麥弗遜懸架硬點(diǎn)偏差對(duì)整車性能的影響分析

摘 要 麥弗遜懸架是一種經(jīng)典的，被廣泛使用的懸架形式，決定其使用性能的是懸架的關(guān)鍵硬點(diǎn)位置，硬點(diǎn)位置會(huì)直接影響到表征整車性能的四輪定位參數(shù)，包括前束角，外傾角，主銷內(nèi)傾角，主銷后傾角等。本文主要以麥弗遜懸架為對(duì)象，詳細(xì)介紹了使用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams，建立底盤前懸的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的過程，以及在模型中引入懸架硬點(diǎn)偏差，建立四輪定位參數(shù)測量的方法，探究麥弗遜前懸關(guān)鍵硬點(diǎn)制造偏差，對(duì)表征其性能的參數(shù)指標(biāo)的影響。同時(shí)，給出了硬點(diǎn)偏差對(duì)整車性能參數(shù)的定量化分析結(jié)果，為在實(shí)際的生產(chǎn)制造中，嚴(yán)格控制懸架硬點(diǎn)制造精度，提供了理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞 麥弗遜懸架整車性能四輪定位參數(shù) 硬點(diǎn)偏差

一、引言

麥弗遜懸架作為一種經(jīng)典的懸架形式，其構(gòu)造簡單，占用空間小，而且操縱性很好，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外商乘用車中。在實(shí)際制造時(shí)，由于該懸架零部件外形較為復(fù)雜，且由多個(gè)部件組裝而成，一般由減震器總成、下擺臂、副車架、轉(zhuǎn)向橫拉桿、橫向穩(wěn)定桿等裝配而成。零部件的制造偏差以及裝配過程的偏差的積累難以避免，這些制造偏差會(huì)對(duì)懸架的硬點(diǎn)位置產(chǎn)生較大的影響，使懸架硬點(diǎn)偏離理論設(shè)計(jì)位置，并且偏差過大，將會(huì)導(dǎo)致裝配后的四輪定位參數(shù)波動(dòng)較大。而四輪定位參數(shù)對(duì)汽車行駛性能有著非常大的影響，一般用來作為評(píng)價(jià)整車性能的參數(shù)指標(biāo)。因此，參數(shù)的不穩(wěn)定必將造成整車性能下降，從而嚴(yán)重影響到產(chǎn)品質(zhì)量。有關(guān)麥弗遜懸架的仿真分析以及四輪定位參數(shù)的檢測分析，一直以來都有相關(guān)學(xué)者在進(jìn)行研究。例如，李英濤[1]等對(duì)汽車四輪定位檢測及調(diào)整技術(shù)，進(jìn)行了比較全面系統(tǒng)的研究；李臣[2]等介紹了基于Adams/Car模塊的麥弗遜懸架建模與仿真的分析方法；李海艷[3]等通過對(duì)麥弗遜懸架進(jìn)行Adams建模，并且結(jié)合經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論，對(duì)麥弗遜主動(dòng)懸架性能參數(shù)的優(yōu)化和控制，進(jìn)行了較為深入的研究。然而，已有的相關(guān)研究，大多集中在汽車車輪定位參數(shù)的檢測調(diào)整，以及懸架硬點(diǎn)的優(yōu)化等方面，較少涉及到懸架制造偏差對(duì)整車性能的影響分析。

本文通過使用機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams/View，建立了懸架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，通過在模型中引入懸架關(guān)鍵安裝硬點(diǎn)的偏差，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，使用軟件自帶的函數(shù)庫創(chuàng)建前輪定位參數(shù)的測量函數(shù)，對(duì)硬點(diǎn)偏差導(dǎo)致的前輪定位參數(shù)變化進(jìn)行了詳細(xì)分析。

二、四輪定位參數(shù)對(duì)性能的影響

四輪定位參數(shù)是表征整車性能的重要參數(shù)指標(biāo)，包括前束角，外傾角，主銷內(nèi)傾角，主銷后傾角等，對(duì)汽車行駛性能有很大的影響，并且其參數(shù)的穩(wěn)定對(duì)保證汽車整車性能具有非常關(guān)鍵的作用。前束角參數(shù)超差將導(dǎo)致車輪輪胎磨損加劇，并導(dǎo)致輪胎失效。而過大的正外傾或負(fù)外傾，會(huì)導(dǎo)致車輛行駛過程中輪胎與路面產(chǎn)生滑動(dòng)磨損，輪胎內(nèi)外磨損不均，降低輪胎壽命。過大的主銷后傾角會(huì)加劇前輪擺振，導(dǎo)致行駛得不平順，主銷內(nèi)傾角參數(shù)超差，則會(huì)引起嚴(yán)重的操縱問題，包括在急加速時(shí)的力矩致生偏向，急剎車時(shí)的轉(zhuǎn)向拉力以及沖擊轉(zhuǎn)向等。[4]本文針對(duì)麥弗遜前懸對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)進(jìn)行具體分析，轉(zhuǎn)向前輪的定位參數(shù)，包括前輪前束角，前輪外傾角，以及主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角。

三、懸架硬點(diǎn)位置偏差分析

（一）懸架關(guān)鍵安裝硬點(diǎn)

該車型使用的前懸為麥弗遜式懸架，車輪定位參數(shù)主要與懸架上的關(guān)鍵安裝硬點(diǎn)位置有關(guān)，由懸架結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取單側(cè)懸架進(jìn)行硬點(diǎn)位置分析，如圖1所示。懸架安裝硬點(diǎn)，包括前懸減震器總成與車身地板匹配安裝點(diǎn)A，前懸減震器總成與下擺臂連接處的球頭銷球心B，前懸減震器總成與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接處的球頭銷球心C，以及下擺臂與前懸副車架總成安裝連接處的轉(zhuǎn)軸前后端點(diǎn)D、E，其中的硬點(diǎn)C的位置是可調(diào)整的。因此，偏差分析時(shí)主要分析硬點(diǎn)A、B，以及轉(zhuǎn)軸DE的位置，以及姿態(tài)偏差對(duì)參數(shù)的影響。本文圍繞這四個(gè)硬點(diǎn)的位置偏差展開進(jìn)行分析，建模時(shí)硬點(diǎn)C處于模型理論位置。

（二）懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)偏差值

硬點(diǎn)A為麥弗遜懸架與白車身的安裝點(diǎn)，其位置偏差，即為車身對(duì)應(yīng)安裝孔的位置偏差，硬點(diǎn)B的位置偏差以及轉(zhuǎn)軸DE的姿態(tài)偏差，受到副車架、搖臂的制造偏差，以及車身與副車架匹配安裝點(diǎn)位置偏差等因素的綜合影響。白車身整體由一個(gè)個(gè)復(fù)雜薄板件焊接而成，由于焊接變形，對(duì)應(yīng)于懸架的匹配安裝孔位置將偏離理論位置。副車架和搖臂等在裝配成總成件時(shí)，由于副車架、搖臂自身制造偏差，以及裝配過程中的偏差累積，將使得搖臂轉(zhuǎn)軸DE，以及與減震器的連接點(diǎn)B的實(shí)際位置偏離理論位置。根據(jù)當(dāng)前的制造精度水平，可將硬點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)公差定為±2.0mm。[5]

取各硬點(diǎn)位置的正向最大公差值，作為其極限位置偏差，并結(jié)合硬點(diǎn)在整車坐標(biāo)系下的理論坐標(biāo)，可得出考慮硬點(diǎn)位置偏差后的坐標(biāo)值，如表1所示。

四、硬點(diǎn)偏差對(duì)整車性能的影響分析

（一）麥弗遜懸架建模

麥弗遜懸架是一種經(jīng)典的獨(dú)立懸掛形式。由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，一般在Adams建模時(shí)，只需建立1/2懸架模型即可進(jìn)行。在Adams/View模塊中，進(jìn)行麥弗遜懸架的機(jī)構(gòu)建模時(shí)，首先使用UG軟件，將懸架的CAD數(shù)模由stp格式轉(zhuǎn)為Adams軟件支持的Parasolid格式，再將模型導(dǎo)入到Adams/View模塊，此時(shí)硬點(diǎn)的位置坐標(biāo)均為理論值，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加相應(yīng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束，并在輪胎的中心點(diǎn)處設(shè)置位移加載，用于實(shí)現(xiàn)懸架從空載到滿載的變工況運(yùn)動(dòng)仿真，這樣便完成了基于Adams/View模塊的1/2麥弗遜懸架的建模。建好的模型和機(jī)構(gòu)約束情況如圖1所示。

（二）前輪定位參數(shù)偏差分析

完成Adams麥弗遜懸架的建模后，在軟件中建立車輪定位參數(shù)的測量函數(shù)，根據(jù)四輪定位參數(shù)的定義，在Adams中通過監(jiān)測輪胎安裝面法線上的點(diǎn)，以及主銷軸線上下端點(diǎn)，即硬點(diǎn)A、B的位置坐標(biāo)在懸架運(yùn)動(dòng)過程中的變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)前輪前束角、外傾角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角的檢測。根據(jù)點(diǎn)的位置坐標(biāo)可得參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式為：

根據(jù)上述公式，在Adams中使用其函數(shù)庫自帶的ATAN2函數(shù)，即可輕松實(shí)現(xiàn)參數(shù)測量函數(shù)的創(chuàng)建。

創(chuàng)建好測量函數(shù)后，在Adams中通過改變懸架硬點(diǎn)的位置坐標(biāo)，引入懸架的硬點(diǎn)偏差值，便可通過仿真分析得到硬點(diǎn)偏差對(duì)四輪定位參數(shù)的定量關(guān)系。在給定工況下，前輪定位參數(shù)為靜態(tài)參數(shù)，從圖5可知，給定工況下，車輪靜態(tài)定位參數(shù)主要取決于硬點(diǎn)A、B的位置，只考慮硬點(diǎn)A、B位置偏差即可。而在變工況的情況下，輪胎跳動(dòng)，搖臂會(huì)繞軸線DE轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，轉(zhuǎn)軸DE的姿態(tài)偏差，將直接影響前輪定位參數(shù)的波動(dòng)規(guī)律，所以動(dòng)態(tài)分析時(shí)需要考慮轉(zhuǎn)軸DE的姿態(tài)偏差對(duì)參數(shù)波動(dòng)的影響。

首先取空載整備工況進(jìn)行定工況下的前輪靜態(tài)定位參數(shù)偏差分析，根據(jù)表1中的硬點(diǎn)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在Adams中改變硬點(diǎn)A的位置坐標(biāo)，進(jìn)行仿真分析，輸出車輪定位參數(shù)值，模擬硬點(diǎn)A的位置，存在偏差時(shí)對(duì)空載整備工況下前輪靜態(tài)定位參數(shù)的影響。參數(shù)變化如表2所示。

從表2可看出，硬點(diǎn)A的位置偏差對(duì)外傾角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角的影響都接近0.2°。因此，該硬點(diǎn)的位置偏差對(duì)輪胎壽命和行駛的平順性，有較大影響。

將硬點(diǎn)A的位置調(diào)回理論值，再以相同方法對(duì)硬點(diǎn)B進(jìn)行位置偏差輸入，仿真模擬硬點(diǎn)B的位置存在偏差時(shí)，對(duì)車輪定位參數(shù)的影響。參數(shù)變化如表3所示。

從表3可看出，硬點(diǎn)B的位置偏差對(duì)外傾角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角的影響均超過了0.15°，同硬點(diǎn)A一樣，B點(diǎn)偏差也會(huì)對(duì)汽車行駛性能產(chǎn)生較大影響。

以上對(duì)空載整備工況下前輪靜態(tài)定位參數(shù)進(jìn)行了偏差分析，研究了硬點(diǎn)A、B的位置偏差，對(duì)前輪定位參數(shù)的影響。接下來，再對(duì)由硬點(diǎn)D、E構(gòu)成的搖臂轉(zhuǎn)軸姿態(tài)偏差導(dǎo)致的變工況下，前輪定位參數(shù)波動(dòng)性變化進(jìn)行分析。本文所研究的麥弗遜懸架，從空載到滿載狀態(tài)輪胎上跳位移為24mm，對(duì)上跳過程中各前輪定位參數(shù)的波動(dòng)進(jìn)行分析，將軸線DE端點(diǎn)的理論坐標(biāo)和偏差坐標(biāo)輸入到建好的Adams分析模型中，對(duì)懸架進(jìn)行輪跳運(yùn)動(dòng)仿真，可得到考慮轉(zhuǎn)軸DE姿態(tài)偏差前后的前輪定位參數(shù)波動(dòng)性的變化。如圖2所示，可看出轉(zhuǎn)軸姿態(tài)偏差，會(huì)導(dǎo)致前輪跳動(dòng)過程中參數(shù)的波動(dòng)性發(fā)生變化，對(duì)前輪定位參數(shù)的穩(wěn)定性，將產(chǎn)生不利影響。

五、結(jié)論

綜合上述分析，硬點(diǎn)A、B的位置偏差，對(duì)空載整備工況下轉(zhuǎn)向輪靜態(tài)定位參數(shù)的影響較大，2mm左右的位置偏差，將會(huì)帶來高于0.15°的參數(shù)變化，對(duì)整車性能的影響較為顯著。而搖臂轉(zhuǎn)軸DE的姿態(tài)偏差，將導(dǎo)致各前輪定位參數(shù)在變工況過程中的波動(dòng)性增加，降低了參數(shù)的穩(wěn)定性，從而也會(huì)影響懸架的使用性能。因此，改進(jìn)制造工藝，提高懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)的位置精度，可以有效增加轉(zhuǎn)向前輪靜態(tài)定位參數(shù)的穩(wěn)定性，較好地提升整車性能。在實(shí)際生產(chǎn)制造中，必須嚴(yán)格控制懸架的硬點(diǎn)制造偏差，才能保證整車的合格率以及良好的行駛性能。

（作者單位為上汽通用五菱汽車股份有限公司）

[作者簡介：盧從堅(jiān)（1988—），男，畢業(yè)于海南大學(xué)工程學(xué)院，2011年參加工作，目前為上汽通用五菱汽車股份有限公司寶駿基地總裝車間質(zhì)量工程師，主要從事汽車制造質(zhì)量改進(jìn)工作。]

參考文獻(xiàn)

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[3] 李海艷.基于ADAMS的麥弗遜主動(dòng)懸架性能參數(shù)的優(yōu)化及控制研究[D].東北大學(xué)，2008.

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