摘要：懸架K&C特性的優(yōu)劣直接影響到整車的操縱穩(wěn)定性和平順性能。為提升市場競爭力、縮短開發(fā)周期，通過工程模型解析輕型商用車前麥弗遜懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用ADAMS/Car軟件虛擬仿真手段對K&C特性進(jìn)行研究，建立前懸架系統(tǒng)模型，最后根據(jù)硬點優(yōu)化方案對車輪定位參數(shù)和主要影響指標(biāo)分析。研究結(jié)論可為輕型商用車整車設(shè)計開發(fā)提供重要理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，為后期底盤調(diào)校提供技術(shù)方向指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：ADAMS/Car軟件；輕型商用車；麥弗遜懸架；K&C仿真

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-04-26

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407004

1 前言

隨著客戶對商用車整車操控和舒適性能的關(guān)注度不斷增加，為提升客戶感知、駕駛體驗、降低成本和縮短開發(fā)周期，工程師需要在正向研發(fā)設(shè)計階段對車輛動力學(xué)性能集成，并根據(jù)預(yù)設(shè)整車性能指標(biāo)進(jìn)行子系統(tǒng)指標(biāo)分解、評估和優(yōu)化等工作。懸架K&C特性作為整車操縱穩(wěn)定性和平順性（R&H，Ride and Handling）的靈魂，其優(yōu)劣程度直接決定了整車R&H的上限和下限。

目前，業(yè)內(nèi)主流商用車制造廠商均在預(yù)研及前瞻階段通過虛擬樣機(jī)技術(shù)手段進(jìn)行懸架K&C特性和整車R&H仿真分析，對后期底盤主觀調(diào)校工作起到了關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。本文以某輕型商用車前麥弗遜懸架為研究對象，對懸架K&C特性進(jìn)行仿真分析研究。

2 懸架K&C特性指標(biāo)概述

懸架K&C特性是指懸架運(yùn)動學(xué)K（Kinematics）特性和懸架彈性運(yùn)動學(xué)C（Compliance）特性[1]。其中，懸架運(yùn)動學(xué)特性用于描述車輛在凹凸路面，車輪上下跳動及車輛轉(zhuǎn)向過程中造成的車輪定位參數(shù)等變化規(guī)律；懸架彈性運(yùn)動學(xué)特性用于描述考慮彈性元件變形，車輪受到外力作用時造成的車輪定位參數(shù)等變化規(guī)律[2-4]。

基于ADAMS/Car軟件進(jìn)行的K&C仿真主要包括平行輪跳運(yùn)動、側(cè)傾運(yùn)動、轉(zhuǎn)向運(yùn)動、縱向力加載、側(cè)向力加載和回正力矩加載六種分析[5-6]，K&C仿真具體分解指標(biāo)及ADAMS/Car坐標(biāo)軸定義如表1所示。

3 前懸架結(jié)構(gòu)及K&C仿真模型

31 前懸架模型及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

了解前懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于清晰并快速建立虛擬仿真模型，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也能針對性的對模型正確性進(jìn)行校驗，某輕型商用車麥弗遜前懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配體模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

2 前懸架基本參數(shù)及仿真模型

前懸架動力學(xué)模型的建立需要整車基本參數(shù)、硬點參數(shù)、襯套X/Y/Z向線剛度及繞X/Y/Z向扭轉(zhuǎn)剛度等多種數(shù)據(jù)，以確保虛擬動力學(xué)模型與實際車輛模型更為接近，結(jié)果更加可靠，整車部分基本參數(shù)和前懸架部分襯套參數(shù)如表2和表3所示。

在ADAMS/Car中建立前懸架模型并進(jìn)行裝配，裝配模型中包含懸架試驗臺、前麥弗遜懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前橫向穩(wěn)定桿等，前懸架K&C仿真模型如圖3所示。

4 前懸架K&C特性仿真分析

41 前束變化

車輪前束角主要用于減小或消除外傾角帶來的負(fù)面影響[7]。前束角的大小及變化規(guī)律可以通過俯視圖進(jìn)行研究分析，左右車輪前端面的距離與左右車輪后端面的距離之差為負(fù)值時，前束定義為正，反之，則定義為負(fù)前束。

前束變化是K&C仿真分析中的一項關(guān)鍵指標(biāo)，在平行輪跳工況或側(cè)傾工況中，前束角變化率的大小不合理可能引起整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)中不足轉(zhuǎn)向度的變化，更有甚者會造成過度轉(zhuǎn)向的不良后果，同時較大的前束變化率也會導(dǎo)致輪胎磨損加劇。因此，應(yīng)設(shè)置合理的靜態(tài)前束角，且在平行輪跳與側(cè)傾工況中前束角變化率不宜過大。一般將靜態(tài)前束角設(shè)定為正值，平行輪跳工況前束變化率期望為負(fù)值，有時也可取弱正值。前懸架平行輪跳工況和側(cè)傾工況中，該輕型商用車前束角變化如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，平行輪跳工況和側(cè)傾工況前束角變化率大小分別為-0012 deg/mm和-0177 deg/deg，平行輪跳工況和側(cè)傾工況前束變化率推薦大小分別為-0002～-0009 deg/mm和-003～-008 deg/deg，前束角變化率過大，不符合指標(biāo)期望范圍，根據(jù)理論分析可知，前束角變化率大小主要與轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點和外點的硬點布置有關(guān)，同時也受下擺臂內(nèi)外點高度差的影響。通過Insight模塊DOE分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向橫拉桿外點Z向硬點對平行輪跳工況和側(cè)傾工況前束變化率均有較為明顯收益，如圖6和圖7所示。通過對轉(zhuǎn)向橫拉桿外點Z向硬點優(yōu)化（下文稱為優(yōu)化方案）后，平行輪跳工況和側(cè)傾工況前束角變化率大小分別為-0004 deg/mm和-0056 deg/deg，優(yōu)化后平行輪跳工況與側(cè)傾工況前束變化率均在合理設(shè)計預(yù)期范圍內(nèi)。

42 外傾變化

車輪外傾角主要用于保持汽車在不同工況和不同載荷下，車輛運(yùn)動過程中均能穩(wěn)定直線行駛能力，防止因輪胎及懸架形變時車輪與地面接觸面變化范圍過大，導(dǎo)致車輛跑偏或影響輪胎磨損速度等問題。外傾角的大小及變化規(guī)律可以通過前視圖分析，車輪上端胎面朝車輛外部傾斜時外傾角定義為正，車輪上端胎面朝車輛內(nèi)部傾斜則為負(fù)。

汽車在凹凸不平路面行駛時，輪胎相對懸架上下跳動，外傾角變化過大將可能導(dǎo)致輪胎發(fā)生偏磨[8]，兩側(cè)外傾角不對稱則會導(dǎo)致車輛發(fā)生跑偏。在垂向跳動與側(cè)傾運(yùn)動時，均應(yīng)使輪胎與地面有盡可能大的接觸面積，從而獲得更好的抓地力[9]。因此，合理的設(shè)定靜態(tài)外傾角及汽車運(yùn)動時的外傾變化大小對于車輛操控性能十分重要。在目前汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計中，靜態(tài)外傾角一般設(shè)定為負(fù)值。前懸架平行輪跳工況和側(cè)傾工況中，該輕型商用車外傾角變化如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可知，平行輪跳工況和側(cè)傾工況外傾角變化率大小分別為-0018 deg/mm和-029 deg/deg，優(yōu)化方案并不會對外傾變化產(chǎn)生影響。平行輪跳工況外傾變化率推薦大小分別為-0006～-0019 deg/mm，外傾變化率符合指標(biāo)分解定義范圍。外傾角變化率大小主要與下擺臂長度和角度有關(guān)，通過調(diào)整下擺臂內(nèi)外點高度差可達(dá)到優(yōu)化外傾角變化率的效果。下擺臂外點Z向硬點對平行輪跳工況和側(cè)傾工況外傾變化率，如圖10和圖11所示。下擺臂外點和下擺臂內(nèi)點的硬點調(diào)整會對前束變化率有一定影響，因此在優(yōu)化過程中需平衡前束變化與側(cè)傾變化兩者之間的關(guān)系。

43 輪心側(cè)向位移及輪心退讓

輪心側(cè)向位移[10]以大地坐標(biāo)系為依據(jù)，輪心向右移動為正值，輪心向左移動為負(fù)值。一般期望輪心側(cè)向位移有較小的變化率，較大的輪心側(cè)向位移變化將導(dǎo)致輪胎橫向磨損加劇，車輛過波形起伏路時車身左右晃動，影響到車輛舒適性，且不利于不足轉(zhuǎn)向。

輪心退讓又叫做輪心縱向位移[9]，輪心退讓也以大地坐標(biāo)系為依據(jù)，輪心向后移動為正值，輪心向前移動為負(fù)值。該指標(biāo)與舒適性強(qiáng)相關(guān)，指標(biāo)過大將會帶動控制臂撞擊地板，對舒適性產(chǎn)生負(fù)面影響。

前懸架平行輪跳工況中，該輕型商用車輪心側(cè)向位移變化和輪心退讓如圖12和圖13所示。

由圖12和圖13可知，平行輪跳工況輪心側(cè)向位移變化率和輪心退讓大小分別為0076 mm/mm和0014 mm/mm，優(yōu)化方案對輪心側(cè)向位移變化產(chǎn)生影響較小，對輪心退讓產(chǎn)生輕微影響，輪心退讓大小為0025 mm/mm。輪心側(cè)向位移變化率和輪心退讓推薦范圍分別為001～008 mm/mm和001～004 mm/mm，符合指標(biāo)分解定義范圍。輪心側(cè)向位移變化率大小可通過調(diào)整擺臂角度進(jìn)行優(yōu)化，輪心退讓可通過下擺臂內(nèi)點的前后高度進(jìn)行優(yōu)化。下擺臂硬點調(diào)整會對前束變化率、外傾變化率及制動抗點頭等多個指標(biāo)有影響，因此在優(yōu)化過程中需平衡它們之間的關(guān)系。

44 側(cè)傾中心高

在ADAMS/Car前懸架模型中，側(cè)傾中心高在地面上方定義為正值，在地面下方定義為負(fù)值。較大的側(cè)傾中心高將對側(cè)傾工況中車輛的控制有利，但過大的側(cè)傾中心高則會對輪距變化產(chǎn)生不利影響，從而加劇輪胎磨損。該指標(biāo)的判斷除了需在K&C研究階段符合設(shè)定范圍外，還需結(jié)合操穩(wěn)中穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況判斷指標(biāo)是否合理。前懸架側(cè)傾工況中，該輕型商用車側(cè)傾中心高如圖14所示。

由圖14可知，側(cè)傾工況側(cè)傾中心高大小為1662 mm，優(yōu)化方案側(cè)傾工況側(cè)傾中心高為1693 mm/mm，對側(cè)傾中心高產(chǎn)生影響較小。側(cè)傾中心高可通過調(diào)整下擺臂外點Z向硬點坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，但會對前束變化率、外傾變化率及輪距變化等多項指標(biāo)有影響。

45 主銷內(nèi)傾角及主銷偏置距

主銷內(nèi)傾角的設(shè)定能夠起到車輪自動回正的作用。麥弗遜懸架的虛擬主銷軸線為減振器上點與下擺臂外點的連接線，主銷內(nèi)傾角可以通過前視圖研究分析，減振器上端靠近車輛內(nèi)側(cè)時，主銷內(nèi)傾角定義為正值，反之，主銷內(nèi)傾角定義為負(fù)值。

主銷偏置距為虛擬主銷軸線和地面的交點至車輪中心面和地面的交點之間的橫向距離。在ADAMS/Car前懸架模型中，主銷偏置距可以通過前視圖研究分析，虛擬主銷軸線和地面的交點處于車輪中心面和地面的交點內(nèi)側(cè)時，主銷偏置距定義為正值，反之，主銷偏置距定義為負(fù)值。

主銷偏置距與主銷內(nèi)傾角的大小有關(guān)，一般期望車輛的主銷內(nèi)傾角為正值，但過大的主銷內(nèi)傾角不但會致使車輛在高速行駛時方向盤產(chǎn)生一定的擺正，加劇了輪胎的磨損，而且轉(zhuǎn)向也會變得沉重，從而影響整車的直線行駛穩(wěn)定性及低速轉(zhuǎn)向回正性能，現(xiàn)階段發(fā)展主銷內(nèi)傾角有越來越小的趨勢。前懸架轉(zhuǎn)向工況中，該輕型商用車主銷內(nèi)傾角及主銷偏置距如圖15和圖16所示。

由圖15和圖16可知，轉(zhuǎn)向工況主銷內(nèi)傾角和主銷偏置距大小分別為1213°和986 mm，優(yōu)化方案不會影響主銷內(nèi)傾角和主銷偏置距。主銷內(nèi)傾角和主銷偏置距指標(biāo)推薦范圍分別為11°～14°和-15～30 mm，符合指標(biāo)期望范圍。主銷內(nèi)傾角可通過調(diào)整下擺臂外點或減振器上點硬點位置進(jìn)行優(yōu)化。

46 主銷后傾角及主銷后傾拖距

主銷后傾角的存在可使車輛在轉(zhuǎn)向時具有回正的穩(wěn)定力矩，使得車輛在高速時具有一定的回正性能。主銷后傾角通過俯視圖定義，減振器上端指向車輛后方時定義為正值，指向前方時定義為負(fù)值。

主銷后傾拖距為虛擬主銷軸線和地面的交點到車輪中心面和地面交點之間的縱向距離，主銷后傾拖距通過俯視圖定義，虛擬主銷軸線和地面的交點處于車輪中心面和地面交點的前方時定義為正值，反之定義為負(fù)值。

主銷后傾拖距與主銷后傾角的大小有關(guān)，一般期望車輛的主銷后傾角為正值，主銷后傾角不宜過大，否則容易使轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生擺振，同時也會造成轉(zhuǎn)向沉重，對側(cè)向力和路面的干擾較為敏感，現(xiàn)階段車輛中主銷后傾角有增大的趨勢。前懸架轉(zhuǎn)向工況中，該輕型商用車主銷后傾角及主銷后傾拖距如圖17和圖18所示。

由圖17和圖18可知，轉(zhuǎn)向工況主銷后傾角和后傾拖距大小分別為3698°和2325 mm，優(yōu)化方案不會對主銷后傾角及主銷后傾拖距造成影響。主銷后傾角及主銷后傾拖距指標(biāo)推薦范圍分別為3°～8°和15～35 mm，符合指標(biāo)期望范圍。主銷后傾角同樣可通過調(diào)整下擺臂外點或減振器上點硬點位置進(jìn)行優(yōu)化。

47 前懸架C特性

懸架的C特性主要考察縱向及側(cè)向力和回正力矩的加載，其指標(biāo)與懸架結(jié)構(gòu)及布置、彈性元件等多方面因素有關(guān)，如縱向力輪心柔度是舒適性強(qiáng)相關(guān)指標(biāo)，其主要與下擺臂舒適型襯套的剛度及空心襯套對應(yīng)方向有關(guān)，一般推薦指標(biāo)范圍2～8 mm/kN；側(cè)向力前束柔度主要與主銷軸線及相關(guān)襯套剛度等有關(guān)，一般推薦指標(biāo)范圍0～05 mm/kN，若前懸架側(cè)向柔度小，說明前懸架的側(cè)向剛度大，則側(cè)偏角大，從而可能會影響整車的不足轉(zhuǎn)向度，同時在階躍或脈沖工況中響應(yīng)越快；回正力矩外傾柔度主要影響輪胎抓地力及整車不足轉(zhuǎn)向度，該指標(biāo)一般控制的很小，推薦指標(biāo)范圍0～1°/（kN·m）。

5 結(jié)語

本文依托于ADAMS/Car軟件針對輕型商用車前麥弗遜懸架進(jìn)行K&C仿真分析，通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)建立仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同硬點布置方案對各工況下相關(guān)指標(biāo)有不同程度影響，分析了各指標(biāo)對輕型商用車整車性能的影響因素及優(yōu)化方法，并給出部分適用于輕型商用車的指標(biāo)合理范圍。研究結(jié)論為后續(xù)輕型商用車后鋼板彈簧非獨(dú)立懸架仿真理論奠定基礎(chǔ)，為輕型商用車整車性能研究做鋪墊。在實際工程中，零部件的制造工藝及裝配誤差等因素也會造成整車R&H性能與虛擬仿真存在差異，因此，后續(xù)可根據(jù)實車情況協(xié)助底盤主觀調(diào)校工程師進(jìn)行多輪優(yōu)化，以實現(xiàn)性能目標(biāo)。

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作者簡介：

程新宇，男，1995年生，助理工程師，研究方向為車輛質(zhì)量監(jiān)督管理。