扭轉(zhuǎn)梁后懸架C特性對轉(zhuǎn)向特性的影響分析

段守焱

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

目前，國內(nèi)乘用車保有量最大的A級車，其懸架組合形式是前麥弗遜后扭轉(zhuǎn)梁，扭轉(zhuǎn)梁后懸最大的優(yōu)點是可增加汽車后部乘客空間利于整體布置，最大的缺點是存在過度轉(zhuǎn)向趨勢，因此如何避免或減輕扭轉(zhuǎn)梁后懸的過度轉(zhuǎn)向特性一直都是工程師努力解決的問題。文章以某乘用車扭轉(zhuǎn)梁后懸架展開為例，分析扭力梁后懸架側(cè)向力C特性對轉(zhuǎn)向特性的影響。

1 扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)及動力學(xué)模型

對于國內(nèi)A級以下的車型來說，懸掛系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于后懸掛的設(shè)計和匹配[1]。現(xiàn)代輕型轎車A級以下車型大部分都采用縱臂扭轉(zhuǎn)梁后懸架。文章研究的汽車后懸架就是采用這種結(jié)構(gòu)形式，為了快速精確的建立扭轉(zhuǎn)梁模型來研究其對轉(zhuǎn)向的影響，文章采用模態(tài)綜合法快速建立扭轉(zhuǎn)梁柔性模型，將得到的模態(tài)中性文件導(dǎo)入Adams/Car，建立扭轉(zhuǎn)梁后懸架模型，如圖1所示。懸架裝配建好后還需進行加載懸架彈簧及襯套預(yù)載，使得模型設(shè)計載荷與實車受力一致，同時還需要將輪胎前束和外傾等參數(shù)設(shè)置到設(shè)計狀態(tài)值。

2 扭轉(zhuǎn)梁模型扭轉(zhuǎn)剛度驗證

對建立的模型采用有限元法與對標車K&C試驗結(jié)果對比，建立的扭轉(zhuǎn)梁側(cè)傾剛度計算模型，如圖2所示。

圖3示出扭轉(zhuǎn)梁后懸Adams仿真、Abaqus分析及對標車K&C試驗結(jié)果的側(cè)傾剛度對比。從圖3可以看出，3種方法得到的扭轉(zhuǎn)梁側(cè)傾剛度完全一致，表明模型精度較高。

3 側(cè)向力C特性仿真分析與優(yōu)化

3.1 側(cè)向力C特性分析

對于縱臂扭轉(zhuǎn)梁后懸，對轉(zhuǎn)向最具影響的就是側(cè)向力C特性。在側(cè)向力作用下產(chǎn)生輪心連線的偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生側(cè)向力轉(zhuǎn)向。偏轉(zhuǎn)的方向加劇了轉(zhuǎn)向，使得汽車有過度轉(zhuǎn)向的趨勢，如圖4所示。但通過合理的布置，縱臂與車身安裝點襯套的方向與剛度可以削弱這種過度轉(zhuǎn)向趨勢。

圖5示出后懸架前束側(cè)向力特性。原型車與對標車有相同的變化趨勢，兩車都有一定程度的過多轉(zhuǎn)向趨勢，原型車的這種過多轉(zhuǎn)向趨勢較大。這種特性是扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)形式存在的缺點，因此應(yīng)盡量將前束側(cè)向力C特性設(shè)計為正特性，轎車的同向前束側(cè)向力特性系數(shù)的絕對量應(yīng)該控制在0.02°/kN以內(nèi)。從這個范圍考慮，原型車的前束側(cè)向力特性應(yīng)重新匹配。

圖6示出原型車與對標車的側(cè)向剛度對比，兩者剛度大小基本一樣，都接近于500 N/mm，都在設(shè)計范圍內(nèi)，在可行的情況下，可考慮適當增大。圖7示出同向側(cè)向力外傾特性，原型車與對標車有相同的變化趨勢，且外傾隨側(cè)向力變化更小，從輪跳運動學(xué)外傾變化應(yīng)有一個負特性變化來考慮，該正特性不利于提供車輪最大附著能力，變化應(yīng)盡可能小，故特性相比對標車更優(yōu)。

3.2 襯套優(yōu)化結(jié)果對比

圖8示出優(yōu)化前后側(cè)向力前束特性對比，通過襯套參數(shù)的合理匹配，使得該特性有顯著的改善，其特性值為0.018°/kN，比對標車有更好的特性變化，滿足了設(shè)計要求（0.02°/kN以內(nèi)），大大改善了扭轉(zhuǎn)梁后懸架過多轉(zhuǎn)向的趨勢。

圖9示出后懸架同向側(cè)向力側(cè)向位移特性。側(cè)向力側(cè)向位移特性反映的是懸架側(cè)向剛度的一個特性值，從圖9中可以看出，優(yōu)化前后變化很小，優(yōu)化后更接近于對標車。綜上，在可行的情況下，可適當增加側(cè)向剛度，但原型車與對標車都已滿足扭梁結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計要求，為了協(xié)調(diào)其它特性的改善，故在優(yōu)化時，盡可能保持該特性不變。

對于扭轉(zhuǎn)梁半獨立懸架，外傾角的變化很小，其變化主要決定于扭轉(zhuǎn)梁的柔性。這種特性類似于非獨立懸架，有利有弊。隨側(cè)向力增加，外傾角增加的這種變化趨勢不利于過彎時提供最大的附著能力[2]，應(yīng)盡可能減小其特性值，事實上，襯套剛度及安裝方向?qū)λ挠绊懞苄　D10示出側(cè)向力外傾角變化特性，從圖10中可以看出，優(yōu)化后對特性影響甚微，基本無變化，且隨側(cè)向力變化很小，特性合理。

3.3 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的影響分析

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗的目的是測定汽車對方向盤轉(zhuǎn)角輸入達到穩(wěn)定行駛狀態(tài)時汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺響應(yīng)，我國主要采用定方向盤轉(zhuǎn)角試驗法[3]。按GB/T 6323.6—94固定方向盤轉(zhuǎn)角，仿真中汽車以最低車速3 m/s開始沿初始半徑為15 m的圓周行駛，初始側(cè)向加速度為0.6 m/s2，然后緩慢加速（加速度為 0.25 mm/s2），直到側(cè)向加速度達到6.5 m/s2終止仿真試驗。

對于不足轉(zhuǎn)向的汽車，隨著車速的增加，轉(zhuǎn)彎半徑越來越大。圖11示出整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)運動軌跡，從圖11可以看出，原模型呈中性轉(zhuǎn)向，第1圈軌跡半徑基本不變，呈中性轉(zhuǎn)向，只有到了第2圈大的側(cè)向加速度下才呈現(xiàn)一定的不足轉(zhuǎn)向趨勢；而優(yōu)化后的模型較原模型回轉(zhuǎn)半徑增大明顯，有明顯的不足轉(zhuǎn)向趨勢。

從過多轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的機理來看，其根本原因是整車轉(zhuǎn)向過程中，后輪產(chǎn)生的側(cè)偏角大于前輪產(chǎn)生的側(cè)偏角[4]，即：α1-α2＜0。

式中：α1，α2——前后軸側(cè)偏角，（°）；

R——轉(zhuǎn)彎半徑，m；

R0——初始轉(zhuǎn)彎半徑，m；

L——軸距，m。

曲線α1-α2與αy的關(guān)系曲線主要反映不足轉(zhuǎn)向度，如圖12所示。當側(cè)向加速度絕對值＜4 m/s2時，優(yōu)化前后整車前后側(cè)偏角之差相對于側(cè)向加速度為近似線性關(guān)系；當側(cè)向加速度絕對＞4 m/s2時，呈非線性增長，這時汽車不能維持圓周行駛，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向半徑迅速增大的情況。這是輪胎側(cè)偏特性已進入明顯的非線性區(qū)域的緣故。另外可以看出，優(yōu)化后的關(guān)系曲線在線性段斜率較大，較優(yōu)化前不足轉(zhuǎn)向趨勢得到顯著改善。

4 結(jié)論

文章通過精確建立扭轉(zhuǎn)梁柔性模型，并進行側(cè)向力C特性的研究發(fā)現(xiàn)：原型車側(cè)向力C特性存在較大的過多轉(zhuǎn)向趨勢。通過對扭轉(zhuǎn)梁安裝襯套剛度的優(yōu)化，使得側(cè)向力前束柔性與試驗一致，削弱了過多轉(zhuǎn)向趨勢，提高了整車的不足轉(zhuǎn)向度。研究表明：側(cè)向力前束特性對后懸基于扭梁結(jié)構(gòu)的整車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性影響較大，設(shè)計盡可能設(shè)計為具有不足轉(zhuǎn)向特性，同時為提高整車不足轉(zhuǎn)向提供了優(yōu)化方向。