汽車(chē)四輪定位參數(shù)尺寸鏈分析及穩(wěn)健性?xún)?yōu)化

白燕超，邵子龍

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汽車(chē)四輪定位參數(shù)尺寸鏈分析及穩(wěn)健性?xún)?yōu)化

白燕超，邵子龍

（愛(ài)馳汽車(chē)有限公司，上海 200082）

隨著多連桿后獨(dú)立懸架在汽車(chē)上越來(lái)越多的應(yīng)用，后懸的四輪定位參數(shù)的控制和實(shí)現(xiàn)變得越來(lái)越復(fù)雜。作為汽車(chē)底盤(pán)的關(guān)鍵參數(shù)，四輪定位參數(shù)控制不當(dāng)將嚴(yán)重影響汽車(chē)的操控和行駛性能。文章采用3DCS偏差分析軟件對(duì)四連桿后懸架進(jìn)行三維尺寸鏈分析建模，對(duì)于后懸四輪定位參數(shù)、控制臂間的耦合性進(jìn)行了分析，同時(shí)探索了控制臂調(diào)節(jié)量安全性校核方法，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造及質(zhì)量控制提供了參考。

多連桿后懸架；四輪定位；調(diào)節(jié)量；尺寸鏈；3DCS

引言

隨著汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展和人們對(duì)汽車(chē)乘坐舒適性、操控性要求的提高，后獨(dú)立懸架在汽車(chē)上得到了越來(lái)越多的應(yīng)用, 因此汽車(chē)底盤(pán)的前輪定位已經(jīng)演變成現(xiàn)在的四輪定位，即除了前轉(zhuǎn)向輪定位外，還具有后輪外傾、前束等定位參數(shù)[1-2]。

汽車(chē)四輪定位參數(shù)主要有主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、前輪前束角、前輪外傾角、后輪前束角及后輪外傾角等。四輪定位參數(shù)是整車(chē)性能的關(guān)鍵參數(shù)，若設(shè)計(jì)或調(diào)教不當(dāng)，會(huì)引起汽車(chē)跑偏、輪胎異常磨損及轉(zhuǎn)向顫振等問(wèn)題。因此合理的四輪定位參數(shù)是保證車(chē)輛具有良好的操控穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性的重要前提[3-4]。目前前輪定位參數(shù)的研究已經(jīng)比較充分，但對(duì)于采用多連桿獨(dú)立后懸架車(chē)型的后輪定位參數(shù)研究不多。

本文基于本公司全新開(kāi)發(fā)的一款中型SUV車(chē)型，通過(guò)3DCS仿真軟件對(duì)四連桿后懸架進(jìn)行了三維尺寸鏈分析，對(duì)控制臂間影響定位參數(shù)的耦合性進(jìn)行了研究分析，對(duì)后懸架控制臂調(diào)節(jié)量安全性進(jìn)行了校核和優(yōu)化，為后期的制造實(shí)現(xiàn)和質(zhì)量控制提供了理論依據(jù)。

1 后輪定位參數(shù)與控制要求

1.1 后輪定位參數(shù)

后輪定位參數(shù)主要有后輪前束角和后輪外傾角。如圖1所示，后輪前束角主要指左右輪向車(chē)輛中心線(xiàn)內(nèi)束的角度，即常說(shuō)的“內(nèi)八字”，主要為了保證汽車(chē)直線(xiàn)行駛的穩(wěn)定性，減少后輪在行駛中的側(cè)滑及輪胎異常磨損。如圖2所示，后輪外傾角即空載時(shí)后輪向外傾斜的角度，承載后垂直于路面，以提高操控穩(wěn)定性和減少輪胎異常磨損。

圖1 前束角示意圖

圖2 外傾角示意圖

1.2 后輪定位參數(shù)控制要求

綜合考慮后懸結(jié)構(gòu)形式、整車(chē)配重及負(fù)載、制造能力、整車(chē)操控性、轉(zhuǎn)向性能等要求，計(jì)算出該車(chē)型的后懸定位參數(shù)作為整車(chē)技術(shù)要求的一部分，如圖3所示。

圖3 后輪定位參數(shù)控制要求

2 后懸尺寸鏈建模與分析

本車(chē)型為四連桿后懸架，零件的結(jié)構(gòu)及尺寸變化所產(chǎn)生的幾何形狀變動(dòng)情況較為復(fù)雜，且測(cè)量的目標(biāo)值均為幾何空間內(nèi)的角度值，屬于復(fù)雜接口，只有使用三維公差分析方法進(jìn)行建模才能準(zhǔn)確的模擬底盤(pán)裝配過(guò)程及角度波動(dòng)[5]。3DCS是進(jìn)行尺寸鏈分析的專(zhuān)業(yè)軟件，通過(guò)蒙特卡洛方法進(jìn)行從零部件到整車(chē)的尺寸鏈裝配模擬分析，在汽車(chē)行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

2.1 后懸架尺寸鏈建模過(guò)程

為確保尺寸鏈分析的準(zhǔn)確性，三維模型的搭建需完全與實(shí)際裝配工藝保持一致，后懸架的裝配工藝如圖4所示。建模分為以下幾個(gè)步驟：1）建裝配“MOVE”，將相應(yīng)的零部件和工裝根據(jù)實(shí)際的裝配工藝裝配起來(lái)；2）賦公差，按照零件圖紙和工裝精度要求賦予相應(yīng)的特征公差；3）建測(cè)量，對(duì)分析目標(biāo)建立測(cè)量關(guān)系并設(shè)定目標(biāo)公差，根據(jù)前束和外傾的幾何定義分別建立前束和外傾的測(cè)量點(diǎn)并設(shè)定目標(biāo)要求公差。

圖4 后懸裝配工藝流程圖

在底盤(pán)建模過(guò)程中，根據(jù)零件的裝配特性選用相應(yīng)類(lèi)型的裝配“MOVE”來(lái)進(jìn)行裝配。對(duì)于后懸的連桿多采用兩點(diǎn)裝配，而避震彈簧等彈性件的裝配多采用“Match Move”來(lái)模擬避震彈簧對(duì)后懸定位參數(shù)的影響。采用合適的裝配才能保證尺寸鏈模型更加契合實(shí)際的底盤(pán)狀態(tài)。

圖5 Match Move示意圖

2.2 結(jié)果分析及方案優(yōu)化

在3DCS軟件中完成后懸模型的搭建后，對(duì)后輪前束角和外傾角進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算，分析結(jié)果如圖6所示，前束角6σ值為±0.88°，超差55.77%；外傾角6σ值為±0.65°，超差2.1%。

圖6 后輪前束角/外傾角尺寸鏈計(jì)算結(jié)果

從分析結(jié)果可知，后懸經(jīng)正常裝配后，前束角和外傾角超差率過(guò)高，目前結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足定位參數(shù)控制要求，需要對(duì)后懸進(jìn)行優(yōu)化?？紤]懸架設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，如果對(duì)后懸結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大，周期過(guò)長(zhǎng)；如果縮小懸架零件公差，會(huì)帶來(lái)成本的大幅增加，綜合評(píng)估皆不可行。進(jìn)一步考慮對(duì)前束角和外傾角影響較大的控制臂連接點(diǎn)增加調(diào)節(jié)螺栓，在后懸正常裝車(chē)后，制造部門(mén)通過(guò)調(diào)節(jié)控制臂的調(diào)節(jié)螺栓實(shí)現(xiàn)后懸定位參數(shù)的控制要求，但控制臂如何調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)量是否滿(mǎn)足制造要求需進(jìn)一步分析校核。

3 后懸控制臂調(diào)節(jié)量校核和優(yōu)化

3.1 后懸控制臂調(diào)節(jié)策略分析

對(duì)于四連桿后懸架來(lái)說(shuō)，影響后懸定位參數(shù)的控制臂有后下控制臂、后上控制臂和前束臂，如圖7所示。

圖7 四連桿后懸圖示

通過(guò)幾何分析發(fā)現(xiàn)，單個(gè)控制臂的調(diào)整會(huì)同時(shí)影響到前束角與外傾角?；贛12的螺栓和直徑20孔的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)量，假設(shè)三個(gè)控制臂均可調(diào)。三個(gè)控制臂分別調(diào)節(jié)對(duì)前束角和外傾角的影響量和影響占比如圖8所示。

圖8 控制臂調(diào)節(jié)對(duì)后輪定位參數(shù)影響

前束臂調(diào)節(jié)對(duì)前束角和外傾角的影響占比均較大，耦合度較高，如果對(duì)前束臂進(jìn)行調(diào)節(jié)則會(huì)對(duì)前束角和外傾角均帶來(lái)較大波動(dòng)，調(diào)節(jié)線(xiàn)性差，不利于前束角和外傾角控制要求的實(shí)現(xiàn)。后下控制臂調(diào)節(jié)對(duì)前束角影響占比較大而對(duì)外傾角影響占比較小，對(duì)前束角的調(diào)節(jié)線(xiàn)性較好。而后上控制臂調(diào)節(jié)對(duì)外傾角影響占比較大而對(duì)前束角影響占比較小，對(duì)外傾角的調(diào)節(jié)線(xiàn)性較好。同時(shí)考慮零件成本和制造工廠(chǎng)調(diào)節(jié)便利性，最終確定前束臂不調(diào)節(jié)，后下控制臂調(diào)節(jié)保證前束角控制要求，后上控制臂調(diào)節(jié)保證外傾角控制要求。

3.2 控制臂調(diào)節(jié)量安全性校核

為了分析控制臂調(diào)節(jié)量的安全性，我們需要引入安全系數(shù)的概念。即前束角和外傾角的理論可調(diào)節(jié)量與尺寸鏈分析6σ值的比值。該安全系數(shù)應(yīng)不小于1，同時(shí)考慮制造工廠(chǎng)的要求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)健性要求，設(shè)定安全系數(shù)為1.33。

要計(jì)算安全系數(shù)，需將控制臂的調(diào)節(jié)量轉(zhuǎn)化為后懸定位參數(shù)的波動(dòng)量。而控制臂的調(diào)節(jié)量計(jì)算公式如下：

其中：

Δ：控制臂調(diào)節(jié)量

D：副車(chē)架上控制臂安裝孔直徑

M：調(diào)節(jié)螺栓直徑

P：控制臂套管垂直度公差

C：副車(chē)架上控制臂安裝孔同軸度公差

基于目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，副車(chē)架上控制臂安裝孔直徑為20mm，同軸度要求為0.8mm，調(diào)節(jié)螺栓為M12，控制臂上套管垂直度要求為0.8mm，帶入公式計(jì)算可得控制臂的實(shí)際可調(diào)節(jié)量為±3.2mm。在CATIA軟件中分別將后上控制臂和后下控制臂±3.2mm的調(diào)節(jié)量通過(guò)幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化為前束角和外傾角的變化，計(jì)算結(jié)果如圖8所示，即后下控制臂±3.2mm的調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致前束角±1.14°的變化和外傾角±0.14°的變化；后上控制臂±3.2mm的調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致前束角±0.08°的變化和外傾角±0.87°的變化。

考慮后上控制臂和后下控制臂的調(diào)節(jié)對(duì)前束角和外傾角均有影響，存在一定的耦合關(guān)系，在進(jìn)行后上控制臂和后下控制臂調(diào)節(jié)量安全性校核時(shí)，必須減除該耦合度影響。計(jì)算公式及結(jié)果如圖9所示。前束角的理論可調(diào)節(jié)量為±1.08°，安全系數(shù)為1.23；外傾角的實(shí)際可調(diào)節(jié)量為±0.76°，安全系數(shù)為1.13。目前后上下控制臂調(diào)節(jié)量均不滿(mǎn)足前束角和外傾角調(diào)節(jié)安全系數(shù)1.33的要求。

圖9 安全系數(shù)校核計(jì)算

3.3 控制臂調(diào)節(jié)量?jī)?yōu)化

目前M12螺栓配直徑20mm孔的設(shè)計(jì)，后上下控制臂的調(diào)節(jié)量均不滿(mǎn)足前束角和外傾角調(diào)節(jié)安全系數(shù)的要求，需要對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)優(yōu)化，如進(jìn)一步放大調(diào)節(jié)量。對(duì)調(diào)節(jié)螺栓重新選型，并將副車(chē)架上控制臂的安裝孔直徑放大到22mm，重新計(jì)算上下控制臂調(diào)節(jié)量并轉(zhuǎn)化成對(duì)前束角和外傾角的影響量，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 控制臂調(diào)節(jié)對(duì)前束角和外傾角影響量

前束角和外傾角安全系數(shù)如圖11所示，前束角安全系數(shù)為1.53，外傾角的安全系數(shù)為1.68，均滿(mǎn)足要求。

圖11 優(yōu)化方案安全系數(shù)校核計(jì)算

4 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

基于本文對(duì)后懸的優(yōu)化結(jié)果和控制方案，收集了近期的5臺(tái)實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)，如下圖所示，通過(guò)調(diào)節(jié)后懸上下控制臂，5臺(tái)車(chē)的前束角和外傾角均能滿(mǎn)足四輪定位參數(shù)控制要求，驗(yàn)證了本文方案分析優(yōu)化的有效性。

圖12 后輪定位參數(shù)實(shí)車(chē)測(cè)量數(shù)據(jù)

5 小結(jié)

本文通過(guò)3DCS軟件對(duì)四連桿后懸進(jìn)行了尺寸鏈建模，對(duì)四連桿后懸的定位參數(shù)進(jìn)行了評(píng)估。研究了后懸多個(gè)控制臂之間對(duì)后懸定位參數(shù)的耦合性影響，并對(duì)控制臂調(diào)節(jié)量進(jìn)行了安全性校核和優(yōu)化。探索了控制臂調(diào)節(jié)量安全校核的方法，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)及工藝決策效率，為后期的制造實(shí)現(xiàn)和質(zhì)量控制提供了理論依據(jù)。本文的研究對(duì)多連桿后懸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及四輪定位參數(shù)工程實(shí)現(xiàn)具有一定的參考意義。

[1] 劉冬梅,王五林,曲大義.基于懸架系統(tǒng)的四輪定位參數(shù)優(yōu)化分析[N].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2017（6）:102-107.

[2] 楊玉林,程雨梅.汽車(chē)四輪定位的作用及對(duì)行駛性能影響的分析[N].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2009（4）:4-7.

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Dimension Analysis and Robustness Optimization of Automobile Four-wheel Alignment Parameters

Bai Yanchao, Shao Zilong

( AI-WAYS Automotive Co., Ltd, Shanghai 200082 )

With the increasing use of multi-link rear independent suspension in automobiles, the control and implemen -tation of the rear suspension four-wheel alignment parameters has become more complex. As a key parameter of the chassis, improper control of the four-wheel alignment parameters will seriously affect the handling and driving perfor -mance. In this paper, 3DCS software is used to analyze the 3D dimensional chain of the four-link rear suspension. The four-wheel alignment parameters and the coupling of the control arms are analyzed. At the same time, the check method of the control arm adjustment value is explored. This Paper provides a reference for chassis design, manufacturing and quality control.

Multi-link Rear Suspension; Four-wheel Alignment; Adjustment Value; Dimensional Chain; 3DCS

U463.33

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1671-7988(2019)07-41-04

白燕超，男，工學(xué)碩士，美國(guó)ASME GD&T高級(jí)認(rèn)證專(zhuān)家，就職于愛(ài)馳汽車(chē)有限公司，從事汽車(chē)尺寸工程研究工作。

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1671-7988(2019)07-41-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.013