王文源，林尤濱，鄧祖平

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

汽車懸架中橫向穩(wěn)定桿作為提升車輛側(cè)傾剛度的重要組成部分，車輛側(cè)傾時(shí)橫向穩(wěn)定桿會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，產(chǎn)生的力矩將抑制車身側(cè)傾，進(jìn)而確保車輛平穩(wěn)行駛，并提高了安全性與舒適性[1]。對于麥弗遜（Macpherson）懸架而言，由于主銷軸線與減振器軸線存在不重合[2]，側(cè)傾時(shí)穩(wěn)定桿吊桿會(huì)產(chǎn)生附加的力矩引起額外轉(zhuǎn)向，干擾車輪繞主銷軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，影響車輛的轉(zhuǎn)向特性。

本文的研究將從理論上解析穩(wěn)定桿吊桿的布置位置對整車轉(zhuǎn)向的影響，并引入等效轉(zhuǎn)向力臂的概念進(jìn)行量化。進(jìn)而借助整車動(dòng)力學(xué)模型對車輛轉(zhuǎn)向性能的影響進(jìn)行分析和研究。最后對不同車型的等效轉(zhuǎn)向力臂進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，獲得穩(wěn)定桿吊桿轉(zhuǎn)向等效力臂的范圍，指導(dǎo)麥弗遜懸架穩(wěn)定桿的位置設(shè)計(jì)。

1 穩(wěn)定桿吊桿力矩對轉(zhuǎn)向的影響

在麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)定桿吊桿通常連接在減振器上。如果車輛發(fā)生轉(zhuǎn)彎時(shí)，車身側(cè)傾引起一側(cè)輪胎上跳，另外一側(cè)輪胎下跳，此時(shí)穩(wěn)定桿將起作用，上跳一側(cè)的吊桿受到拉力F拉的作用[3-4]。為了解析吊桿受到的拉力干擾主銷的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，可以將F拉在吊桿上點(diǎn)位置沿主銷軸線的方向進(jìn)行分解，分解為兩個(gè)方向的受力：

（1）平行于主銷軸線方向的受力FZ；

（2）垂直于主銷軸線方向的受力Fxy；

其中Fxy與主銷軸線間存在的距離會(huì)產(chǎn)生繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩Txy，使得減振器繞主銷一起轉(zhuǎn)動(dòng)，一般麥弗遜懸架的減振器會(huì)與軸節(jié)連接，這使得車輪也會(huì)隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)[5-6]。定義相關(guān)的軸線后，穩(wěn)定桿吊桿產(chǎn)生的附加力矩對單側(cè)車輪轉(zhuǎn)向的干擾如下圖1 所示：

圖1 吊桿產(chǎn)生的附加力矩對單側(cè)車輪轉(zhuǎn)向的干擾

2 穩(wěn)定桿吊桿的等效轉(zhuǎn)向力臂計(jì)算

實(shí)際轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)外側(cè)懸架存在載荷轉(zhuǎn)移，懸架運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為外側(cè)車輪上跳，內(nèi)側(cè)車輪下跳，穩(wěn)定桿吊桿產(chǎn)生的附加力矩如下圖2（a）所示。附加力矩Tleft和Tright的方向與車輛轉(zhuǎn)向方向相反，將減小車輪轉(zhuǎn)角，使得車輛趨向于不足轉(zhuǎn)向。若Tleft和Tright與車輛轉(zhuǎn)向方向相同，則會(huì)增加車輛的轉(zhuǎn)角，使得車輛趨向于過多轉(zhuǎn)向。

圖2 附加力矩對車輪轉(zhuǎn)向影響的簡化示意圖

為體現(xiàn)附加力矩對車輛產(chǎn)生的影響，定義有利于不足轉(zhuǎn)向的附加力矩為正，反之為負(fù)。如圖2（b）所示，引入向量對等效力臂量化（含符號定義）。在坐標(biāo)系O－xyz中，μ定義為主銷軸線下點(diǎn)到上點(diǎn)的單位向量；F定義為穩(wěn)定吊桿軸線下點(diǎn)到上點(diǎn)的單位向量（即右轉(zhuǎn)時(shí)右側(cè)穩(wěn)定桿拉桿受到的單位力）；R定義為主銷軸線上點(diǎn)到穩(wěn)定吊桿軸線下點(diǎn)的向量；通過向量計(jì)算可得穩(wěn)定吊桿單位力在向量F和向量R所確定的平面上產(chǎn)生的力矩向量M為：

力矩向量M沿向量μ的分量為Mkp，即穩(wěn)定吊桿單位力作用在主銷的力矩，可表示為：

因?yàn)棣毯虵均為單位向量，所以Mkp大小等于μ和F之間的距離，即F繞μ軸的等效力臂ekp。那么帶符號的等效力臂計(jì)算可表達(dá)為（其中表示為主銷上點(diǎn)Y 向坐標(biāo)）：

3 等效轉(zhuǎn)向力臂對輪跳轉(zhuǎn)向的影響

改變項(xiàng)目車輛G_car 的吊桿上點(diǎn)位置得到不同等效力臂，分析相關(guān)懸架K&C 參數(shù)選擇G_car 車輛的合理優(yōu)化方向。在搭建好的前懸裝配模型基礎(chǔ)上，修改穩(wěn)定桿吊桿上點(diǎn)繞減振器軸線旋轉(zhuǎn)，如下圖3 所示，得到不同等效轉(zhuǎn)向力臂方案（表1）對懸架轉(zhuǎn)向性能的對比分析。

表1 不同方案的硬點(diǎn)坐標(biāo)和等效力臂值

圖3 繞減振器軸線旋轉(zhuǎn)的不同等效轉(zhuǎn)向力臂方案

在左右輪跳反向的工況下穩(wěn)定桿將起作用，為體現(xiàn)影響懸架轉(zhuǎn)向性能的變化，選取反向輪跳轉(zhuǎn)向（toe-angle vs.reverse wheel-travel）變化曲線進(jìn)行分析。如圖4 顯示隨著等效轉(zhuǎn)向力臂值的減小，反向輪跳的Toe-out 呈現(xiàn)出減小趨勢。那么穩(wěn)定桿上點(diǎn)位置繞減振器軸線朝車身前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，等效轉(zhuǎn)向力臂逐漸減小，車輪上跳對輪跳轉(zhuǎn)向的影響呈現(xiàn)出逐漸由前束外擴(kuò)（Toe-out）向前束內(nèi)收（Toe-in）的轉(zhuǎn)變。

表2 為等效力臂值改變后對應(yīng)的反向輪跳梯度變化，等效力臂值與反向輪跳轉(zhuǎn)向梯度存在明顯的線性關(guān)系。后續(xù)優(yōu)化車輛G_car 的等效轉(zhuǎn)向力臂值時(shí)，可快速評估對輪跳轉(zhuǎn)向的影響。

4 等效轉(zhuǎn)向力臂對動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向的影響

不同穩(wěn)定桿吊桿的位置會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的等效轉(zhuǎn)向力臂，會(huì)造成懸架反向輪跳轉(zhuǎn)向等相關(guān)參數(shù)的改變，進(jìn)而影響整車的轉(zhuǎn)向性能。采用40 km/h 車速下，固定方向盤轉(zhuǎn)角60°行駛，分析突然撒手的工況。解析不同的等效轉(zhuǎn)向力臂對車輛轉(zhuǎn)角響應(yīng)，橫擺修正，側(cè)傾角變化的影響，得到改善車輛轉(zhuǎn)向干擾的穩(wěn)定桿吊桿布置優(yōu)化方向。

根據(jù)表1 中穩(wěn)定桿吊桿不同等效轉(zhuǎn)向力臂調(diào)整方案，經(jīng)過方向盤撒手后的行駛工況分析，得到如圖5 所示的結(jié)果，體現(xiàn)了行駛過程中出現(xiàn)方向盤撒手后，左右兩側(cè)輪胎的載荷變化將引起輪跳變化，這將影響動(dòng)態(tài)回正過程中的轉(zhuǎn)角變化，進(jìn)而導(dǎo)致車輛的橫擺和側(cè)傾隨之發(fā)生改變。

圖5 方向盤轉(zhuǎn)角撒手后相關(guān)參數(shù)的變化曲線

由圖5 的車輛響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)可得到相關(guān)特征參數(shù)變化（如下表3）。結(jié)果顯示隨著等效力臂的降低（由正值到負(fù)值），會(huì)稍微增加回正的延遲和上升時(shí)間，但會(huì)顯著減小輪胎回正的轉(zhuǎn)向角度，降低方向盤轉(zhuǎn)角的超調(diào)量。

表3 車輛響應(yīng)特征參數(shù)變化

減小等效轉(zhuǎn)向力臂可降低車輛在回正過程中受到的干擾，進(jìn)行穩(wěn)定桿吊桿布置時(shí)，需要將產(chǎn)生的等效轉(zhuǎn)向力臂控制在合理的范圍。

5 等效轉(zhuǎn)向力臂的統(tǒng)計(jì)分析

收集現(xiàn)有對標(biāo)數(shù)據(jù)庫中麥弗遜懸架硬點(diǎn)的參數(shù)，獲得不同車輛的等效力臂。等效轉(zhuǎn)向力臂的分布如圖6 所示。大部分車型等效轉(zhuǎn)向力臂集中在0～15 mm 之間。車輛G_car 作為經(jīng)濟(jì)型轎車，其等效力臂為16.37 mm，略微超出大部分車型的集中區(qū)域，可調(diào)整穩(wěn)定桿吊桿布置位置，降低等效力臂值優(yōu)化車輛轉(zhuǎn)向特性。

圖6 等效轉(zhuǎn)向力臂統(tǒng)計(jì)數(shù)值

6 結(jié)論

文章就穩(wěn)定桿吊桿位置對車輛轉(zhuǎn)向特性的相關(guān)影響進(jìn)行解析，得到以下結(jié)論：

（1）通過對穩(wěn)定桿吊桿在麥弗遜懸架中的受力分析，采用相關(guān)向量計(jì)算得到了影響轉(zhuǎn)向的等效力臂公式。

（2）通過改變不同的穩(wěn)定桿吊桿位置獲得不同的等效力臂值對懸架輪跳轉(zhuǎn)向的影響，指出等效轉(zhuǎn)向力臂降低可有效減小前束外擴(kuò)，借助等效力臂的概念可以估算穩(wěn)定桿吊桿的布置對反向輪跳轉(zhuǎn)向的影響。

（3）轉(zhuǎn)向等效力臂干擾車輪的輪跳轉(zhuǎn)向，引起車輛轉(zhuǎn)向特性的變化。通過方向盤撒手行駛工況，研究不同等效力臂對車輛轉(zhuǎn)向的影響。認(rèn)為布置穩(wěn)定桿吊桿時(shí)，需控制等效轉(zhuǎn)向力臂值，以降低對車輛轉(zhuǎn)向的干擾。

（4）對不同麥弗遜懸架車型硬點(diǎn)的分析和計(jì)算，得到不同車型的等效轉(zhuǎn)向力臂值，確定合理的等效轉(zhuǎn)向力臂值范圍，指導(dǎo)后期的懸架穩(wěn)定桿吊桿硬點(diǎn)開發(fā)。