某SUV 麥弗遜前懸架客觀測試與ADAMS/Car 懸架K＆C特性符合性研究

顏 松， 劉 延， 華 鋒

（中國汽車工程研究院股份有限公司， 重慶 404100）

0 引言

懸架系統(tǒng)作為汽車底盤行駛系的關(guān)鍵組成元件，其優(yōu)劣直接決定了汽車的操縱穩(wěn)定性、 乘坐舒適性等重要的底盤行駛性能。在眾多懸架形式中，麥弗遜懸架以其結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于乘用車前懸架[1]。該類懸架的車輪定位參數(shù)（車輪外傾角、車輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角等）對汽車的直線行駛性能、輪胎磨損和方向盤的回正性都有著重要的影響[2]。

本文基于某SUV 麥弗遜前懸架車輪同向跳動(dòng)和異向跳動(dòng)試驗(yàn)工況， 重點(diǎn)分析車輪前束角和車輪外傾角的變化梯度， 并對這2 個(gè)車輪定位參數(shù)的仿真結(jié)果和客觀測試結(jié)果的符合性進(jìn)行研究，分析了車輛懸架特性KC 仿真結(jié)果和客觀測試數(shù)據(jù)之間的差異及原因， 并對懸架硬點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 競品車型麥弗遜前懸架選型要求及優(yōu)化流程

一般而言， 麥弗遜前懸架競品車型選擇應(yīng)滿足以下要求[3-6]：

（1）市場占有率較高。

（3）懸架結(jié)構(gòu)緊湊、操縱穩(wěn)定性好。

（4）懸架具備良好的隔音、吸振和減振性能。

（5）懸架具有足夠的壽命、剛度和強(qiáng)度、質(zhì)量輕。

（6）懸架零部件制造成本低，售后維護(hù)成本低，輪胎磨損小。

麥弗遜前懸架優(yōu)化流程如圖1 所示。

圖1 麥弗遜前懸架優(yōu)化流程圖

2 整車前懸架結(jié)構(gòu)圖及主要參數(shù)

本文研究的某SUV 的麥弗遜前懸架結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。 整車主要參數(shù)、前懸架初始硬點(diǎn)坐標(biāo)、前懸架關(guān)鍵零部件重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別見表1～4。

表1 整車主要參數(shù)

表4 前懸架關(guān)鍵零部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

圖2 某SUV 麥弗遜前懸架結(jié)構(gòu)圖

前懸架襯套減振器阻尼參數(shù)分別見圖3～6。

我們以詞匯的學(xué)習(xí)策略為例，英語中詞匯的學(xué)習(xí)一直是學(xué)習(xí)者的難點(diǎn)。其實(shí)英語單詞的構(gòu)成是有規(guī)律的，掌握了構(gòu)詞規(guī)律，才可以準(zhǔn)確快速地記憶單詞。英語單詞構(gòu)詞法的核心部分在于詞根，詞的意義主要是由組成單詞的詞根體現(xiàn)出來的，通過前綴后綴來改變單詞的詞性和意義（詞根和詞綴叫構(gòu)詞語素）。也就是說，單詞一般由三部分組成：詞根、前綴和后綴。詞根決定單詞意思，前綴改變單詞詞義，后綴決定單詞詞性。

圖3 左前下控制臂前襯套阻尼曲線

圖4 左前下控制臂后襯套阻尼曲線

圖5 左前減振器上膠套阻尼曲線

3 前懸架實(shí)測關(guān)鍵K＆C 值及合理區(qū)間

3.1 左右車輪同向跳動(dòng)

麥弗遜前懸架車輪同向跳動(dòng)前束變化梯度同類車型合理區(qū)間范圍在-0.009deg/mm～-0.0003deg/mm 之間。 如圖7 所示，該SUV 麥弗遜前懸架左右車輪同向跳動(dòng)左前束變化梯度為-0.007981deg/mm，在合理區(qū)間范圍內(nèi)。

圖7 車輪同向跳動(dòng)左前束變化梯度整車實(shí)測曲線圖

同類車型麥弗遜前懸架車輪同向跳動(dòng)外傾變化梯度合理區(qū)間范圍在-0.016 deg/mm～-0.0005 deg/mm 之間。如圖8 所示，該SUV 麥弗遜前懸架車輪同向跳動(dòng)左外傾變化梯度為-0.005956deg/mm，在合理區(qū)間范圍內(nèi)。

圖8 車輪同向跳動(dòng)左外傾變化梯度整車實(shí)測曲線圖

3.2 左右車輪異向跳動(dòng)

同類車型麥弗遜前懸架側(cè)傾工況前束梯度合理區(qū)間范圍在-0.03deg/mm～0.08deg/mm 之間。 如圖9 所示，該SUV 麥弗遜前懸架側(cè)傾工況左輪前束變化梯度為-0.007088deg/mm，在合理區(qū)間范圍內(nèi)。

圖9 側(cè)傾工況左輪前束變化梯度整車實(shí)測曲線圖

同類車型麥弗遜前懸架側(cè)傾工況外傾梯度合理區(qū)間范圍在-0.9deg/mm～0.5deg/mm 之間。 如圖10 所示，該SUV 麥弗遜前懸架側(cè)傾工況左輪外傾變化梯度為0.07561deg/mm，在合理區(qū)間范圍內(nèi)。

圖10 側(cè)傾工況左輪外傾變化梯度整車實(shí)測曲線圖

4 前懸架初始硬點(diǎn)ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)模型建模及仿真分析

在ADAMS/Car 軟件環(huán)境中建立初始硬點(diǎn)ADAMS 麥弗遜前懸架模型[7-9]，如圖11 所示。分別進(jìn)行平行輪跳試驗(yàn)和異向輪跳加載仿真試驗(yàn)，麥弗遜前懸架仿真曲線圖中，實(shí)線為初始硬點(diǎn)懸架左邊的仿真曲線， 虛線為實(shí)車測試K＆C 曲線。

圖11 初始硬點(diǎn)ADAMS 麥弗遜前懸架模型

4.1 左右車輪平行跳動(dòng)時(shí)懸架的運(yùn)動(dòng)特性分析

同向輪跳使左右輪相對平衡位置同時(shí)上下運(yùn)動(dòng)，在仿真分析時(shí)， 車輪跳量設(shè)置為-85mm～90mm， 仿真步數(shù)為100 步[7]，在后處理中根據(jù)硬點(diǎn)優(yōu)化需要，重點(diǎn)分析合理輪跳行程區(qū)間±25mm內(nèi)麥弗遜前懸架車輪前束角和車輪外傾角梯度變化。

從圖12 可以看出，懸架前束隨輪跳上行程逐漸減小。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)， 懸架內(nèi)外側(cè)分別受到拉伸和壓縮，懸架前束會產(chǎn)生對應(yīng)的變化，使前輪形成一定的轉(zhuǎn)角并削弱原來的轉(zhuǎn)向，即會導(dǎo)致前束角隨輪跳變化出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向的趨勢。此外，輪胎偏磨與前束也有一定關(guān)系，車輛行駛過程中，如果前束的變化梯度過大，會影響車輛的直線行駛穩(wěn)定性，同時(shí)增大輪胎與地面間的滾動(dòng)阻力，加劇輪胎的磨損，因此前束的設(shè)計(jì)原則是當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)，前束的變化量越小越好[10]。 如圖12 所示，前束變化梯度為-0.0069deg/mm，在同類車型合理區(qū)間范圍-0.009deg/mm～-0.0003deg/mm 之內(nèi)， 和實(shí)測前束變化梯度-0.007981deg/mm 相差較小，但是初始硬點(diǎn)仿真曲線和整車實(shí)測曲線在±25mm 行程范圍內(nèi)貼合率較低，需要進(jìn)行硬點(diǎn)優(yōu)化。

圖12 車輪同向跳動(dòng)左前束變化梯度初始硬點(diǎn)曲線圖

從圖13 可以看出，外傾角隨車輪上跳逐漸減小。 當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，車身外側(cè)車輪上跳，相對于地面向正外傾角方向變化，從而降低了承載較高一側(cè)輪胎的側(cè)偏性能，內(nèi)側(cè)車輪則相反。這種特性有利于轉(zhuǎn)向過程中的外傾車輪保持垂直以增加轉(zhuǎn)向附著能力[11]。 同時(shí)，車輪上跳及回落時(shí)的產(chǎn)生的外傾角變化直接影響汽車的直線行駛穩(wěn)定性；車輛直行時(shí)， 路面的激勵(lì)使車輪跳動(dòng)導(dǎo)致其外傾角變化時(shí)，會產(chǎn)生橫向作用力，因而較大的對地外傾變化會影響車輛直線行駛穩(wěn)定性。 如圖13 所示，外傾角變化梯度為-0.0079deg/mm，在同類車型合理區(qū)間范圍-0.016deg/mm～-0.0005deg/mm 之內(nèi)，和實(shí)測外傾角變化梯度-0.005956deg/mm相差較小，但是初始硬點(diǎn)仿真曲線和整車實(shí)測曲線在±25mm行程范圍內(nèi)貼合率較低，需要進(jìn)行硬點(diǎn)優(yōu)化。

圖13 車輪同向跳動(dòng)左外傾變化梯度初始硬點(diǎn)曲線圖

4.2 左右車輪異向跳動(dòng)時(shí)懸架的運(yùn)動(dòng)特性分析

異向輪跳使左右輪相對平衡位置同時(shí)上下運(yùn)動(dòng)，在仿真分析時(shí)，車輪跳量設(shè)為-50mm～50mm。

對于左輪，當(dāng)車輛右轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，左右側(cè)車輪會分別受到壓縮和伸張，產(chǎn)生正的側(cè)向力，車輪受到的側(cè)向力變大， 導(dǎo)致前束變小， 這種變化趨勢會減少汽車轉(zhuǎn)向的程度，右輪類似。 在側(cè)向力作用下車輛具有不足轉(zhuǎn)向趨勢，有利于整車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向。 如圖14 所示，前束隨車輪上跳逐漸減小，其變化梯度為-0.0061deg/mm，在同類車型合理區(qū)間范圍-0.03deg/mm～0.08deg/mm 之內(nèi)， 和實(shí)測前束變化梯度-0.007088deg/mm 相差較小，但是初始硬點(diǎn)仿真曲線和整車實(shí)測曲線在±25mm 行程范圍內(nèi)貼合率較低，需要進(jìn)行硬點(diǎn)優(yōu)化。

圖14 車輪異向跳動(dòng)左前束變化梯度初始硬點(diǎn)曲線圖

對于左輪，當(dāng)車輛右轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，會產(chǎn)生正的側(cè)向力，車輪受到的側(cè)向力變大，導(dǎo)致車輪外傾角變大，這種變化趨勢會減少汽車轉(zhuǎn)向的程度，右輪類似。即左輪外傾隨側(cè)向力加大而增大，而右輪外傾角隨側(cè)向力加大而減少[10]。 如圖15 所示，外傾角隨車輪上跳也逐漸減小，其變化梯度為-0.0105deg/mm， 在同類車型合理區(qū)間范圍-0.9deg/mm～0.5 deg/mm 之內(nèi)， 和實(shí)測前束變化梯度0.07561deg/mm 偏差較大， 且初始硬點(diǎn)仿真曲線和整車實(shí)測曲線在±25mm行程范圍內(nèi)貼合率較低，需要進(jìn)行硬點(diǎn)優(yōu)化。

圖15 車輪異向跳動(dòng)左外傾變化梯度初始硬點(diǎn)曲線圖

車輪外傾角和前束對汽車的直線行駛穩(wěn)定性、 轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài)回正特性和輪胎磨損均有較大的影響， 一般希望懸架前束和懸架外傾變化越小越好。從以上對比可以看出，從多體動(dòng)力學(xué)模型中得到的車輪外傾角和車輪前束角變化和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中得到結(jié)果偏差較大， 且曲線貼合率不高，需要對某初始硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

5 前懸架優(yōu)化硬點(diǎn)ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)分析

基于以上對比分析， 在ADAMS/Insight 模塊中對前懸架硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的硬點(diǎn)坐標(biāo)見表5。

表5 前懸架最終硬點(diǎn)坐標(biāo)

硬點(diǎn)優(yōu)化后， 左右車輪平行跳動(dòng)和異向跳動(dòng)時(shí)懸架的運(yùn)動(dòng)特性如圖16～19 所示。

圖16 車輪同向跳動(dòng)左前束變化梯度優(yōu)化硬點(diǎn)曲線圖

從圖16 可以看出，硬點(diǎn)優(yōu)化后，同向跳動(dòng)時(shí)前束變化梯度為-0.0074deg/mm， 在同類車型合理區(qū)間范圍-0.009 deg/mm～-0.0003 deg/mm 之內(nèi)，且和實(shí)測前束變化梯度0.007981deg/mm 相差較小，優(yōu)化硬點(diǎn)仿真曲線和整車實(shí)測曲線在±25mm 行程范圍內(nèi)貼合達(dá)到95%以上，優(yōu)化較為合理。

從圖17 可以看出，硬點(diǎn)優(yōu)化后，同向跳動(dòng)時(shí)外傾變化梯度為-0.0052deg/mm，在同類車型合理區(qū)間范圍-0.016 deg/mm～-0.0005 deg/mm 之內(nèi)，且和實(shí)測外傾變化梯度0.005956deg/mm 相差較小，優(yōu)化硬點(diǎn)仿真曲線和整車實(shí)測曲線在±25mm 行程范圍內(nèi)貼合達(dá)到95%以上，優(yōu)化較為合理。

圖17 車輪同向跳動(dòng)左外傾變化梯度初始硬點(diǎn)曲線圖

從圖18 可以看出，硬點(diǎn)優(yōu)化后，異響跳動(dòng)時(shí)前束變化梯度為0.0068deg/mm，在同類車型合理區(qū)間范圍-0.03deg/mm～0.08 deg/mm 之內(nèi)，和實(shí)測值0.007088deg/mm相差較小，優(yōu)化后硬點(diǎn)仿真曲線和整車實(shí)測曲線在±25mm行程范圍內(nèi)貼合達(dá)到95%以上，優(yōu)化較為合理。

圖18 車輪異向跳動(dòng)左前束變化梯度優(yōu)化硬點(diǎn)曲線圖

從圖19 可以看出，硬件優(yōu)化后，異向跳動(dòng)時(shí)外傾變化梯度為0.068deg/mm，在同類車型合理區(qū)間范圍-0.9deg/mm～0.5deg/mm 之內(nèi)，和實(shí)測前束變化梯度0.07561deg/mm 偏差較小， 優(yōu)化后硬點(diǎn)仿真曲線和整車實(shí)測曲線在±25mm行程范圍內(nèi)貼合達(dá)到95%以上，優(yōu)化較為合理。

圖19 車輪異向跳動(dòng)左外傾變化梯度優(yōu)化硬點(diǎn)曲線圖

6 結(jié)束語

本文重點(diǎn)對懸架系統(tǒng)KC 仿真結(jié)果和客觀測試結(jié)果的符合性進(jìn)行了研究， 分析了車輛懸架特性KC 仿真結(jié)果和客觀測試數(shù)據(jù)之間的差異及原因， 在ADAMS/Car 軟件環(huán)境中建立初始硬點(diǎn)麥弗遜前懸架模型并進(jìn)行優(yōu)化，硬點(diǎn)優(yōu)化后的仿真分析結(jié)果和競品車實(shí)測曲線貼合度達(dá)到95%以上，且變化梯度處于較為合理的目標(biāo)區(qū)間，優(yōu)化較為合理，對拓展車型開發(fā)操縱穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型提供了可靠的理論依據(jù)以保證模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測汽車的動(dòng)力學(xué)性能，從而有利于減少整車試驗(yàn)，縮短前懸架的開發(fā)周期。