CN109263423B - 一种独立悬架导向机构及其测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多轴重型车辆的大行程独立悬架导向机构及其测试装置和方法，属于特种车辆底盘技术领域，所述的多轴是指该车辆具有两个以上的轴，重型是指该车辆的轴荷不小于10吨，大行程是指该车辆的车轮跳动量不小于150mm。本发明为了满足超重载底盘悬架系统的大载荷、大行程的需求，设计一种配备独立悬架的上横臂总成、下横臂总成。通过对下横臂总成进行结构拓扑优化，确定最优的载荷传递路径，得到能够同时满足极限载荷结构强度和大行程轮跳运动干涉要求的下横臂总成三维结构。上横臂总成、下横臂总成通过大角度球铰与轮组转向节连接，满足承载要求，且满足车轮大行程跳动的球铰大角度转动要求。

Description

一种独立悬架导向机构及其测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种独立悬架导向机构及其测试装置和方法，尤其涉及一种用于多轴重型车辆的大行程独立悬架导向机构及其测试装置和方法，属于特种车辆底盘技术领域，所述的多轴是指该车辆具有两个以上的轴，重型是指该车辆的轴荷不小于10吨，大行程是指该车辆的车轮跳动量不小于150mm。

背景技术

国内外关于悬架导向机构对操纵稳定性的影响研究已经比较丰富，对于悬架系统导向机构的优化设计也进行了许多有价值的探索，为相关研究提供了比较丰富的参考。但用于超重型底盘的悬架系统，载荷大、轮跳行程大、使用工况复杂、布置空间有限，对悬架系统导向机构的优化和工程设计提出更高要求。

目前对用于轴荷大于13t的超重型底盘悬架系统导向机构的工程设计方法、设计要点的介绍还比较少，特别是车轮跳动行程大于200mm的悬架系统导向机构，缺少设计规范和参考依据。

发明内容

本发明的技术解决问题是：设计一种双横臂式独立悬架导向机构，满足超重型底盘的使用需求。

本发明的技术解决方案是：一种超重型底盘用独立悬架导向机构，包括上横臂总成和下横臂总成，上、下横臂总成内侧均通过销轴与车架连接，并可绕销轴在YZ平面内摆动；上下横臂总成外侧分别通过球铰与轮组转向节的上下接口连接，由球铰提供可实现车轮上下跳动和左右摆动的自由度；所述的下横臂总成在满足结构强度的前提下在其内侧向外开尽可能深的豁口；所述的YZ平面为在车辆坐标系下定义的坐标平面。

进一步的，通过对导向机构硬点的优化，保证悬架的特性K&C满足要求；所述的对导向机构硬点的优化包括上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标的优化。

进一步的，所述的对导向机构硬点的优化具体通过下述方式实现：

设定上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标坐标变化范围；在坐标变化范围内选取一组上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标，针对每组选取的坐标使车轮在要求的极限工况下进行工作，得到每组坐标对应的主销内倾角、车轮外倾角、轮距、侧倾中心高度变化曲线；从中选取主销内倾角、车轮外倾角、轮距、侧倾中心高度四个变化曲线均满足要求时对应的上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标。

进一步的，上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标坐标变化范围具体为：

上横臂总成Z坐标变化范围为转向节的上接口Z坐标±100mm；上横臂总成Y坐标变化范围为A±100mm；所述的A为车架上纵梁间距的一半。下横臂总成Z坐标变化范围为转向节的下接口Z坐标±100mm；下横臂总成Y坐标变化范围为B±100mm；所述的B为车架下纵梁间距的一半。

进一步的，所述的豁口形状通过如下方式确定：

第一步，根据要求的极限工况下，下横臂总成外侧安装球铰处所受的极限载荷；对未开豁口的下横臂总成进行结构拓扑优化，确定最优载荷传递路径；

第二步，在最优载荷传递路径与下横臂总成内侧组成的区域内开豁口；

第三步，进行结构强度和运动干涉校核，若结构强度及运动干涉均满足要求，则当前豁口为最终的豁口；若结构强度满足安全系数要求、运动干涉不满足要求，则根据运动干涉部位在上述区域内改动豁口的位置或大小，重新执行第三步；若结构强度不满足安全系数要求、运动干涉满足要求，则在豁口内侧安装加强筋，重新执行第三步；或者缩小豁口，重新执行第三步；若结构强度及运动干涉均不满足要求，则更改下横臂总成内侧与车架连接的位置间距以及下横臂总成的臂长，重新从第一步开始执行。

进一步的，所述的上横臂总成包括上横臂、金属轴承、油封、金属垫片、定位销；上横臂内侧设置销轴安装孔，安装孔内安装金属轴承，金属轴承外端安装油封，油封外侧安装金属垫片，并通过定位销固定金属垫片的位置。

进一步的，所述的下横臂总成由下横臂、金属轴承、油封、金属垫片、定位销；下横臂内侧设置销轴安装孔，安装孔内安装金属轴承，金属轴承外端安装油封，油封外侧安装金属垫片，并通过定位销固定金属垫片的位置。

进一步的，所述的金属垫片厚度突出销轴安装孔的端面。

进一步的，在下横臂上开有一个长形孔，用于安装弹簧下支耳。

进一步的，所述的球铰的转动角度至少达到40°，承载能力不小于20t。

一种用于多轴重型车辆的大行程独立悬架导向机构的测试装置，该装置包括作动器、支架、车轮总成、两个球头总成、油气弹簧和下销轴；

两个球头总成分别为第一球头总成和第二球头总成；

第一球头总成的一端与上横臂总成固定连接，第一球头总成的另一端与车轮总成固定连接；

第二球头总成的一端与下横臂总成固定连接，第二球头总成的另一端与车轮总成固定连接；

油气弹簧的顶端与支架固定连接，油气弹簧与下横臂总成通过下销轴固定连接；

作动器位于车轮总成的底端；

上横臂总成通过上横臂销轴与支架进行固定连接；

下横臂总成通过下横臂销轴与支架进行固定连接；

支架固定在地面上；

一种用于多轴重型车辆的大行程独立悬架导向机构的测试方法，该方法的步骤包括：

(1)将导向机构安装在测试装置中，

(2)启动作动器，使作动器缓慢上下移动，所述的缓慢是指作动器的上下移动频率不高于0.1Hz；

(3)给作动器输入一个正弦波信号，正弦波信号的频率为0.1-0.5Hz，正弦波信号的振幅与车轮的跳动量一致，使作动器按照所接收到的正弦波信号进行上下移动；

(4)采集导向机构的应力及车轮总成上下跳动的位移；

(5)根据采集到导向机构的应力与导向机构的材料的屈服强度进行比较，计算安全系数，安全系数的计算方法为：屈服强度/应力，当安全系数不小于2时说明导向机构的强度满足要求，车轮总成上下跳动的位移即为车轮总成的跳动量。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明为了满足超重载底盘悬架系统的大载荷、大行程的需求，设计一种配备独立悬架的上横臂总成、下横臂总成。

通过对下横臂总成进行结构拓扑优化，确定最优的载荷传递路径，得到能够同时满足极限载荷结构强度和大行程轮跳运动干涉要求的下横臂总成三维结构。上横臂总成、下横臂总成通过大角度球铰与轮组转向节连接，满足承载要求，且满足车轮大行程跳动的球铰大角度转动要求。

附图说明

图1为本发明上横臂总成示意图；

图2为本发明下横臂总成示意图；

图3为本发明悬架系统装配示意图；

图4为本发明悬架运动学仿真模型示意图；

图5为本发明上、下横臂拓扑优化结果图；

图6为本发明上、下横臂强度计算结果图；

图7为本发明的测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

超重型底盘采用双横臂式独立悬架，悬架系统导向机构包括上横臂总成和下横臂总成。上横臂总成由上横臂、金属轴承、油封、金属垫片、销组成，下横臂总成由下横臂、金属轴承、油封、金属垫片、销组成。上、下横臂内侧通过销轴与车架连接，横臂可绕销轴在YZ(车辆坐标系)平面内摆动；上下横臂外侧通过球铰与轮组连接，提供可实现车轮上下跳动和左右摆动的自由度。通过对导向机构硬点的优化，使车轮上下跳动时的车轮定位参数和侧倾中心高度变化尽量小，保证悬架具有良好的特性K&C，进而使整车具有良好的操纵稳定性。根据硬点信息对悬架上横臂、下横臂进行三维初步设计，然后运用拓扑优化方法，对横臂结构进行优化，在保证使用强度的前提下，满足轻量化的设计要求。

图1为用于超重型底盘独立悬架的导向机构之上横臂总成，上横臂总成由上横臂1、金属轴承5、油封4、金属垫片3、销2组成。上横臂为钢材料，满足冲击载荷下的设计强度要求；金属轴承为铜材料，加上润滑脂的润滑作用，可以大大减小横臂与销轴之间的摩擦磨损；油封起到密封作用，既防止润滑油渗漏，又隔断了外界尘土、水等进入金属轴承与销轴之间；金属垫片起到保护油封的作用，另外，更重要的是让金属垫片厚度突出于横臂端面以与支架配合；销子用来将金属垫片固定在横臂端面上。

图2为用于超重型底盘独立悬架的导向机构之下横臂总成，下横臂总成由下横臂6、金属轴承10、油封9、金属垫片8、销7组成，其每个零部件的作用与上横臂总成相同。下横臂总成与车架连接端，在两个支腿的外侧装有金属垫片，支腿的外侧与支架配合。在下横臂肩处开有一个长形孔，用于安装弹簧下支耳。

图3为悬架系统装配图，上横臂总成内侧通过销轴与支架连接，可绕X轴(车辆坐标系)做旋转运动；上横臂外侧通过球铰与轮组连接，可绕X轴、Z轴做旋转运动，实现车轮上下跳动和左右转向运动；下横臂总成内侧与外侧与上横臂总成在结构和运动形式上相同，只是在车轮跳动过程中，油气弹簧会在下横臂长形孔内作微小摆动。

图4为悬架运动学仿真模型。上、下横臂由质量杆来模拟，横臂内侧通过旋转副与车架连接，横臂外侧通过球铰副与轮组连接；油气弹簧由两个相对运动的质量杆来模拟，油气弹簧下端通过球铰副与下横臂连接，上端通过球铰副与车架连接，油气弹簧活塞与缸体之间通过圆柱副连接；以上各结构及运动副的连接实现车轮及导向机构的运动。球铰的转动角度至少达到40°，承载能力不小于20t。

利用悬架运动学仿真模型，以车轮上下跳动时的车轮定位参数和侧倾中心高度变化尽量小为优化目标，通过对导向机构硬点的优化，保证悬架具有良好的特性K&C，进而使整车具有良好的操纵稳定性。具体的优化步骤如下：

(1)设定上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标坐标变化范围：

上横臂总成Z坐标变化范围为转向节的上接口Z坐标±100mm；上横臂总成Y坐标变化范围为A±100mm；所述的A为车架上纵梁间距的一半。下横臂总成Z坐标变化范围为转向节的下接口Z坐标±100mm；下横臂总成Y坐标变化范围为B±100mm；所述的B为车架下纵梁间距的一半。

(2)在坐标变化范围内选取一组上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标，针对每组选取的坐标使车轮在要求的极限工况下进行工作，得到每组坐标对应的主销内倾角、车轮外倾角、轮距、侧倾中心高度变化曲线；从中选取主销内倾角、车轮外倾角、轮距、侧倾中心高度四个变化曲线均满足要求时对应的上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标。

下横臂总成在满足结构强度的前提下在其内侧向外开尽可能深的豁口，豁口形状通过如下方式确定：

第一步，根据要求的极限工况下，下横臂总成外侧安装球铰处所受的极限载荷；对未开豁口的下横臂总成进行结构拓扑优化，确定最优载荷传递路径；图5为上、下横臂拓扑优化模型，材料模式采用变密度法(SIMP方法)。

第二步，在最优载荷传递路径与下横臂总成内侧组成的区域内开豁口；

第三步，进行结构强度和运动干涉校核，若结构强度及运动干涉均满足要求，则当前豁口为最终的豁口；若结构强度满足安全系数要求、运动干涉不满足要求，则根据运动干涉部位在上述区域内改动豁口的位置或大小，重新执行第三步；若结构强度不满足安全系数要求、运动干涉满足要求，则在豁口内侧安装加强筋，重新执行第三步；或者缩小豁口，重新执行第三步；若结构强度及运动干涉均不满足要求，则更改下横臂总成内侧与车架连接的位置间距以及下横臂总成的臂长，重新从第一步开始执行。

优化求解后单元密度为1表示该单元位置处的材料很重要，需要保留，单元密度靠近0表示该单元位置处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现结构轻量化设计，使上、下横臂结构在拓扑优化后得到更加合理的材料分布及传力路径。在满足设计要求的前提下，尽可能减整车重量，提高车辆的机动性、越野能力、可靠性等使用性能。

图6为上、下横臂应力图，用于核算典型工况下横臂强度是否满足要求；所核算的工况包括3倍静载工况、紧急制动工况和侧翻工况，要求每种工况的上、下横臂强度安全系数不小于2；若横臂局部应力不满足强度要求，需对横臂进行迭代优化，直至满足强度要求。

如图7所示，一种用于多轴重型车辆的大行程独立悬架导向机构的测试装置，该装置包括作动器、支架、车轮总成、两个球头总成、油气弹簧和下销轴；

两个球头总成分别为第一球头总成和第二球头总成；

第一球头总成的一端与上横臂总成固定连接，第一球头总成的另一端与车轮总成固定连接；

第二球头总成的一端与下横臂总成固定连接，第二球头总成的另一端与车轮总成固定连接；

油气弹簧的顶端与支架固定连接，油气弹簧与下横臂总成通过下销轴固定连接；

作动器位于车轮总成的底端；

上横臂总成通过上横臂销轴与支架进行固定连接；

下横臂总成通过下横臂销轴与支架进行固定连接；

支架固定在地面上；

一种用于多轴重型车辆的大行程独立悬架导向机构的测试方法，该方法的步骤包括：

(1)将导向机构安装在测试装置中，

(2)启动作动器，使作动器缓慢上下移动，所述的缓慢是指作动器的上下移动频率不高于0.1Hz；

(3)给作动器输入一个正弦波信号，正弦波信号的频率为0.5Hz，正弦波信号的振幅为150mm，使作动器按照所接收到的正弦波信号进行上下移动；

(4)采集导向机构的应力并计算安全系数＝屈服强度/应力，车轮总成上下跳动的位移为150mm；安全系数不小于2时说明导向机构的强度满足要求，根据得到的位移150mm，说明车轮总成的跳动量不小于150mm。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种用于多轴重型车辆的大行程独立悬架导向机构的测试装置，其特征在于：该装置包括作动器、支架、车轮总成、两个球头总成、油气弹簧和下销轴；

两个球头总成分别为第一球头总成和第二球头总成；

第一球头总成的一端与上横臂总成固定连接，第一球头总成的另一端与车轮总成固定连接；

第二球头总成的一端与下横臂总成固定连接，第二球头总成的另一端与车轮总成固定连接；

油气弹簧的顶端与支架固定连接，油气弹簧与下横臂总成通过下销轴固定连接；

作动器位于车轮总成的底端；

上横臂总成通过上横臂销轴与支架进行固定连接；

下横臂总成通过下横臂销轴与支架进行固定连接；

支架固定在地面上；

述的导向机构，包括上横臂总成和下横臂总成，上、下横臂总成内侧均通过销轴与车架连接，并可绕销轴在YZ平面内摆动；上下横臂总成外侧分别通过球铰与轮组转向节的上下接口连接，由球铰提供可实现车轮上下跳动和左右摆动的自由度；所述的下横臂总成在满足结构强度的前提下在其内侧向外开尽可能深的豁口；所述的YZ平面为在车辆坐标系下定义的坐标平面；

通过对导向机构硬点的优化，保证悬架的特性K&C满足要求；所述的对导向机构硬点的优化包括上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标的优化；

所述的对导向机构硬点的优化具体通过下述方式实现：

设定上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标的 坐标变化范围；在坐标变化范围内选取一组上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标，针对每组选取的坐标使车轮在要求的极限工况下进行工作，得到每组坐标对应的主销内倾角、车轮外倾角、轮距、侧倾中心高度变化曲线；从中选取主销内倾角、车轮外倾角、轮距、侧倾中心高度四个变化曲线均满足要求时对应的上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标；

上横臂、下横臂总成内侧中心点的Y、Z坐标的 坐标变化范围具体为：

上横臂总成Z坐标变化范围为转向节的上接口Z坐标±100mm；上横臂总成Y坐标变化范围为A±100mm；所述的A为车架上纵梁间距的一半； 下横臂总成Z坐标变化范围为转向节的下接口Z坐标±100mm；下横臂总成Y坐标变化范围为B±100mm；所述的B为车架下纵梁间距的一半；

所述的上横臂总成包括上横臂、金属轴承、油封、金属垫片、定位销；上横臂内侧设置销轴安装孔，安装孔内安装金属轴承，金属轴承外端安装油封，油封外侧安装金属垫片，并通过定位销固定金属垫片的位置；

所述的下横臂总成由下横臂、金属轴承、油封、金属垫片、定位销；下横臂内侧设置销轴安装孔，安装孔内安装金属轴承，金属轴承外端安装油封，油封外侧安装金属垫片，并通过定位销固定金属垫片的位置；

所述的金属垫片厚度突出销轴安装孔的端面，在下横臂上开有一个长形孔，用于安装弹簧下支耳，所述的球铰的转动角度至少达到40°，承载能力不小于20t。

2.根据权利要求1所述的一种用于多轴重型车辆的大行程独立悬架导向机构的测试装置，其特征在于：所述的豁口的 形状通过如下方式确定：

第一步，根据要求的极限工况下，下横臂总成外侧安装球铰处所受的极限载荷；对未开豁口的下横臂总成进行结构拓扑优化，确定最优载荷传递路径；

第二步，在最优载荷传递路径与下横臂总成内侧组成的区域内开豁口；

第三步，进行结构强度和运动干涉校核，若结构强度及运动干涉均满足要求，则当前豁口为最终的豁口；若结构强度满足安全系数要求、运动干涉不满足要求，则根据运动干涉部位在上述区域内改动豁口的位置或大小，重新执行第三步；若结构强度不满足安全系数要求、运动干涉满足要求，则在豁口内侧安装加强筋，重新执行第三步；或者缩小豁口，重新执行第三步；若结构强度及运动干涉均不满足要求，则更改下横臂总成内侧与车架连接的位置间距以及下横臂总成的臂长，重新从第一步开始执行。

3.一种用于多轴重型车辆的大行程独立悬架导向机构的测试方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)将导向机构安装在测试装置中；

(2)启动作动器，使作动器缓慢上下移动，所述的缓慢是指作动器的上下移动频率不高于0.1Hz；

(3)给作动器输入一个正弦波信号，正弦波信号的频率为0.1-0.5Hz，正弦波信号的振幅与车轮的跳动量一致，使作动器按照所接收到的正弦波信号进行上下移动；

(4)采集导向机构的应力及车轮总成上下跳动的位移；

(5)根据采集到导向机构的应力与导向机构的材料的屈服强度进行比较，计算安全系数，安全系数的计算方法为：屈服强度/应力，当安全系数不小于2时说明导向机构的强度满足要求，车轮总成上下跳动的位移即为车轮总成的跳动量。

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