麥弗遜懸架操穩(wěn)性能優(yōu)化與試驗(yàn)研究

張貴萬，高發(fā)華，蔣兵，羅明軍

(蕪湖凱翼汽車有限公司,安徽蕪湖 241006)

?

麥弗遜懸架操穩(wěn)性能優(yōu)化與試驗(yàn)研究

張貴萬，高發(fā)華，蔣兵，羅明軍

(蕪湖凱翼汽車有限公司,安徽蕪湖 241006)

為改善某麥弗遜懸架車輛的操穩(wěn)性能，利用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS建立麥弗遜多體仿真模型；結(jié)合競品車的K & C參數(shù), 通過優(yōu)化懸架前束角和外傾角等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，對(duì)汽車行駛過程中的操穩(wěn)性能進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：優(yōu)化后，懸架的前束角得到有效改善，尤其是垂直平行工況前束角由-6.8(°)/m減小為-3.5(°)/m，降幅達(dá)到49%，大大改善了該車輛的操穩(wěn)特性。最后通過K & C試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)CAE仿真結(jié)果，可知仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差控制在15%內(nèi)。

麥弗遜懸架；K & C特性；操穩(wěn)性能；優(yōu)化；試驗(yàn)研究

0 引言

麥弗遜懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)較快、制造成本低、占用空間小、可以與多種型式的彈簧相匹配以及能夠?qū)崿F(xiàn)車身高度自動(dòng)調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，在轎車的設(shè)計(jì)開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。懸架系統(tǒng)性能是由懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)(Kinematics and Compliance,K & C)特性綜合表現(xiàn)的。運(yùn)動(dòng)學(xué)特性描述的是車輪上下跳動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪定位參數(shù)的變化；而彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性則是描述懸架在承受外力及力矩作用下，車輪定位參數(shù)的一些變化特性。K & C特性作為懸架的重要性能，國內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了很多研究，國外研究的主要內(nèi)容包括車輪外傾角、前束角、輪距、主銷后傾角及主銷內(nèi)傾等對(duì)汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性、直線行駛性能、輪胎磨損和滾動(dòng)阻力、回正性等性能的影響[1-3]。劉擁軍等[4]在時(shí)域和頻域內(nèi)進(jìn)行整車操控性客觀仿真試驗(yàn)，得到了麥弗遜式前懸架影響整車性能的關(guān)鍵總成參數(shù)及其貢獻(xiàn)率。田海蘭等[5]采用分段方法描述了懸架K & C非線性特性表達(dá)式,從而為研究車輛整體性能和進(jìn)一步了解懸架非線性特性的時(shí)域性提供了思路。魏天將等[6]建立某乘用車非線性十四自由度整車動(dòng)力學(xué)模型,并以模型為基礎(chǔ),采用模糊灰色關(guān)聯(lián)分析模型對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行分析。

通過與競品車型的對(duì)比，結(jié)合汽車整體布置與其余性能的要求，對(duì)開發(fā)車型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,制定了開發(fā)車型K & C特性目標(biāo)值，利用ADAMS/Car模塊建立了麥弗遜前懸架模型，通過仿真及試驗(yàn)分析并優(yōu)化K & C特性，提高工作效率。

1 麥弗遜懸架K & C參數(shù)

懸架K & C特性對(duì)操縱性中處于核心地位的不足/過度轉(zhuǎn)向特性、直線行駛時(shí)的輪胎磨損有重要影響，同時(shí)可反映出懸架和輪胎剛度及遲滯特性[7]。K & C特性主要內(nèi)容包含懸架幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性即車輪發(fā)生垂直位移時(shí)懸架幾何引起的其他5個(gè)自由度定位變化，簡稱K特性；車輪受力(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mz)時(shí)襯套撓曲變形引起的車輪6自由度定位變化，亦稱順從特性，簡稱C特性。

對(duì)6款競品車型進(jìn)行K & C特性試驗(yàn)，主要試驗(yàn)工況有垂直運(yùn)動(dòng)、垂直側(cè)傾、側(cè)向力柔順性、回正力矩柔順性、縱向制動(dòng)，得出K & C特性如表1所示。

表1 競品車型K & C特性參數(shù)

綜合競品車的主觀評(píng)價(jià)及K & C特性，擬定開發(fā)樣車K & C特性目標(biāo)值如表2所示。

表2 K & C特性參數(shù)目標(biāo)值

2 操穩(wěn)性能仿真及優(yōu)化

2.1 懸架建模

根據(jù)開發(fā)車型硬點(diǎn)及懸架參數(shù)在ADAMS/Car中進(jìn)行建模，在建立多連桿懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型之前，應(yīng)作如下簡化和假設(shè)：所有結(jié)構(gòu)簡化為剛體，每個(gè)剛體在各方向的慣性力為0，且它們之間的連接都為剛性鉸接，在動(dòng)力學(xué)分析過程中忽略鉸鏈在一些方向的力約束真值，運(yùn)動(dòng)副間的摩擦力忽略不計(jì)，輪胎簡化為柔性體。建模的關(guān)鍵是部件之間的約束要正確，采用瞬時(shí)軸

線法確定其主銷軸線，得到如圖1所示的麥弗遜式懸架多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，滿載時(shí)懸架各特性參數(shù)如表3所示。彈性元件簡化為線性彈簧，減震器特性曲線如圖2所示。

圖1 麥弗遜式懸架ADAMS模型

軸荷/N7620主銷內(nèi)傾角/(°)11．5輪距/mm1537主銷后傾角/(°)3．8前輪外傾角/(°)-1．85前輪前束角/(°)-0．5

圖2 減震器特性曲線

2.2 懸架系統(tǒng)仿真

車輪的定位參數(shù)對(duì)車輛操穩(wěn)性有很大的影響，因此建立麥弗遜式懸架系統(tǒng)模型后，對(duì)比優(yōu)化前后前輪前束、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角以及主銷后傾角的曲線，對(duì)麥弗遜式前懸架系統(tǒng)進(jìn)行初步的評(píng)價(jià)。

操縱穩(wěn)定性分析采用如下工況：垂直平行及側(cè)傾工況、側(cè)向力與回正力矩試驗(yàn)工況、縱向制動(dòng)工況，結(jié)果與目標(biāo)值對(duì)比如表4所示。

由表4可見該開發(fā)車型的K & C特性主要的不足之處是：

(1)在受垂直力作用的情況下，前束的變化趨于過度轉(zhuǎn)向特性較多；

(2)在垂直側(cè)傾工況下，前束趨于過度轉(zhuǎn)向特性不足；

(3)受側(cè)向力情況下，前束變化趨于不足轉(zhuǎn)向過多；

(4)在回正力矩作用下，前束趨于過度轉(zhuǎn)向特性過多，外傾角有增大趨勢；

(5)縱向制動(dòng)工況下，前輪有趨于過度轉(zhuǎn)向的特性，外傾角有增大趨勢。

表4 K & C特性仿真結(jié)果與目標(biāo)值對(duì)比

2.3 懸架系統(tǒng)性能優(yōu)化

目前對(duì)于整車操縱穩(wěn)定性的優(yōu)化主要分為兩種:一種方法是通過建立數(shù)學(xué)模型，選擇優(yōu)化方法,利用計(jì)算機(jī)求解得到優(yōu)化結(jié)果并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。這種優(yōu)化方法較為全面，可以得出各性能參數(shù)對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響。但是在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，部分汽車參數(shù)可改動(dòng)的空間很有限，且會(huì)影響汽車整體布置與性能，加之優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)間較長、后期仍需試驗(yàn)驗(yàn)證，因此實(shí)用性并不高。還有另外一種優(yōu)化方法就是通過開發(fā)車型與競品對(duì)標(biāo)車型的對(duì)比，提出整改調(diào)整方案并進(jìn)行驗(yàn)證，這種優(yōu)化方法效率較高。

因此采用第二種優(yōu)化方法，通過與競品車型的對(duì)比，結(jié)合汽車整體布置與其余性能的要求，對(duì)開發(fā)車型進(jìn)行優(yōu)化改善，主要采用如下優(yōu)化方案：

方案一：調(diào)整連接桿上點(diǎn)；

方案二：轉(zhuǎn)向拉桿外點(diǎn)下移；

方案三：調(diào)整彈簧剛度及T-bar剛度。

分別在ADAMS/Car中進(jìn)行仿真分析，5種工況結(jié)果與原型車對(duì)比如圖3—12所示。

(1)垂直平行工況

圖3 前束角變化((°)/m)

圖4 外傾角變化((°)/m)

(2)垂直側(cè)傾工況

圖5 前束角變化((°)/m)

圖6 外傾角變化((°)/m)

(3)側(cè)向力工況

圖7 前束角柔順性((°)/kN)

圖8 外傾角柔順性((°)/kN)

(4)回正力矩工況

圖9 前束角柔順性((°)/kN·m)

圖10 外傾角柔順性/((°)/kN·m)

(5)縱向制動(dòng)工況

圖11 前束角柔順性((°)/kN)

從表5可知該車操穩(wěn)性整體得到改善：

(1)前束角得到有效改善。在垂直平行工況由原來-6.8(°)/m降為-3.5(°)/m，降幅為49%，其他工況也都在比較合理的目標(biāo)值范圍。前束角的降低能夠有效地改善輪胎的磨損，提高輪胎使用壽命，且達(dá)到了目標(biāo)值。

(2)外傾角保持了合理效能。優(yōu)化前后外傾角變化不大，都保證在目標(biāo)值范圍內(nèi)，有利于降低汽車直線行駛時(shí)的輪胎磨損及保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。

3 懸架性能試驗(yàn)

試驗(yàn)用K & C試驗(yàn)臺(tái)采用MTS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖13所示，試驗(yàn)臺(tái)為輪胎表面提供了5自由度運(yùn)動(dòng)(垂直、側(cè)向、縱向、側(cè)傾、轉(zhuǎn)動(dòng))，并安裝5自由度的位移傳感器和6自由度的力和力矩傳感器用以測量輪胎位移及受力，同時(shí)還有可以測量車輪6自由度的車輪運(yùn)動(dòng)傳感器[7-9]。

圖13 K & C試驗(yàn)臺(tái)

通過平臺(tái)施加一系列載荷和位移來模擬垂直運(yùn)動(dòng)、垂直側(cè)傾運(yùn)動(dòng)、回正能力、制動(dòng)等工況，可以得到與車輛懸架性能相關(guān)的主要參數(shù)，包括前輪前束、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角以及主銷后傾角等重要參數(shù)。

經(jīng)過分析優(yōu)化，結(jié)果如表5所示，可見按照方案三修改的懸架參數(shù)基本可達(dá)到目標(biāo)范圍值，且經(jīng)過實(shí)車測試，測試結(jié)果與設(shè)計(jì)定義基本相符，見表6，考慮襯套剛度偏差，實(shí)測結(jié)果可接受。

表6 仿真優(yōu)化值與試驗(yàn)值對(duì)比

依據(jù)表6，通過仿真與試驗(yàn)對(duì)比，雖然存在一定誤差，但多個(gè)數(shù)據(jù)誤差均在15%以內(nèi)，最終的實(shí)測值均在目標(biāo)值范圍內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)要求。汽車性能提升主要為：輪心橫向變形更利于車輛操控；前束/外傾的變化更利于汽車不足轉(zhuǎn)向特性及直線行駛能力，襯套、彈簧、穩(wěn)定桿及T-bar剛度的調(diào)整改善了懸架本身遲滯特性?；谇捌诘奶摂M仿真分析，在后期的操穩(wěn)調(diào)校摸底驗(yàn)證中，懸架硬點(diǎn)匹配基本滿足K & C性能目標(biāo)要求，未因硬點(diǎn)問題調(diào)整懸架結(jié)構(gòu)，根據(jù)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果僅對(duì)彈簧和T-bar剛度等進(jìn)行了調(diào)校及性能提升工作，大大縮短了操穩(wěn)性能的開發(fā)周期，同時(shí)也為底盤零部件的提前開發(fā)降低了風(fēng)險(xiǎn)。4 結(jié)束語

通過對(duì)競品進(jìn)行K & C試驗(yàn)，準(zhǔn)確開展開發(fā)車型懸架性能目標(biāo)設(shè)定。結(jié)合CAE仿真和主客觀評(píng)價(jià)測試、對(duì)標(biāo)及仿真結(jié)果進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)校，對(duì)不合理部分進(jìn)行優(yōu)化，最終得到更加符合設(shè)計(jì)需要的參數(shù)值，提升了懸架的整體性能,減少了匹配周期。

(1)通過對(duì)競品車的K & C特性試驗(yàn)，可以獲取對(duì)標(biāo)車輛懸架K & C特性參數(shù)范圍，為制定開發(fā)樣車的K & C特性目標(biāo)提供支持與參考。

(2)通過動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)懸架進(jìn)行建模仿真，可以較好地進(jìn)行模擬各種復(fù)雜工況的懸架K & C特性分析；通過對(duì)計(jì)算機(jī)模擬分析結(jié)果和K & C試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，相互驗(yàn)證，將計(jì)算機(jī)模型表達(dá)得更加準(zhǔn)確，以便后期優(yōu)化分析；

(3)通過計(jì)算機(jī)模擬結(jié)合試驗(yàn)調(diào)教懸架特性，其研究方法具有一定參考意義，提高了懸架開發(fā)效率，且大幅降低開發(fā)成本，完善產(chǎn)品質(zhì)量。

【1】CASSARA S J,ANDERSON D C,OLOFSSON J M.A Multi-level Approach for the Validation of a Tractor-semitrailer Ride and Handling Model[R].SAE Paper,2004-01-2694.

【2】RAO P S,ROCCAFORTE D,CAMPBELL R,et al.Developing an ADAMS?Model of an Automobile Using Test Data[R].SAE Paper，2002-01-1567.

【3】MORSE P，SAE PA U W.Using K & C Measurements for Practical Suspension Tuning and Development[R].SAE Paper,2004-01-3547.

【4】劉擁軍,王蠡,任凱,等.麥佛遜懸架總成參數(shù)對(duì)整車操控性能的影響分析[J].汽車技術(shù),2011(8):22-28. LIU Y J,WANG L,REN K,et al.Analysis on Effect of McPherson Subsystem Parameters on Vehicle Handling Property[J].Automobile Technology,2011(8):22-28.

【5】田海蘭,王東方,蘇小平,等.車輛懸架K & C特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,245(7):243-245. TIAN H L,WANG D F,SU X P,et al.Analysis of K&C Performances on Vehicle Suspension[J].Machinery Design & Manufacture，2011,245(7):243-245.

【6】魏天將,趙亮,韋宏法.汽車懸架對(duì)整車操縱穩(wěn)定性影響的仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2015,32(11):193-198. WEI T J,ZHAO L,WEI H F.The Simulation of Automotive Suspension Analysis to Vehicle Handing Stability[J].Compute Simulation,2015,32(11):193-198.

【7】管欣,逄淑一,詹軍.懸架K & C特性在底盤性能分析中的研究[J].汽車技術(shù),2010,413(2):4-8. GUAN X,FENG S Y,ZHAN J.Research of Suspension Kinematics and Compliance on Vehicle Chassis Performance Analysis[J].Automobile Technology,2010,413(2):4-8.

【8】MITSCHKE M,WALLENTOWITZ H.汽車動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009．

【9】郭孔輝．汽車操縱動(dòng)力學(xué)[M]．長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1991．

Improvement and Experiment on Performance of Vehicle Handling Stability for MacPherson Suspension

ZHANG Guiwan, GAO Fahua, JIANG Bing, LUO Mingjun

(Cowin Automobile Co.,Ltd., Wuhu Anhui 241006, China)

In order to improve the performance of vehicle handling stability for MacPherson suspension, a multi-body simulation model for MacPherson was built with ADAMS software.The K & C parameters of competing vehicle were taken into account in the new vehicle, some key parameters of the suspension (toe angle, camber angle, etc.) were optimized, and the performance of vehicle handling stability was simulated. The results show that it is effective for toe angle of the suspension after optimization, especially in the vertical parallel condition. The toe angle is reduced from -6.8(°)/m to -3.5(°)/m (a drop of 49%). So the handling stability is greatly improved. Contrasting the K & C test with simulation results, the results show that the simulation results agree well with the experimental results, and the error is controlled within 15%.

MacPherson suspension；K & C characteristics; Handling stability; Optimization; Test research

2016-08-24

江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20142BAB216028)

張貴萬(1981—)，男，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)與力學(xué)分析。E-mail:zhangguiwan1@mychery.com。

羅明軍，E-mail:zhangguiwan1@mychery.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.002

U461.99

A

1674-1986(2016)11-008-05