姜宏霞，李戍斌，謝翠花（.上汽通用五菱汽車股份有限公司，. 柳州孔輝汽車科技有限公司 柳州 545007）

麥弗遜懸架硬點(diǎn)對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性影響研究

姜宏霞1，李戍斌1，謝翠花2
（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，2. 柳州孔輝汽車科技有限公司 柳州 545007）

利用懸架的K&C特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和車輛整車信息及定位參數(shù)建立了基于CarSim的整車模型，并加以驗(yàn)證，分析整車轉(zhuǎn)向特性仿真試驗(yàn)分析麥弗遜懸架K特性對(duì)其靈敏度影響，并將靈敏度大的設(shè)計(jì)因子作為更改前懸硬點(diǎn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，聯(lián)合Adams/Insight軟件對(duì)前懸硬點(diǎn)做靈敏度分析，找出對(duì)該設(shè)計(jì)因子影響較大的硬點(diǎn)，建立了該懸架硬點(diǎn)與整車轉(zhuǎn)向特性的關(guān)聯(lián)性。

四輪定位；K特性；硬點(diǎn)；轉(zhuǎn)向特性；

1 引言

麥弗遜獨(dú)立懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、非簧載質(zhì)量小、發(fā)動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)向系易于布置等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中低端市場(chǎng)的產(chǎn)品開發(fā)中。在公司現(xiàn)有車型中，前懸架布置都采用該懸架型式。通過改變?cè)搼壹艿挠颤c(diǎn)（底盤關(guān)鍵零件的安裝點(diǎn)）位置，會(huì)對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)（K特性）性能有影響，進(jìn)而影響到整車動(dòng)力學(xué)性能。因此在整車開發(fā)初期或者在對(duì)現(xiàn)有車型性能的提升階段，如何通過對(duì)懸架硬點(diǎn)的更改來達(dá)到設(shè)計(jì)者預(yù)期的整車動(dòng)力學(xué)性能是倍受關(guān)注的核心問題之一［1］［2］。

汽車的轉(zhuǎn)向特性作為車輛操縱穩(wěn)定性的重要組成部分，對(duì)車輛的主動(dòng)安全性起著至關(guān)重要的作用，它包括穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性和瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性。前者一般通過穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)，后者一般通過角階躍試驗(yàn)獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)［3］。

鑒于此問題，基于某車型實(shí)測(cè)K&C試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依托整車參數(shù)化仿真平臺(tái)CarSim，探索麥弗遜懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)（K特性）對(duì)整車轉(zhuǎn)向性能影響較大的因素，再聯(lián)合Adams/Car、Adams/Insight軟件，對(duì)該懸架各硬點(diǎn)進(jìn)行靈敏度分析，找出對(duì)該懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)因素影響較大的硬點(diǎn)，從而可以通過更改該硬點(diǎn)的位置獲得預(yù)期的整車轉(zhuǎn)向性能。

2　建立基于CarSim軟件的整車模型

CarSim軟件是基于總成特性參數(shù)建模的多體動(dòng)力學(xué)軟件，該建模方式不需要考慮總成的具體結(jié)構(gòu)形式、硬點(diǎn)坐標(biāo)、襯套特性以及桿件質(zhì)量等詳細(xì)參數(shù)，而將通過反映總成性能的慣性參數(shù)、剛度參數(shù)、阻尼參數(shù)等信息輸入即可完成模型的建立［4］。建模簡單，專業(yè)性能好，特別適用于特定工程領(lǐng)域，能夠比較準(zhǔn)確的模擬實(shí)車整車操穩(wěn)試驗(yàn)。

2.1整車信息參數(shù)

某微車整車參數(shù)信息如表一所示：

表一 整車參數(shù)信息表

2.2整車模型

建模時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、制動(dòng)系、傳動(dòng)系均采用系統(tǒng)缺省值，所建整車模型如圖1所示：

2.3模型的驗(yàn)證

按照GB/T 6323—2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法進(jìn)行仿真驗(yàn)?zāi)?，主要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤角階躍及轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的模擬。將CarSim模型與實(shí)際操穩(wěn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從圖2中可以看出，仿真曲線與試驗(yàn)曲線存在偏差但是變化趨勢(shì)一致，這主要是由于一些客觀因素造成的如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)慣量的估算，輪胎模型與實(shí)際模型的差異等，故可判斷此仿真模型是準(zhǔn)確可行的。

3　前輪定位參數(shù)對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性的影響

利用驗(yàn)證后的Carsim整車模型分析前懸架K特性變動(dòng)對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性的影響。前輪定位主要包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束四個(gè)內(nèi)容，車輪定位的作用是使汽車保持穩(wěn)定的直線行駛和轉(zhuǎn)向輕便，并減少汽車在行駛中輪胎和轉(zhuǎn)向機(jī)件的磨損［4］。當(dāng)主銷軸線和制動(dòng)器中心軸夾角一定時(shí)，主銷內(nèi)傾角和前輪外傾角變化是一致的，故現(xiàn)通過調(diào)整前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角隨輪跳變化梯度值來了解懸架性能對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性的影響。在做轉(zhuǎn)向特性分析時(shí)，選擇定方向盤轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，角階躍的瞬態(tài)試驗(yàn)。

3.1前輪定位參數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)置

由于原車型前懸架跳動(dòng)轉(zhuǎn)向及側(cè)傾度都不為0，且呈現(xiàn)一定的非線形性，為了方便對(duì)比前束角、外傾角、主銷后傾角對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，選取K特性試驗(yàn)滿載時(shí)的前輪定位參數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)斜率1作為基準(zhǔn)線進(jìn)行研究。將前束角隨輪跳變化梯度由-7deg/m分別變?yōu)?14deg/m和0deg/m，外傾角隨輪跳變化梯度由-19.8deg/m分別變?yōu)?deg/m和-39.6deg/m，主銷后傾角的變化梯度由-6deg/m分別變?yōu)?deg/m和-12deg/m，負(fù)號(hào)代表車輪上跳時(shí)前輪外張、整車趨于不足轉(zhuǎn)向，考察其對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響。前輪定位參數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性參數(shù)設(shè)置如表二所示：

表二 前輪定位參數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性參數(shù)設(shè)置表

3.2前輪定位參數(shù)K特性對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)-定方向盤轉(zhuǎn)角工況：車輛以10m/s的速度沿半徑15m的圓周行駛，穩(wěn)定10s后，固定方向盤轉(zhuǎn)角，以0.25m/s2的縱向加速度均勻加速行駛，直到車輛側(cè)向加速度達(dá)到6.5m/s2，前輪定位參數(shù)K特性梯度對(duì)前后軸側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度關(guān)系的影響分別如圖3、4、5所示：

不足轉(zhuǎn)向度U即前后軸側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線是穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)［5］，從圖3，4，5可以看出，前束角對(duì)不足轉(zhuǎn)向度U的影響最大。

3.3前輪定位參數(shù)K特性對(duì)瞬態(tài)特性的影響

方向盤角階躍工況：車輛以25m/s車速勻速直線行駛，1s時(shí)方向盤階躍輸入，起躍時(shí)間為0.1s，仿真過程中保持車速不變。車輪上跳時(shí)前輪外張得越大，橫擺角速度超調(diào)量越大，響應(yīng)越快。前輪定位參數(shù)K特性參數(shù)的改變對(duì)橫擺角速度的影響分別如圖6、7、8所示：

橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間T即側(cè)向加速度值為2m/s^2時(shí)的橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間是轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗(yàn)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)［5］,從圖6、7、8中可以看出，前束K特性變化梯度對(duì)響應(yīng)時(shí)間T影響最大。

3.4前束角對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響分析

前輪上跳時(shí)外張，整車趨于不足轉(zhuǎn)向特性，且前束角隨輪跳變化梯度越大，整車不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)越明顯，但是變化越大，會(huì)引起輪胎的過度磨損，同時(shí)也會(huì)降低汽車的轉(zhuǎn)向靈敏度。

前束角隨輪跳變化梯度越大，角階躍工況時(shí)，橫擺角速度超調(diào)量越大，響應(yīng)越快。

為了快速高效的調(diào)試車輛的轉(zhuǎn)向特性，可以通過更改車輛前束角的K特性來進(jìn)行試驗(yàn)，但更改其K特性，又與懸架的硬點(diǎn)是密不可分的，在此，通過CarSim和ADAMS/Car、Adams/Insight軟件仿真，對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行調(diào)校和優(yōu)化。

4　懸架硬點(diǎn)對(duì)前束角K特性靈敏度分析

4.1懸架結(jié)構(gòu)及硬點(diǎn)信息

懸架結(jié)構(gòu)如圖9所示：

表三 硬點(diǎn)信息表

4.2麥弗遜懸架Adams模型

根據(jù)4.1懸架硬點(diǎn)信息建立Adams/Car麥弗遜結(jié)構(gòu)模型如圖10所示：

4.3懸架硬點(diǎn)靈敏度分析

在已建立的Adams/Car模型中仿真平行輪跳后，進(jìn)入Adams/Insight中添加設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)變量，設(shè)置設(shè)計(jì)目標(biāo)為前束角（Toe），選取與Toe角變化影響較大的硬點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量：

1）左擺臂外點(diǎn)x坐標(biāo)： hpl_lca_outer.x；

2）左擺臂前點(diǎn)y坐標(biāo)： hpl_lca_outer.y；

3）左擺臂前點(diǎn)z坐標(biāo)： hpl_lca_outer.z；

4）減振器上點(diǎn)x坐標(biāo)： hpl_top_mount.x；

5）減振器上點(diǎn)y坐標(biāo)： hpl_top_mount.y；

6）減振器上點(diǎn)z坐標(biāo)：ground.hpl_top_mount.z。

通過Adams/Insight分析得出結(jié)果，如圖11所示：

設(shè)計(jì)變量的%Effect越大，證明其變化對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響越顯著，從圖11中Main Effects for Response.toe可以得出，平行輪跳工況：Toe對(duì)擺臂外點(diǎn)Z坐標(biāo)的變化最靈敏。

為此，在車輛調(diào)試及優(yōu)化的過程中，可以微調(diào)擺臂外點(diǎn)Z值來改變Toe的K特性，從而優(yōu)化整車操縱穩(wěn)定性。

5　結(jié)論

（1）通過分析可以很清楚地看到前輪定位參數(shù)K特性參數(shù)變化對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性影響，分析結(jié)果可以作為車輛調(diào)試的理論基礎(chǔ)；

（2）在前懸硬點(diǎn)對(duì)前輪前束角K特性分析中可以看出，微調(diào)前懸擺臂外點(diǎn)Z坐標(biāo)值來改善前束角K特性。

（3）基于此種優(yōu)化思路，可以對(duì)整個(gè)懸架的硬點(diǎn)進(jìn)行整車操穩(wěn)靈敏度分析，形成龐大的數(shù)據(jù)庫，對(duì)新車型開發(fā)提供理論支持。

［1］孫萬軍，毛范海，應(yīng)用虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，北京：CAD/CAM與制造業(yè)信息化，1999（22）.

［2］王蠡，項(xiàng)黨陳碌，吳磊.扭力梁后橋總成參數(shù)對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性影響的分析.汽車工程 2011（V01.33）No.1.

［3］魏孝斌，冷最，王寧生，基于虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)研究，沈陽：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2002（3）.

［4］王爽. 某微車懸架K&C特性研究及其對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響. 長春：吉林大學(xué), 2008.

［5］郭孔輝，王德寶，倫景光，何炳炎.汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法.中國汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所，QC/T 480-1999.

專家推薦

李少華：

懸架硬點(diǎn)與整車轉(zhuǎn)向特性的關(guān)聯(lián)性分析，對(duì)整車操穩(wěn)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)作用。

Study Of Front Macpherson Suspension Hard Points For Influence On The Vehicle Steering Characteristics

JIANG Hong-xia1, LI Shu-bin1, XIE Cui-hua2
（ 1.SAIC-GM-Wuling Automobile Co,.Ltd, Liuzhou 545007, China；2. KH Automotive Technologies （Liuzhou） Co.,Ltd., Liuzhou 545007, China ）

A full vehicle model is established basing on CarSim using suspension test data of K&C characteristics, vehicle information and Wheel alignment parameters, and then verified. Firstly, analyzing the influence of McPherson suspension K to the characteristics of the turning of the vehicle；secondly, finding out the great influence of it as design objective, through the Adams/Insight to do the sensitivity analyze of hard points； lastly, establish the relevance of the suspension hard points and the vehicle steering characteristics.

four wheel alignment； K characteristic； Hard points； Steering characteristics

U462.3

A

1005-2550（2016）03-0042-05