基于某車型后扭力梁懸架K&C特性分析

吳利廣，景立新，李廣，李雪鵬，張雨，曹嬌嬌

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基于某車型后扭力梁懸架K&C特性分析

吳利廣1，景立新1，李廣2，李雪鵬1，張雨1，曹嬌嬌2

（1.中國汽車技術研究中心，天津 300300；2.河北工業大學機械學院，天津 300130）

為了獲得扭力梁橫梁開口角度、橫梁位置、襯套安裝角度三個因素對于扭力梁懸架K&C性能的影響，通過HyperMesh軟件將建立的扭力梁柔性體導入ADAMS/CAR軟件中進行懸架K&C特性仿真分析，分析得到橫梁開口角度及位置對與懸架的K&C特性影響較大，尤其前束角和側傾中心高度的變化，為扭力梁前期設計提供參考，為后期懸架K&C特性優化提供了方向。

梁橫梁開口角度；橫梁位置；襯套安裝角度；前束角；側傾中心高度

前言

汽車懸架是影響汽車行駛平順性與操縱穩定性等整車性能的重要總成[1]，尤其是車輛經過不平路面時，懸架對于整車的性能影響更加明顯。扭力梁懸架是界與非獨立懸架與獨立懸架之間的半獨立懸架，其扭力梁本身具有彈性，使左右兩側車輪動作具有一定的獨立性。由于扭力梁懸架節約空間、制造成本低等優點，目前，被廣泛應用于各種經濟型轎車及SUV車型中。扭力梁懸架中橫梁起到穩定桿作用，在惡劣工況下，對車身側傾及轉向側傾能力具有較穩定作用[2]，當車輛遭受惡劣工況下的轉向、制動行駛時，考慮載荷轉移的作用，需要合理的橫梁開口方向及位置。

本文基于某車型的三維模型，通過模態分析法建立扭力梁柔性體，導入ADAMS/CAR軟件中建立后扭力梁懸架剛柔耦合模型，分別分析了橫梁開口方向、橫梁位置、襯套安裝角度三個因素對于懸架K&C特性的影響。

1 扭力梁動力學分析

1.1 扭力梁后懸架模型

扭力梁式懸架中彈性元件為螺旋彈簧，有一根整體的V形斷面橫梁，橫梁兩端焊接上變截面的管狀縱臂形成一個整體構架。縱臂前端通過橡膠襯套與車身作鉸接，縱臂后端與輪轂及減震器相連[3]。汽車行駛通過不同路面時，扭力梁懸架通過扭力梁彎曲與扭轉變形將力傳遞給車身。

車輛行駛時，車輪連同扭力梁后軸體相對車身以縱臂前端橡膠襯套為支點上下擺動，縱臂前端的橡膠襯套是不對稱的橡膠楔形結構，徑向的剛度小，軸向剛度大；當橫梁兩側懸架變形量不相同時，扭力梁后軸體的V形斷面橫梁出現扭轉變形，因此，扭力梁懸架的V形斷面橫梁應具有較大彈性，起到橫向穩定桿作用。

1.2 扭力梁后懸架K&C特性分析

懸架系統的多體動力學主要包括懸架運動學與彈性運動學(Kinematics ＆Compliance)，其中懸架運動學指在懸架彈簧元件變形及車輪轉向時車輪定位參數與懸架垂直剛度的變化;彈性運動學(Compliance)指車輪和路面之間產生的力和力矩，導致的車輪定位參數與懸架剛度的變化[4]。懸架K特性主要影響車輛的平順性能，C特性主要影響車輛的操縱穩定性能。懸架K＆C 特性主要工況包含平行輪跳工況、側傾工況、同向（反向）側向力工況、同向（反向）回正力矩工況、縱向力工況、轉向工況。相關參數主要涉及前束角變化、側傾剛度變化、懸架側傾中心高度等參數。

前束角是指從車輛縱向方向看的中心平面和輪輞的中心平面以及地面交線間的夾角。若車輪的前端向汽車縱向中心平面傾斜，則為正前束；反之為負前束。若從車輛行駛方向看，則前束角大小與車輪的側偏角一樣[5]。對于設置前束角的汽車，車輪的布置方式為：對稱于汽車縱向中心平面斜向布置，從而使汽車具有較好的直線行駛性能，避免發生車輛跑偏現象。輪胎發生跑偏會加劇輪胎磨損，導致車輛滾動阻力增加，為了避免發生跑偏現象，平行工況下，前束角變化應該較小。對于后懸架來講，車輪上跳時前束角增大，車輪下調時，前束角減小，從而保證汽車轉彎時后軸產生不足轉向。與前輪相比，后輪前束角變化率對于汽車穩態回轉的影響更大。

圖1 扭力梁側傾受力模型

懸架側傾中心指車軸橫斷面內的一點，在懸架側傾中心處對車身施加側向力，汽車簧上質量不會出現角位移變化，由于它是車軸處車身橫斷面轉動的瞬時中心，懸架側傾中心又被稱“瞬心”[6]。車輛轉彎時，車輛載荷產生橫向轉移，由于離心力的作用，車身會發生繞側傾中心的側傾，從而導致車身的側傾力矩發生變化。對于扭力梁懸架，當車輛進行曲線行駛時，扭力梁懸架的橫梁產生扭轉，增加了懸架側傾角剛度、減小車身側傾角，起到提高車輛操縱穩定性的作用，扭力梁側傾受力如圖1所示。

扭力梁橫梁扭轉力矩T由兩對力偶產生：

式中：

a—橫梁距扭力梁與車身安裝點的縱向距離；

b—橫梁距后輪輪心得縱向距離；

C—為后輪輪距；

d—為扭力梁與車身連接點左右側距離；

θ—橫梁兩端相對扭轉角

側傾中心高度越大，側傾中心到質心位置的距離越短，使側傾力臂和側傾力矩小，最終獲得較小的車身側傾角，減小汽車橫向的載荷轉移，有利于車輛的瞬態轉向性能，但如果側傾中心過高，導致車身發生側傾時輪距變化過大，加劇了輪胎磨損，導致汽車直線行駛性能降低；側傾中心降低，輪距變化大，形成負外傾角，提高承受側向力能力，但會使懸架上跳極限減小。因此，懸架側傾中心高度需要有合理的范圍，一般前獨立懸架側傾中心高度范圍0~120mm，后獨立懸架范圍80~150mm，后扭力梁懸架側傾中心高度偏大，在100~150mm左右。

側傾中心高度H：

式中：

Δ—輪距變化；Δ—輪跳行程；—輪距

2 扭力梁懸架K&C仿真分析

基于某后懸架采用扭力梁的小型轎車，進行懸架K&C仿真分析，通過選取不同的橫梁開口角度、橫梁位置及扭力梁與車身襯套的安裝方向來進行對比分析，該樣車的后懸架主要設計參數如表1所示。

表1 設計參數

本文通過CATIA軟件將已建立好的不同扭力梁的三維模型導入到有限元處理軟件Hypermesh中，對后扭力梁模型進行網格劃分，并設置網格屬性。然后將建好的柔性體模型導入到ADAMS/CAR軟件中，建立后扭力梁懸架的剛柔耦合多體動力學模型，進行K&C特性仿真。將K&C仿真結果與K&C試驗數據進行對比，驗證了模型的準確性。

原模型后扭力梁橫梁開口向下，將橫梁位置順指針轉動90度、180度；逆時針轉動90度進行K&C對比分析，將原橫梁位置沿車身縱向前移50mm、后移50mm進行K&C分析對比；將縱臂安裝襯套旋轉45度、90度、135度進行K&C分析對比。

2.1 橫梁開口方向

本節對不同開口方向的橫梁扭力梁懸架分別進行懸架K&C仿真分析，扭力梁懸架結構如圖2所示，對K&C仿真結果中相差較大的曲線進行分析：

圖2 不同開口方向橫梁的扭力梁懸架

圖3 平行輪跳工況前束變化

圖4 側傾工況輪胎接地點側向位移

圖5 側傾工況前束角變化

圖6 側傾工況側傾中心高度

圖7 反向側向力前束變化

圖8 同向側向力側傾中心高度變化

平行輪跳工況及側傾工況下，懸架前束角變化區別明顯，平行輪跳工況下橫梁開口方向向前和向后的前束角變化率明顯減小，不利于汽車的不足轉向；側傾工況中，前束角變化均與原變化方向相反，導致車輛的過度轉向，不利于車輛的換道行駛性能；輪胎接地點側向位移相差明顯，當橫梁開口方向向上時，輪胎接地點側向位移為正變化率，加劇輪胎磨損；側傾工況和反向側向力工況下，懸架側傾中心高度均降低，且橫梁開口方向向上時，側傾中心高度為零及負值，不利于汽車的穩態轉向性能。

2.2 橫梁位置

扭力梁懸架為半獨立懸架，即復合式懸架，其中橫梁位置越靠前，懸架性能越接近于獨立懸架，反之，橫梁越接近輪心處，懸架性能越接近于非獨立懸架，由于受結構限制，本節將橫梁位置前移50mm和后移50mm，與初始位置進行對比分析，結果圖如下：

圖9 反向側向力前束角變化

圖10 同向側向力側傾中心高度

同向側向力工況下，前束角及側傾中心高度變化明顯，結果可為模型優化提供參考。

2.3 襯套安裝方向

車輛轉向時，如果不考慮側向載荷轉移，即左右輪的輪胎接地點所受側向力相同，則作用在輪胎接地點的力可以分解為作用在連接車身的襯套處的側向力和作用在扭力梁橫梁的力矩，作用在襯套處的力有利于提高車輛的不足轉向。由于車身連接處的襯套采用大襯套，X向、Y向的剛度不同，本節通過將襯套轉動不同的角度，研究襯套對于后扭力梁懸架K&C特性的影響。

圖11 同向側向力工況前束變化

圖12 同向側向力工況側向柔度

圖13 同向縱向力工況縱向柔度

縱臂梁與車身連接處襯套的轉動角度對于懸架K特性影響非常小，對懸架C特性有影響，由上圖可知，襯套安裝方向對于側傾工況下的前束角變化及剛度變化影響較大，側向力工況的前束角變化應與側向力作用方向一致，變化梯度為正，有利于車輛的不足轉向。縱向工況的剛度變化影響車輛的俯仰姿態，影響整車的平順性能。

3 結論

（1）扭力梁懸架的橫梁開口方向對于懸架K&C特性影響明顯，可以通過調整開口方向，改善懸架前束角及側傾中心高度變化，從而優化車輛的整車性能。

（2）扭力梁懸架的橫梁位置對于懸架的側傾中心高度影響較大，可以為前期懸架設計提供參考。

（3）本論文通過改變橫梁位置及開口方向，研究其對懸架K&C特性的影響，沒有對扭力梁進行強度及壽命分析，后期可以加入扭力梁的有限元分析，以及研究橫梁對于整車性能的影響。

[1] 上官文斌,田子龍,王小莉.汽車懸架系統中的橡膠—金屬橡膠[J]. 現代零部件,2009（6）:86-88.

[2] 廖抒華,蘇海亮.扭力梁優化分析及動特性研究[J].機械設計與制造,2015（4）:74-80.

[3] 陳家瑞,馬飛天.汽車構造（下冊）[M].北京:人民交通出版社. 2006: 249-230.

[4] 孫海洋.基于整車操縱穩定性的懸架K＆C特性指標分析研究［D］.長春:吉林大學, 2012.

[5] M.米克奇,陳萌三譯,汽車動力學（第二版）C卷,北京:人民交通出版社,1997,第一版.

[6] 馬建軍,徐國興,童永.一種雙橫臂懸架側傾中心的計算和分析[J].合肥工業大學學報（自然科學版）.1999(4):132-136.

Analysis of K&C of Torsion Beam Suspension Based on a Vehicle Model

Wu Liguang1, Jing Lixin1, Li Guang2, Li Xuepeng1, Zhang Yu1, Cao Jiaojiao2

( 1.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300; 2.School of mechanical engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130 )

In this paper, through the flexible body of torsion beam established by HyperMesh is introduced into ADAMS/CAR software for simulation of suspension K&C characteristics.The influences of three factors, such as the opening angle of the beam, beam position and bush installation angle, on the K&C performance of the suspension are obtained.The analysis shows that the opening angle and position of the beam have a great influence on the K&C characteristics of the suspension, especially the change of toe angle and height of the roll center,andprovides a reference for the design of the torsion beam at early stages and a direction for the suspension K&C characteristics optimization in late period.

the opening angle;beam position;bush installation angle;toe angle;height of the roll center

A

1671-7988(2018)18-132-04

U463

A

1671-7988(2018)18-132-04

CLC NO.: U463

吳利廣，工作單位：中國汽車技術研究中心、職稱：工程師研究方向：汽車底盤性能開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.045