齊 琳

（同濟大學 汽車學院 上海 201803）

目前受設計降本增效的需求驅(qū)動，產(chǎn)品架構(gòu)（亦被稱為平臺）的概念被廣泛應用于整車設計開發(fā)流程。各大主機廠都希望盡可能多地滿足不同用戶的個性化需求，同時又能保留更多大規(guī)模生產(chǎn)的競爭力。底盤架構(gòu)設計的挑戰(zhàn)，在于為不同尺寸和重量的衍生車型（SUV、sedan、coupe等）找到合適的解決方案，盡可能多地進行共用件的優(yōu)化[1]。懸架系統(tǒng)對實現(xiàn)底盤功能起到了關鍵性作用，它要為整車提供良好的操縱性能，保證充足的轉(zhuǎn)向控制和制動反應，減振降噪，以及載荷管理[2-5]。其主要功能是：

(1)提供垂直柔度使車輪能在不平的路面上行駛并起到隔振作用；

(2)使車輪相對路面保持合適姿態(tài)；

(3)對輪胎產(chǎn)生的縱向力、側(cè)向力、制動及驅(qū)動力矩做出反應；

(4)阻止底盤側(cè)傾；

(5)保持車輪與路面接觸[6]。

懸架系統(tǒng)通常分為兩種：獨立式與非獨立式懸架。麥弗遜式前懸架是典型的獨立式懸架，由于其成本優(yōu)勢，最常見的前懸結(jié)構(gòu)設計，運用于大多數(shù)的乘用車。相當簡單的懸架設計并且能為前輪橫置驅(qū)動提供較好的空間，當受限于低成本懸架及K&C設計參數(shù)調(diào)整范圍小（或困難）的情況下，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式可以加強懸架性能。

1 架構(gòu)開發(fā)需求的輸入

架構(gòu)開發(fā)服務于目標客戶及市場戰(zhàn)略的需求，受當前政策及全球環(huán)境的影響，空間大、性價比高、節(jié)能減排是高增長車型關鍵詞。底盤架構(gòu)開發(fā)前,需要工程師將這些“客戶之聲”轉(zhuǎn)化為工程語言，包括以下幾類重要參數(shù)：整車參數(shù)（包括車型、輪距、軸距、車長、車高、整車裝備質(zhì)量等）；動力總成參數(shù)（包括布置形式、排量、性能等）；輪胎型號參數(shù)（包括尺寸、價格等）。

本文研究架構(gòu)包括入門級兩廂轎車、A級三廂轎車及SUV，在滿足經(jīng)濟性要求的前提下，盡可能多地提供駕駛操穩(wěn)性和乘坐舒適性。對標國內(nèi)各大主流車型，麥弗遜式懸架以其結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟性優(yōu)、K&C可調(diào)的優(yōu)勢，確定成為本文架構(gòu)中所有車型的前懸架結(jié)構(gòu)形式。

2 建立麥弗遜式前懸架模型

2.1 麥弗遜式前懸架幾何特征值

麥弗遜式前懸架結(jié)構(gòu)可以簡化為圖1所示特征點、線、面的組合，其中D點為輪胎與地面的接觸點，I點為車輪的中心點，K點為前下控制臂球鉸中心點，A點是懸架上端的固定點，C1和C2點分別是前下控制臂前后安裝點，B點是減振器軸線與車輪軸線的相交點，S點是減振器底端的中心點。當車輪上下跳動時，控制臂以C點為中心上下擺動。由麥弗遜式懸架的結(jié)構(gòu)特點可知，運動過程中E點到K點的距離與H點到減振支柱下點的距離相同，I到K與E到減振支柱下點的距離相同。各點之間的相互關系可由數(shù)學表達式進行計算，為空間幾何模型的建立打下基礎。

圖1 麥弗遜式前懸架結(jié)構(gòu)簡圖

通常，麥弗遜式前懸架系統(tǒng)的設計，由確定各子零件硬點位置開始。同架構(gòu)下更多的子零件共用能大幅降低設計開發(fā)與制造成本，但同步設計的工作量是一大挑戰(zhàn)。為提高設計效率，基于 VC++開發(fā)計算程序，將各硬點參數(shù)導出，運用NX UG中參數(shù)化建模的功能，得到幾何模型。

2.2 定義初始硬點坐標

現(xiàn)針對同架構(gòu)下的入門級兩廂轎車、A級三廂轎車及 SUV進行同步設計，由架構(gòu)輸入信息已知各核心輪胎SLR及寬度，車輪上下跳位置，軸距、軸荷等信息，設置初版硬點坐標，包括輪心點，控制臂前后襯套安裝點及其球鉸安裝點，減振器自上彈性中心直至下彈簧座中心點，轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)外球鉸中心點等。此外，還需設置初始前束與外傾角度，一般都在±1°以內(nèi)。本文研究的架構(gòu)中，兩廂車型前輪的輪心坐標為（-10，-746.5，4），輪心上下跳分別為95 mm和-80 mm，初始前束角為0.1°，初始外傾角為-0.375°；三廂車型前輪的輪心坐標為（-10，-810，7），輪心上下跳分別為95 mm和-80 mm，初始前束角為0.1°，初始外傾角為-0.375°；SUV及MPV車型前輪的輪心坐標為（-10，-810，11），輪心上下跳分別為100 mm和-80 mm，初始前束角為0.1°，初始外傾角為-0.375°。先從空間最緊湊的兩廂車型開始設計，初版硬點位置如表1所示。

表1 兩廂車前懸架初始硬點坐標 單位（mm）

將硬點坐標導入NX UG進行空間校核，使用motion simulation模塊，檢查車輪上下跳的運動過程中，各個子零件之間是否存在干涉。針對如控制臂類的特殊零件，其幾何特征還會影響NVH性能，按照工程經(jīng)驗，圖 2中尺寸 A最好在尺寸 B的5%～15%之間，尺寸C最好在尺寸D的-5%～15%之間。同時為盡量多地在不同車型之間共用零件，從而降低開發(fā)成本和周期，使用固定的幾何尺寸比例和布置，是前懸架共用零件的前提條件。

圖2 控制臂特征尺寸

按圖 2的工程經(jīng)驗校核控制臂幾何尺寸，A/B=10.34%，C/D=7.89%，符合設計要求。

3 運動學分析及優(yōu)化

3.1 運動學特征參數(shù)的計算

本文中，懸架的運動學分析對象主要是車輪上下運動過程中，各車輪定位參數(shù)的變化，由此確定適合的前懸架硬點坐標。在懸架運動的過程中，控制臂球鉸中心K點以C點為圓心做擺動，其軌跡方程為：

主銷后傾角

主銷內(nèi)傾角

同時在此過程中，A點到K點的距離會發(fā)生變化，但是減振器底端中心S點到K點的距離不變，且運動中AS與SK之間的夾角不變。當K點運動到K’點時，則有：

由此可得外傾角γ的表達式為：

令主銷軸線和車輪軸線在YZ平面上的投影交點坐標為（xp,yp,zp），車輪半徑為R，則車輪前束角變化量Δ的表達式為：

3.2 運動學計算及結(jié)果分析

運用 VC++開發(fā)程序編寫運動學約束條件及計算公式，導入兩廂車型的前懸架初始硬點值，得到各車輪定位參數(shù)的變化范圍。主銷傾角是轉(zhuǎn)向軸與垂直線的夾角，從前視圖看通常呈內(nèi)傾角，從側(cè)視圖看呈后傾角?；诔醢嬗颤c位置，主銷內(nèi)傾角在車輪上下跳的過程中，角度變化從 14.03°到17.46°，主銷后傾角從 8.76°到 10.96°。主銷傾角的存在使得車輪轉(zhuǎn)向輕便，并產(chǎn)生一定回正的穩(wěn)定力矩，但若角度過大，轉(zhuǎn)向時車輪與路面之間產(chǎn)生滑動，不但轉(zhuǎn)向變得沉重，還會加速輪胎的磨損。

前束角是車輛縱軸與車輪平面和路面交線所形成的夾角，靜態(tài)前束角在設計位置為0.1°，在車輪上下跳的過程中不斷增大，上下極限位置處的前束角都超過了1.3°，如圖3中藍線所示。當車輛行駛過程中，過大的前束角變化會影響車輛的直線行駛穩(wěn)定性，增大輪胎與地面的滾動阻力，夾具輪胎的磨損。因此相較于車輛靜止時有個合適的前束角，更重要的是車輪上下跳時前束角的變化范圍越小越好。顯然，縮小前束角的變化范圍是下一步硬點變化的主要工作。

圖3 初始硬點設置下的兩廂車前束角變化

外傾角是輪胎平面與垂直面的夾角，當車輛上端向外傾斜時，外傾角為正值，向內(nèi)傾斜則為負值。在初始硬點設置下，外傾角變化范圍過大，也對車輛的直線行駛穩(wěn)定性及輪胎磨損有負面影響。在初始硬點設置下，外傾角在車輪上下跳過程中，從-0.9°變化到1.1°，車輪從內(nèi)傾轉(zhuǎn)為外傾，如圖4中藍線所示。

圖4 初始硬點設置下的兩廂車外傾角變化

3.3 硬點優(yōu)化及結(jié)果對比

麥弗遜式懸架結(jié)構(gòu)已在全球主流車型上廣泛應用多年，相關運動學研究也非常扎實[7-9]。楊超云等人應用 Adams建立了精確的前懸架模型進行運動學仿真，并對前束及主銷傾角做了各硬點的敏感度分析[10]。結(jié)果顯示轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)外安裝點及控制臂球鉸中心點的Z向位置對前束角的影響度均超過60%，另外控制臂球鉸中心點的Y向位置對主銷內(nèi)傾角的影響最大，約為 13.3%。在多次嘗試之后，并通過UG檢查空間布置情況，兩廂車前懸架硬點的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 兩廂車前懸架優(yōu)化硬點坐標 單位（mm）

優(yōu)化后，主銷內(nèi)傾角在車輪上下跳的過程中，角度變化從8.88°到11.17°，主銷后傾角從9.86°到12.23°，保證了一定的回正力矩，使車輛具有良好的操縱穩(wěn)定性。主銷內(nèi)傾角相較于初始值有所減少，有利于輪胎磨損的磨損。

麥弗遜式前懸架的運動學特征對硬點位置確實相對敏感，優(yōu)化后前束角和外傾角的變化范圍明顯減少。如圖5所示，車輪從-80 mm到95 mm上下跳的過程中，前束角變化從-0.06°到0.19°（如圖5(a)），外傾角動-0.5°到0.9°（如圖5(b)），車輛操縱穩(wěn)定性得到提升。

圖5 優(yōu)化硬點后的兩廂車型前束角（a）和外傾角（b）

三廂車及SUV車型相對于兩廂車，輪距增大，選用的輪胎尺寸也更大，因此輪心坐標發(fā)生變化?？紤]的零部件開發(fā)的經(jīng)濟性，所用車型共用同一個前副車架，即控制臂及轉(zhuǎn)向機的內(nèi)安裝點不變，調(diào)整控制臂幾何尺寸和轉(zhuǎn)向拉桿尺寸，同時將減振器相對輪心的位置調(diào)整到與兩廂車型一致，為共用前制動角零部件提供可能性。

由運動學分析結(jié)果可知，相對于兩廂車型的外傾角變化曲線，三廂車型和 SUV車型都保持了高度的一致性（如圖6所示）。從這一特性也反映出，外傾角對控制臂和轉(zhuǎn)向機內(nèi)安裝點相對于輪心Y向距離的變化不敏感，而前束角的變化趨勢更容易受此影響。如圖7所示，三廂車型前束角變化范圍從-0.16°到0.2°，SUV車型前束角變化范圍從-0.04°到0.2°，但都落在合適的區(qū)間。

圖6 三廂（a）和SUV（b）車型的外傾角變化

圖7 三廂（a）和SUV（b）車型的前束角變化

4 結(jié)語

借助于VC++和NX UG軟件，建立麥弗遜懸架幾何與運動學模型，能夠快速檢查硬點并進行優(yōu)化，獲得預期的運動學特征。這點在架構(gòu)開發(fā)過程中起到了關鍵作用，使多車型同步開發(fā)并保持類似運動學特征創(chuàng)造條件，幫助架構(gòu)設計師個性化定制車型“DNA”。 通過硬點對運動學特征影響的分析，可以幫助工程師分辨關鍵影響因素，找到適合的共用件策略：

(1)轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)外安裝點 Z向位置對前束角的上下跳過程中的變化影響最大，其次是控制臂球鉸中心Z向位置；

(2)控制臂球鉸X和Y向位置對主銷傾角的變化率有顯著影響；

(3)麥弗遜式前懸架同樣的控制臂及轉(zhuǎn)向機內(nèi)安裝點，可適用于輪距變化在 120mm內(nèi)的不同車型，使其擁有類似的運動學特。

本文研究表明，在架構(gòu)開發(fā)中引用此運動學分析可實現(xiàn)麥弗遜式前懸架在不同車型中的協(xié)同設計開發(fā)，從而進一步縮短了開發(fā)周期，減少開發(fā)及制造成本。