一 前言

在整車研發過程中，借助計算機輔助技術進行性能仿真，可以減少制造成本，縮短開發周期，提高產品性能。其中，整車動力學仿真直接關系到車輛的操縱穩定性，整車平順性以及車輛可靠性。為了獲取準確的動力學響應，提升整車動力學性能，整車多體動力學建模顯得尤為重要。懸架系統是車輛動力學系統的重要組成，故本文主要基于懸架來介紹車輛多體動力學的建模方法。

二 懸架基本構造

懸架是汽車車架與車輪之間傳力裝置的總稱，它能夠傳遞作用在車輪和車架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面傳給車架或車身的沖擊力，并減少由此引起的震動，以保證汽車能平順行駛。典型的懸架結構由彈性元件、導向機構、減震器、緩沖塊以及橫向穩定桿等組成。

圖一  懸架結構基本組成[1]

目前，常用的懸架結構主要有麥弗遜式懸架、雙橫臂式懸架、多連桿式懸架、扭轉梁式懸架等。

三 動力學建模

3.1 模型簡化

懸架系統是一個非常復雜的系統，進行動力學建模分析前應進行一定程度上的簡化，將沒有相對運動關系的零部件組合為一體。根據零部件的真實運動關系確定合理的約束類型，通過約束連接各零部件，建立懸架系統的動力學簡化模型。

圖六  麥弗遜懸架基本構造[5]

3.2 拓撲結構

建立車輛多體系統動力學模型的關鍵在于理清系統的拓撲結構。所謂拓撲結構指的是將系統內部的實體抽象成與其大小、形狀無關的“點”，而實體間的連接抽象成線，其本質就是研究系統內部各部件之間的連接關系。下圖以麥弗遜懸架為例，描述了其在垂向路徑下的拓撲結構關系。

圖七  麥弗遜懸架垂向路徑拓撲結構

子系統內部及各子系統之間通過約束副建立連接關系，在多體系統動力學建模過程中，常用的約束主要有鉸鏈（Joint）約束與襯套（Bushing）約束。鉸鏈約束是一種理想約束，對于柔性連接我們則采用襯套約束。襯套約束是連接在兩個部件之間，通過6個自由度（3個軸向，3個轉向）來定義連接狀態。其中常見的鉸鏈約束類型如下：

表一  常用鉸鏈約束類型[6]

3.3 屬性參數

建立車輛多體系統動力學仿真模型對于參數需求較大，參數精度要求高。通常幾何定位參數和質量參數通過試驗與計算等方法獲得。此外，整車系統還存在很多柔性元件，這些零件的屬性參數對于車輛動態特性影響較大。

1、彈簧剛度

彈簧的作用是將車輛經過不平路面產生的跳動吸收，減小車身的振動幅度，直接影響整車動力學性能。在動力學模型中，其定義的是兩個部件之間受力—位移關系。

2、減震器阻尼

減震器的能夠緩解路面給車輛帶來的沖擊，迅速吸收顛簸路面產生的振動，對于整車舒適性影響較大。在動力學模型中，其定義的是兩個部件之間受力—速度關系。

3、襯套特性

襯套的剛度特性、阻尼特性對于車輛的操縱穩定性與舒適性有著較大的影響。動力學模型需要定義襯套的3個軸向、3個旋轉方向的剛度及阻尼。

四 模型驗證

在車輛多體動力學模型搭建完成以后，相關動力學軟件可以進行懸架系統運動學仿真，其基于懸架試驗臺對車輪施加垂向運動并輔之轉向盤轉向的仿真式，可以用來支持懸架系統動力學性能、變形特性和力傳遞特性的分析。

圖八  前懸雙輪反向跳動仿真分析

通過將仿真結果與K&C特性試驗結果進行對比分析，進一步驗證和提升動力學模型的精度，保證模型能夠更加精確地預測汽車的動力學特性。

參考資料：

[1] 老侯，什么是汽車的平順性？他與那些因素有關，老侯解車，2017-01-21

[2] 梁巍,知識堂：汽車名詞解釋-底盤與懸掛參數，汽車之家,https://www.autohome.com.cn/tech/200911/75736-2.html?pvareaid=3311700

[3] 劉賽，麥弗遜、雙叉臂、多連桿，到底哪種懸架最牛逼，言車社，2017-06-27 

[4] 高寒，《寒轷其辭》讀了這篇文章讓你更懂底盤，中關村在線，http://gps.zol.com.cn/622/6228412_all.html#p6228521

[5] 汽車懸架詳解，百度經驗，https://jingyan.baidu.com/article/cd4c29791c8d16756e6e60f2.html

[6] MSC Software, Adams 2013/help, 2013

作者： 洪浩華 項陽 

來源：上汽安全與CAE技術