麥弗遜懸架操穩(wěn)性能優(yōu)化與試驗研究

張貴萬，高發(fā)華，蔣兵，羅明軍

(蕪湖凱翼汽車有限公司,安徽蕪湖 241006)

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麥弗遜懸架操穩(wěn)性能優(yōu)化與試驗研究

張貴萬，高發(fā)華，蔣兵，羅明軍

(蕪湖凱翼汽車有限公司,安徽蕪湖 241006)

為改善某麥弗遜懸架車輛的操穩(wěn)性能，利用動力學分析軟件ADAMS建立麥弗遜多體仿真模型；結合競品車的K & C參數, 通過優(yōu)化懸架前束角和外傾角等關鍵參數指標，對汽車行駛過程中的操穩(wěn)性能進行仿真分析。結果表明：優(yōu)化后，懸架的前束角得到有效改善，尤其是垂直平行工況前束角由-6.8(°)/m減小為-3.5(°)/m，降幅達到49%，大大改善了該車輛的操穩(wěn)特性。最后通過K & C試驗臺試驗對標CAE仿真結果，可知仿真結果與試驗結果吻合較好，誤差控制在15%內。

麥弗遜懸架；K & C特性；操穩(wěn)性能；優(yōu)化；試驗研究

0 引言

麥弗遜懸架具有結構簡單、響應較快、制造成本低、占用空間小、可以與多種型式的彈簧相匹配以及能夠實現(xiàn)車身高度自動調節(jié)等優(yōu)點，在轎車的設計開發(fā)中得到了廣泛的應用。懸架系統(tǒng)性能是由懸架系統(tǒng)的運動學及彈性運動學(Kinematics and Compliance,K & C)特性綜合表現(xiàn)的。運動學特性描述的是車輪上下跳動和轉向時，車輪定位參數的變化；而彈性運動學特性則是描述懸架在承受外力及力矩作用下，車輪定位參數的一些變化特性。K & C特性作為懸架的重要性能，國內外對其進行了很多研究，國外研究的主要內容包括車輪外傾角、前束角、輪距、主銷后傾角及主銷內傾等對汽車穩(wěn)態(tài)轉向特性、直線行駛性能、輪胎磨損和滾動阻力、回正性等性能的影響[1-3]。劉擁軍等[4]在時域和頻域內進行整車操控性客觀仿真試驗，得到了麥弗遜式前懸架影響整車性能的關鍵總成參數及其貢獻率。田海蘭等[5]采用分段方法描述了懸架K & C非線性特性表達式,從而為研究車輛整體性能和進一步了解懸架非線性特性的時域性提供了思路。魏天將等[6]建立某乘用車非線性十四自由度整車動力學模型,并以模型為基礎,采用模糊灰色關聯(lián)分析模型對整車操縱穩(wěn)定性的影響因素進行分析。

通過與競品車型的對比，結合汽車整體布置與其余性能的要求，對開發(fā)車型進行改進優(yōu)化,制定了開發(fā)車型K & C特性目標值，利用ADAMS/Car模塊建立了麥弗遜前懸架模型，通過仿真及試驗分析并優(yōu)化K & C特性，提高工作效率。

1 麥弗遜懸架K & C參數

懸架K & C特性對操縱性中處于核心地位的不足/過度轉向特性、直線行駛時的輪胎磨損有重要影響，同時可反映出懸架和輪胎剛度及遲滯特性[7]。K & C特性主要內容包含懸架幾何運動學特性和懸架彈性運動學特性即車輪發(fā)生垂直位移時懸架幾何引起的其他5個自由度定位變化，簡稱K特性；車輪受力(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mz)時襯套撓曲變形引起的車輪6自由度定位變化，亦稱順從特性，簡稱C特性。

對6款競品車型進行K & C特性試驗，主要試驗工況有垂直運動、垂直側傾、側向力柔順性、回正力矩柔順性、縱向制動，得出K & C特性如表1所示。

表1 競品車型K & C特性參數

綜合競品車的主觀評價及K & C特性，擬定開發(fā)樣車K & C特性目標值如表2所示。

表2 K & C特性參數目標值

2 操穩(wěn)性能仿真及優(yōu)化

2.1 懸架建模

根據開發(fā)車型硬點及懸架參數在ADAMS/Car中進行建模，在建立多連桿懸架運動學模型之前，應作如下簡化和假設：所有結構簡化為剛體，每個剛體在各方向的慣性力為0，且它們之間的連接都為剛性鉸接，在動力學分析過程中忽略鉸鏈在一些方向的力約束真值，運動副間的摩擦力忽略不計，輪胎簡化為柔性體。建模的關鍵是部件之間的約束要正確，采用瞬時軸

線法確定其主銷軸線，得到如圖1所示的麥弗遜式懸架多體動力學仿真模型，滿載時懸架各特性參數如表3所示。彈性元件簡化為線性彈簧，減震器特性曲線如圖2所示。

圖1 麥弗遜式懸架ADAMS模型

軸荷/N7620主銷內傾角/(°)11．5輪距/mm1537主銷后傾角/(°)3．8前輪外傾角/(°)-1．85前輪前束角/(°)-0．5

圖2 減震器特性曲線

2.2 懸架系統(tǒng)仿真

車輪的定位參數對車輛操穩(wěn)性有很大的影響，因此建立麥弗遜式懸架系統(tǒng)模型后，對比優(yōu)化前后前輪前束、車輪外傾角、主銷內傾角以及主銷后傾角的曲線，對麥弗遜式前懸架系統(tǒng)進行初步的評價。

操縱穩(wěn)定性分析采用如下工況：垂直平行及側傾工況、側向力與回正力矩試驗工況、縱向制動工況，結果與目標值對比如表4所示。

由表4可見該開發(fā)車型的K & C特性主要的不足之處是：

(1)在受垂直力作用的情況下，前束的變化趨于過度轉向特性較多；

(2)在垂直側傾工況下，前束趨于過度轉向特性不足；

(3)受側向力情況下，前束變化趨于不足轉向過多；

(4)在回正力矩作用下，前束趨于過度轉向特性過多，外傾角有增大趨勢；

(5)縱向制動工況下，前輪有趨于過度轉向的特性，外傾角有增大趨勢。

表4 K & C特性仿真結果與目標值對比

2.3 懸架系統(tǒng)性能優(yōu)化

目前對于整車操縱穩(wěn)定性的優(yōu)化主要分為兩種:一種方法是通過建立數學模型，選擇優(yōu)化方法,利用計算機求解得到優(yōu)化結果并進行試驗驗證。這種優(yōu)化方法較為全面，可以得出各性能參數對操縱穩(wěn)定性的影響。但是在實際生產實踐中，部分汽車參數可改動的空間很有限，且會影響汽車整體布置與性能，加之優(yōu)化設計時間較長、后期仍需試驗驗證，因此實用性并不高。還有另外一種優(yōu)化方法就是通過開發(fā)車型與競品對標車型的對比，提出整改調整方案并進行驗證，這種優(yōu)化方法效率較高。

因此采用第二種優(yōu)化方法，通過與競品車型的對比，結合汽車整體布置與其余性能的要求，對開發(fā)車型進行優(yōu)化改善，主要采用如下優(yōu)化方案：

方案一：調整連接桿上點；

方案二：轉向拉桿外點下移；

方案三：調整彈簧剛度及T-bar剛度。

分別在ADAMS/Car中進行仿真分析，5種工況結果與原型車對比如圖3—12所示。

(1)垂直平行工況

圖3 前束角變化((°)/m)

圖4 外傾角變化((°)/m)

(2)垂直側傾工況

圖5 前束角變化((°)/m)

圖6 外傾角變化((°)/m)

(3)側向力工況

圖7 前束角柔順性((°)/kN)

圖8 外傾角柔順性((°)/kN)

(4)回正力矩工況

圖9 前束角柔順性((°)/kN·m)

圖10 外傾角柔順性/((°)/kN·m)

(5)縱向制動工況

圖11 前束角柔順性((°)/kN)

從表5可知該車操穩(wěn)性整體得到改善：

(1)前束角得到有效改善。在垂直平行工況由原來-6.8(°)/m降為-3.5(°)/m，降幅為49%，其他工況也都在比較合理的目標值范圍。前束角的降低能夠有效地改善輪胎的磨損，提高輪胎使用壽命，且達到了目標值。

(2)外傾角保持了合理效能。優(yōu)化前后外傾角變化不大，都保證在目標值范圍內，有利于降低汽車直線行駛時的輪胎磨損及保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。

3 懸架性能試驗

試驗用K & C試驗臺采用MTS實驗平臺，如圖13所示，試驗臺為輪胎表面提供了5自由度運動(垂直、側向、縱向、側傾、轉動)，并安裝5自由度的位移傳感器和6自由度的力和力矩傳感器用以測量輪胎位移及受力，同時還有可以測量車輪6自由度的車輪運動傳感器[7-9]。

圖13 K & C試驗臺

通過平臺施加一系列載荷和位移來模擬垂直運動、垂直側傾運動、回正能力、制動等工況，可以得到與車輛懸架性能相關的主要參數，包括前輪前束、車輪外傾角、主銷內傾角以及主銷后傾角等重要參數。

經過分析優(yōu)化，結果如表5所示，可見按照方案三修改的懸架參數基本可達到目標范圍值，且經過實車測試，測試結果與設計定義基本相符，見表6，考慮襯套剛度偏差，實測結果可接受。

表6 仿真優(yōu)化值與試驗值對比

依據表6，通過仿真與試驗對比，雖然存在一定誤差，但多個數據誤差均在15%以內，最終的實測值均在目標值范圍內，滿足了設計要求。汽車性能提升主要為：輪心橫向變形更利于車輛操控；前束/外傾的變化更利于汽車不足轉向特性及直線行駛能力，襯套、彈簧、穩(wěn)定桿及T-bar剛度的調整改善了懸架本身遲滯特性。基于前期的虛擬仿真分析，在后期的操穩(wěn)調校摸底驗證中，懸架硬點匹配基本滿足K & C性能目標要求，未因硬點問題調整懸架結構，根據主觀評價結果僅對彈簧和T-bar剛度等進行了調校及性能提升工作，大大縮短了操穩(wěn)性能的開發(fā)周期，同時也為底盤零部件的提前開發(fā)降低了風險。4 結束語

通過對競品進行K & C試驗，準確開展開發(fā)車型懸架性能目標設定。結合CAE仿真和主客觀評價測試、對標及仿真結果進行精準調校，對不合理部分進行優(yōu)化，最終得到更加符合設計需要的參數值，提升了懸架的整體性能,減少了匹配周期。

(1)通過對競品車的K & C特性試驗，可以獲取對標車輛懸架K & C特性參數范圍，為制定開發(fā)樣車的K & C特性目標提供支持與參考。

(2)通過動力學分析軟件對懸架進行建模仿真，可以較好地進行模擬各種復雜工況的懸架K & C特性分析；通過對計算機模擬分析結果和K & C試驗結果進行對比分析，相互驗證，將計算機模型表達得更加準確，以便后期優(yōu)化分析；

(3)通過計算機模擬結合試驗調教懸架特性，其研究方法具有一定參考意義，提高了懸架開發(fā)效率，且大幅降低開發(fā)成本，完善產品質量。

【1】CASSARA S J,ANDERSON D C,OLOFSSON J M.A Multi-level Approach for the Validation of a Tractor-semitrailer Ride and Handling Model[R].SAE Paper,2004-01-2694.

【2】RAO P S,ROCCAFORTE D,CAMPBELL R,et al.Developing an ADAMS?Model of an Automobile Using Test Data[R].SAE Paper，2002-01-1567.

【3】MORSE P，SAE PA U W.Using K & C Measurements for Practical Suspension Tuning and Development[R].SAE Paper,2004-01-3547.

【4】劉擁軍,王蠡,任凱,等.麥佛遜懸架總成參數對整車操控性能的影響分析[J].汽車技術,2011(8):22-28. LIU Y J,WANG L,REN K,et al.Analysis on Effect of McPherson Subsystem Parameters on Vehicle Handling Property[J].Automobile Technology,2011(8):22-28.

【5】田海蘭,王東方,蘇小平,等.車輛懸架K & C特性分析[J].機械設計與制造,2011,245(7):243-245. TIAN H L,WANG D F,SU X P,et al.Analysis of K&C Performances on Vehicle Suspension[J].Machinery Design & Manufacture，2011,245(7):243-245.

【6】魏天將,趙亮,韋宏法.汽車懸架對整車操縱穩(wěn)定性影響的仿真研究[J].計算機仿真,2015,32(11):193-198. WEI T J,ZHAO L,WEI H F.The Simulation of Automotive Suspension Analysis to Vehicle Handing Stability[J].Compute Simulation,2015,32(11):193-198.

【7】管欣,逄淑一,詹軍.懸架K & C特性在底盤性能分析中的研究[J].汽車技術,2010,413(2):4-8. GUAN X,FENG S Y,ZHAN J.Research of Suspension Kinematics and Compliance on Vehicle Chassis Performance Analysis[J].Automobile Technology,2010,413(2):4-8.

【8】MITSCHKE M,WALLENTOWITZ H.汽車動力學[M].北京:清華大學出版社,2009．

【9】郭孔輝．汽車操縱動力學[M]．長春：吉林科學技術出版社，1991．

Improvement and Experiment on Performance of Vehicle Handling Stability for MacPherson Suspension

ZHANG Guiwan, GAO Fahua, JIANG Bing, LUO Mingjun

(Cowin Automobile Co.,Ltd., Wuhu Anhui 241006, China)

In order to improve the performance of vehicle handling stability for MacPherson suspension, a multi-body simulation model for MacPherson was built with ADAMS software.The K & C parameters of competing vehicle were taken into account in the new vehicle, some key parameters of the suspension (toe angle, camber angle, etc.) were optimized, and the performance of vehicle handling stability was simulated. The results show that it is effective for toe angle of the suspension after optimization, especially in the vertical parallel condition. The toe angle is reduced from -6.8(°)/m to -3.5(°)/m (a drop of 49%). So the handling stability is greatly improved. Contrasting the K & C test with simulation results, the results show that the simulation results agree well with the experimental results, and the error is controlled within 15%.

MacPherson suspension；K & C characteristics; Handling stability; Optimization; Test research

2016-08-24

江西省自然科學基金項目(20142BAB216028)

張貴萬(1981—)，男，研究方向為結構振動與力學分析。E-mail:zhangguiwan1@mychery.com。

羅明軍，E-mail:zhangguiwan1@mychery.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.002

U461.99

A

1674-1986(2016)11-008-05