某SUV車型麥弗遜式前懸架硬點(diǎn)優(yōu)化分析

李喆 劉瑩 喬鑫

（華晨汽車工程研究院）

懸架是車輪與車身之間傳遞載荷的連接系統(tǒng)，由路面不平度引起的沖擊載荷，通過(guò)車輪傳遞至懸架進(jìn)而傳遞至車身，懸架系統(tǒng)能夠衰減這些振動(dòng)，并且保證車輛行駛的平穩(wěn)性[1]。針對(duì)承載式車身的前置前驅(qū)車型大多采用麥弗遜式前懸架結(jié)構(gòu)，其在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在大量的逆向問題，需后期對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化懸架整體性能的目的[2]。懸架的K&C 特性對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性影響很大，硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)對(duì)懸架系統(tǒng)的K 特性影響較大，通過(guò)對(duì)懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)進(jìn)行靈敏度分析，優(yōu)化硬點(diǎn)坐標(biāo)，能夠提升懸架系統(tǒng)的K 性能。文章針對(duì)某款SUV車型的麥弗遜式前懸架進(jìn)行K&C 性能仿真，并利用Insight 進(jìn)行關(guān)鍵硬點(diǎn)參數(shù)的靈敏度分析，制定優(yōu)化方案，優(yōu)化懸架的K 特性。

1 麥弗遜式前懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ偷拇罱?/h2>

利用ADAMS/Car 建立麥弗遜式前懸架多體動(dòng)力學(xué)模型，該裝配體模型包括前懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、穩(wěn)定桿子系統(tǒng)及試驗(yàn)臺(tái)子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 麥弗遜式前懸架多體動(dòng)力學(xué)模型圖

硬點(diǎn)位置是懸架各構(gòu)件間連接的基礎(chǔ)，對(duì)懸架K特性影響較大。通過(guò)對(duì)懸架數(shù)模的測(cè)量及圖紙的標(biāo)注位置，初步確定懸架各硬點(diǎn)的位置，并在多體動(dòng)力學(xué)模型中建立硬點(diǎn)，某款SUV車型的部分初始硬點(diǎn)坐標(biāo)，如表1 所示[3]。利用HyperWork 軟件對(duì)麥弗遜式前懸架各零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并計(jì)算獲得模態(tài)中性文件，利用生成的模態(tài)中性文件在ADAMS/Car 中建立各零部件的柔性體構(gòu)件。通過(guò)連接關(guān)系鉸鏈和襯套進(jìn)行各構(gòu)件間的連接，生成前懸架模板，進(jìn)而建立懸架子系統(tǒng)，通過(guò)使用通信器與其他子系統(tǒng)連接，組成動(dòng)力學(xué)裝配體模型，用于計(jì)算分析。

表1 某款SUV車型前懸架部分硬點(diǎn)坐標(biāo)初始值匯總表 mm

2 懸架模型分析驗(yàn)證

懸架K&C 特性是懸架系統(tǒng)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行輪跳、側(cè)傾、縱向力加載、側(cè)向力加載及回正力矩加載5 種工況試驗(yàn)所獲得的懸架特性曲線[4]。K&C 特性曲線的變化情況直觀地反映了懸架的性能，并作為車輛操縱穩(wěn)定性能判斷的依據(jù)。

文章選擇滿載狀態(tài)下的麥弗遜式前懸架，對(duì)其進(jìn)行同向輪跳分析，設(shè)置上下跳動(dòng)行程為-60～60 mm，獲得車輪前束角、車輪外傾角、輪心縱向位移及輪心側(cè)向位移4 個(gè)參數(shù)的車輪跳動(dòng)變化特性曲線。仿真特性曲線，如圖2～圖5所示。

圖2 某SUV車型車輪前束角變化曲線圖

圖3 某SUV車型車輪外傾角變化曲線圖

圖4 某SUV車型車輪輪心縱向位移變化曲線圖

圖5 某SUV車型車輪輪心側(cè)向位移變化曲線圖

車輪前束角是與外傾角匹配的角度參數(shù)，能夠抵消由于外傾角的存在而導(dǎo)致的輪胎磨損。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于輪荷的側(cè)向轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致外側(cè)懸架處于壓縮狀態(tài)，車輪上跳。為了使汽車在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中存在一定程度的不足轉(zhuǎn)向特性，在車輪上跳過(guò)程中，汽車的前輪前束角應(yīng)該具備減小趨勢(shì)。從圖2 可以看出，前束角為負(fù)斜率變化趨勢(shì)，但變化量應(yīng)該在-0.005（°）/mm 內(nèi)，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

車輪外傾角的存在能夠使車輪在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，擁有足夠的輪胎抓地力及轉(zhuǎn)彎側(cè)向力。汽車轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，由于輪荷的轉(zhuǎn)移和側(cè)向加速度的存在，前懸架向外側(cè)車輪壓縮，車輪上跳，外側(cè)車輪的外傾角變化會(huì)影響輪胎與地面的接觸面積，進(jìn)而影響輪胎的抓地力以及提供汽車轉(zhuǎn)彎側(cè)向力的大小。一般要求車輪外傾角在隨車輪上跳過(guò)程中存在一定的減小趨勢(shì)，這樣可以保證在輪荷增加時(shí)，輪胎能夠保持垂直于地面的趨勢(shì)，減少輪胎的磨損，保證輪胎具有足夠的抓地力以及提供轉(zhuǎn)向的側(cè)向力。但外傾角隨輪跳的變化值不宜過(guò)大，以防止汽車的行駛穩(wěn)定性下降。從圖3 可以看出，外傾角為負(fù)斜率變化趨勢(shì)，變化量應(yīng)該在-0.01（°）/mm 內(nèi)，滿足要求，但仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

在車輪上跳過(guò)程中，輪心縱向位移表征了軸距的變化情況，變化量的合理性有助于汽車在加減速行駛過(guò)程中，抑制制動(dòng)點(diǎn)頭和加速后仰的作用，提高汽車的穩(wěn)定性。在汽車制動(dòng)過(guò)程中，前懸架處于壓縮狀態(tài)，車輪上跳，一般要求輪心縱向位移呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，有利于提高汽車抗點(diǎn)頭能力。但輪心縱向位移變化不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致軸距變化過(guò)大，出現(xiàn)輪胎的異常磨損現(xiàn)象[5]。從圖4 可以看出輪心縱向位移隨輪跳的變化，其變化值一般取-0.05 mm/mm 內(nèi)，需進(jìn)一步優(yōu)化。

在車輪上跳過(guò)程中，輪心側(cè)向位移表征了輪距的變化情況，一般希望輪心側(cè)向位移變化越小越好，能夠減小輪胎的磨損。

3 懸架硬點(diǎn)靈敏度分析

車輪跳動(dòng)時(shí)，懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)K 特性變化程度是懸架結(jié)構(gòu)布置合理性的體現(xiàn)。懸架硬點(diǎn)的位置是懸架結(jié)構(gòu)布置的重要參數(shù)，文章利用ADAMS/Insight 優(yōu)化軟件，分析其對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)K 特性的影響程度。

3.1 設(shè)計(jì)變量及優(yōu)化目標(biāo)的選取

在硬點(diǎn)坐標(biāo)靈敏度分析過(guò)程中，由于麥弗遜式前懸架涉及的硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)過(guò)多，全部參數(shù)都進(jìn)行優(yōu)化會(huì)影響計(jì)算分析的時(shí)間和收斂性，所以要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)需要優(yōu)化的對(duì)象進(jìn)行初步判斷，篩選對(duì)其影響較大的硬點(diǎn)坐標(biāo)。文章選取下擺臂外點(diǎn)、下擺臂前點(diǎn)、下擺臂后點(diǎn)、轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點(diǎn)及轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)的Z向坐標(biāo)值作為優(yōu)化變量，各變量的變化范圍為-5～5 mm；選取同向輪跳分析下的前束角、外傾角、輪心縱向位移及輪心側(cè)向位移的絕對(duì)值作為優(yōu)化目標(biāo)。

3.2 靈敏度分析

文章選擇響應(yīng)曲面的靈敏度DOE 試驗(yàn)分析方法，回歸模型采用二次方程模式，設(shè)計(jì)類型選擇全因子法進(jìn)行靈敏度分析。獲得懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)靈敏度分析結(jié)果，如圖6～圖9所示。

圖6 某SUV車型懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)與前束角的靈敏度顯示界面

圖7 某SUV車型懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)與外傾角的靈敏度顯示界面

圖8 某SUV車型懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)與輪心縱向位移的靈敏度顯示界面

圖9 某SUV車型懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)與輪心側(cè)向位移的靈敏度顯示界面

從圖6 可以看出，轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)外點(diǎn)以及下擺臂前外點(diǎn)Z向坐標(biāo)的變化對(duì)前束角變化影響較大，下擺臂后點(diǎn)相對(duì)影響很?。粡膱D7 可以看出，下擺臂前點(diǎn)以及轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)外點(diǎn)Z向坐標(biāo)的變化對(duì)外傾角變化影響較大，下擺臂外后點(diǎn)相對(duì)影響較??；從圖8 可以看出，下擺臂前后點(diǎn)Z向坐標(biāo)的變化對(duì)輪心縱向位移變化影響較大，其他因素影響較小且程度相當(dāng)；從圖9 可以看出，下擺臂前外點(diǎn)Z向坐標(biāo)的變化對(duì)輪心側(cè)向位移變化影響較大，其他因素影響相對(duì)較小。

4 懸架硬點(diǎn)優(yōu)化分析

根據(jù)麥弗遜式前懸架K 特性的靈敏度分析結(jié)果以及對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的要求，對(duì)關(guān)鍵硬點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整過(guò)程中需考慮單個(gè)坐標(biāo)值對(duì)多個(gè)目標(biāo)值的影響、相互作用以及影響程度的正負(fù)效應(yīng)，綜合以上因素，獲得關(guān)鍵硬點(diǎn)的優(yōu)化后坐標(biāo)值，如表2所示。

表2 某SUV車型前懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)優(yōu)化后坐標(biāo)值匯總表 mm

根據(jù)表2 的硬點(diǎn)坐標(biāo)值調(diào)整，對(duì)麥弗遜式前懸架進(jìn)行-60～60 mm 的同向輪跳分析，獲得懸架的K 特性曲線，如圖10～圖13所示。

圖10 某SUV車型車輪同向輪跳前束角優(yōu)化曲線圖

圖11 某SUV車型車輪同向輪跳外傾角優(yōu)化曲線圖

圖12 某SUV車型車輪同向輪跳輪心縱向位移優(yōu)化曲線圖

圖13 某SUV車型車輪同向輪跳輪心側(cè)向位移優(yōu)化曲線圖

根據(jù)圖10，前束角斜率變化從-0.006（°）/mm 優(yōu)化為-0.004（°）/mm，滿足要求；從圖11 可以看出，外傾角斜率變化從-0.009（°）/mm 優(yōu)化為-0.008（°）/mm，滿足要求；從圖12 可以看出，輪心縱向位移斜率變化從-0.06 優(yōu)化為-0.05，滿足要求；從圖13 可以看出，當(dāng)輪跳量為14 mm 時(shí)，輪心側(cè)向位移斜率為0，且整體位移變化量小于優(yōu)化前，滿足要求。

5 結(jié)論

文章對(duì)某款SUV車型的麥弗遜式前懸架的關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了有關(guān)K 特性的靈敏度分析，根據(jù)K 特性目標(biāo)值以及關(guān)鍵硬點(diǎn)靈敏度，制定了懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)的調(diào)整方案，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了新方案對(duì)懸架K特性的有效性。此優(yōu)化方法有利于提高懸架的K&C 性能，解決由于逆向設(shè)計(jì)導(dǎo)致的性能問題，為懸架的初期設(shè)計(jì)開發(fā)以及后期改款提供了支持。