麥弗遜懸架的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

梁媛媛，龍道江

（江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230009）

麥弗遜懸架的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

梁媛媛，龍道江

（江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230009）

懸架的KC特性是整車(chē)性能的重要組成部分，針對(duì)前期整車(chē)開(kāi)發(fā)效率低、繼承性高的特性，本文運(yùn)用ADAMS/Car建立了帶轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、副車(chē)架子系統(tǒng)的前麥弗遜懸架系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并進(jìn)行了懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過(guò)仿真和實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性，對(duì)懸架硬點(diǎn)進(jìn)行靈敏度分析，得到了各硬點(diǎn)的位置變化對(duì)目標(biāo)值的影響和貢獻(xiàn)量，在充分考慮性能、成本以及零部件可實(shí)現(xiàn)性等方面的因素，通過(guò)調(diào)整懸架部分硬點(diǎn)，在保證懸架整體性能的基礎(chǔ)上，對(duì)前麥弗遜懸架進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化，提高整車(chē)開(kāi)發(fā)效率。

剛?cè)狁詈夏Ｐ?；懸架硬點(diǎn)；靈敏度分析；仿真優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.019

CLC NO.: U463.33+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-54-04

引言

汽車(chē)懸架系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)性能(操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等)有非常重要的影響。汽車(chē)懸架系統(tǒng)的空間機(jī)構(gòu)是比較復(fù)雜，并且車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)工況是多種多樣的，在實(shí)際行駛過(guò)程中會(huì)有各種各樣的外在激勵(lì)及內(nèi)在控制，由于這些的存在，因此在給懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)與彈性動(dòng)力學(xué)的分析時(shí)會(huì)帶來(lái)大的困難。

在懸架系統(tǒng)中KC特性不但對(duì)整車(chē)舒適性和操縱穩(wěn)定性影響都很大，是懸架的靈魂，其中懸架硬點(diǎn)特別是關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)KC特性中各種曲線(xiàn)的影響較大，在懸架的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，懸架的關(guān)鍵點(diǎn)的選取非常重要，一旦懸架的關(guān)鍵硬點(diǎn)如取得不合理，在汽車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)難以估計(jì)的麻煩，一般工程師在開(kāi)發(fā)前期都會(huì)最先確定懸架的硬點(diǎn)，懸架的硬點(diǎn)位置很多，如何在合理的范圍內(nèi)調(diào)整硬點(diǎn)是非常重要的。

在懸架的性能分析中，一般先建立懸架動(dòng)力學(xué)模型，仿真得到各KC特性曲線(xiàn)，根據(jù)仿真值確定懸架KC特性中不滿(mǎn)足要求的因素，然后對(duì)這些因素進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化懸架時(shí)，一般先對(duì)懸架的關(guān)鍵性硬點(diǎn)進(jìn)行靈敏度分析，分析出影響某些K&C特性的關(guān)鍵因素，根據(jù)這些影響因素，結(jié)合實(shí)車(chē)實(shí)際情況合理地調(diào)整硬點(diǎn)，最終使該懸架的KC特性達(dá)到最優(yōu)。

本文結(jié)合某SUV實(shí)車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中前麥弗遜懸架KC特性，根據(jù)具體的實(shí)際情況，對(duì)前懸架硬點(diǎn)進(jìn)行靈敏度分析，并對(duì)該懸架硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、麥弗遜懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

利用ADAMS/Car建立了前麥弗遜懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，該車(chē)前懸架動(dòng)力學(xué)模型由懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、前副車(chē)架子系統(tǒng)、穩(wěn)定桿子系統(tǒng)組成。

該懸架子系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為控制臂、彈簧、減振器、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)立柱等，各部件通過(guò)連接副、襯套組成一個(gè)完整的子系統(tǒng)；該車(chē)型轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，其最大轉(zhuǎn)向角為1173.6°，最大齒條位移為153.5mm，通過(guò)計(jì)算得到傳動(dòng)比為0.13337329rad/mm；橫向穩(wěn)定桿直徑為21.5mm；該車(chē)型副車(chē)架通過(guò)四個(gè)襯套與控制臂和車(chē)身相連，在Hypermesh中對(duì)副車(chē)架進(jìn)行有限元建模，以.MNF模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS/car。四個(gè)子系統(tǒng)組成前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，各子系統(tǒng)之間用通訊器進(jìn)行連接。

某車(chē)型的前懸架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 前懸架結(jié)構(gòu)圖

表1 四輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)值

圖2 前麥弗遜懸架動(dòng)力學(xué)模型

建立某車(chē)型懸架模型時(shí)的四輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)值見(jiàn)表1所示，關(guān)鍵點(diǎn)硬點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表2所示，模型中的相關(guān)襯套、減振器、彈簧特性曲線(xiàn)根據(jù)實(shí)車(chē)設(shè)計(jì)值輸入到模型中，在多體動(dòng)力學(xué)模型中橫向穩(wěn)定桿一般建成柔性體，對(duì)前副車(chē)架進(jìn)行自由模態(tài)和約束模態(tài)分析計(jì)算，計(jì)算頻率在200HZ以?xún)?nèi)，故將前副車(chē)架進(jìn)行柔化，在Hypermesh中對(duì)副車(chē)架、穩(wěn)定桿進(jìn)行有限元建模，以.MNF模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS/Car中，建立的前麥弗遜懸架動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖2所示。

表2 前懸架關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)

2、懸架模型的驗(yàn)證

懸架系統(tǒng)K&C試驗(yàn)就是在臺(tái)架上模擬道路激勵(lì)導(dǎo)致的懸架運(yùn)動(dòng)，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以運(yùn)用軟件對(duì)懸架系統(tǒng)K&C特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果已經(jīng)能夠較好的和試驗(yàn)結(jié)果吻合。

懸架總成的K&C特性主要包括軸跳動(dòng)、軸側(cè)傾、縱向力加載、側(cè)向力加載和回正力矩加載5大工況特性，車(chē)輪外傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、前束角是各加載情況的重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3 平行輪跳前束角變化曲線(xiàn)

圖4 平行輪跳外傾角變化曲線(xiàn)

本文選用滿(mǎn)載情況下車(chē)輪上下跳動(dòng)同向激振試驗(yàn)加載為-70mm～+70mm，以及縱向力加載試驗(yàn)加載力為-1200N～1200N，得到車(chē)輪前束角、車(chē)輪外傾角、輪心變化等參數(shù)隨車(chē)輪跳動(dòng)、縱向力加載的變化特性曲線(xiàn)。并將仿真值和實(shí)車(chē)K&C曲線(xiàn)作對(duì)比，驗(yàn)證懸架模型的準(zhǔn)確性，其中實(shí)線(xiàn)為仿真值，虛線(xiàn)為試驗(yàn)值。

圖5 縱向力加載輪心變化曲線(xiàn)

圖6 縱向力加載前束角變化曲線(xiàn)

從圖3至圖6可以看出，該懸架雙輪同向跳動(dòng)試驗(yàn)和同向縱向力加載試驗(yàn)中仿真曲線(xiàn)和實(shí)車(chē)試驗(yàn)曲線(xiàn)的跳動(dòng)趨勢(shì)相同，兩者吻合度較高，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，所建的模型能夠進(jìn)一步的優(yōu)化分析。

3、麥弗遜懸架硬點(diǎn)的靈敏度分析

懸架總成的K&C特性主要包括軸跳動(dòng)、軸側(cè)傾、縱向力加載、側(cè)向力加載和回正力矩加載5大工況特性，每種工況下都有若干項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，各項(xiàng)K&C參數(shù)對(duì)影響程度各不相同。車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性指標(biāo)的變化是懸架結(jié)構(gòu)布局好壞的量化體現(xiàn)，而對(duì)于懸架結(jié)構(gòu)布局而言，懸架關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)則是最為重要的參數(shù)。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目要求，分析懸架關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的影響，從而得到各個(gè)特性指標(biāo)相對(duì)敏感的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，最后進(jìn)行優(yōu)化分析。

3.1 選取設(shè)計(jì)變量和約束條件

本文根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，設(shè)計(jì)變量方面，選取以設(shè)計(jì)初始值為中心，按初始值增減一定比例得到參數(shù)的變化范圍，得到相關(guān)硬點(diǎn)參數(shù)的影響因素，將變量范圍設(shè)計(jì)成-5mm～ 5mm。通過(guò)Adams/Insight對(duì)麥弗遜前懸架關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行考察，選取控制臂的前后外端點(diǎn)、減振器的上下端點(diǎn)、彈簧的上下端點(diǎn)、轉(zhuǎn)向橫拉桿的內(nèi)外端點(diǎn)這9個(gè)硬點(diǎn)的x 、y、z 的3個(gè)方向坐標(biāo)值作設(shè)計(jì)變量。以靈敏度為依據(jù)，確定較為敏感的變量。靈敏度公式可表示為：

其中，S為靈敏度，Yiα為參數(shù)i 取下限值α?xí)r的負(fù)向峰值，Yiβ為參數(shù)i取上限值β時(shí)負(fù)向峰值，Yi0為模型初始狀態(tài)下的負(fù)向峰值。

3.2 靈敏度分析

在Adams/Insight模塊中進(jìn)行設(shè)置，將前束角、外傾角、縱向位移和側(cè)向位移的絕對(duì)最大值作為分析目標(biāo)，應(yīng)用DOE Screening (2-level)方法創(chuàng)建設(shè)計(jì)矩陣，設(shè)置Fractional Factorial設(shè)計(jì)類(lèi)型后進(jìn)行分析，得到懸架硬點(diǎn)靈敏度分析結(jié)果如圖7至圖10所示。

圖7 輪跳過(guò)程中前束變化靈敏度

從圖7可知，影響前束角變化最大的是橫向拉桿外點(diǎn)Z坐標(biāo)，靈敏度為22.32%，且為正效應(yīng)，其次是橫向拉桿內(nèi)點(diǎn)Z坐標(biāo)，靈敏度為-18.68%，為負(fù)效應(yīng)，然后是控制臂前端點(diǎn)的Z坐標(biāo)、控制臂外端點(diǎn)的Z坐標(biāo)以及減振器上端點(diǎn)Z坐標(biāo)，其余各點(diǎn)的影響較小。

圖8 輪跳外傾角變化靈敏度

圖9 縱向力加載前束角變化靈敏度

圖10 縱向力加載輪心坐標(biāo)變化靈敏度

從圖8可知，影響外傾角變化最大的是控制臂前端點(diǎn)Z坐標(biāo)，靈敏度為10.78%，為正效應(yīng)，其次是控制臂外端點(diǎn)Z坐標(biāo)以及減振器下端點(diǎn)Y坐標(biāo)，其余影響較小。

從圖9可知，在縱向力加載情況下，對(duì)前束角影響最大的是轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)X坐標(biāo)，靈敏度為-12.93%，為負(fù)效應(yīng)，其次是控制臂外點(diǎn)X坐標(biāo)，靈敏度為12.05%，為正效應(yīng)，其余影響較小。

從圖10可知，在縱向力加載情況下，對(duì)縱坐標(biāo)影響最大的是下擺臂后點(diǎn)X坐標(biāo)，為負(fù)效應(yīng)，其余影響較小。

4、麥弗遜懸架綜合優(yōu)化分析

4.1 懸架硬點(diǎn)優(yōu)化分析

在某車(chē)型的設(shè)計(jì)仿真中，發(fā)現(xiàn)該車(chē)在輪跳過(guò)程中輪心縱向位移不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值要求，在縱向力加載試驗(yàn)中前束的變化以及輪心縱向力變形達(dá)不到要求，在不影響其余KC因素情況下重點(diǎn)需要優(yōu)化以上幾處目標(biāo)值。

圖11 硬點(diǎn)位置的變化

根據(jù)得到的敏感度結(jié)果，提出了三種方案。方案如表3所示，方案一：限制硬點(diǎn)在一定范圍內(nèi)變化；方案二：不限制硬點(diǎn)，使不滿(mǎn)足要求的K&C值達(dá)到最優(yōu)，KC曲線(xiàn)中的其他值也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，方案二調(diào)整的硬點(diǎn)較多、范圍較大；方案三：折中優(yōu)化方案。綜合考慮KC、整車(chē)性能及成本影響，最終前懸硬點(diǎn)選擇采用折中優(yōu)化方案三。

表3 麥弗遜懸架硬點(diǎn)調(diào)整方案

4.2 懸架優(yōu)化前后KC對(duì)比

懸架通過(guò)硬點(diǎn)靈敏度分析，在綜合考慮KC、整車(chē)操縱穩(wěn)定性、制造成本的基礎(chǔ)上對(duì)前懸架的硬點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后使前懸架KC性能能達(dá)到設(shè)計(jì)期望值的要求。根據(jù)該車(chē)型前懸架設(shè)計(jì)的上下跳行程，優(yōu)化懸架部分KC仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示，仿真如圖12到圖17，其中實(shí)線(xiàn)為優(yōu)化前，虛線(xiàn)為優(yōu)化后。

圖12 同向跳動(dòng)前束角優(yōu)化對(duì)比圖

圖13 同向跳動(dòng)外傾角優(yōu)化對(duì)比圖

圖14 同向跳動(dòng)輪心縱向位移變化優(yōu)化對(duì)比圖

圖15 縱向力加載前束變化優(yōu)化對(duì)比圖

圖16 縱向力加載輪心變化優(yōu)化對(duì)比圖

圖17 縱向力加載輪心變化優(yōu)化對(duì)比圖

表4 優(yōu)化前后部分kc值結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)懸架的硬點(diǎn)優(yōu)化，在保證其他KC性能的情況下，可知：

輪跳過(guò)程中，懸架的前束角和外傾角參數(shù)優(yōu)化前后變化不大，優(yōu)化后該值可以接受，輪心縱向位移得到大大的改善，優(yōu)化前該值為71mm/m，優(yōu)化后為34.5mm/m，優(yōu)化后滿(mǎn)足要求。

縱向加載情況下，縱向力輪心變化、前束變化得到改善，達(dá)到指導(dǎo)值要求；側(cè)向力加載情況下，側(cè)向力輪心變化能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指導(dǎo)值的要求。該懸架性能的優(yōu)化為后期整車(chē)性能的提高打下了基礎(chǔ)。

5、結(jié)論

本文清晰地對(duì)某SUV前麥弗遜懸架硬點(diǎn)進(jìn)行靈敏度分析，確定對(duì)該懸架硬點(diǎn)的影響因素；通過(guò)仿真分析，發(fā)現(xiàn)該懸架某些KC性能不合格，以該懸架不合格的KC因素為目標(biāo)，對(duì)懸架的K性能和C性能進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化，在充分考慮性能、成本以及可實(shí)現(xiàn)性等方面的因素，通過(guò)調(diào)整懸架部分硬點(diǎn)使懸架的性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，各工況性能達(dá)到最優(yōu)；多目標(biāo)的優(yōu)化使懸架在設(shè)計(jì)過(guò)程中各性能更加平衡，提高懸架硬點(diǎn)和襯套剛度在開(kāi)發(fā)階段的效率，為后期整車(chē)性能的開(kāi)發(fā)提供保證，節(jié)省了時(shí)間、保證了資源。

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Designation and Optimization of Macpherson Suspension

Liang Yuanyuan, Long Daojiang
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230009）

The Suspension KC characteristics is an important part of vehicle performance, for the features of inefficiency and high succession, the model of rigid-flexible coupling of front macpherson suspension with Steering and subframe system is built by applying software ADAMS/Car, and the simulation of suspension is carried out, by comparing the simulation and real test, the correctness of the model is verified,the sensitivity analysis is made of the suspension hard points, the influence and contribution of the hard points to the indexes are obtained through sensitivity analysis.by considered of the factor of the performance and cost and feasibility of the parts, by adjusting of the suspension hardpoints,based on the suspension Performance, front macpherson suspension is optimizd about multiple target, efficiency of the vehicle development is improved.

rigid-flexible model; suspension hardpoints; sensitivity analysis; Simulation and optimization

U463.33+1

A

1671-7988 (2016)12-54-04

梁媛媛，就職于江淮汽車(chē)股份有限公司。