麥弗遜懸架參數(shù)變化對整車平順性影響分析

高巖

麥弗遜懸架參數(shù)變化對整車平順性影響分析

高巖

（宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 宿州 234000）

設(shè)計(jì)了某車型前麥弗遜式懸架，通過搭建麥弗懸架動力學(xué)模型并對其進(jìn)行動力學(xué)仿真及平順性仿真分析，得到車輛以不同車速通過隨機(jī)路面的振動分析數(shù)據(jù)，以此評價車輛行駛平順性。通過逐步改變懸架剛度和阻尼值分析對車輛行駛平順性的影響，進(jìn)而得到提高車輛行駛平順性的方法。

麥弗遜懸架；平順性；動力學(xué)；運(yùn)動仿真

汽車懸架作為底盤系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要作用是把路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車架上，以保證汽車的正常行駛[1]。

不平路面給車輪造成的沖擊和振動會直接傳遞給車身，會引起車身機(jī)構(gòu)的早期損壞，還會給駕乘人員帶來極度不適。為了緩和振動，懸架中采用了彈性元件吸收振動。但彈性元件吸收振動后，持續(xù)的振動依然會使駕乘人員感到不適和疲勞，所以懸架還要具有減震器，用于快速衰減振動[2]。

此外，懸架的振動直接會影響到車輛行駛的穩(wěn)定性和平順性，更關(guān)系到駕乘人員的乘坐舒適性。因此，本文選擇汽車常用的麥弗遜懸架作為研究對象，建立懸架的動力學(xué)模型，對懸架進(jìn)行動力學(xué)特定分析，以及確定減震器最佳阻尼參數(shù)、螺旋彈簧的剛度和橫向穩(wěn)定桿的剛度等參數(shù)，優(yōu)化麥弗懸掛振動性能，提高整車行駛平順性。

1 研究主要內(nèi)容

（1）給定某車型設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)前麥弗遜懸架系統(tǒng)，通過計(jì)算確定前麥弗遜懸架的彈性元件和減震器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置形式，并分析判斷是否合理。

（2）應(yīng)用CATIA軟件建立麥弗遜懸架三維模型，并導(dǎo)出懸架系統(tǒng)各部件連接硬點(diǎn)坐標(biāo)。

（3）應(yīng)用ADAMS/Car搭建麥弗懸架動力學(xué)模型，并進(jìn)行雙輪同向±30mm激勵振動仿真試驗(yàn)，在后處理界面中得到前輪各定位參數(shù)變化曲線，并判斷是否合理。

（4）將麥弗遜懸架動力學(xué)模型導(dǎo)入到整車模型中，并將其置于四柱仿真振動實(shí)驗(yàn)臺架上進(jìn)行平順性仿真，模擬車輛以不同車速通過隨機(jī)路面的振動情況并得到振動加速度變化曲線。

（5）將不同車速下的加速度功率譜密度PSD曲線導(dǎo)入到MATLAB中，應(yīng)用編程求解駕駛座椅面處三個軸向振動總加權(quán)加速度均方根值，以此評價車輛行駛平順性。

（6）逐步改變懸架剛度和阻尼值，并進(jìn)行動力學(xué)仿真，研究分析懸架剛度和阻尼值對車輛行駛平順性的影響規(guī)律，進(jìn)而得到提高車輛行駛平順性的方法。

2 懸架設(shè)計(jì)

2.1 懸架基本參數(shù)的確定

本研究選取普通型桑塔納世紀(jì)新秀1.8L車型為研究對象，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 整車主要技術(shù)參數(shù)[3]

2.1.1 計(jì)算前懸架靜撓度

（2）計(jì)算前懸架靜撓度。根據(jù)懸架靜撓度計(jì)算公式：

2.1.2 計(jì)算前懸架動撓度

為了提高車輛適應(yīng)不同粗糙路面行駛的平順性，要求懸架要有足夠大的動撓度，對于乘用車一般選擇70～90mm[5]。本次設(shè)計(jì)選擇懸架動撓度為80mm。

2.2 彈性元件的設(shè)計(jì)

根據(jù)彈簧強(qiáng)度計(jì)算公式：

（6）彈簧疲勞強(qiáng)度校核。計(jì)算最大工作載荷下剪切應(yīng)力，根據(jù)公式：

計(jì)算彈簧疲勞強(qiáng)度系數(shù)，根據(jù)公式：

2.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

（2）側(cè)傾軸線。側(cè)傾軸線要求盡量與地面平行，且盡可能離地面高些，保證車輛行駛穩(wěn)定性。因此，一般要求乘用車前懸架側(cè)傾中心高度為0～120mm，后懸架側(cè)傾高度[13]為80～150mm。

圖1 麥弗遜懸架安裝位置

2.4 減震器設(shè)計(jì)

根據(jù)減震器阻尼系數(shù)計(jì)算公式[14]：

①計(jì)算減震器卸荷速度。減震器卸荷閥門打開時活塞的運(yùn)動速度為

根據(jù)QC/T491-1999《汽車筒式減震器尺寸系列及技術(shù)條件》選定減震器工作缸直徑為30mm，尺寸參數(shù)如表2所示[14]。

表2 減震器尺寸參數(shù)

3 懸架仿真分析

3.1 懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)確定

本課題研究通過測量某車型麥弗遜懸架各零件尺寸并在CATIA軟件中建立三維模型硬點(diǎn)坐標(biāo)如表3所示。

表3 懸架各硬點(diǎn)坐標(biāo)

3.2 運(yùn)動仿真分析

在ADAMS/Car中建立麥弗懸架模型，然后在懸架仿真實(shí)驗(yàn)臺上添兩加前輪±30mm垂直振動激勵，在后處理界面中得到前輪定位參數(shù)變化曲線。

（1）主銷后傾角變化分析。從圖2得到前輪主銷后傾角變化范圍是4.085°～4.410°，跳動量為0.325°。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[15]要求前驅(qū)車型不超過1°，因此主銷后傾角跳動合理。

圖2 主銷后傾角變化曲線

（2）主銷內(nèi)傾角變化分析。由圖3所示主銷內(nèi)傾角變化范圍為12.048°～13.145°，跳動量為1.097°，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[16]要求主銷內(nèi)傾角變化范圍為12°～14°，因此主銷內(nèi)傾角跳動量合理。

圖3 主銷內(nèi)傾角變化曲線

（3）前輪前束角變化分析。圖4所示前輪由平衡位置到上跳運(yùn)動時，前輪前束角變化范圍為0°～0.305°，跳動量為0.305°，前輪由平衡位置到下落跳動過程中變化范圍為0°～-0.387°，跳動量為0.387°，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[17]要前輪前束角變化量不超過0.5°。因此前輪前束角變化合理。

圖4 前輪前束變化曲線

（4）前輪外傾角變化分析。由圖5可知前輪外傾角變化范圍為0.022°～1.221°，變化量為1.199°，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[18]要外傾角變化范圍為1°～2°。因此車輪外傾角變化合理。

圖5 前輪外傾角變化曲線

4 懸架平順性分析

4.1 評價方法

表4 與人的主觀感受關(guān)

4.2 ADAMS/Car平順性仿真

將建立的麥弗遜懸架模型置于ADAMS/Car中的四柱仿真振動實(shí)驗(yàn)臺架上，如圖6所示。設(shè)置隨機(jī)路面激勵，模擬車輛以不同速度通過隨機(jī)路面，得到駕駛位座椅面三軸向加速度變化曲線，依照ISO2631-1：1997（E）評價車輛行駛平順性。

圖6 ADAMS/Car四柱臺架仿真試驗(yàn)

4.2.1 隨機(jī)路面設(shè)置

按照GB/T7031-86標(biāo)準(zhǔn)，本課題研究選擇車輛行駛路面為粗糙瀝青路面。根據(jù)表5將粗糙瀝青路面數(shù)據(jù)輸入到ADAMS/Car路面廓線發(fā)生器中。

表5 道路功率譜密度[19]

4.2.2 平順性分析

執(zhí)行運(yùn)動仿真，使車輛以60km/h速度通過隨機(jī)路面，在后處理界面中得到駕駛座椅面軸，軸，軸三軸向加速度變化曲線。如圖7所示。

圖7 車速60km/h駕駛座椅面X軸方向加速度變化曲線

使用軟件中FTT轉(zhuǎn)換功能，將座椅處三軸向加速變化曲線轉(zhuǎn)換成三軸向加速度功率譜密度PSD曲線。如圖8所示。

圖8 車速60km/h駕駛座椅面X軸方向加速度PSD曲線

依照同樣的方法，可以得到車輛在70, 80, 90km/h車速下的PSD曲線。將各速度下的加速度功率譜密度PSD曲線導(dǎo)出生成tablc文件，再將其導(dǎo)入到MATLAB中應(yīng)用編程求解三個軸向振動的總加權(quán)加速度均方根值，如表6所示。

表6 不同車速車輛平順性評價

5 懸架剛度和阻尼變化對車輛行駛平順性影響

懸架剛度和阻尼大小對車輛行駛平順性密切相關(guān)，本設(shè)計(jì)研究車輛以60km·h-1的行駛車速懸架剛度和阻尼變化對車輛行駛平順性的影響規(guī)律。

5.1 懸架剛度對車輛行駛平順性影響分析

在懸架設(shè)計(jì)剛度基礎(chǔ)上分別增加20%, 30%和減小20%, 30%得到駕駛座椅面加速度功率譜密度PSD曲線，對比分析車輛行駛平順性影響，如圖9～13所示。

圖9 原懸架剛度駕駛座椅面加速度PSD曲線

圖11 前懸架剛度增加30%駕駛座椅面加速度PSD曲線

圖12 前懸架剛度減小20%駕駛座椅面加速度PSD曲線

圖13 前懸架剛度減小30%駕駛座椅面加速度PSD曲線

應(yīng)用MATLAB編程計(jì)算得到懸架剛度變化20%和30%時三個軸向振動的總加權(quán)加速度均方根，評價車輛行駛平順性，如表7所示。

表7 懸架剛度變化20%和30%后車輛行駛平順性評價

得出結(jié)論：（1）當(dāng)懸架剛度增加20%時，駕駛位乘客乘坐感覺到依然舒適，但駕駛位座椅總加權(quán)加速度均方根值增加到0.3122/m·s-2，懸架的平順性逐漸變差。

（2）當(dāng)懸架剛度增加到30%時，駕駛位座椅總加權(quán)加速度均方根值增加到0.3275/m·s-2，駕駛位乘客感覺到有些不舒適。

（3）當(dāng)懸架剛度減小時，懸架平順逐漸性變好，由此可知減小懸架的剛度有利于提高車輛行駛平順性。

5.2 懸架阻尼大小對車輛行駛平順性影響分析

在原設(shè)計(jì)阻尼值的基礎(chǔ)上分別增加20%，30%和減小20%，30%得到駕駛座椅面加速度功率譜密度PSD曲線，如圖14～17所示，對比分析車輛行駛平順性影響。

圖14 前懸架阻尼增加20%駕駛座椅面加速度PSD曲線

圖15 前懸架阻尼增加30%駕駛座椅面加速度PSD曲線

圖16 前懸架阻尼減少20%駕駛座椅面加速度PSD曲線

圖17 前懸架阻尼減少30%駕駛座椅面加速度PSD曲線

應(yīng)用MATLAB編程計(jì)算三個軸向振動的總加權(quán)加速度均方根值，如表8所示。

表8 阻尼變值化20%和30%時車輛行駛平順性評價

得出結(jié)論：（1）當(dāng)前懸架阻尼增大時，駕駛位座椅處總加權(quán)加速度均方根值逐漸減小，當(dāng)阻尼增加30%時，值逐漸減小到0.2511/m?s-2，減小了5.3%，阻尼增大時，駕駛位乘客乘坐舒適性越好。

（2）當(dāng)前懸架阻尼逐漸減小時，駕駛位乘客乘坐舒適逐漸變越差，當(dāng)阻尼減少30%時，值逐漸增加到0.3185/m?s-2，駕駛位乘客感覺有些不適。由此可知增加懸架阻尼有利于提高車輛行駛平順性。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)研究通過給定某車型參數(shù)設(shè)計(jì)前麥弗遜懸架系統(tǒng)，通過理論計(jì)算確定前麥弗遜懸架的彈性元件和減震器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置形式，并在CATIA軟件中建立三維模型，確定出懸架系統(tǒng)各部件連接硬點(diǎn)坐標(biāo)。在ADAMS/Car中搭建麥弗懸架動力學(xué)模型，并進(jìn)行雙輪同向激勵振動仿真，確定振動過程中前輪各定位參數(shù)變化符合要求。隨后將已建立的麥弗遜懸架動力學(xué)模型導(dǎo)入到整車模型中，并將其放到四柱仿真振動實(shí)驗(yàn)臺架上進(jìn)行平順性仿真，模擬車輛以不同車速通過隨機(jī)路面的振動情況，并在后處理界面中得到變化曲線，以此評價車輛行駛平順性。通過研究逐步改變懸架剛度和阻尼值得出在保證車輛操縱穩(wěn)定性下，適當(dāng)減小前麥弗遜懸架剛度，增大懸架阻尼可以有效減弱車輛振動，提高車輛行駛平順性，反之會使車輛行駛平順性變差，同時也為研究提高車輛行駛平順性提供一種研究方法。

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Analysis on the influence of McPherson suspension parameters on vehicle ride comfort

GAO Yan

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Suzhou Vocational and Technical College, Anhui Suzhou 234000, China)

As a widely used suspension structure of the front suspension of modern passenger cars, McPherson suspension plays a key role in vehicle ride comfort and comfort. This topic studies and designs the front McPherson suspension of a vehicle. By building the McPherson suspension dynamic model and carrying out dynamic simulation and ride comfort simulation analysis, the vibration analysis data of the vehicle passing through the random road at different speeds are obtained to evaluate the ride comfort of the vehicle. By gradually changing the suspension stiffness and damping value, the influence on vehicle ride comfort is analyzed, and then the method to improve vehicle ride comfort is obtained.

McPherson suspension；ride comfort；dynamics；motion simulation

2021-07-28

宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級質(zhì)量工程項(xiàng)目——高職學(xué)生汽車維修專業(yè)技能訓(xùn)練方法研究（szy2020zlgc15）；安徽省省級自然科學(xué)項(xiàng)目——基于麥弗遜懸掛的整車平順性研究（KJ2020A0966）

高巖（1986-）男，安徽宿州人，講師，碩士，主要從事車輛工程應(yīng)用研究，tthaozi123@yeah.net。

U463.33

A

1007-984X(2022)02-0018-09