐标转换矩阵A,即构成A′。由式8可见,欲确定F点的坐标,先要确定当下摆臂摆动,上摆臂摆角值,计算如下由图纸可查得C,F两点间的距离即CXFX2CYFY2CZFZ29这是一个含未知数一元非线性方程,解此方程CXFX2CYFY2CZFZ20即可得到F点的坐标。23P点坐标P为车轮轴线与上下球头销中心连线的交点,因为点P将为FP,段,并且FP定值K,其值可由平衡位置时,设计图纸查知,所以确定出C、F点的坐标后,P点的位置向量用下式表示。PXPYPZTCXCYCZT1KKXFYFZFT1K24N点坐标NNX,NY,NZ的位置可由F、C和MMX,MY,MZ3点的位置决定,因为在悬架的运动过程中NM、NC、NF的距离保持不变,可以认为NM,NC,NF间是等距离约束,其约束方程为NXMX2NYMY2NZMZ2D2110NXCX2NYCY2NZCZ2D2211NXFX2NYFY2NZFZ2D2312解得NZB3B3B34A3C32A3NYR1NZS1NXR2NZS2式中D1、D2、D3分别为MN、距离,可由结构图纸获得R2MXCXFZCZFXCXMZCZFXCXMYCYMXCXFYCYR11FYCYR2FZCZFXCXCX2CY2CZ2FX2FY2FZ2CX2CY2CZ2MX2MY2MZ2MN2S2MXCXFXCX2FXCXMYCYMXCXFYCYS12FYCYS22FXCXC3S1MX2S2MY2MZ2MN2B32R1S1MXR2S2MYMZA3R1R1R2R2125车轮中心G点坐标G点N点的计算同理可得GGX,GY,和P,C和F间存在着等距离约束,约束方程为GXPX2PY2PZ2D2413GXCX2GYCY2CZ2D25149601第6期王其东,等汽车双横臂式独立悬架机构运动特性分析GXNX2GYNY2GZNZ2D2615解得B4B4B44A4C42A4R3GZS3R4GZS4式中D4、D5、D6分别为NG的距离,可由结构图纸获得CX2CY2CZ2PX2PY2PZ2CX2CY2CZ2NX2NY2NZ2NG2R4PXCXNZCZPZCZNXCXPYCYPXCXNYCYR31NYCYR4NZCZNXCXS4PXCXNXCX2NXCXPYCYPXCXNYCYS32NYCYS42NXCXC4S3PX2S4PYPZ2B42R3S3PXR4S4PYPZA4R3R3R4R4126车轮接地点H点坐标车轮接地点可以认为是由以G点为中心的球面方程和过G点垂直平面方程及过行于Z轴的平面的交点,设车轮半径R,即可得H点的坐标HXHYHZHXE3E4RE1E1E1E2E2HYGYE3E4RE2E1E1E2E2HZGZE4E1GXPXE2GYPYE3GZPZE41E3E3E1E1E2E2E3E3至此,计算出了式1~式6中各相关点的坐标,分别代入公式,既为双横臂独立悬架运动特性。3运动学仿真建立了上述数学模型后,在VC界面下,编制了双横臂独立悬架运动学仿真软件V用此软件对江铃15T轻型载重汽车,北汽福田皮卡的前独立悬架进行了运动学仿真。现给出江铃汽车的仿真结果,见表1所列。表1江铃15T轻型载重汽车前独立悬架运动学仿真结果车轮跳动行程后倾角A主销内倾角B车轮外倾角C车轮前束量轮距变化H中心高度H0927130999593052014031823340804148689530253109996934180102935433291121254876181704099979398500449466521160179437912115109998941890024045122057815653270000009999944440002166446000001082001208930999994499000828281002015349490181123099999445400038565205938579264300908099989421900195943111959210421673603660999794029003851130942931112759350701合肥工业大学学报自然科学版第24卷4实验分析为了检验仿真结果及软件的正确性,使用专用前轮定位测量仪对江铃15T轻型载重汽车进行了实车实验。方法如下首先测量汽车满载时前轮定位参数的值,然后将汽车支承在4个液压千斤顶上,松开其扭杆弹簧,同时升降4个液压千斤顶,来实现车身的上下运动,以此模拟车身与车轮间的相对运动,在车身上下运动的过程中,分别在车身距离初始位置10203040,逐点测量车辆的前轮定位参数主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角、车轮前束量及轮距变化。实验结果见表2所列。表2江铃15T轻型载重汽车前轮定位参数变化实验结果车轮跳动行程外倾角C主销内倾角B主销后倾角A车轮前束量轮距变化H001620100101012204530012401001210153624200067010011101645131000400100201028450600001010051110065001000083100431021800020000221003310128506300021010026101095224000400100131000115315结论1试验证明文中所述求解双横臂独立悬架机构运动规律的方法是正确的。2应用VC60编制的双横臂独立悬架机构运动学分析程序V功能完备,操作界面友好,使用方便。致谢本研究得到了江铃汽车公司、北京汽车摩托车集团福田公司的大力帮助以及陈朝阳教授的热情指导,表示感谢。参考文献1王其东,方锡邦,卢剑伟,等汽车钢板弹簧多体动力学建模及动特性仿真研究J合肥工业大学学报自然科学版,1999,22635392方锡邦,王其东,关柯双横臂独立悬架转向传动机构的优化设计J合肥工业大学学报自然科学版,2001,2459509543胡宁,郑冬黎双横臂独立悬架机构运动学分析J汽车工程,1999,2063623664HJLSFORMHSP19931001505NIKEOFMSMP1998102006OMSP1990180220责任编辑朱华新1701第6期王其东,等汽车双横臂式独立悬架机构运动特性分析

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