靳瑩 張俊

陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系 北京市 100072

1 引言

懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其作用是彈性連接車架（或車身）與車軸（或車輪）并傳遞作用于其間的一切力和力矩，減緩由路面帶來的振動(dòng)與沖擊，從而保證汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，以期使得汽車具有優(yōu)良的行駛能力[1-2]。近年來，對(duì)于汽車懸架系統(tǒng)的研究主要針對(duì)以下兩方面：一是懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括懸架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)、懸架元件傳遞特性的確定等；二是懸架系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)，即運(yùn)用何種基本參數(shù)來系統(tǒng)地評(píng)價(jià)其性能的優(yōu)劣，如何評(píng)價(jià)基本參數(shù)的變化特性的合理性等[3]。如前所述，懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究主要影響了汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，因此可將對(duì)汽車懸架系統(tǒng)的研究分為對(duì)汽車平順性產(chǎn)生主要影響的懸架特性研究和對(duì)汽車操縱穩(wěn)定產(chǎn)生主要影響的懸架特性研究，也即汽車懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性（K特性）研究和汽車懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性（C特性）研究[4-5]。

計(jì)算機(jī)模擬仿真和K&C臺(tái)架試驗(yàn)兩種方法是常用的對(duì)汽車懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)與彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行研究的一般方法[6]。本文采用的仿真分析通過計(jì)算K&C特性來判斷懸架的特性是否合適，來確定車輛前期和中期的生產(chǎn)方案，這也是目前在工程應(yīng)用中關(guān)于車輛設(shè)計(jì)的一個(gè)重要手段[7]。

2 懸架硬點(diǎn)空間坐標(biāo)計(jì)算

如圖1所示，取與汽車前進(jìn)方向相反的方向?yàn)閄軸正方向，輪心處為X軸零點(diǎn)；取汽車右側(cè)方向?yàn)閅軸正方向，汽車的縱向?qū)ΨQ面為Y軸零點(diǎn)；應(yīng)用右手螺旋定則確立空間直角坐標(biāo)系，則Z軸正方向垂直向上，原輪胎接地點(diǎn)為Z軸零點(diǎn)。

圖1 懸架模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

懸架模型中的下擺臂與車身的鉸鏈點(diǎn)A、B，減振器的上支點(diǎn)H，以及轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向橫拉桿的鉸鏈點(diǎn)F，在懸架模型中是固定鉸鏈點(diǎn)，相對(duì)于其它鉸鏈點(diǎn)無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可作為已知點(diǎn)。

麥弗遜懸架模型減振器上支點(diǎn)H點(diǎn)與下擺臂鉸鏈點(diǎn)C點(diǎn)的連線為主銷軸線而主銷后傾角γ、主銷內(nèi)傾角β、C點(diǎn)空間坐標(biāo)已知，依據(jù)已知參數(shù)可得如下方程

在三角形的下擺臂結(jié)構(gòu)中，與車身相連的固定鉸鏈點(diǎn)A、B的空間坐標(biāo)系均已知。設(shè)定直線CP與直線k的距離t為P點(diǎn)相對(duì)于AB垂直平分線的偏移量，假設(shè)P點(diǎn)分直線AB的比例q為

則P點(diǎn)坐標(biāo)可表示為

同時(shí)，P點(diǎn)坐標(biāo)在過C點(diǎn)作直線AB的法平面內(nèi)，即P點(diǎn)坐標(biāo)同時(shí)滿足該法平面方程，即

整理可得

聯(lián)立式(1)、(2)和(6)可求得下擺臂球頭鉸鏈點(diǎn)C點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

K點(diǎn)為主銷軸線HC與車輪軸線DM在后視圖投影的交點(diǎn)，計(jì)算時(shí)可將其投影到 Y-Z面上。已知H點(diǎn)到車輪軸線的Z向距離和H點(diǎn)到C點(diǎn)的Z向距離，因此可以算出KC的空間距離，且由于K點(diǎn)空間坐標(biāo)滿足主銷軸線的空間直線方程，因此可得K點(diǎn)的空間坐標(biāo)如下式

3 建立懸架仿真模型

通過樣車模擬以及計(jì)算得到了懸架主要硬點(diǎn)C和K的空間坐標(biāo)，根據(jù)麥弗遜懸架的實(shí)際結(jié)構(gòu)和相關(guān)建模數(shù)據(jù)，利用ADAMS/CAR建立懸架虛擬樣機(jī)模型如圖2所示，其坐標(biāo)系為：X軸正向?yàn)槠嚽靶蟹较虻姆捶较?，Y軸正向?yàn)槊鎸?duì)汽車正面的左側(cè)，Z軸垂直地面指向上方。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求對(duì)初始懸架部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[8]，圖3和圖4分別是調(diào)整前后的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)

4 懸架雙輪同向激振試驗(yàn)的K&C特性分析

以下各圖曲線為前懸架左右車輪的輪跳在-100mm～100mm的跳動(dòng)過程中懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析特性曲線。各圖中紅色、黑色分別代表調(diào)整前后的懸架模型。

(1)車輪外傾角

如圖5-1所示，輪跳量的大小在-100～30mm變動(dòng)過程中，懸架模型調(diào)整前后的車輪外傾角都在減小，30～100mm過程中又逐漸增大，且調(diào)整后的懸架模型變化幅度較大。將調(diào)整前后的懸架模型曲線相比較可以看出，調(diào)整后的懸架模型車輪外傾角的變化小，這對(duì)于汽車操縱穩(wěn)定性有很大幫助。

(2)車輪前束角

圖2 組裝前后的虛擬樣機(jī)模型

圖3 調(diào)整前的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖4 調(diào)整后的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖5-1 車輪外傾角仿真曲線

圖5-2 車輪前束角的仿真曲線

如圖5-2所示，隨著車輪輪跳量的增加，調(diào)整前的懸架模型前束角由正至負(fù)有較大的變動(dòng)，而調(diào)整后的懸架模型變動(dòng)范圍較小而且曲線比較平緩，因此更能夠適應(yīng)路面的要求，在-60～0mm階段，前束角幾乎沒有改變，可見調(diào)整后的懸架對(duì)于汽車行駛的穩(wěn)定性和輪胎的偏磨損有幫助。

(3)主銷后傾角和主銷后傾拖距

圖5-3、5-4分別表示主銷后傾角與主銷后傾拖距，可以看出，調(diào)整后懸架模型的主銷后傾角和主銷后傾拖距均大于調(diào)整前的懸架模型。主銷后傾角越大則車輛的直線行駛性越好，轉(zhuǎn)向后方向盤的回復(fù)性也越好，但是調(diào)整后的懸架模型主銷后傾角在輪跳的后段值偏大，這會(huì)使得轉(zhuǎn)向變得沉重，駕駛員容易疲勞。現(xiàn)代高速汽車由于降低了輪胎氣壓使得其彈性增加，進(jìn)而引起穩(wěn)定力矩增加。因此，懸架主銷后傾角可以減小到接近于零，甚至為負(fù)值。

圖5-3 主銷后傾角仿真曲線

5 結(jié)論

文章運(yùn)用ADAMS/CAR模塊建立了麥弗遜獨(dú)立懸架仿真模型，利用虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了雙輪同向激振的仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)調(diào)整前后的懸架模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。通過試驗(yàn)曲線對(duì)于調(diào)整前后的懸架模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析，根據(jù)車輪定位參數(shù)等重要指標(biāo)對(duì)調(diào)整前后的模型做出了直觀的評(píng)價(jià)。綜合各仿真曲線可以看出，調(diào)整后的懸架模型在操縱穩(wěn)定性和平順性上相較于基于原始參數(shù)的懸架模型有一定的改進(jìn)。但是具體的整車性能則需要完整的整車模型和整車試驗(yàn)才能最終得出結(jié)論。

圖5-4 主銷后傾拖距仿真曲線