麥弗遜懸架的設計及其優化

梁媛媛，龍道江

（江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230009）

麥弗遜懸架的設計及其優化

梁媛媛，龍道江

（江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230009）

懸架的KC特性是整車性能的重要組成部分，針對前期整車開發效率低、繼承性高的特性，本文運用ADAMS/Car建立了帶轉向系統、副車架子系統的前麥弗遜懸架系統剛柔耦合模型，并進行了懸架運動學仿真，通過仿真和實車數據的對比，驗證了模型的正確性，對懸架硬點進行靈敏度分析，得到了各硬點的位置變化對目標值的影響和貢獻量，在充分考慮性能、成本以及零部件可實現性等方面的因素，通過調整懸架部分硬點，在保證懸架整體性能的基礎上，對前麥弗遜懸架進行多目標的優化，提高整車開發效率。

剛柔耦合模型；懸架硬點；靈敏度分析；仿真優化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.019

CLC NO.: U463.33+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-54-04

引言

汽車懸架系統對汽車性能(操縱穩定性、行駛平順性等)有非常重要的影響。汽車懸架系統的空間機構是比較復雜，并且車輛的運動工況是多種多樣的，在實際行駛過程中會有各種各樣的外在激勵及內在控制，由于這些的存在，因此在給懸架的運動學與彈性動力學的分析時會帶來大的困難。

在懸架系統中KC特性不但對整車舒適性和操縱穩定性影響都很大，是懸架的靈魂，其中懸架硬點特別是關鍵點對KC特性中各種曲線的影響較大，在懸架的設計開發中，懸架的關鍵點的選取非常重要，一旦懸架的關鍵硬點如取得不合理，在汽車的開發過程中會出現難以估計的麻煩，一般工程師在開發前期都會最先確定懸架的硬點，懸架的硬點位置很多，如何在合理的范圍內調整硬點是非常重要的。

在懸架的性能分析中，一般先建立懸架動力學模型，仿真得到各KC特性曲線，根據仿真值確定懸架KC特性中不滿足要求的因素，然后對這些因素進行優化。在優化懸架時，一般先對懸架的關鍵性硬點進行靈敏度分析，分析出影響某些K&C特性的關鍵因素，根據這些影響因素，結合實車實際情況合理地調整硬點，最終使該懸架的KC特性達到最優。

本文結合某SUV實車開發過程中前麥弗遜懸架KC特性，根據具體的實際情況，對前懸架硬點進行靈敏度分析，并對該懸架硬點進行優化設計。

1、麥弗遜懸架剛柔耦合模型的建立

利用ADAMS/Car建立了前麥弗遜懸架系統的動力學模型，該車前懸架動力學模型由懸架子系統、轉向子系統、前副車架子系統、穩定桿子系統組成。

該懸架子系統可以簡化為控制臂、彈簧、減振器、轉向節、轉向節立柱等，各部件通過連接副、襯套組成一個完整的子系統；該車型轉向子系統采用齒輪齒條機構，其最大轉向角為1173.6°，最大齒條位移為153.5mm，通過計算得到傳動比為0.13337329rad/mm；橫向穩定桿直徑為21.5mm；該車型副車架通過四個襯套與控制臂和車身相連，在Hypermesh中對副車架進行有限元建模，以.MNF模態中性文件導入ADAMS/car。四個子系統組成前懸架運動學模型，各子系統之間用通訊器進行連接。

某車型的前懸架結構見圖1所示。

圖1 前懸架結構圖

表1 四輪定位參數設計值

圖2 前麥弗遜懸架動力學模型

建立某車型懸架模型時的四輪定位參數設計值見表1所示，關鍵點硬點坐標見表2所示，模型中的相關襯套、減振器、彈簧特性曲線根據實車設計值輸入到模型中，在多體動力學模型中橫向穩定桿一般建成柔性體，對前副車架進行自由模態和約束模態分析計算，計算頻率在200HZ以內，故將前副車架進行柔化，在Hypermesh中對副車架、穩定桿進行有限元建模，以.MNF模態中性文件導入ADAMS/Car中，建立的前麥弗遜懸架動力學模型見圖2所示。

表2 前懸架關鍵點坐標

2、懸架模型的驗證

懸架系統K&C試驗就是在臺架上模擬道路激勵導致的懸架運動，近年來隨著計算機仿真技術的發展，已經可以運用軟件對懸架系統K&C特性進行仿真，仿真結果已經能夠較好的和試驗結果吻合。

懸架總成的K&C特性主要包括軸跳動、軸側傾、縱向力加載、側向力加載和回正力矩加載5大工況特性，車輪外傾角、主銷內傾角、主銷后傾角、前束角是各加載情況的重要的評價指標。

圖3 平行輪跳前束角變化曲線

圖4 平行輪跳外傾角變化曲線

本文選用滿載情況下車輪上下跳動同向激振試驗加載為-70mm～+70mm，以及縱向力加載試驗加載力為-1200N～1200N，得到車輪前束角、車輪外傾角、輪心變化等參數隨車輪跳動、縱向力加載的變化特性曲線。并將仿真值和實車K&C曲線作對比，驗證懸架模型的準確性，其中實線為仿真值，虛線為試驗值。

圖5 縱向力加載輪心變化曲線

圖6 縱向力加載前束角變化曲線

從圖3至圖6可以看出，該懸架雙輪同向跳動試驗和同向縱向力加載試驗中仿真曲線和實車試驗曲線的跳動趨勢相同，兩者吻合度較高，驗證了該模型的準確性，所建的模型能夠進一步的優化分析。

3、麥弗遜懸架硬點的靈敏度分析

懸架總成的K&C特性主要包括軸跳動、軸側傾、縱向力加載、側向力加載和回正力矩加載5大工況特性，每種工況下都有若干項參數指標，各項K&C參數對影響程度各不相同。車輪跳動時懸架運動學特性指標的變化是懸架結構布局好壞的量化體現，而對于懸架結構布局而言，懸架關鍵點坐標則是最為重要的參數。本文結合實際項目要求，分析懸架關鍵點坐標對懸架運動學特性的影響，從而得到各個特性指標相對敏感的關鍵點坐標，最后進行優化分析。

3.1 選取設計變量和約束條件

本文根據項目實際情況，設計變量方面，選取以設計初始值為中心，按初始值增減一定比例得到參數的變化范圍，得到相關硬點參數的影響因素，將變量范圍設計成-5mm～ 5mm。通過Adams/Insight對麥弗遜前懸架關鍵點參數進行考察，選取控制臂的前后外端點、減振器的上下端點、彈簧的上下端點、轉向橫拉桿的內外端點這9個硬點的x 、y、z 的3個方向坐標值作設計變量。以靈敏度為依據，確定較為敏感的變量。靈敏度公式可表示為：

其中，S為靈敏度，Yiα為參數i 取下限值α時的負向峰值，Yiβ為參數i取上限值β時負向峰值，Yi0為模型初始狀態下的負向峰值。

3.2 靈敏度分析

在Adams/Insight模塊中進行設置，將前束角、外傾角、縱向位移和側向位移的絕對最大值作為分析目標，應用DOE Screening (2-level)方法創建設計矩陣，設置Fractional Factorial設計類型后進行分析，得到懸架硬點靈敏度分析結果如圖7至圖10所示。

圖7 輪跳過程中前束變化靈敏度

從圖7可知，影響前束角變化最大的是橫向拉桿外點Z坐標，靈敏度為22.32%，且為正效應，其次是橫向拉桿內點Z坐標，靈敏度為-18.68%，為負效應，然后是控制臂前端點的Z坐標、控制臂外端點的Z坐標以及減振器上端點Z坐標，其余各點的影響較小。

圖8 輪跳外傾角變化靈敏度

圖9 縱向力加載前束角變化靈敏度

圖10 縱向力加載輪心坐標變化靈敏度

從圖8可知，影響外傾角變化最大的是控制臂前端點Z坐標，靈敏度為10.78%，為正效應，其次是控制臂外端點Z坐標以及減振器下端點Y坐標，其余影響較小。

從圖9可知，在縱向力加載情況下，對前束角影響最大的是轉向橫拉桿外點X坐標，靈敏度為-12.93%，為負效應，其次是控制臂外點X坐標，靈敏度為12.05%，為正效應，其余影響較小。

從圖10可知，在縱向力加載情況下，對縱坐標影響最大的是下擺臂后點X坐標，為負效應，其余影響較小。

4、麥弗遜懸架綜合優化分析

4.1 懸架硬點優化分析

在某車型的設計仿真中，發現該車在輪跳過程中輪心縱向位移不滿足設計值要求，在縱向力加載試驗中前束的變化以及輪心縱向力變形達不到要求，在不影響其余KC因素情況下重點需要優化以上幾處目標值。

圖11 硬點位置的變化

根據得到的敏感度結果，提出了三種方案。方案如表3所示，方案一：限制硬點在一定范圍內變化；方案二：不限制硬點，使不滿足要求的K&C值達到最優，KC曲線中的其他值也能達到設計要求，方案二調整的硬點較多、范圍較大；方案三：折中優化方案。綜合考慮KC、整車性能及成本影響，最終前懸硬點選擇采用折中優化方案三。

表3 麥弗遜懸架硬點調整方案

4.2 懸架優化前后KC對比

懸架通過硬點靈敏度分析，在綜合考慮KC、整車操縱穩定性、制造成本的基礎上對前懸架的硬點進行了優化，優化后使前懸架KC性能能達到設計期望值的要求。根據該車型前懸架設計的上下跳行程，優化懸架部分KC仿真數據對比如表4所示，仿真如圖12到圖17，其中實線為優化前，虛線為優化后。

圖12 同向跳動前束角優化對比圖

圖13 同向跳動外傾角優化對比圖

圖14 同向跳動輪心縱向位移變化優化對比圖

圖15 縱向力加載前束變化優化對比圖

圖16 縱向力加載輪心變化優化對比圖

圖17 縱向力加載輪心變化優化對比圖

表4 優化前后部分kc值結果對比

通過對懸架的硬點優化，在保證其他KC性能的情況下，可知：

輪跳過程中，懸架的前束角和外傾角參數優化前后變化不大，優化后該值可以接受，輪心縱向位移得到大大的改善，優化前該值為71mm/m，優化后為34.5mm/m，優化后滿足要求。

縱向加載情況下，縱向力輪心變化、前束變化得到改善，達到指導值要求；側向力加載情況下，側向力輪心變化能夠滿足設計指導值的要求。該懸架性能的優化為后期整車性能的提高打下了基礎。

5、結論

本文清晰地對某SUV前麥弗遜懸架硬點進行靈敏度分析，確定對該懸架硬點的影響因素；通過仿真分析，發現該懸架某些KC性能不合格，以該懸架不合格的KC因素為目標，對懸架的K性能和C性能進行多目標的優化，在充分考慮性能、成本以及可實現性等方面的因素，通過調整懸架部分硬點使懸架的性能滿足設計要求，各工況性能達到最優；多目標的優化使懸架在設計過程中各性能更加平衡，提高懸架硬點和襯套剛度在開發階段的效率，為后期整車性能的開發提供保證，節省了時間、保證了資源。

[1] 耶爾森.萊姆帕爾.汽車底盤基礎[M].北京：科學普及出版社，1992.

[2] 陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例.北京：中國水利水電出版社,2008.

[3] 高晉.基于虛擬樣機技術的懸架K&C特性及其對整車影響的研究[D]. 吉林:吉林大學,2010.

[4] Yang X, Medepalli S. Sensitivities of suspension bushings on vehicle impact harshness performances[R]. SAE Technical Paper, 2005.

[5] Hahn Y. Kinematics and Compliance (K & C) Simulation Using a Nonlinear Finite Element Model[J]. SAE Technical Paper, 2010.

[6] Hahn Y. Kinematics and Compliance (K & C) Simulation Using a Nonlinear Finite Element Model[J]. SAE Technical Paper, 2010.

[7] 雯桑.汽車懸架運動學.彈性運動學ADAMS仿真分析[D] .同濟大學碩士學位論文,1999.

Designation and Optimization of Macpherson Suspension

Liang Yuanyuan, Long Daojiang
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230009）

The Suspension KC characteristics is an important part of vehicle performance, for the features of inefficiency and high succession, the model of rigid-flexible coupling of front macpherson suspension with Steering and subframe system is built by applying software ADAMS/Car, and the simulation of suspension is carried out, by comparing the simulation and real test, the correctness of the model is verified,the sensitivity analysis is made of the suspension hard points, the influence and contribution of the hard points to the indexes are obtained through sensitivity analysis.by considered of the factor of the performance and cost and feasibility of the parts, by adjusting of the suspension hardpoints,based on the suspension Performance, front macpherson suspension is optimizd about multiple target, efficiency of the vehicle development is improved.

rigid-flexible model; suspension hardpoints; sensitivity analysis; Simulation and optimization

U463.33+1

A

1671-7988 (2016)12-54-04

梁媛媛，就職于江淮汽車股份有限公司。