麥弗遜懸架硬點對整車轉(zhuǎn)向特性影響研究

姜宏霞，李戍斌，謝翠花（.上汽通用五菱汽車股份有限公司，. 柳州孔輝汽車科技有限公司 柳州 545007）

麥弗遜懸架硬點對整車轉(zhuǎn)向特性影響研究

姜宏霞1，李戍斌1，謝翠花2
（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，2. 柳州孔輝汽車科技有限公司 柳州 545007）

利用懸架的K&C特性試驗數(shù)據(jù)和車輛整車信息及定位參數(shù)建立了基于CarSim的整車模型，并加以驗證，分析整車轉(zhuǎn)向特性仿真試驗分析麥弗遜懸架K特性對其靈敏度影響，并將靈敏度大的設計因子作為更改前懸硬點的設計目標，聯(lián)合Adams/Insight軟件對前懸硬點做靈敏度分析，找出對該設計因子影響較大的硬點，建立了該懸架硬點與整車轉(zhuǎn)向特性的關聯(lián)性。

四輪定位；K特性；硬點；轉(zhuǎn)向特性；

1 引言

麥弗遜獨立懸架具有結(jié)構簡單、非簧載質(zhì)量小、發(fā)動機及轉(zhuǎn)向系易于布置等優(yōu)點，被廣泛應用于中低端市場的產(chǎn)品開發(fā)中。在公司現(xiàn)有車型中，前懸架布置都采用該懸架型式。通過改變該懸架的硬點（底盤關鍵零件的安裝點）位置，會對懸架運動學（K特性）性能有影響，進而影響到整車動力學性能。因此在整車開發(fā)初期或者在對現(xiàn)有車型性能的提升階段，如何通過對懸架硬點的更改來達到設計者預期的整車動力學性能是倍受關注的核心問題之一［1］［2］。

汽車的轉(zhuǎn)向特性作為車輛操縱穩(wěn)定性的重要組成部分，對車輛的主動安全性起著至關重要的作用，它包括穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性和瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性。前者一般通過穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗獲得評價指標，后者一般通過角階躍試驗獲得評價指標［3］。

鑒于此問題，基于某車型實測K&C試驗數(shù)據(jù)，依托整車參數(shù)化仿真平臺CarSim，探索麥弗遜懸架運動學（K特性）對整車轉(zhuǎn)向性能影響較大的因素，再聯(lián)合Adams/Car、Adams/Insight軟件，對該懸架各硬點進行靈敏度分析，找出對該懸架運動學因素影響較大的硬點，從而可以通過更改該硬點的位置獲得預期的整車轉(zhuǎn)向性能。

2　建立基于CarSim軟件的整車模型

CarSim軟件是基于總成特性參數(shù)建模的多體動力學軟件，該建模方式不需要考慮總成的具體結(jié)構形式、硬點坐標、襯套特性以及桿件質(zhì)量等詳細參數(shù)，而將通過反映總成性能的慣性參數(shù)、剛度參數(shù)、阻尼參數(shù)等信息輸入即可完成模型的建立［4］。建模簡單，專業(yè)性能好，特別適用于特定工程領域，能夠比較準確的模擬實車整車操穩(wěn)試驗。

2.1整車信息參數(shù)

某微車整車參數(shù)信息如表一所示：

表一 整車參數(shù)信息表

2.2整車模型

建模時，空氣動力學、發(fā)動機參數(shù)、制動系、傳動系均采用系統(tǒng)缺省值，所建整車模型如圖1所示：

2.3模型的驗證

按照GB/T 6323—2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法進行仿真驗模，主要進行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗、轉(zhuǎn)向回正試驗、轉(zhuǎn)向輕便試驗、轉(zhuǎn)向盤角階躍及轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗的模擬。將CarSim模型與實際操穩(wěn)數(shù)據(jù)進行對比，從圖2中可以看出，仿真曲線與試驗曲線存在偏差但是變化趨勢一致，這主要是由于一些客觀因素造成的如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)慣量的估算，輪胎模型與實際模型的差異等，故可判斷此仿真模型是準確可行的。

3　前輪定位參數(shù)對整車轉(zhuǎn)向特性的影響

利用驗證后的Carsim整車模型分析前懸架K特性變動對整車轉(zhuǎn)向特性的影響。前輪定位主要包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束四個內(nèi)容，車輪定位的作用是使汽車保持穩(wěn)定的直線行駛和轉(zhuǎn)向輕便，并減少汽車在行駛中輪胎和轉(zhuǎn)向機件的磨損［4］。當主銷軸線和制動器中心軸夾角一定時，主銷內(nèi)傾角和前輪外傾角變化是一致的，故現(xiàn)通過調(diào)整前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角隨輪跳變化梯度值來了解懸架性能對整車轉(zhuǎn)向特性的影響。在做轉(zhuǎn)向特性分析時，選擇定方向盤轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)試驗，角階躍的瞬態(tài)試驗。

3.1前輪定位參數(shù)運動學參數(shù)設置

由于原車型前懸架跳動轉(zhuǎn)向及側(cè)傾度都不為0，且呈現(xiàn)一定的非線形性，為了方便對比前束角、外傾角、主銷后傾角對操縱穩(wěn)定性的影響，選取K特性試驗滿載時的前輪定位參數(shù)運動學斜率1作為基準線進行研究。將前束角隨輪跳變化梯度由-7deg/m分別變?yōu)?14deg/m和0deg/m，外傾角隨輪跳變化梯度由-19.8deg/m分別變?yōu)?deg/m和-39.6deg/m，主銷后傾角的變化梯度由-6deg/m分別變?yōu)?deg/m和-12deg/m，負號代表車輪上跳時前輪外張、整車趨于不足轉(zhuǎn)向，考察其對轉(zhuǎn)向特性的影響。前輪定位參數(shù)運動學特性參數(shù)設置如表二所示：

表二 前輪定位參數(shù)運動學特性參數(shù)設置表

3.2前輪定位參數(shù)K特性對穩(wěn)態(tài)特性的影響

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗-定方向盤轉(zhuǎn)角工況：車輛以10m/s的速度沿半徑15m的圓周行駛，穩(wěn)定10s后，固定方向盤轉(zhuǎn)角，以0.25m/s2的縱向加速度均勻加速行駛，直到車輛側(cè)向加速度達到6.5m/s2，前輪定位參數(shù)K特性梯度對前后軸側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度關系的影響分別如圖3、4、5所示：

不足轉(zhuǎn)向度U即前后軸側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度的關系曲線是穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗的一個重要的評價指標［5］，從圖3，4，5可以看出，前束角對不足轉(zhuǎn)向度U的影響最大。

3.3前輪定位參數(shù)K特性對瞬態(tài)特性的影響

方向盤角階躍工況：車輛以25m/s車速勻速直線行駛，1s時方向盤階躍輸入，起躍時間為0.1s，仿真過程中保持車速不變。車輪上跳時前輪外張得越大，橫擺角速度超調(diào)量越大，響應越快。前輪定位參數(shù)K特性參數(shù)的改變對橫擺角速度的影響分別如圖6、7、8所示：

橫擺角速度響應時間T即側(cè)向加速度值為2m/s^2時的橫擺角速度響應時間是轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗的性能評價指標［5］,從圖6、7、8中可以看出，前束K特性變化梯度對響應時間T影響最大。

3.4前束角對轉(zhuǎn)向特性的影響分析

前輪上跳時外張，整車趨于不足轉(zhuǎn)向特性，且前束角隨輪跳變化梯度越大，整車不足轉(zhuǎn)向趨勢越明顯，但是變化越大，會引起輪胎的過度磨損，同時也會降低汽車的轉(zhuǎn)向靈敏度。

前束角隨輪跳變化梯度越大，角階躍工況時，橫擺角速度超調(diào)量越大，響應越快。

為了快速高效的調(diào)試車輛的轉(zhuǎn)向特性，可以通過更改車輛前束角的K特性來進行試驗，但更改其K特性，又與懸架的硬點是密不可分的，在此，通過CarSim和ADAMS/Car、Adams/Insight軟件仿真，對整車轉(zhuǎn)向特性進行調(diào)校和優(yōu)化。

4　懸架硬點對前束角K特性靈敏度分析

4.1懸架結(jié)構及硬點信息

懸架結(jié)構如圖9所示：

表三 硬點信息表

4.2麥弗遜懸架Adams模型

根據(jù)4.1懸架硬點信息建立Adams/Car麥弗遜結(jié)構模型如圖10所示：

4.3懸架硬點靈敏度分析

在已建立的Adams/Car模型中仿真平行輪跳后，進入Adams/Insight中添加設計目標及設計變量，設置設計目標為前束角（Toe），選取與Toe角變化影響較大的硬點作為設計變量：

1）左擺臂外點x坐標： hpl_lca_outer.x；

2）左擺臂前點y坐標： hpl_lca_outer.y；

3）左擺臂前點z坐標： hpl_lca_outer.z；

4）減振器上點x坐標： hpl_top_mount.x；

5）減振器上點y坐標： hpl_top_mount.y；

6）減振器上點z坐標：ground.hpl_top_mount.z。

通過Adams/Insight分析得出結(jié)果，如圖11所示：

設計變量的%Effect越大，證明其變化對設計目標的影響越顯著，從圖11中Main Effects for Response.toe可以得出，平行輪跳工況：Toe對擺臂外點Z坐標的變化最靈敏。

為此，在車輛調(diào)試及優(yōu)化的過程中，可以微調(diào)擺臂外點Z值來改變Toe的K特性，從而優(yōu)化整車操縱穩(wěn)定性。

5　結(jié)論

（1）通過分析可以很清楚地看到前輪定位參數(shù)K特性參數(shù)變化對整車轉(zhuǎn)向特性影響，分析結(jié)果可以作為車輛調(diào)試的理論基礎；

（2）在前懸硬點對前輪前束角K特性分析中可以看出，微調(diào)前懸擺臂外點Z坐標值來改善前束角K特性。

（3）基于此種優(yōu)化思路，可以對整個懸架的硬點進行整車操穩(wěn)靈敏度分析，形成龐大的數(shù)據(jù)庫，對新車型開發(fā)提供理論支持。

［1］孫萬軍，毛范海，應用虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術進行產(chǎn)品開發(fā)，北京：CAD/CAM與制造業(yè)信息化，1999（22）.

［2］王蠡，項黨陳碌，吳磊.扭力梁后橋總成參數(shù)對整車轉(zhuǎn)向特性影響的分析.汽車工程 2011（V01.33）No.1.

［3］魏孝斌，冷最，王寧生，基于虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品開發(fā)技術研究，沈陽：機械設計與制造， 2002（3）.

［4］王爽. 某微車懸架K&C特性研究及其對整車操縱穩(wěn)定性的影響. 長春：吉林大學, 2008.

［5］郭孔輝，王德寶，倫景光，何炳炎.汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法.中國汽車技術研究中心標準化研究所，QC/T 480-1999.

專家推薦

李少華：

懸架硬點與整車轉(zhuǎn)向特性的關聯(lián)性分析，對整車操穩(wěn)設計有一定的參考價值和指導作用。

Study Of Front Macpherson Suspension Hard Points For Influence On The Vehicle Steering Characteristics

JIANG Hong-xia1, LI Shu-bin1, XIE Cui-hua2
（ 1.SAIC-GM-Wuling Automobile Co,.Ltd, Liuzhou 545007, China；2. KH Automotive Technologies （Liuzhou） Co.,Ltd., Liuzhou 545007, China ）

A full vehicle model is established basing on CarSim using suspension test data of K&C characteristics, vehicle information and Wheel alignment parameters, and then verified. Firstly, analyzing the influence of McPherson suspension K to the characteristics of the turning of the vehicle；secondly, finding out the great influence of it as design objective, through the Adams/Insight to do the sensitivity analyze of hard points； lastly, establish the relevance of the suspension hard points and the vehicle steering characteristics.

four wheel alignment； K characteristic； Hard points； Steering characteristics

U462.3

A

1005-2550（2016）03-0042-05