麦弗逊悬架KC特性分析APP开发与应用

news2024/9/22 5:22:51

汽车悬架系统是汽车重要的组成部分之一，起到支撑车身、减震降噪、提高行驶稳定性等多种作用。其中，悬架系统的K&C特性是一个重要指标，直接影响到汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性，是悬架系统设计和优化的关键目标之一。

图1 汽车悬架系统

K&C特性描述的是底盘（主要是悬架+转向系统）在受到外界输入后产生的变化，它是车辆操控稳定性的直接影响者，是悬架的灵魂，是整车操稳性和舒适性的DNA。

K（Kinematic，运动学）特性——悬架几何运动学特性，由路面及转向位移（车轮上下跳动、左右转动）的输入而产生的车轮空间位置姿态变化，研究的是悬架和转向系统的几何空间位置运动特征，不考虑质量和力的影响。

C（Compliance，弹性变形）特性——悬架弹性运动学特性，由外界力（地面作用于轮胎的力和力矩）的输入导致悬架变形而引起的车轮空间位置姿态变化，研究的是力的作用引起的变形，如弹簧、衬套、稳定杆和部件的受力变形。

随着汽车工程领域对汽车操纵性能和舒适性要求的不断提升，可靠高效的K&C分析显得尤为重要，作为评价汽车动力学特性和操控性能的重要指标，全面的K&C分析能够为汽车制造商和工程师提供重要的数据支撑，助力优化悬架系统设计，提升汽车的操控性和安全性，高效评估和验证不同悬架系统设计方案的性能差异。

目前汽车常见的悬架类型中，按照左右车轮是否可独立运动，可分为非独立悬架和独立悬架，非独立悬架主要有钢板弹簧式、扭力梁式、整体桥式，独立悬架主要有麦弗逊式、双叉臂式、多连杆式。其中，麦弗逊悬架凭借其结构简单、占用空间小、成本低等特点，在中小型汽车中得到了广泛的应用。

一、仿真APP解决方案

本案例基于伏图多体动力学分析功能对麦弗逊悬架进行建模和K&C特性平行跳动工况分析，通过内置的APP开发器，对参数化模型和仿真流程进行无代码化的快速封装，得到麦弗逊悬架K&C特性分析APP。通过仿真APP，工程师只需要进行参数修改和提交计算，就可以实现不同设计方案的K&C特性计算和对比评估，完成符合动力学性能要求的悬架系统设计。

本仿真APP可实现：

不同硬点位置、弹性元件参数的悬架快速建模及仿真计算；
基于仿真动画和曲线，快速评估悬架在不同参数下的运动特性规律；
结合仿真结果辅助悬架参数调校和优化。

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1. 仿真流程搭建

1) 部件建模

根据硬点坐标，首先需创建附属于地面的参考点，用于后续创建部件、运动副等分析模块的辅助选择定位点。悬架部件可直接使用分析菜单中的连杆和圆柱体通过点选硬点参考点创建。

图2 硬点参数坐标及部件创建

2) 创建运动副约束

创建悬架各部件之间的约束关系，定义转向节与下摆臂、转向横拉杆之间的球副，转向节与减震器下滑柱之间的固定副，减震器下滑柱与上滑柱之间的圆柱副，上滑柱与地面之间的胡克副，转向横拉杆与转向齿条之间的等速副，转向齿条与地面之间的移动副。

图3 定义部件间的运动副约束

3) 弹性元件设置

定义悬架中的弹性元件，包括下摆臂与车架（模型中用地面代替）连接处的衬套、减震器上下滑柱之间的螺旋弹簧。

图4 弹性元件刚度参数及建模

4) 工况载荷施加

本案例仿真工况为平行轮跳，即在左右轮心处同向施加幅值为50mm的上下跳动位移，在建模时可对转向节轮心点处添加对应幅值的正弦函数驱动。

图5 工况载荷施加

5) 创建输出请求

通用多体动力学分析中输出的角度结果为313欧拉角，此处需要通过创建输出请求函数，将313欧拉角转换为前束角、外倾角等汽车专用表述，以便于对结果的查看和分析。如下图所示，F1-F5分别表示轮心垂向位移、车轮前束角、外倾角、轮心侧向位移、轮心纵向位移。

图6 创建输出请求

6) 计算与后处理

前处理建模完成后，设置相应的分析类型和积分方法，即可进行求解计算，求解过程中可实时显示仿真动画。计算完成后，根据需要可绘制前束角、外倾角等指标与垂向跳动位移之间的关系曲线图。

图7 后处理曲线绘制与动画查看

图8 曲线所反馈的实际意义

2. 仿真APP封装

1) 参数设定与关联

对需要进行参数化的对象进行参数设定与关联，包括悬架硬点所关联的参考点坐标，弹簧、衬套的刚度。

图9 参数设定与关联

2) APP封装

图10 APP封装

二、仿真APP应用

基于伏图平台无代码化封装的悬架K&C特性分析APP，可应用于汽车悬架系统的设计、验证、调试等过程，帮助工程师对悬架性能进行快速评估，对设计方案进行迭代优化，有助于缩短研发周期，同时可在一定程度上代替试验，降低研发成本。

对悬架设计方案进行验证；
对硬点方案进行迭代优化；
确定关键性能元件的关键参数；
悬挂系统设计与优化；
汽车操控性能评估。

图11 麦弗逊悬架K&C特性分析APP

三、仿真APP赋能千行百业

相较于传统CAE仿真软件，基于伏图开发的仿真APP更加灵活易用，用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地访问云平台进行仿真分析工作，提升产品研发效率。欢迎访问工业仿真APP商店Simapps，在线体验面向各种产品和场景的仿真APP。

四、关于伏图

伏图（Simdroid）具备固体力学、流体力学、电动力学、热力学等通用求解器，支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时，作为仿真PaaS平台，其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。