基于扭力梁結(jié)構(gòu)的操縱穩(wěn)定性影響因素研究

吳利廣,李廣,景立新,李飛,王振峰,李雪鵬

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300;2．中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300)

0 引言

扭力梁懸架由于結(jié)構(gòu)簡單，且同時起到獨立懸架與非獨立懸架的部分作用，被廣泛應(yīng)用于車輛后懸架中。隨著扭力梁斷軸事件的增多，其結(jié)構(gòu)設(shè)計引起汽車行業(yè)的普遍關(guān)注，通過優(yōu)化扭力梁結(jié)構(gòu)提升車輛操縱穩(wěn)定性、平順性成為目前一個重要研究方向[1～3]。因此研究扭力梁結(jié)構(gòu)對于整車操縱穩(wěn)定性的影響具有重要意義。

目前，對于扭力梁懸架的研究均是基于懸架K&C特性的靈敏度分析、硬點優(yōu)化及扭力梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力優(yōu)化方向進行[4～6]，研究扭力梁結(jié)構(gòu)對于整車操縱穩(wěn)定性的影響分析匱乏。吳利廣等[7～8]通過改變扭力梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了扭力梁結(jié)構(gòu)對于懸架K&C特性的影響，結(jié)果表明，扭力梁橫梁位置、開口方向等因素對于懸架側(cè)傾中心高度及前束角變化影響較大；周兵等人[1]通過改變扭力梁結(jié)構(gòu)研究了橫梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對模態(tài)頻率的影響，結(jié)果表明扭力梁模態(tài)頻率隨著橫梁開口方向的改變其各階模態(tài)頻率呈正弦變化，但是沒有研究橫梁結(jié)構(gòu)對于懸架及整車性能的影響。高晉等人[9-11]研究了扭力梁扭轉(zhuǎn)剛度對于懸架K&C及整車操穩(wěn)的影響，但是沒有考慮橫梁開口方向、厚度、位置等參數(shù)對于操縱穩(wěn)定性的影響。研究扭力梁結(jié)構(gòu)對于整車操縱穩(wěn)定性的影響，有助于底盤開發(fā)設(shè)計前期性能匹配及后期底盤零部件匹配。

通過HyperMesh軟件建立不同的橫梁開口方向、位置、厚度及襯套安裝角度的扭力梁柔性體，并導(dǎo)入Adams/Car軟件，聯(lián)合Matlab軟件進行操縱穩(wěn)定性仿真分析，研究扭力梁結(jié)構(gòu)對于整車操縱穩(wěn)定性的影響。

1 整車建模

1.1 扭力梁建模

基于某車型的扭力梁三維數(shù)模，通過更改橫梁開口方向、橫梁位置、橫梁厚度建立多個扭力梁，并導(dǎo)入HyperMesh軟件中進行網(wǎng)格劃分、定義材料、創(chuàng)建屬性等操作，如圖1所示。扭力梁參數(shù)見表1。

圖1 扭力梁三維模型及網(wǎng)格劃分

表1 不同扭力梁參數(shù)

由圖1可知，扭力梁懸架初始狀態(tài)為橫梁開口方向向下90°、橫梁距離后輪輪心260 mm、橫梁厚度29 mm，襯套安裝X方向(空心)為向整車坐標ZX向-20°。在此基礎(chǔ)上進行橫梁開口角度分別順時針旋轉(zhuǎn)90°、180°，橫梁位置分別前后移動50 mm，橫梁厚度分別減小1、2 mm，襯套安裝角度分別逆時針旋轉(zhuǎn)45°、90°、135°。

1.2 整車建模

將第1.1節(jié)中建立的扭力梁柔性體模型導(dǎo)入到Adams/Car建立的整車模型中，如圖2所示。整車參數(shù)見表2。

圖2 Adams/Car整車模型

表2 整車參數(shù)

通過Matlab與Adams/car聯(lián)合建立整車操縱穩(wěn)定性仿真的程序，通過聯(lián)合仿真程序進行后續(xù)的仿真分析工作。聯(lián)合仿真程序設(shè)置如圖3所示。

圖3 聯(lián)合仿真程序設(shè)置

2 結(jié)果分析

文中采用第1節(jié)建立的包含不同扭力梁結(jié)構(gòu)的整車模型進行操縱穩(wěn)定性仿真對比，選取與扭力梁結(jié)構(gòu)、襯套安裝角度相關(guān)性大的操縱穩(wěn)定性工況：穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)(定半徑)、角階躍、角脈沖進行分析。仿真工況的方法采用國標GB/T 6263—2014[12]。

2.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況(定半徑)分析

不足轉(zhuǎn)向度與側(cè)傾梯度是評價車輛操縱穩(wěn)定性的重要指標，在定半徑穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況中，不足轉(zhuǎn)向K指為保持車輛等半徑進行穩(wěn)態(tài)行駛，單位側(cè)向加速度下的前輪轉(zhuǎn)向角的增量；側(cè)傾角梯度指單位側(cè)向加速度下車身側(cè)傾角的增量[13-14]。通過線性三自由整車操縱穩(wěn)定性模型進行整車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向工況下的不足轉(zhuǎn)向度及側(cè)傾梯度分析。如圖4所示。

圖4 三自由度整車操縱穩(wěn)定性模型

整車的不足轉(zhuǎn)向度可以表示為：

K=Df-Dr+DbA

(1)

式中：Df為前懸架不足轉(zhuǎn)向柔度；Dr為后懸架不足轉(zhuǎn)向柔度；DbA為車身回正力矩轉(zhuǎn)向。

前、后懸架的不足轉(zhuǎn)向柔度可以通過輪胎變形角與側(cè)偏角為：

(2)

對前、后懸架的不足轉(zhuǎn)向柔度進行求解：

Df,r=Dw,f,r+Dφs,f,r+Dys,f,r+Dsn,f,r+Dφc,f,r+Dyc,f,r+Dcn,f,r

(3)

側(cè)傾角梯度計算：

(4)

式中：ms為整車簧上質(zhì)量；hs為簧上質(zhì)心至側(cè)傾軸線的距離；Cφf為前懸架側(cè)傾角剛度；Cφr為后懸架側(cè)傾角剛度。

(5)

式中：hsc為簧上質(zhì)量質(zhì)心高度，hrf、hrr分別為前懸架側(cè)傾中心高度；mf、mr分別為前后軸荷。

由式(1)—式(3)可知，不足轉(zhuǎn)向度主要受到前、后車輪轉(zhuǎn)角、外傾角變化、前、后輪胎的側(cè)偏角之差以及回正力矩影響，前、后懸架的前束角變化率匹配、側(cè)傾角剛度比都對整車的不足轉(zhuǎn)向產(chǎn)生較大影響，因此，需要設(shè)計一個合理的變化范圍。

由式(5)可知，車身側(cè)傾角梯度受懸架側(cè)傾中心高度、懸架側(cè)傾角剛度影響，后懸架側(cè)傾中心高度越大，側(cè)傾中心到質(zhì)心位置的距離越短，使側(cè)傾力臂和側(cè)傾力矩小，得到較小的車身側(cè)傾角。但如果側(cè)傾中心過高，導(dǎo)致車身發(fā)生側(cè)傾時輪距變化過大，加劇了輪胎磨損，導(dǎo)致汽車直線行駛性能降低；因此，懸架側(cè)傾中心高度應(yīng)在合理的范圍內(nèi)。后懸架側(cè)傾角剛度越大，側(cè)傾角梯度越小，但是前后懸架側(cè)傾角剛度比值應(yīng)該合理范圍內(nèi)，保證車輛的不足轉(zhuǎn)向特性。

采用定半徑進行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況仿真，仿真半徑為30 m，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況指標為不足轉(zhuǎn)向度、側(cè)傾角梯度。仿真結(jié)果如圖5—圖10所示。

圖5 不足轉(zhuǎn)向度(不同橫梁位置)

圖6 側(cè)傾角梯度(不同橫梁位置)

圖7 不足轉(zhuǎn)向度(不同開口方向)

圖8 側(cè)傾角梯度(不同開口方向)

圖9 不足轉(zhuǎn)向度(不同襯套角度)

圖10 側(cè)傾角梯度(不同橫梁厚度)

從圖5—圖10可知：橫梁位置、橫梁開口方向、襯套安裝角度對于穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)下的不足轉(zhuǎn)向度均有影響。橫梁開口方向、橫梁厚度對于側(cè)傾角梯度具有較大影響。扭力梁結(jié)構(gòu)對于穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的影響結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況結(jié)果

隨著橫梁位置遠離輪心，扭力梁懸架越接近獨立懸架的性能，反之，其性能越接近非獨立懸架性能，其橫梁位置前后移動會影響懸架的側(cè)向力轉(zhuǎn)向，從而影響車輛的不足轉(zhuǎn)向特性；橫梁開口方向的變化對于后扭力梁懸架的輪跳轉(zhuǎn)向、側(cè)傾轉(zhuǎn)向以及側(cè)傾中心高度具有較大影響[15]，由圖7和圖8可知，橫梁開口方向向下時，其不足轉(zhuǎn)向度與側(cè)傾梯度明顯小于開口向前與向后方向的橫梁；橡膠襯套安裝角度的變化會影響后懸架的側(cè)傾轉(zhuǎn)向，從而影響車輛的不足轉(zhuǎn)向特性；隨著橫梁厚度的增加，后扭力梁懸架的側(cè)傾角剛度增加，側(cè)傾角梯度減小。

2.2 瞬態(tài)工況分析

車輛行駛過程中，駕駛員大部分處于瞬態(tài)操縱中，因此研究扭力梁結(jié)構(gòu)對于車輛瞬態(tài)響應(yīng)具有重要意義。通過角階躍工況與角脈沖工況研究不同扭力梁結(jié)構(gòu)對于瞬態(tài)響應(yīng)的影響，其指標主要包括：角階躍工況下橫擺角速度變化、角脈沖下橫擺角速度的幅頻與相頻特性。仿真結(jié)果如圖11—圖16所示。

圖11 角階躍橫擺角速度(不同開口方向)

圖12 角階躍橫擺角速度(不同襯套角度)

圖13 角脈沖橫擺角速度幅頻特性(不同橫梁位置)

圖14 角脈沖橫擺角速度相頻特性(不同橫梁位置)

圖15 角脈沖橫擺角速度幅頻特性(不同橫梁開口方向)

圖16 角脈沖橫擺角速度相頻特性(不同橫梁開口方向)

車輛的瞬態(tài)特性主要受懸架阻尼、前后懸架側(cè)傾角剛度、前束角變化率、輪胎側(cè)偏剛度等因素的影響。研究扭力梁結(jié)構(gòu)對于車輛瞬態(tài)特性的影響需考慮其K&C特性的變化，瞬態(tài)工況結(jié)果見表4。

表4 瞬態(tài)特性橫擺角速度結(jié)果

由圖11—圖16可知，扭力梁結(jié)構(gòu)中橫梁位置、開口方向?qū)τ谲囕v的瞬態(tài)響應(yīng)影響較大。

扭力梁橫梁的開口方向?qū)τ诮请A躍工況下的橫擺角速度影響較大，橫梁開口方向的變化對于后扭力梁懸架的側(cè)傾前束角變化以及側(cè)傾角剛度具有較大影響，當開口方向向下時，橫擺角速度響應(yīng)時間、峰值響應(yīng)時間均小于開口向前及向后的橫梁，說明橫梁開口方向向下設(shè)計有利于提高車輛的瞬態(tài)響應(yīng)，減小瞬態(tài)響應(yīng)時間。襯套安裝角度對于車輛橫擺角速度也有影響，但其影響效果較小。

橫梁距離輪心的位移及橫梁的開口角度對于角脈沖工況下的橫擺角速度幅頻特性及相頻特性有較大的影響。隨著橫梁遠離輪心，扭力梁后懸架側(cè)傾角剛度逐漸減小，橫擺角速度的諧振峰水平逐漸變大，橫擺角速度的增幅比變大，諧振頻率增加，相位差減小，在車輛操縱穩(wěn)定性性能設(shè)計時，應(yīng)設(shè)計增幅比小些；而諧振頻率增加，相位差減小有助于車輛的操縱穩(wěn)定性。當橫梁開口方向向下時，扭力梁懸架側(cè)傾前束角變化大于開口向前與向后的橫梁，其諧振峰水平明顯小于開口向前與向后的橫梁，諧振頻率大于開口向前與向后的橫梁，有利于車輛的操縱穩(wěn)定性，但是其增幅比大于開口向前與向后的橫梁，0.5、1、2 Hz下的相位差小于開口向前與向后的橫梁，說明扭力梁開口向下時，其橫擺角速度的滯后時間更短，車輛響應(yīng)更快，隨著頻率增加，其相位差逐漸減小。

3 結(jié)論

通過改變扭力梁結(jié)構(gòu)參數(shù)研究橫梁位置、橫梁開口方向、橫梁厚度、橡膠襯套安裝方向等參數(shù)對于整車操縱穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：

(1)扭力梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對于車輛穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、角階躍工況、角脈沖工況具有較大影響。對于不足轉(zhuǎn)向度、側(cè)傾角梯度、橫擺角速度等影響較大。

(2)在車輛操穩(wěn)性能設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮車輛的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)特性，扭力梁橫梁位置的選擇需要綜合考慮不足轉(zhuǎn)向與增幅比的影響。

(3)橫梁開口方向向下設(shè)計有利于提高車輛的操縱穩(wěn)定性。

通過以上研究結(jié)果，有利于指導(dǎo)車輛底盤性能的前期發(fā)開設(shè)計，但操縱穩(wěn)定性與平順性是相互耦合約束的關(guān)系，文中只研究了扭力梁結(jié)構(gòu)對于操縱穩(wěn)定性的影響，沒有考慮對于平順性的影響。后期可以綜合考慮，研究扭力梁結(jié)構(gòu)對于車輛底盤性能的影響。