整體橋五連桿后懸架與操縱穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)分析

李中好，許國(guó)興，韓記宗，趙運(yùn)強(qiáng)

Li Zhonghao，Xu Guoxing，Han Jizong，Zhao Yunqiang

（北汽福田汽車股份有限公司汽車研究院 商務(wù)車中心，北京 102206）

整體橋五連桿后懸架與操縱穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)分析

李中好，許國(guó)興，韓記宗，趙運(yùn)強(qiáng)

Li Zhonghao，Xu Guoxing，Han Jizong，Zhao Yunqiang

（北汽福田汽車股份有限公司汽車研究院 商務(wù)車中心，北京 102206）

基于剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)械原理，論述整體橋五連桿后懸架性能參數(shù)的穩(wěn)定性和可控性。應(yīng)用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件，分析整體橋五連桿后懸架軸轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)和抗側(cè)傾能力，并結(jié)合經(jīng)典的汽車?yán)碚撟龀鼋忉尯驮u(píng)價(jià)，為整車的懸架匹配設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

懸架；整體橋；軸轉(zhuǎn)向特性；側(cè)傾中心

0 引 言

五連桿整體橋顧名思義就是把整體式車橋用五根桿件與車身（或車架）連接起來(lái)的一種懸架結(jié)構(gòu)，既能保證強(qiáng)度又能滿足乘坐舒適性，最初應(yīng)用在越野車上，現(xiàn)在在微面、MPV及小于 11座的商務(wù)車上頻繁采用，其應(yīng)用范圍還有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)；因此，認(rèn)識(shí)和解讀五連桿整體橋的特點(diǎn)，分析它的特性對(duì)于汽車研發(fā)工作很重要。

利用ADAMS軟件對(duì)五連桿懸架系統(tǒng)應(yīng)用在后橋上的轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行分析，量化設(shè)計(jì)中的軸轉(zhuǎn)向特性，并對(duì)該懸架固有的特性（抗側(cè)傾能力）進(jìn)行理論分析和CAE仿真分析。

1 整體橋五連桿后懸架的穩(wěn)定性與可控性

整體橋五連桿后懸架的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。2件上縱拉桿UL1、UL2，2件下縱拉桿LL1、LL2，1件橫拉桿CL1，2個(gè)左右彈簧K1、K2，2個(gè)左右減振器D1、D2，2個(gè)左右緩沖塊共同構(gòu)成整體車橋五連桿后懸架的基本結(jié)構(gòu)。車橋、五連桿和車身（車架）之間都是通過(guò)橡膠襯套的圓柱鉸接副連接，如圖2所示。

圖1 五連桿虛擬模型(含試驗(yàn)臺(tái))

圖2 拉桿橡膠襯套鉸接副結(jié)構(gòu)

2個(gè)物體之間存在相互運(yùn)動(dòng)，必然存在至少1個(gè)自由度。車橋與車身（車架）之間通過(guò) 5個(gè)桿件連接，相互之間全部采用限制 5個(gè)自由度的圓柱副進(jìn)行鉸接。上、下縱臂鉸接副軸線不平行及橫拉桿的空間結(jié)構(gòu)和位置決定了整個(gè)系統(tǒng)處于過(guò)約束的穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?jiàn)，五連桿懸架的上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程都是通過(guò)鉸接副（橡膠襯套）的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)，橡膠襯套的變形量決定了懸架性能參數(shù)的變化區(qū)域。這種由懸架結(jié)構(gòu)過(guò)約束產(chǎn)生的穩(wěn)定性與橡膠襯套微量變形產(chǎn)生的可控性會(huì)使整車的操縱穩(wěn)定性比較容易得到有效控制。

因操縱穩(wěn)定性是汽車主動(dòng)安全的重要組成部分，而汽車彎道行駛處于微量不足轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是操縱穩(wěn)定性的核心內(nèi)容。汽車整體趨于微量不足轉(zhuǎn)向是指前懸架、后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎及整車的驅(qū)動(dòng)方式等所有因素分別產(chǎn)生的不足轉(zhuǎn)向或者過(guò)度轉(zhuǎn)向求代數(shù)和的結(jié)果，因此對(duì)任何能夠引起轉(zhuǎn)向特性變化的因素都需要考慮。

另外，懸架本身的抗側(cè)傾能力也是操縱穩(wěn)定性中重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。側(cè)傾中心高度及其變化梯度是懸架抗側(cè)傾能力的具體量化指標(biāo)，側(cè)傾中心越高，變化梯度越小，抗側(cè)傾能力越強(qiáng)。通過(guò)CAE仿真結(jié)果分別對(duì)這兩方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 整體橋五連桿后懸架軸轉(zhuǎn)向特性的仿真分析

汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，整體橋后懸架的車軸發(fā)生繞垂直于地面的軸線旋轉(zhuǎn)，稱為軸轉(zhuǎn)向[1]。如圖3所示，后軸逆時(shí)針的轉(zhuǎn)角方向即為整車趨于不足轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)角方向，若順時(shí)針則為過(guò)度轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)角方向。為了便于理解，人為地把軸轉(zhuǎn)向角分成2個(gè)部分：（1）側(cè)向力和縱向力引起五連桿懸架系統(tǒng)襯套變形，導(dǎo)致后軸出現(xiàn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度稱之為懸架彈性力的軸轉(zhuǎn)向角[2]；（2）車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)懸架處于外側(cè)車輪上跳，內(nèi)側(cè)車輪下跳狀態(tài)，此時(shí)懸架的運(yùn)動(dòng)軌跡同樣引起后軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)變化角度稱之為懸架幾何軌跡的軸轉(zhuǎn)向角[3]。

圖3 整車后軸軸轉(zhuǎn)向示意圖

針對(duì)上述的理論分析，采用ADAMS軟件建立一個(gè)五連桿后懸架 CAE虛擬樣機(jī)模型。因ADAMS軟件的懸架KC（Kinematics Compliance）分析是準(zhǔn)靜態(tài)的過(guò)程，在研究懸架的運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，減振器不起作用，實(shí)物模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化如圖 4和圖5所示。

圖4 簡(jiǎn)化實(shí)體模型軸側(cè)圖

圖5 簡(jiǎn)化實(shí)體模型俯視圖

假設(shè)汽車左轉(zhuǎn)，車身向右側(cè)傾斜，左側(cè)懸架拉伸狀態(tài)，右側(cè)壓縮狀態(tài)，同時(shí)由于離心力的作用，左右輪胎都受到了由右輪指向左輪的地面摩擦力。根據(jù)汽車左轉(zhuǎn)彎五連桿后懸架的實(shí)際狀態(tài)，可以確定該懸架在 KC試驗(yàn)臺(tái)上的虛擬狀態(tài)—懸架的左右輪胎分別處在左低右高的反向激振位置，同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)對(duì)輪胎接地點(diǎn)施加一個(gè)橫向力。據(jù)此，可以對(duì)五連桿懸架虛擬模型搭建KC試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真分析。

雙輪反向激振（Opposite Wheel Travel）和雙輪反向激振加橫向力的自定義靜載分析（Static Loads）仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 反向跳動(dòng)及自定義載荷仿真分析左右側(cè)軸距變化量

實(shí)線代表單純的反向跳動(dòng)（車輛理想轉(zhuǎn)彎狀態(tài)—單純幾何軌跡軸轉(zhuǎn)向），左側(cè)軸距隨左輪跳動(dòng)的變化曲線。當(dāng)左側(cè)車輪處于-80 mm時(shí)，左側(cè)軸距減少0.714 mm；長(zhǎng)虛線代表右側(cè)軸距隨左輪跳動(dòng)的變化曲線，當(dāng)左側(cè)車輪處于-80 mm時(shí)，右側(cè)軸距減少4.27 mm，可見(jiàn)，單純的反向跳動(dòng)就可以引起軸轉(zhuǎn)向，左輪向下跳，右輪向上跳，軸轉(zhuǎn)向是逆時(shí)針，與圖3所示的轉(zhuǎn)角方向相同；該五連桿后懸架在轉(zhuǎn)彎時(shí)的軸轉(zhuǎn)向角趨于不足轉(zhuǎn)向，此時(shí)懸架幾何軌跡軸轉(zhuǎn)向角促使增大不足轉(zhuǎn)向度。

短虛線代表反向跳動(dòng)加橫向力的復(fù)合工況（車輛實(shí)際轉(zhuǎn)彎狀態(tài)），左側(cè)軸距隨左輪跳動(dòng)的變化曲線。當(dāng)左側(cè)車輪處于-80 mm時(shí)，左側(cè)軸距增加0.03 mm；點(diǎn)畫(huà)線代表車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，右側(cè)軸距隨左輪跳動(dòng)的變化曲線，當(dāng)左側(cè)車輪處于-80 mm時(shí)，右側(cè)軸距減少4.88 mm?？梢?jiàn)車輛左轉(zhuǎn)彎的復(fù)合工況，軸轉(zhuǎn)向角的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，與圖3方向相同，與單純的反向跳動(dòng)工況相比，軸轉(zhuǎn)向角加大，導(dǎo)致不足轉(zhuǎn)向度增加。但是，總的來(lái)說(shuō)該值較小，稱之為五連桿整體橋軸轉(zhuǎn)向的中性特征，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該懸架性能參數(shù)的穩(wěn)定性。

3 五連桿后懸架的側(cè)傾中心

圖7 五連桿懸架模型后視圖

圖8 五連桿懸架側(cè)傾中心位置理論分析示意圖

簡(jiǎn)化的理論分析模型如圖 8所示。由五連桿懸架的對(duì)稱性及二力桿的受力特性可知，側(cè)傾中心即為橫拉桿與對(duì)稱平面的交點(diǎn)。圖8中點(diǎn)O即為五連桿懸架的側(cè)傾中心。

由圖7～9可以得出結(jié)論：側(cè)傾中心高度在懸架反向跳動(dòng)時(shí)，基本不變，這是五連桿懸架結(jié)構(gòu)固有的優(yōu)點(diǎn)。

圖9 反向跳動(dòng)側(cè)傾中心高度變化曲線圖

圖10 單輪跳動(dòng)簡(jiǎn)化模型運(yùn)動(dòng)分析示意圖

圖11 車身側(cè)傾時(shí)側(cè)傾中心水平位移變化曲線圖

汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)傾工況中，整車的側(cè)傾中心位置較高且變化不大，這樣大大降低了轉(zhuǎn)彎過(guò)程中由于慣性力引起的整車側(cè)傾角，提高了汽車的操縱穩(wěn)定性。避免了麥弗遜式懸架和雙橫臂式懸架的缺點(diǎn)—隨著車身側(cè)傾，側(cè)傾中心位置高度變小，其優(yōu)化設(shè)計(jì)也只是調(diào)整硬點(diǎn)參數(shù)減緩變小。

由圖10和圖11可以看出：為提高整車的抗側(cè)傾能力，過(guò)分提高橫拉桿受力元件位置（目的是提高側(cè)傾中心高度），會(huì)使汽車在不平路面上行駛時(shí)懸架上下跳動(dòng)（車身側(cè)傾），會(huì)增加車身受到的橫向沖擊力，因而車橋的上下跳動(dòng)會(huì)迫使車身橫向運(yùn)動(dòng)。從理論上分析，只有當(dāng)橫拉桿軸線平行于車橋軸線時(shí)，車身的瞬時(shí)橫向擺動(dòng)位移為0。人體對(duì)橫向的振動(dòng)更加敏感，更容易引起疲勞，因此常在良好路面行駛的車輛更側(cè)重平順性和舒適性，側(cè)傾中心設(shè)定得低一些，比如現(xiàn)代品牌某車型其側(cè)傾中心高度基本與車橋軸線高度相同；側(cè)重越野性能的車型側(cè)傾中心定的高一些，比如PRADO和陸地巡洋艦（Land Cruiser）側(cè)傾中心的高度位置明顯高于后橋軸線。因此，在整車設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)目標(biāo)車輛適用區(qū)域的路面狀況，對(duì)懸架抗側(cè)傾的穩(wěn)定性及平順性進(jìn)行折中匹配，優(yōu)化該懸架的結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)來(lái)滿足整車性能的需要。

根據(jù)文中所涉及的五連桿懸架模型，分析可知：

1）懸架的側(cè)傾角剛度大（反向跳動(dòng)的扭矩由車橋殼體承擔(dān)），這樣可以降低懸架垂向線剛度的空間來(lái)提高整車行駛平順性。

2）懸架結(jié)構(gòu)本身側(cè)傾剛度較大，可以通過(guò)改變橫拉桿安裝點(diǎn)的位置，調(diào)整后懸架側(cè)傾中心的高度，影響整車側(cè)傾中心線的位置角度，實(shí)現(xiàn)前后軸荷的重新分配，最后再根據(jù)輪胎本身的負(fù)荷特性和側(cè)偏特性，調(diào)整輪胎側(cè)偏角的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)提高或降低整車的不足轉(zhuǎn)向度。

3）整體橋五連桿懸架除了上述優(yōu)點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高、強(qiáng)度大、可靠耐久性好和易維修的特點(diǎn)。定義靜載荷分析，結(jié)合汽車經(jīng)典理論，能夠比較精確地分析五連桿后懸架對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響。另外還可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要比較不同懸架的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)市場(chǎng)和區(qū)域道路特點(diǎn)找出適合該車型的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式的懸架，提升產(chǎn)品品質(zhì)，滿足市場(chǎng)用戶的需求。

[1]余志生. 汽車?yán)碚摚ǖ谖灏妫M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]郭孔輝. 汽車操縱動(dòng)力學(xué)[M]. 長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[3]王賀豐，李中好. 五連桿整體橋的軸轉(zhuǎn)向特性動(dòng)力學(xué)分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2013（S1）：149-153.

4 結(jié) 論

通過(guò)采用ADAMS軟件的車輪激振分析和自

U463.33

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.010

1002-4581（2017）01-0035-04

2016? 08? 15